최근에 RFID, OLED, 유기태양전지, 유기광소자와 같은 유기물 전자소자가 인쇄공정성, 유연성, 저가격화 등의 성질 때문에 많은 각광을 받고 있다. 2002년 호우스덴 그룹에서는 ICs 뿐만 아니라 비아홀, 인터커넥션까지 MID 공정으로 인쇄한 결과를 발표하였다. 그들은 MID 방법으로 유기물 금속 및 절연소재을 이용하여 인터커낵션을 형성하였고, 이 공정으로 전자소자를 개발하였다.
본 연구는 잉크젯 프린팅을 이용하여 제작된 무선 MID 소자를 평가하는 프로그램에 관한 것이다. 이에 개발되어 이전 예정인 기술은 다음의 세가지 세부 기술로 구성되어 있다:
ㅇ 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 통신기능
ㅇ 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 측정기능
ㅇ 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 시험평가: 메모리가 없는 인쇄 무선 MID 태그
ㅇ 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 시험평가: 유기 메모리를 갖는 인쇄 무선 MID 태그
인쇄전자(Printed Electronics)는 인쇄기술을 통해 전자소자 및 부품 혹은 모듈을 만들어내는 것을 말한다. 즉 도전성(Conductive) 또는 기능성 잉크를 플라스틱이나 종이, 헝겊 등 기판(Substrate)에 인쇄하여 원하는 기능의 제품을 만드는 것이다. 인쇄전자 공정에서는 필름과 같은 유연한 재료를 활용하여 회전롤에 감아 인쇄하는 방식(Roll-to-roll, R2R)이 가능한데 이러한 공정은 대면적 및 고속 대량 생산에 적합하기 때문에 생산 비용을 기존 공정 대비 1/10 수준까지 줄일 수 있다. 또한 기존 실리콘 기반 공정에서 쓰고 버리는 재료나 독성 물질의 사용량, 에너지 소비 등도 대폭 줄일 수 있어 환경 친화적인 특징도 있다.
MID 기술은 더 작은 전자 기기와 더 우수한 장치 기능을 끊임없이 추구하는 지금과 같은 추세에서 공간을 극대화하고, 비용을 절감하고, 무게를 줄이고, 기능을 늘릴 수 있는 기술로 고객 사양 소형 커넥터, 안테나, 센서 등을 제작하기 위한 엔지니어링 및 제조 기술이다.
RFID와 NFC는 개별물품(Item level), 케이스 그리고 Pallet등에 부착되어 있는 태그로부터 전파를 이용하여 부착물의 정보를 수집, 저장, 가공, 추적함으로 사용자에게 물품에 대한 다양한 서비스를 제공한다. 이러한 기술은 바코드를 대체하여 상품관리를 네트워크화, 지능화함으로써 유통 및 물품 관리뿐만 아니라 security, safety, 환경관리 등에 혁신을 선도할 것으로 전망되며 RFID의 보급은 사물의 정보화를 위한 첫걸음이며 이를 기반으로 다양한 어플리케이션의 개발과 기능의 고도화가 진전되어 산업화/정보화에 크게 기여할 것으로 사료된다.
<그림2>. 적용대상에 따른 무선 RFID의 다양한 활용 예
현재 RFID 태그(NFC 포함)는 대부분 실리콘 기반이며, 실제 마트나 상점에서는 바코드가 더욱 일반적인데, RFID 태그 가격이 개당 0.2 달러 수준인데 비해, 바코드는 이보다 1/100 이하 수준으로 저렴하다. 인쇄전자를 통해 RFID 태그의 가격을 현재의 1/10~1/20 수준 이하로 낮출 수 있을 것이라는 게 일반적 견해로, 그렇게 되면 RFID 태그가 훨씬 더 많은 정보를 전달할 수 있는데다 원거리 인식도 가능하기 때문에 바코드를 대체할 수도 있다는 분석이다. RFID 태그는 스마트 패키징 및 재고 관리, 보안 솔루션이나 스마트 카드, 헬스케어 등 그 활용 영역이 매우 넓고, 해마다 2배 이상의 급속한 성장을 보인다. 반도체 칩이 들어 있지 않은 RFID 태그는 태그를 좀 더 싸게 제작하기 위한 방안으로 연구된 것으로 특성이 다른 작은 화학원소를 인쇄하여 제작하는 방식이 가장 대표적인데, 인쇄 RFID 태그의 가능성을 미리 알아보고 활발하게 움직이는 기업들로는 독일의 PolyIC, 미국의 IBM과 Organic ID, 노르웨이의 Thin Film Electronics 등이 있다.
본 기술은 잉크젯 프린팅(IJ) 등의 인쇄방식을 이용하여 제작한 Si-chipless 인쇄 무선 태그(MID, RFID, NFC)의 특성을 평가하기 위한 측정 프로그램 및 방법에 관한 것이다. 측정 프로그램은 C language기반으로 태그 유무 및 신호인식, 아날로그/디지털 신호 변환, 판별과 검증을 위한 신호 처리, 신호처리 결과의 실시간 디스플레이 모듈 등의 내용으로 이루어져 있다. 본 프로그램의 동작 특성을 검증하기 위해 별도의 메모리를 갖지 않은 태그와 유기 메모리를 갖는 태그를 시험에 사용하였고, 인쇄 박막 트랜지스터(PTFT)로 구성된 인쇄 무선 태그는 전도성/유기물 반도체 잉크의 잉크젯 프린팅(IJ) 방법으로 제조되었다. 본 평가 기술과 프로그램의 특징은 Si-chipless 인쇄 무선 태그 신호를 간단히 측정하여 태그를 식별하는 특징을 갖는 기술이다
인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 판별 및 분석 기능
“인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램 기술” 개발이 목표로, 전체적으로 Si-chipless 인쇄 무선 태그 신호를 간단히 측정하여 태그를 식별하는 프로그램을 특징으로 한다.
잉크젯 프린팅 방법으로 제작된 Si-chipless 인쇄 무선 MID (molded interconnect device) 태그 신호를 측정하고 태그의 종류를 식별하는 프로그램 : C language기반으로 태그 유무 및 신호인식, 아날로그/디지털 신호 변환, 판별과 검증을 위한 신호 처리, 신호처리 결과의 실시간 디스플레이 모듈 등으로 이루어진 프로그램으로 태그 특성을 측정 및 평가.
인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램 기술
본 기술은 “이종복합 3D 프린팅 핵심 소재 및 공정 기술 개발” 사업을 통해 개발된 “인쇄 무선 MID(molded interconnect device) 태그 평가 프로그램 기술”의 고객 요구사항을 토대로 작성된 것이다.
구체적으로 프로그램의 기능들과 성능시험에 필요한 시험결과서의 작성목적, 시험범위, 각 시험항목에 대한 시험절차 및 결과의 내용을 포함하고 있다. 본 기술은 잉크젯 프린팅(IJ) 등의 인쇄방식으로 제작한 Si-chipless 인쇄 무선 MID 태그의 특성을 평가하기 위한 평가 프로그램 및 방법에 관한 것이다. 평가 프로그램은 C language기반으로 아날로그/디지털 신호 변환에 따른 태그 유무 및 신호인식, 판별과 검증을 위한 신호 처리, 신호처리 결과의 실시간 디스플레이 등의 내용으로 이루어져 있다. 본 프로그램의 성능을 검사하기 위해 인쇄 무선 MID 태그는 전도성/유기물 반도체 잉크의 잉크젯 프린팅(IJ) 방법으로 제조된 유기 메모리를 갖는 태그와 메모리가 없는 태그를 시험에 사용하였다. 본 평가 프로그램은 Si-chipless 인쇄 무선 MID 태그 신호를 간단히 측정하여 태그를 식별하는 특징을 갖는다.
1. 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 통신기능
인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램에 시스템 설정 탭을 따로 만들어 리더기와의 통신 및 제어를 위한 Serial Port 설정(Port, Rate, Data bit, Stop bit, Parity, Chart Recover Timer)하고 저장하는 기능을 가져야 한다.
2. 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 측정기능
인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램은 실시간으로 Stand-by 상태와 Tag 1, Tag 2 상태의 태그 신호를 측정하고, 결과를 저장하여 분석 프로그램에 전달할 수 있는 기능을 가져야 한다.
3. 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 시험평가
인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램 전수 및 프로그램의 성능 평가를 위해 메모리가 없는 인쇄 무선 MID 태그의 신호가 모니터링 되어야 한다.
- 메모리가 없는 인쇄 무선 태그의 신호 레벨: 150 이하
4. 인쇄 무선 MID 태그 프로그램의 시험평가
인쇄 무선 MID 태그 평가 프로그램 전수 및 프로그램의 성능 평가를 위해 유기 메모리를 갖는 인쇄 무선 MID 태그의 모니터링 되어야 한다.
- 메모리를 갖는 인쇄 무선 태그의 신호 레벨: 450 이상
본 기술의 가장 중요한 적용분야는 인쇄전자 분야로 전통적인 전자산업의 기반이 된 실리콘 반도체를 대체해 값비싼 대규모의 진공 설비없이 획기적인 roll-to-roll 연속공정을 통해 비용을 절감하고 생산성을 크게 증대시킬 수 있다. 또한 공정을 유지하는 데 사용되는 전기 등 각종 에너지의 소비를 줄여서 환경 친화적인 공정이 가능하며, 원하는 부분에만 선택적으로 전자소자 제작에 필요한 잉크만 소비됨으로써 불필요한 화학적인 폐기물의 배출을 최소화 할 수 있다. 이러한 많은 장점을 지니고 있는 인쇄전자 기술은 현재 다양한 요소부품 제작 공정에 적용하는 단계에 있으며, 향후 인쇄 무선 MID 태그를 위한 모든 광/전자소자나 제품을 제작하는 공정에 폭넓게 적용될 것으로 예상된다. 아울러 인쇄공정 기술은 많은 잉크소재들이 저온에서 공정이 가능하여 유연한 플라스틱기판 위에 전자소자를 구현하는 플라스틱 전자공학 기술과 매우 높은 공정 적합성을 지니고 있어서 향후 플렉시블 전자소자 공정 기술로 사용될 수 있는 높은 가능성을 지니고 있다.
인쇄 무선 MID 소자를 포함한 인쇄전자소자 및 회로 기술의 주요 시장은 RFID, 디스플레이, 태양전지, logic과 메모리 분야이다. 여러 시장조사 기관들은 이들 분야에서 밝은 미래를 내다보는자료를 발표하고 있으며, 향후 10년 내에 960억 달러의 시장이 형성될 것으로 예측하고 있다. 하지만 이러한 장밋빛 전망은 현재 인쇄전자 기술이 시장에 진입하기에 걸림돌이 되는 여러 기술적 문제들이 해결된다는 가정 하에 성립된다. 따라서 앞선 예측들이 현실화 될 수 있도록 소재를 비롯한 소자 및 공정의 기술적 진보가 선행되어야 한다. 다행히 최근에 이러한 문제들이 해결되어 가고 있어 시장 진입 시기가 빨라지고, 그 규모 또한 예상보다 커질 가능성이 있으며, 전형적인 인쇄전자소자 응용산업 이외에도 바이오나 기계, 광학 같은 신규 인쇄전자 응용분야들도 시장에 조기 진입할 가능성이 많다.
<그림4> 인쇄기술의 다양한 산업적 응용분야
본 프로그램의 성능 평가를 위해 샘플인 메모리가 없는 인쇄 무선 MID 태그를 인식할 경우 150 레벨 이하의 신호를 측정하고 유기 메모리를 갖는 인쇄 무선 MID 태그를 태그를 인식할 경우 450 레벨 이상의 구별되는 신호가 모니터링 될 것을 예상되며 편리하게 판단할 수 있는 장점이 있다.