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인쇄 기술과 RFID - 기반 센서 기술을 이용한 무전력 무선 센서 기술 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.2, 2019년, pp.18 - 26  

김상길 (부산대학교)

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제안 방법

  • [그림10]은 Reflection UHF RFID 대역 고주파 증폭기를 이용하여 통신 거리를 획기적으로 증가시킨 RFID 태그 설계 기술을 보여준다[12]. 반사파와 입사파 모두 증폭시키는 고주파 증폭기를 고주파 커플러를 이용하여 설계하였으며, 전력 소모를 최소한으로 줄여서 에너지 수확기술로 작동할 수 있도록 최적화 하였다. [그림 10-(a)]에서 묘사된 것과 같이 부하 변조 방식(load modulation)을 이용하여 후방산란 신호를 변조하도록 설계되었다[13].
  • [그림 10-(b)]는 후방산란 태그의 동작 원리는 스미스 차트를 통해서 보여주고 있다. 저전력 Reflection 고주파 증폭기가 후방 산란 신호를 위상천이기(phase shifter)를 통해서 변조하는 원리를 도식화 하였다. 측정된 후방 산란 신호 주파수 응답은 [그림 10-(c)]에 나와 있다.
  • 인덕터 또한 인쇄 기술만을 이용하여 구현되었으며, 약 1 GHz 대역까지 동작하는 것을 확인하였다([그림 7-(b)])[11]. 평면 위에 나선형 인턱터를 인쇄하고, Su-8 폴리머를 이용하여브릿지를 만들어서 나선형 인덕터의 안쪽과 바깥쪽을 연결하였다. 인쇄 기술과 전자 잉크(은나노 입자 인크, 폴리머 잉크)를 이용해 제작한 전자 소자들은 기본적으로 유연성(flexibility)을 가지며, 필요한 부분만 인쇄하기 때문에 원치 않는 재료의 과다 사용이나 제작 후 부산물이 거의 발생하지 않는다.

대상 데이터

  • 잉크젯 인쇄 기술에서 인쇄된 박막의 두께에 영향을 주는 요소는 다양하지만, 인쇄 기술 자체에서부터 오는 중요한 요소 중 하나는 바로 잉크 방울의 부피이다. 연구용으로는 주로 1 pL나 10 pL의 방울 크기를 사용하며, 상업용 일반 잉크젯 프린터는 약 80~150 pL의 잉크 방울을 사용한다. 인쇄된 후 잉크의 두께와 균일함은 잉크와 매질(substrate)의 표면 장력(surface tension) 혹은 표면 에너지(surface energy)에 의해 결정되며, 입자의 밀도와 용매의 건조 속도에 따라서도 변화한다.
  • 측정된 후방 산란 신호 주파수 응답은 [그림 10-(c)]에 나와 있다. 중심 주파수(carrier frequency)는 UHF RFID 대역인 915 MHz이고, 변조된 부반송파(modulated subcarrier)의 주파수는 250 kHz이다. 저전력 Reflection 고주파 등폭기로 인해서 약 9 dB 정도 수신 신호의 크기가 증가한 것을 관찰할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수동 RFID 태그는 어디에 많이 사용되는가? 수동 RFID 태그(Tag)는 물류 및 유통에 있어서 상당히 유용하고 널리 사용되는 기술이다[1]. 근래에는 수동 RFID 태그에 센서 기능을 통합시키는 연구가 많이 이루어지고 있다.
적층식 공정의 장점은 무엇인가? 전자공학 분야에서도 이미 인쇄 기술은 많은 분야에서 널리 사용되고 있다. 인쇄 기술의 특징인 효율적이고 간편한 적층식 공정은 박막형 능동/수동 소자들을 만들기에 적합하고, 인쇄 회로의 유연성(flexibility) 또한 큰 장점이다. 금속 나노 입자를 이용하여 전도성 박막을 인쇄하거나, 폴리머 잉크를 이용해서 다층 구조를 인쇄하는 기술에 관한 연구는 근래에 많은 관심을 끌었으며, 여러 잉크를 조합하여 RF 시스템을 인쇄하는 연구 또한 많이 진행되고 있다.
향후 RFID 기술이 기여할 수 있는 점은 무엇인가? 한편, RFID 기술은 인쇄 기술과 호환성이 좋으므로 인쇄 기술을 적용하기 적절하며, 인쇄 센서 기술과 인쇄 RFID 기술을 융합하여 무전력 무선 센서 시스템을 효율적으로 설계할 수 있다. 또한, 역지향성 배열 안테나의 원리나 저전력 Reflection 고주파 증폭기를 이용한 RFID 태그 안테나 설계기술은 후방산란 기술을 이용하는 무전력 센서 태그의 통신 거리를 증대시켜 줌으로써 전제적인 무선 센서 시스템 성능개선에 지대한 기여를 할 수 있다. 앞으로 다가올 사물인터넷기반(IoT) 초연결 사회에서 무전력 자율형 센서 시스템의 중요성은 더욱 증대될 것으로 기대되며, 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. K. Finkenzeller, RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards, Radio Frequency Identification and Near-Field Communication, 3rd ed. New York, NY, 10158: John Wiley & Sons, Inc., 2010. 

  2. L. Yang, Z. Rongwei, D. Staiculescu, C. P. Wong, and M. M. Tentzeris, "A novel conformal RFID-enabled module utilizing inkjet-printed antennas and carbon nanotubes for gas-detection applications", IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 8, pp. 653-656, 2009. 

  3. V. Lakafosis, A. Rida, R. Vyas, L. Yang, S. Nikolaou, and M. M. Tentzeris, "Progress towards the first wireless sensor networks consisting of inkjet-printed, paper-based RFIDnabled sensor tags", Proc. IEEE, vol. 98, no. 9, pp. 1601-609, Sep. 2010. 

  4. S. Kim, Y. Kawahara, A. Georgiadis, A. Collado, and M. M. Tentzeris, "Low-cost inkjet-printed fully passive RFID tags for calibration-free capacitive/haptic sensor applications", IEEE Sensors J., vol. 15, no. 6, pp. 3135-3145, Jun. 2015. 

  5. S. A. Nauroze, J. G. Hester, B. K. Tehrani, W. Su, J. Bito, R. Bahr, J. Kimionis, and M. M. Tentzeris, "Additively manufactured RF components and modules: Toward empowering the birth of cost-efficient dense and ubiquitous IoT implementations", Proc. IEEE, vol. 105, no. 4, pp. 702-722, Apr. 2017. 

  6. E. M. Amin, M. S. Bhuiyan, N. C. Karmakar, and B. Winther-Jensen, "Development of a low cost printable chipless RFID humidity sensor", IEEE Sensors J., vol. 14, no. 1, pp. 140-149, Jan. 2014. 

  7. S. Kim, B. Cook, T. Le, J. Cooper, H. Lee, V. Lakafosis, R. Vyas, R. Moro, M. Bozzi, A. Georgiadis, A. Collado, and M. M. Tentzeris, "Inkjet-printed antennas, sensors and circuits on paper substrate", IET Microw. Antennas Propag., vol. 7, no. 10, pp. 858-868, Jul. 2013. 

  8. S. Kim, S. Jeong, J. Bito, A. Georgiadis, and M. M. Tentzeris, "A flexible RF energy harvester using a hybrid printing technology for 'stand-alone' wireless sensor platforms", IOP Flex. Printed Electron., vol.3 , no. 1, Jan. 2018. 

  9. B.-J. Gans, U. S. Schubert, "Inkjet printing of well-defined polymer dots and arrays", Langmuir, vol. 20, no. 18, pp. 7789-7793, Jul. 2004. 

  10. B. S. Cook, J. R. Cooper, and M. M. Tentzeris, "Multi-layer RF capacitors on flexible substrates utilizing inkjet printed dielectric polymers", IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., vol. 23, no. 7, pp. 353-355, Jul. 2013. 

  11. G. McKerricher, J. G. Perez, and A. Shamim, "Fully inkjet printed RF inductors and capacitors using polymer dielectric and silver conductive ink with through vias", IEEE Trans. Electron. Devices, vol. 62, no. 3, pp. 1002-1009, Mar. 2015. 

  12. J. Kimionis, A. Georgiadis, A. Collado, and M. M. Tentzeris, "Enhancement of RF tag backscatter efficiency with lowpower reflection amplifiers", IEEE Microw. Theory Tech., vol. 62, no. 12, pp. 3562-3571, Dec. 2014. 

  13. S. Thomas, E. Wheeler, J. Teizer, and M. Reynolds, "Quadrature amplitude modulated backscatter in passive and semipassive UHF RFID systems", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 60, no. 4, pp.1175-1182, Apr. 2012. 

  14. J. A. Vitaz, A. M. Buerkle, M. Sallin, and K. Sarabandi, "Enhanced detection of on-metal retro-reflective tags in cluttered environments using a polarimetric technique", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 8, pp. 3727-3735, Aug. 2012. 

  15. J. G. D. Hester, M. M. Tentzeris, "Inkjet-printed flexible mm-Wave Van-Atta reflectarrays: A solution for ultralongrange dense multitag and multisensing chipless RFID Implementations for IoT Smart Skins", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 64, no. 12, pp. 4763-4773, Dec. 2016. 

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