유비쿼터스 스마트 태그 칩 기술 동향
박성수* 현석봉** 박경환** 조경익***
물류, 교통, 보안 등의 다양한 분야에 활용되면서 유비쿼터스 시스템의 요소 기술로서 최근에 다시 관심을 모으고 있는 스마트 태그(smart tag) 또는 무선 주파수식별(RFID) 태그의 종류와 반송파 주파수별 특징, 시장 동향, 향후 발전 방향에 대해 정리하였다. 특히 스마트 태그의 핵심 구성요소인 transponder 칩 기술 동향과 초 저가격에 보급이 가능한 무칩 태그(chipless tag) 기술, 그리고 비교적 고가이나 다목적 지능형 센서 기능이 강조된 스마트 더스트(smart dust) 기술 동향에 대해서 다루었다.. ▧
I. 서 론
스마트 태그 또는 RFID(Radio Frequency Iden-tification)는 무선 신호를 통해 비접촉식으로 사물에 부착된 얇은 평면 형태의 태그를 식별하여 정보를 처리하는 시스템으로서, (그림 1)과 같이 판독 및 해독 기능을 하는 RF Reader(판독기)와 정보를 제공하는 RF 태그, 운용 소프트웨어 및 네트워크로 구성된다[1-4]. RFID는 물류, 교통, 보안, 안전 등의 다양한 응용 분야에 활용되면서 최근에 다시 높은 관심을 모으고 있으며, 신문과 방송을 통해서도 유망 기술의 하나로 자세히 소개된 바 있다. 응용 서비스의 예로서 쇼핑센터의 도난방지, 맹인을 위한 말하는 약품과 같은 안전 시스템, 위조 방지 장치, 동물 추적장치, 자동차 안전장치, 개인 출입 및 접근 허가 장치, 자동 요금징수 시스템, 생산관리, 운송 컨테이너 화물 추적 시스템 등 다양한 분야가 가능하며 일부는 이미 산업현장에서 유용하게 활용되고 있다. RFID의 활용도가 이처럼 높아지고 있지만 그 기원은 다른 IT 기술들과 마찬가지로 2차 대전 중에 사용된 항공기 피아 식별장치(IFF)용 트랜시버에서 찾을 수 있을 정도로 오래된 기술이다.
현재의 스마트 태그는 주로 반도체 칩을 이용한 RF 태그 기술에 의존하며, RF 태그는 고유 정보를 내장한 트랜스폰더 칩과 안테나로 구성되어 있는데, 향후 저가격의 low-end 시장에서는 기존 바코드를 대체할 수 있는 단가 10원 대의 초저가격 무칩(chipless) 스마트 라벨이 등장하고, 비교적 고가의 의료, 군수용 high-end 분야에서는 다양한 센서와 스마트 태그 기술이 결합된 스마트 더스트(smart dust)가 활용될 수 있다. 또한 기존의 칩 기반 RFID는 저비용의 전지 없는 수동방식을 유지하면서, 주파수와 판독거리, 처리속도를 높이기 위한 연구가 이루어지고 있다. 스마트 라벨은 궁극적으로 모든 사물에 부착되는 것을 목표로 하며, (그림 2)와 같이 창고의 운반상자나 포장지, 차량, 의류, 가축은 물론 지폐와 종이에도 부착될 수 있다.
II. 스마트 태그 종류 및 특징
스마트 태그 시스템의 핵심인 RF 태그는 내부에 전지 포함 유무에 따라, 전지 없이 판독기의 신호로부터 에너지를 공급받아 동작하는 수동식 태그와 전지가 포함된 능동식 태그로 나눌 수 있다(<표 1> 참조). 또한 실리콘 반도체 칩을 이용하는 칩 태그와 LC 소자 또는 플라스틱/폴리머 소자로만 구성된 무칩 태그로 구분 된다. 고유정보 기록방식에 따라서는 read-only 형과 read-write형으로 구분 가능한데, 현재의 바코드 및 EAS(Electronic article surveillance)를 대체하는 물류관리 분야에서는 저가의 read-only형이 더 유리할 것으로 보고 있다.
수동식 RFID에서는 판독기가 일정 주파수 신호를 안테나를 통해 방사하며, 판독기 근처에 태그가 있으면 태그는 수신된 신호를 변경하여 반사파의 형태로 재전송하는데, 이를 back-scatter 또는 필드 교란 방식이라고도 불린다. 상호유도 방식에서는 스위치 이용하여 태그 회로의 부하(load)를 시간에 따라 변화시켜 판독기 안테나의 전압을 변화시키는 부하변조 방식이 많이 사용되고 있다[4]. 판독기는 태그에서 back-scatter된 신호를 복조하여 식별한다. 수동형 태그에 많이 사용되는 상호유도 방식은 트랜스포머와 같이 매우 근접한 두 코일간에 교류 자기장을 통해 유도성 전류가 흐르는 원리를 이용하며, 이렇게 태그에 생성된 유도성 전류는 태그의 정류기 등을 통해 트랜스폰더 칩에 전원 공급용으로 사용된다. 상호유도방식은 판독기의 안테나 코일과 태그 코일 사이의 거리가 유도성 결합이 가능한 0.16λ 이내에 들어야 가능하므로 13.56MHz 이하의 낮은 주파수를 활용하며 통신 거리도 1m 이내로 매우 짧다.
가. 주파수에 따른 RFID 태그 및 칩 특징
RFID는 장파에서 마이크로파까지 다앙한 주파수 대에서 동작하는 시스템이 상용화 되었거나 개발 중에 있으며 사용 주파수에 따라 주요 특징과 용도가 다음과 같이 상당한 차이를 보인다.
(1) 150kHz 이하 저주파(125kHz & 134kHz)
스마트 태그에 가장 먼저 도입된 주파수대로서, 파장이 큼으로 비금속 장애물의 투과성이 우수하고 주파수/전력 등의 규제에 대해 상대적으로 자유로우며, 30 센트 대의 저가의 태그 공급이 가능하다는 점이 장점이다. 반면 데이터 전송률이 낮으므로 판독속도가 느리고 판독거리가 짧으며, 안테나 또는 코일 크기가 커서 소형화에 한계가 있는 점이 단점이다. 접근제어와 동물 관리 분야에 활용되고 있으며 자동차 키용으로도 많이 판매되었다[3,5]
(2) 13.56MHz
현재 교통카드 등 상용 시스템에 가장 널리 활용되고 표준화도 잘 이루어진 주파수대로서, 안테나 코일이 신용카드 크기 정도로 적당하고, 비금속 장애물 투과성이 우수하며 비교적 저가격에 태그용 칩의 수급이 가능하다는 점이 장점이다. 반면에 이 주파수대에서 적용되는 상호유도방식의 특성상 판독 거리가 약 0.7m 이내로 제한되며 판독 속도도 낮은 문제가 있다. 필립스 반도체의 I-CODE 칩이 대표적이고 ATMEL, TI, Microchip, Mitsubishi 등에서도 칩 또는 솔루션을 제공하고 있다.
(3) UHF(300MHz~1GHz)
전자기파 방식을 이용하므로 1m 이상의 중 장거리 판독이 가능하고 고속 전송이 가능하며 안테나 크기를 13.56MHz 태그에 비해 대폭 줄일 수 있다는 점이 큰 장점으로 부각되고 있다. 능동식과 수동식이 모두 적용 가능한데, 수동식은 판독기에서 수백 mW 이상의 매우 높은 전력을 출력하므로 각국의 주파수 규정의 적용을 받고 있으며, 주파수 등에 대한 국제 표준화는 아직 완성되지 못한 상태이다. 많은 국가에서 장거리 전송을 허용하므로 위치 추적 등 가장 광범위한 응용이 기대되고 있으나 아직 상용 칩이 다른 주파수대에 비해 적고 3m 이상 장거리용 칩은 단가가 높은 편이다.
(4) 2.45GHz
UHF대와 대체적으로 비슷한 장단점을 갖는데, UHF보다 안테나 크기가 더 작으므로 초소형 RF 태그 구성이 가능하다. 반면 ISM 대역에서 블루투스, 무선 LAN 등의 통신 기기가 계속 늘어나고 있으므로 주파수 간섭 영향을 받기 쉽고 고주파 특성이 우수한 소자를 필요로 하므로 칩 생산 비용이 높아지는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. Hitachi사의 Mu 칩은 0.4mm 크기로 초소형 수동식이며, 이 외에도 TI, 구 Micron Communication사(현재는 사업 포기) 등 다수 기업에서 개발 단계의 능동식 트랜스폰더 칩을 발표한 바 있다.
(5) 5.8GHz(Telemetics 주파수)
이 주파수대는 2.4GHz에 비해 아직 덜 혼잡한 대역이므로 간섭 영향이 적다. 반면 국가별로 서로 다른 주파수 대역을 배정하고 있으며 현재는 유럽 지역에서만 적용이 가능하다. 또한 안테나 지향성에도 주의를 기울여야 하고 칩의 단가가 높은 문제가 있다.
나. RFID 태그 요소 기술 현황
(1) RF 트랜스폰더 칩 기술
필립스 반도체와 텍사스 인스트루먼츠(TI)가 대부분의 13.56MHz대 RFID 상용 칩셋 시장 점유하고 있다. 특히 필립스 반도체는 RFID 칩 매출액만 5억 달러에 이른 것으로 알려졌는데, 필립스 반도체의 I-CODE 칩은 512 또는 1,024/2,048bit EEPROM, 주파수는 13.65MHz 또는 UHF/2.45GHz, 동작 거리 최대 1.5m, 베어 칩 크기는 패드 포함하여 약 1.5mm×1.5mm 정도이다. 필립스 반도체의 칩을 기반으로 한 MIFARE 기술은 서울시 교통카드에 적용 이후 런던, 베이징, 대만 등으로 확대되어 약 2억 개 정도가 판매된 것으로 알려지고 있다. RFID 태그, 판독기, 서비스 등의 응용 솔루션 제공업체가 수백개에 이르는데 비해 핵심 칩은 필립스 등 소수 업체에서만 제공되고 있다.
현재 가장 소형인 RFID 태그용 칩은 일본 Hitachi가 발표한 “Mu chip”으로 그 크기는 0.4mm×0.4mm×0.06mm로 38디지트의 메모리와 128bits ROM을 갖고 있으며 가격은 공식 발표로는 10~20 센트 수준이나 대량 공급시 더 낮은 단가도 가능하다. 수동 방식으로 전원 필요 없으며 동작 주파수는 2.45GHz, 최대 통신가능 거리는 안테나 없이 1cm, 외부안테나 부착하면 25cm, 반응시간은 약 20msec이다.
뮤칩과 같은 초소형 스마트 라벨은 (그림 7)과 같이 비교적 고가의 CPU, 디스플레이 패널 부품류 패키지에 포함되어 부품 조립 및 재활용 과정에 활용 가능하다. 또한 자동차 부품에 부착되어 모조품 구분 및 자동 거부(auto-rejection, handshaking) 시스템에 활용 가능하다[12].
최근에는 UHF 대역을 이용하여 4m 이상 장거리 판독과 위치 추적이 가능한 수동식 RFID용 트랜스폰더 칩 기술 개발이 ATMEL사와 유럽의 PALOMAR 프로젝트 등을 통해 추진된 바 있다. 판독기에서 출력되는 27dBm 전력에 대해 자유공간 감쇄 및 안테나 이득을 통해 트랜스폰더 칩에 수신되는 전력은 약 -14dBm이므로 렉테나를 통해 트랜스폰터 칩에 전원을 공급할 수 있다. 트랜스폰더 칩에서 반사되는 -30dBm(1마이크로 와트) 수준의 전력에 대해 판독기에 재입사되는 전파는 약 -71dBm 수준이므로 역방향 링크 형성에 충분한 SNR을 확보할 수 있다. PSK 변조방식으로 약 80kbps의 전송속도가 가능하고 이동체에 대한 판독도 가능하다.
(2) 코일 안테나 기술
일본 Maxell사에서는 Hitachi 칩과 MEMS 기술 이용하여 실리콘 칩 위에 곧바로 구리 코일 안테나를 증착한 Coil on Chip 기술을 개발하였다. 안테나까지 포함한 크기가 2.5mm×2.5mm에 불과하고 태그 제작이 용이하다[13].
(3) 능동형 RFID 태그 기술
능동형 RFID는 주로 3m 이상 중장거리 판독 및 위치 추적 분야에 활용되며 초소형 센서와 결합하여 스마트 더스트 형태로 발전할 수 있다. 그러나 높은 단가와 전지에 의한 두께 증가 문제 때문에, 현재 상용 태그 시장에서 비중은 무전원 수동형에 비해 매우 적은 편이다.
포드사는 차량 관리를 위해 통신반경 300m, 전지 수명 7년 수준의 장거리 능동형 태그 기술을 활용하고 있다. 포드사의 차량 위치 추적 방식은 최소 3개의 판독기 안테나를 사용하고, 태그는 정해진 시간에 매우 짧은 신호 송출, 판독기는 3각 측량 원리에 의해 태그 위치를 계산하는 방식이다.
한편, 이스라엘 i-Ray Technology사는 수동 태그 기술로 30m 거리까지 신호 전송 가능하며 위치 추적 기능이 포함된 스마트 태그 기술을 발표한 바 있다. 이것은 SAW 사용하여 900MHz대 RF 전파를 반사하는 원리 이용하며 기록기능이 지원되지 않고 단가가 2달러 대의 고가이다.
III. 스마트 태그 시장 동향
시장 조사기관에 따라 스마트 태그의 적용 범위에 약간씩 차이가 있지만, 미국 VDC사 보고서[7]에 의하면 2002년 RFID 세계 시장은 약 9억 6천만 달러 규모에 이르었으며, 주로 RF 트랜스폰더 칩이 매출의 상당 부분을 차지하고, 앞으로도 매년 22.6% 성장할 것으로 전망하고 있다. 산업 및 응용 표준의 부족, 전통적 응용 서비스 시장의 포화, 주요 기업의 IT 투자 축소 및 경쟁 심화 등에 의해 2000년도의 전망치에 비해서는 성장률이 높지 못했으나, 향후 표준화, 단가 하락, 판독거리의 확대 등에 의해 급속한 성장이 가능할 것으로 예상하고 있다.
현재 상용화에 성공한 RFID 서비스 사례를 보면, 미국 TransCore사의 경우 RFID기술을 시스템통합, 도로 철도 시설관리 시스템 구축에 활용하여 연간 3억5천만 달러 매출을 올리고 있으며, CHEP International사는 P&G, 월마트, 포드사에서 사용되는 화물운반상자 등에 2억 개 이상의 RFID 태그를 공급하여 고객사에 10% 이상의 비용절감 효과를 제공한 것으로 보고되었다. 국방, 의약품, 항공 분야에서도 수억 달러 규모의 종래 바코드 시장이 RFID로 대체되고 있으며, 최근에 보안이 강조되면서 수요가 증가하고 있다. 특히, 최근에 RFID가 높은 관심을 받는 요인 중에는, 1년 매출규모가 2천억 달러에 달하는 월마트가 상위 100개 공급업체에 대해 2005년까지 기존 바코드 대신 RFID를 부착할 것을 권고하는 등 대형 고객의 요구가 구체화되고 있는 점도 중요하게 작용하고 있다. 지금까지 제한적으로 활용되던 RFID가 물류, 유통, 전자상거래의 중심이 되는 큰 변화가 다가오고 있는 것이다.
스마트 태그 표준화 동향
RFID 활용에 있어서 요구되는 시스템 표준은 H/W 및 S/W에 대한 기술표준, 태그의 데이터 Syntax에 관한 활용표준, 사용 가능한 주파수 범위에 대한 규정 등으로 구성된다. 이와 같은 표준은 현재 국제표준화기구 ISO산하 IEC JTC1/SC31/WG4에서 표준(안)을 개발, 운용, 관리를 맡고 있다. 한편 EAN International, UCC 및 MIT Auto-ID 센터 등은 기존 EAN/UCC 표준과 RFID시스템간의 통합 및 유통 공급망에서 RFID시스템 활용을 위해 표준화를 추진하고 있으며, SC31/WG4에 적극적으로 참여하고 있다. 또한 ECR, AIM Global 등이 추진하고 있는 국제 프로젝트와 각국에서 진행중인 프로젝트를 지원하고 있다. 현재 진행중인 주요 표준화 항목의 일부는 다음과 같다.
- ISO/IEC 18000-6: Item 관리를 위한 RFID 기술 표준으로서 세부적으로 세계공용 주파수, 135kHz, 13.56MHz, 2.45GHz, 5.8GHz, 860~930MHz 대역의 기술 표준을 포함
- ISO/IEC 10536, ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693: 13.56MHz 대역의 주파수를 사용하며 밀착형(Close Coupling), 근접형(Proximity Coupling), 근방형(Vicinity Coupling)의 수동형 RFID와 관련한 기술표준을 제정
- 주요 표준화 분야
* Technology(Symbology, RFID, IC Card)
* Data Content(Syntax)
* Conformance(Print Quality, Test Specifications)
* Application Standards(Ship Label, Product Package)
특히 MIT의 Auto-ID 센터는 1999년 개소 이후, 모든 사물에 스마트 태크를 붙이고 인터넷으로 물류의 추적, 관리가 가능한 ‘The Internet of Things’ 구현을 목표로 태그 코드의 표준화 작업을 추진하고 있으며, 현재의 모든 바코드와 태그들이 1센트짜리 64bit ID코드를 갖는 스마트 라벨로 대체될 것으로 예상하고 있다[8]. 그런데 궁극적인 목표를 실현하려면 10m 이상의 거리에서도 인식 가능한 1~2센트짜리 스마트 라벨이 필요한데, 이 정도로 비용이 낮아지는 데에는 10년은 더 소요될 것으로 보고 있다. 이 프로젝트에는 미 국방성, Gillette, P&G, Wal-Mart, Unicom code, Intel, Philips 등 50여 개의 주요 기업, 기관이 스폰서 자격으로 공동 참여하고 있다.
IV. 스마트 더스트 및 무칩 스마트 라벨
현재의 RFID를 위시한 스마트 태그 기술은, 고가의 특수 용도에 적합한 능동 방식의 경우 향후 초소형 다중센서와 나노/MEMS 반도체 기술을 접목하여 다기능화 지능화된 스마트 더스트의 개발에 활용되고, 저가의 대량 소비 시장에 적합한 수동 방식은 단가 1센트 수준의 초저가격에 구현되어 현재의 바코드를 대체하면서 모든 사물에 부착이 가능한 스마트 라벨의 형태로 발전해 나갈 전망이다.
1. 스마트 더스트 기술
먼지 크기의 매우 작은 센서들을 건물, 도로, 의복, 인체 등에 먼지처럼 뿌려서 주위의 온도, 습도, 가속도, 압력 등의 정보를 무선 네트워크로 감지, 관리할 수 있는 기술이다. 스마트 더스트 내에는 센서, 센서 제어회로, 컴퓨터, 양방향 무선통신모듈, 전원장치 등이 내장되는데, 현재의 초고집적 반도체 기술과 MEMS 기술로도 모래알 크기로 작게 구현하는 것이 불가능하지는 않다. 스마트 더스트 또는 모트(motes)들은 데이터를 수집하고, 간단한 데이터 분석 등의 컴퓨팅을 수행하며, 무선통신으로 서로 30m 거리에서 정보를 교환하며 여러 더스트들이 주변의 무선 LAN, 블루투스, 초광대역(UWB) 모듈 등과 함께 상황에 따라 ad-hoc 네트워크를 구성하거나 코어 네트워크에 직접 연결될 수도 있다.
미국에서는 DARPA 지원으로 UC Berkeley의 WEBS(Wireless Embedded Systems) 프로젝트 등을 통해 4년여 전부터 연구에 착수했으며, 현재까지 개발된 솔라셀과 양방향 통신 모듈, 가속도센서, 광센서가 집적된 스마트 더스트는 그 크기가 5mm 정도이며 1mm 이내의 칩 제작을 목표로 하고 있다[15]. 또한, 카네기대(CMU)에서도 MEMS 기술을 활용한 스마트 더스트를 연구하고 있다.
버클리대의 스마트 더스트는 향후 화성의 기상/지진 관측, 우주선 내부 모니터링, 화학/생물 센서, 무기 관리, 생산품질관리, 물류관리, 가정/사무실의 원격 모니터, 자동 절전 등의 다양한 분야에 활용되는 것을 목표로 하고 있다.
2. 무칩(Chipless) 스마트 라벨 기술
스마트 라벨은 기존의 RFID에 비해 기능을 축소하는 대신 단가를 1센트 수준으로 낮추어 종이와 같은 1회성 소비재를 비롯한 모든 물질에 부착되는 것을 목표로 연구되고 있으며, 이를 위해서 기존의 실리콘 반도체 대신 폴리머 전도성 잉크, 플라스틱 반도체 등의 유연한 저가격 기판 및 소자기술을 적용하는 방법이 연구되고 있다. 이것은 매우 저가격이므로 대규모 할인점의 instant checkout이나 인터넷을 이용한 multi-hoc 자동 물류관리 시스템에 활용될 수 있다. 후자의 경우 개별 상품에 내장된 스마트 라벨은 포장상자의 스마트 라벨과 컨테이너 박스의 스마트 라벨, 차량의 광역 무선접속장치를 통하는 다단계 네트워크를 통해 코어 네트워크와 호스트에 연결될 수 있다.
독일 인피니언사는 2002년 11월에 최초의 집적화된 플라스틱 칩을 발표했는데, 작은 분자 구조를 이용하여 일반 폴리머에 비해 높은 전하 이동도를 가지며, 제조 과정에서 유독성 화학물에 의존하지 않고 reel-to-reel 공정으로 대량 생산에 유리하다. 한편 영국 Flying Null 사에서는 자성체를 이용하면서도 비접촉 방식으로 판독이 가능한 무칩 스마트 태그 기술을 개발하고 있다[9]
V. 결 론
스마트 태그는 최근의 IT 경기 침체에도 지속적인 성장을 이루었으며, 향후에도 일상 생활에 보편적으로 활용되는 기술로서 대규모 시장 형성이 기대되고 있다. 특히, 모든 사물에 네트워크 기능을 갖는 칩을 내장하여 사물/기계가 자동적으로 정보를 수집, 교환함으로써, 사용자가 기계의 존재를 인식하지 못할 정도의 편리함을 제공하는 유비쿼터스 컴퓨팅의 구체적인 적용 사례로 주목받고 있다.
그러나 시장 측면에서는, 사업이 중도에 포기된 Micron사의 MicroStamp나 Motorola사의 BiStatix 프로젝트의 예에서 보듯이 변화가 상당히 심한 분야이므로, 낙관적 전망에만 기대하기 보다는 정확한 target market 결정, 신뢰성 확보와 유지 문제 등 많은 노력이 요구된다고 할 수 있다. 또한 모든 사물의 이동이 추적될 수 있는 Auto-ID 센터의 계획에 대해 소비자 단체가 프라이버시의 침해를 심각하게 우려하는 상황이므로 적절한 정보 보호 대책이 필요하다. 기술 측면에서는 무전원 수동 방식을 기준으로, 태그와 트랜스폰더 칩 비용을 낮추면서도 판독 거리, 판독 속도, 동시 처리 능력을 높일 수 있는 혁신적인 칩 기술 개발이 요구된다.
<참 고 문 헌>
[1] Craig K. Harmon, An RFID Primer, Mississippi valley state university, Nov. 2002.
[2] 이근호, 김소정, “RFID의 새로운 응용 The Internet of Things,” 전파진흥, 2002년 6월호.
[3] C. Richter, RFID an educational primer, Intermec Technologies Corp., 1999.
[4] http://www.aimglobal.org/technologies/rfid/resources/papers/rfid_basics_primer.htm
[5] Radio Frequency Identification White Paper, Accenture, 2001
[6] 민봉기 외, “유비쿼터스 무선통신 반도체 소자 기술의 동향,” 주간기술동향 1091호, 2003.
[7] M. Liard, The global markets and applications for radio frequency identification and contactless smartcard systems, 4th ed., Venture Development Corporation, Jan. 2003.
[8] http://www.autoidcenter.org
[9] http://www.flying-null.com
[10] Philips Semiconductors, “LS1 ICS30 01 I-CODE1 Label IC Chip Specification”, May, 2000.
[11] Texas Instruments RFID systems, http://www.ti.com/tiris
[12] Hitachi Mu-chip description, http://www.hitachi.co.jp/Prod/mu-chip
[13] http://www.maxell.co.jp/products/industrial/rfid
[14] P. Harrop and R. Das, “The smart label revolution,” IDTechEx. Ltd., 2002
[15] http://www-bsac.eecs.berkeley.edu/~warneke/SmartDust
