Printed RFID 기술 Printed RFID Technology IT 융합ㆍ부품기술특집 유인규 (I.K. You) 구재본 (J.B. Koo) 이유경 (Y.K. Lee) 조경익 (K.I. Cho) 융합부품기술전략팀책임연구원유기전자소자팀선임연구원시스템통합기술연구그룹그룹장 IT부품ㆍ소재연구본부본부장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. Printed RFID? Ⅲ. Printed RFID 국내외연구동향 Ⅳ. 13.56MHz Printed RFID 한계기술및극복방안 Ⅴ. 결론 Printed RFID는반도체성질을띤유기물의발견및유기물의메모리소자로의활용등에대한연구가이루어지면서관심을가지게되었다. 유기물이무기물에비해소재의안정성등여러가지한계를갖고있음에도전자소자로의활용을모색하고있는것은저가격, 대량생산이가능하다는데있다. 유기물을이용하여우선적으로산업화가진행될것으로판단되는분야가프린팅방법을이용한 RFID에의응용이다. Printed RFID는저렴한폴리머소재를이용하여저가격, 대량생산이가능하고생산시그수요도다양할것으로보고있다. 본기고문에서는 printed RFID의기술발전동향, 제조방법, 시장전망, 한계기술및극복방안에대하여기술하고자한다. 1
I. 서론 RFID 기술은마이크로칩과안테나가내장된 tag를사물에부착하고, radio frequency wave를이용하여사물과 reader 사이의데이터통신을가능하게함으로써사물 ( 물품 ) 의내역확인, 이송경로추적및실시간이력관리등을할수있는기술이다. ( 그림 1) 에서볼수있는바와같이안테나는 RFID tag에에너지를제공하고 RFID tag는 reader 기의안테나에정보를주고받는기능을수행한다. 최근에 Si 기반 RFID를대체할기술로유기물기반의 printed RFID가주목을받고있다 (( 그림 1) 참 조 ). Printed RFID에서핵심적인기술은유기반도체박막트랜지스터 (OTFT) 기술이다. 고분자소재를포함한유기반도체와유기메모리는용매에녹고, 온도를높여도솔벤트만증발하고그전기적특성을유지하는특성을갖는다. 유기반도체와메모리로대변되는유기소자는저온에서도결정화가가능하고안정된구조적특성을유지하여인쇄방식을이용한대면적 roll-to-roll 공정이가능한장점을갖는다 [1]-[4]. Ⅱ. Printed RFID? Antenna Rectifier 1. 주파수대역별 RFID Reader Reader Energy Out GND V CC Information Transponder Chip Transponder < 자료 >: Walter Fix(PolyIC), 2005. ( 그림 1) RFID 개요도 < 표 1> 은 RFID 의사용주파수대역에따른일반적인특성들을보여주고있다. 저주파인 125kHz나 134kHz는인식거리가 ~60cm 정도이고환경에의한성능저하가거의없는특징이있고, 고주파인 13.56MHz는인식거리가 ~1m 정도이고, 저주파보다는저가이며짧은인식거리와다중 tag 인식이필요한응용분야에적합하고현재가장많이사용되고있는방식이다. 극초단파대역인 860~960MHz 는인식거리가 ~8m 정도이고 IC 기술의발달로가 주파수 < 표 1> 주파수대별 RFID 특성 저주파고주파극초단파마이크로파 125kHz, 134kHz 13.56MHz 433.92MHz 860~960MHz 2.45GHz 인식거리 ~60cm ~1m 100m 이내 ~8m ~2m 일반특성 비교적고가 환경에의한성능저하거의없음 저주파보다저가 짧은인식거리와다중태그인식이필요한응용분야에적합 현재가장많이사용 긴인식거리 실시간추적및컨테이너내부습도, 충격등환경센싱 IC 기술발달로가장저가로생산가능 다중태그인식거리와성능이가장뛰어남 앞으로가장많이사용될것으로전망 태그크기를아주작게만들수있으나금속또는액체재질에서인식률이가장떨어짐 통신방식전자유도방식전자유도방식전파방식전파방식전파방식 동작방식 Passive Passive Active Active/Passive Active/Passive 적용분야 ID 카드, 이력관리 Item-tracking, 도서관리, ID 카드, 스마트카드 컨테이너관리, 실시간위치추적 Item-tracking, 공급망관리, 자동통행료징수 여권, ID 카드 인식속도저속고속 환경영향둔감민감 2
유인규외 / Printed RFID 기술 장저가로생산가능하며다중 tag 인식거리와성능이가장뛰어나앞으로가장많이사용될것으로전망된다. 또한마이크로파 2.45GHz 대역은 ~2m 정도에서인식가능하고, tag의크기를아주작게만들수있으나금속또는액체재질에서인식률이가장떨어지는단점이있다. 통신방식은저주파와고주파에서는전자유도방식을주로사용하고극초단파와마이크로파에서는전파방식을사용하고있다. 주파수가높아질수록고속인식이가능하고소형화가가능하지만환경에대한민감도가높아져환경에의한특성저하가문제점으로대두된다. 2. Printed RFID 특징 Printed RFID가개발되고있는가장큰이유는가격의장점때문이다. Si 단결정을사용하여고온, 고진공및리소그라피방법으로칩을만들고있는 Si 칩기반 RFID 에비해 organic solution 을이용하여프린팅이가능한 printed RFID는상대적으로가격을획기적으로낮출수있을것으로기대하고있다. 특히 Si-RFID tag는 substrate, tag IC, antenna가 packaging에의해부착되어야하는데, organic RFID의경우 roll-to-roll 공정이가능하여 antenna와 tag IC를기판상에동시에형성가능하기때문에 packaging 에대한비용을대폭절감할수있다. Printed RFID가저가격의대량생산의장점을가질수있는이유는다음과같다. Printed RFID에사용하고자하는유기반도체는낮은온도에서결정 화가가능하므로결정화온도를높일필요가없다. 따라서구부림, 충격및대면적 roll-to-roll 프린팅공정이가능한플라스틱기판을사용하여트랜지스터를제작할수있다. 유기물은반도체뿐만아니라도전성고분자, 절연체등전기적특성이폭넓게존재하며원하는특성의소재의합성도가능하다. 또한폴리머유기재료는솔벤트에잘녹고, 솔벤트증발후에도그특성을잘유지하는특성을갖는다. 이러한유기소재들은잉크와같은용액소재로만들어인쇄등의방법으로원하는전자회로를제작할수있다. RFID는능동형 (active) 과수동형 (passive) 으로구분할수있다. 능동형은배터리에서전원공급을하고 tag에서자체 RF 신호송신 ( 발신 ) 기능이가능한형이고, 수동형은 reader기의전자신호로전원을공급받고 reader기의신호를변형반사하는형이다. 능동형은장거리 (3m 이상 ) 전송및센서와결합이가능한장점이있고, 이에비해수동형은배터리가없으므로저가격구현이가능하고, 또한배터리교체비용도없다. 따라서능동형은환경감시, 군수, 의료, 과학분야에주로사용되고수동형은물류관리, 교통, 보안전자상거래분야에서주로사용되는특징이있다. Printed RFID의개발은수동형에서능동형으로단계적으로개발되리라사료된다. 이는능동형에필요한프린팅이가능한전지의개발과아울러능동형 printed RFID 시장성확보에따라단계적으로개발될것이다. ( 그림 2) 는 13.56MHz printed RFID의블록다이어그램이다. 암호화인증등의기능이포 Analog/RF Demodulator Command Data Digital Logic/Baseband Ant. Ant. Interface (LC Tank) Rectifier POR Generator Clock Generator Load Modulator VDD POR CLK Memory Interface SAM (Security Authentication Module) Response NV. Memory (EEPROM) 10kbits Data ( 그림 2) 13.56MHz RFID 블록다이어그램 3
함되는 printed RFID는가까운시기에상용화되기는어려워보이나, 이를제외한바코드형의 RFID의개발상용화는그리멀지않은것으로보인다. 현재안테나및인터페이스관련기술, analog, digital circuit 및 memory 소자에대한연구는현재유기물기반의프린팅방법을이용하여상당히진행되고있다. 3. RFID 프린팅기술 RFID 프린팅기술은집적도나성능보다는생산비용과대면적화가중요하게요구된다. 프린팅기술은그특성상고속양산가능한미세공정기술과연속공정 (roll-to-roll processing) 이가능하다. 프린팅기술은몇가지로나누어생각할수있는데, 그장단점을 < 표 2> 에나타내었다. 몇가지중요한프린팅기술에대해간단히살펴보면다음과같다. Flexographic printing(( 그림 3) 참조 ) 은다양한상품포장지및신문인쇄등에널리사용되는방법이다. 인쇄방법상전자소자에적용하기에는단점이있는데, direct print의경우인쇄판의 resolution 에의해 printing resolution이좌우되어수십 µm 이하의고해상도를갖는인쇄는불가능하다. 다만기판의전처리등을통해서이를극복할수있을것으로생각된다. Gravure printing은종이이외의피인쇄체에인쇄하는특수인쇄의하나이다 (( 그림 4) 참조 ). Gravure 제판으로판을만든다음, 오프셋인쇄처럼고무블랭킷에잉크를일단전이하여간접적으로피인쇄체에인쇄하는방식이다. Gravure printing 은 flexographic printing과아주유사하며, 유일한차이는잉크를전사해오는 roller와 printing plate가하나로통합되었다는것이다. Gravure printing 의단점은앞서말한 flexographic printing과유사하다. PolyIC는 flexographic 공정을이용해서 RFID Printing technique < 표 2> 여러가지 Printing 방법의특성 Thickness(µm) Feature size(µm) Throughput(m 2 /s) Registration(µm) Features/Issues Flexography 0.8~2.5 80 10 < 200 Gravure 0.8~8 75 60 > 10 Offset 0.5~1.5 10~50 5~30 > 10 Screen 30~100 20~100 2~3 > 25 Inkjet < 0.5 20~50 0.01~0.5 5~20 Wide range of substrates; medium quality Large run length; high quality High quality; need for ink additives Wide range of inks; medium quality Digital data; local registration Printing Plate Printing & Plate & Plate Cylinder Impression Cylinder Doctor Blade Doctor Doctor Engraved Blade Cylinder Substrate Anilox Roller Fountain Roller Ink Ink bath Bath Ink Tray ( 그림 3) Flexographic Printing ( 그림 4) Gravure Printing 4
유인규외 / Printed RFID 기술 Printed Tag Orifice Plate Ink Droplet 10 15 s Item Level Tagging Ink Channel 10 12 s Consumables Ink Manifold Diaphragm Piezoelectric Transducer Acoustic Pulse Rigid Shell ( 그림 5) DOD Inkjet Printing Number of Parts 10 9 s 10 6 s 10 3 s Individual Item/ Consumer Durables Bulk Box/ Transit Pallet/ Event Today Market 구현을시도하고있는것으로알려져있다. Inkjet printing(( 그림 5) 참조 ) 은잉크방울을기판위, 원하는위치에패터닝을하는공정기술이다. 잉크젯공정은퍼짐 (spreading), 튀김 (splashing), 잉크방울속도 (drop velocity) 의변화등으로패턴의 resolution 이낮지만, 다른공정에비해소재의소모가적은이유로꾸준히공정개발이이루어지고있다. 특히미세전자소자구현을위해서영국의캠브리지대학은잉크젯공정을이용하여플라스틱재료의표면에너지차이를이용하는방법을사용하여패터닝기술을개발하였다 [5]. 4. Printed RFID 시장전망물류산업의발달에따라물류의이동이대형물품뿐만아니라소형다품종에이르기까지물류관리의필요성이대두되고있다. 이에따라저가격의 item-level tracking용 RFID 의개발이요구되고있는실정이다 (( 그림 6) 참조 ). 유기물을이용한 RFID는저가격의대량생산이가능한긍정적인면이있지만, 현재의기술수준과개발되고있는기술의속도를고려하면부정적인측면도있다. 우선 printed RFID의긍정적인측면을살펴보면안테나와 IC가동시에제작가능한점, 제품 packaging 에대한직접인쇄가능성, 저렴한플라스틱기판사용가능성등을들수있다. 반면, 부정적인측면으로는핵심적인재료의수명문제, 낮은인식속도및최대인식거리가수 cm라는사실등현재의낮은기술수준과느린기술개발속도가 < 자료 >: Auto ID Center, 2005. ( 그림 6) RFID 가격민감도 Cost/Tag 10.00 1.00 0.30 0.10 0.01 ( ) Cost per Tag 문제점으로지적되고있다. 이러한요인들은예상보다시장진입시기를늦출수있다. 현재시장에서실리콘기반의태그는약 20센트정도로실리콘기반으로제작된태그는 5센트이하로의제작은매우어렵다. 5센트이하의 RFID를제작하기위해서는 chipless RFID의개발이이루어져야한다. Chipless item-level tracking용 RFID로사용되기위해서는 1센트이하의가격으로제조되어야하는데, 현재는프린팅방법을사용한 organic RFID만이 1센트의가격을만족시킬수있을것으로사료된다. RFID 시장은 2010년약 46억달러, 2013년약 77억달러, 이가운데같은해에만 chipless RFID가약 7억달러정도를차지할것으로보이고, 2017년에는전체시장이약 120억달러 Value US$ millions 12 10 8 6 4 2 Chipless Chip 0 2007 2008 2009 2010 20112012 2013 2014 2015 2016 2017 < 자료 >: IDTech, 2007. ( 그림 7) RFID 의시장동향 (2007~2017) 5
로성장하고, 그가운데 chipless RFID 시장이 21억달러에이를것으로예측하고있다 (( 그림 7) 참조 ). Ⅲ. Printed RFID 국내외연구동향 1. 국외 Printed RFID 연구동향 가. PolyIC 사기술개발동향 PolyIC 사는독일의전자회사 Siemens 지분 49% 와프린팅회사 Kurz 지분 51% 로만들어진벤처회사이며, 세계에서가장활발하게 organic RFID 를연구개발중에있다. PolyIC가제시하는 printed RFID 로드맵을살펴보면 2005년에 demonstration 하고, 2006년에프로토타입을발표한후, 2008년부터는 simple application 제품을출시하고 2010 년부터는 EPC에맞게 13.56MHz의 96bit를제품화하여 item-level tracking에대응한다고하였다. ( 그림 8a) 는 PolyIC 사가개발중인 PFET의구조와재료를나타내고있고, ( 그림 8b) 는정류회로에쓰 V GS V DS Electrodes conducting polymer or metal Insulator insulating polymer Semiconductor conjugated polymer Material examples: Polyaniline(PAni) Polyhydroxystyrene(PHS) Poly-3-alkylthiophene(P3AT) Channel due to electric field Synonyms: - Organic Thin Film Transistor(OTFT) - Organic Field Effect Transistor(OFET) Substrate flexible film (a) Polymer Field Effective TFT Polyester Electrodes: conducting polymer or metal Anode: conducting paste or metal diode capacitor Polyaniline(PAni) Insulator: insulating polymer PolyIC materials Based on polymer blend Semiconductor: conjugated polymers U out Substrate: flexible film Poly-3-alkylthiophene(P3AT) U in D C U out Material examples Polyester < 자료 >: PolyIC, 2005. (b) PolyIC의 Integrated Rectifier ( 그림 8) PolyIC Polymer 기반소자 6
유인규외 / Printed RFID 기술 이는다이오드와커패시터의구조와재료를나타내고있다. 기판으로는주로 polyester 를사용하고소스 / 드레인및게이트전극으로는 PAni 재료, 나노재료, 금속등을사용하고있고반도체재료로는 polythiophene 계열의 P3AT를주로사용한다. 게이트절연막역시 PolyIC가자체개발한 polymer blend 기반의재료, PHS이며구조는 staggered TFT 이다. 정류회로에서사용되는다이오드는 Schottky diode 타입이다. PolyIC의 polythiophene 계열 PTFT 소자는 mobility는약 0.02cm 2 /V s, I on/off 는 10 5 이상, threshold voltage(v th ) 는 -4V, 그리고 subthreshold slope은 2V/dec 이다. 이특성은 10개월후에도 degradation이관찰되지않을정도로 stable 하다고한다. PolyIC는 Schottky 타입의 rectifier를 13. 56MHz 이상에서 AC가 DC로변환되는것을확인하였고, input이 ±15V AC 13.56MHz 일때 output은 DC 6V 이상이다. 그런데 PolyIC 소자는 full printing 공정을통해제작된것이아니라 photolithography 공정이추가되어제작되었다. PolyIC가 2004년에처음으로제작된 printed ring oscillator 는 1Hz 정도의주파수가얻어졌으나최근에는 600 khz 이상의 ring oscillator도보고한바있다 [6]. 2006년에 PolyIC는 7.5cm 인식거리를가지는 8bit 13.56MHz RFID를시연하였다. 이시작품은 0.1sec의 read time, 3개월동안초기특성이유지 reader signal(v) -0.6-0.4-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 < 자료 >: PolyIC, 2006. 50m 100m 150m 200m time(s) ( 그림 9) PolyIC 의 8bit 13.56MHz RFID 시연 됨을보여주었다 (( 그림 9) 참조 ). 나. OrganicID 사기술개발동향 OrganicID는직접인쇄법을이용하여주로 CMOS 형유기전자소자, RFID tag circuit 설계등의기술개발을하고있다. 2006년에 CMOS형의 5-stage ring oscillator를제작하여 3.2kHz의구동주파수특성을보여주었다. 정류회로는 bridge 타입의정류회로를사용하였고이를이용해 ~20MHz까지정류특성을보고하였다. 이이외에도 CMOS 기반 D flip-flop을제작하고 shift register 를제작하여 1.6 khz flop 특성을보여주었다. RFID의 quality factor는 input 17.5V에서 V DD 10V의값을나타내어약 57% 의효율을보였다 (( 그림 10) 참조 )[7]. ( 그림 10) OrganicID RFID 다. IMEC사기술개발동향 IMEC은벨기에에있는반도체기반회사로 organic electronics에대한연구를꾸준히수행해오고있다. 특히그들은 RF 신호를받아 inductively coupling 시킨후 AC를 DC로정류하는정류소자에대한특성을주로다루었다. 정류회로에사용되는다이오드에는 OTFT with shortened drain-gate 구조와 organic Schottky 다이오드구조의두가지가있다. 이두가지구조의특성을비교해보면일반적으로 organic Schottky 가차지하는공간이나특성면에서우수하였다. Schottky contact 하는전극 (Al) 과 ohmic contact 하는전극 (Au) 사이에 organic semiconductor를증착한구조로 semiconductor의두께가매우얇고, 또한적당한표면처리를하면 50MHz까지정류가가능하다고보고하였다. ( 그림 11) 은 IMEC사의 14MHz 와 50MHz 정류특성을보여주고있다. 그들은 high purity를가지는 7
V(V) V(V) 20 10 0-10 -20 pentacene을이용하여높은 SCLC mobility를얻었고 polycrystalline morphology를조정하여높은주파수에서정류특성을얻을수있었다. ( 그림 8b) 에나타낸 50MHz 정류특성은 organic 재료를이용한가장높은주파수에대한특성을보여주고있다. 이특성을보면 RFID에서 13.56MHz 수신에는전혀기술적인문제가없는것으로사료된다. 2. 국내 Printed RFID 연구동향 가. 경희대 V AC schematic rectifier f=14mhz, R L =50kΩ, R C =100nF 경희대에서는 2005년 IDW 학회에서이동도 0.6cm 2 /V s, I on/off =10 7, V th =-5V의 OTFT를이용 C L R L V DC AC input signal rectified signal - Si-diode rectified signal - Schottky diode rectified signal - transistor diode -100-50 0 50 100 time(ns) 20 10 0-10 -20 f=50mhz, R L =50kΩ, R C =100nF AC input signal rectified signal - Si-diode rectified signal - Schottky diode rectified signal - transistor diode -20-10 0 10 20 time(ns) ( 그림 11) IMEC 사 Rectifier 의 14MHz 와 50MHz 그림 11) IMEC rectifier 의 14MHz 와 50MHz 정류특정류특성 하여 PMOS bootstrapped inverter 구조를이용하여 11-stage pentacene ring oscillator를발표하였다. Oscillator의특성은 3~10.4kHz였고, 15µs delay time per stage를나타내었다. Bootstrapped inverter를사용한것이특징적인데, 일반적인 E-inverter type에 bootstrapped capacitor를형성하여 V out high 의값을 V DD 로내려스윙폭을좁게하는역할을수행하게하기위해적용하였고, 이결과는국내에서발표된 organic circuit 중에서는가장좋은특성이라판단된다. 나. 순천대 순천대에서는초저가플라스틱 RFID tag 제조를위한플라스틱 IC 잉크젯인쇄기술을주로연구하는데, 2006년에는 P3HT를이용하여 7개의 inverter로구성된발진칩을사용하여 -60V에서 192 khz의주파수특성을보여주었다 [8]. Ⅳ. 13.56MHz Printed RFID 한계기술및극복방안 Printed RFID의기술개발은크게두가지로나뉘어개발되고있다. 첫번째는 antenna and interconnection 기술이고, 두번째는 active component 기술이다. 첫번째에서는 low resistance antenna printing 기술, high Q, high induced voltage 기술, capacitor의주파수안정성기술들이주로다루어지고있고, 두번째에서는 diode rectifier 기술, OTFT and inverter for ring oscillator and shift register 기술들이활발히연구되고있다. 현재까지의개발된 organic RFID 의기술수준을종합해보면안테나와연결된 rectifier 회로의경우 IMEC사가 50MHz까지성공하여 13.56MHz 수신은가능해보이나, logic clock frequency( 주로 ring oscillator의구동 frequency 에의해결정됨 ) 는 1MHz 이하의수준이다. 이정도의값도 PolyIC 사와기타연구소에서 photolithography 기술을사 8
유인규외 / Printed RFID 기술 용하여 OTFT의 channel length를 5µm 이하로낮춘경우에나얻어지는것으로아직 printing 방법을사용하여 organic RFID 의특성을확보하는데는적지않은노력이필요하다. 아직까지 printed OTFT 에서는 channel length를물리적으로 20µm 이하로낮추는것이불가능하기때문이다. 특히잉크젯이나기타 low cost printing 공정을사용한경우는수 Hz 근처의매우낮은구동 frequency 정도만얻어지고있는실정이다. 이상의결과들을바탕으로 13.56MHz printed organic RFID 개발을위해서가장중요한문제는 logic clock frequency를높이는것과저저항의안테나물질을프린팅으로형성하는것이라고할수있다. 첫번째로 ring oscillator의구동 frequency 를높이는것인데 f=µv DD /2πL 2 에의해결정되므로이동도를높이는동시에 channel length를낮추는것이필요하다. V DD =100V, L=5µm라고가정하고 13.56MHz 구동을위해서요구되는 mobility 는약 0.34cm 2 /V s이나실제로 13.56MHz 구동을위해서는이의약 8배이상인약 2~3cm 2 /V s의이동도가필요하다. 따라서 13.56MHz RFID 구현을위해서는 2~3cm 2 /V s 이상의이동도를가질수있는소재및 sub-micrometer 정도의 channel length를갖는소자구조를구현해야한다 (( 그림 12) 참조 )[9]. 두번째는저항이낮은프린팅가능한재료를개발하 PFET frequency F(Hz) 100M 10M 1M 100k 10k 1k f t theory f e experiment 1 2 5 10 20 50 100 Channel length L(µm) ( 그림 12) Polymer FET 의채널길이와주파수 여이를안테나설계에맞게공정하는것인데, 현재세계각국에서활발히연구되고는있으나 13.56MHz 구동에적합한지에대해서는보고된바가거의없다. 현재의 organic RFID 기술수준을단적으로말해주는결과는 2005년 MRS Fall meeting 의 BASF 의결과이다 [10]. 그들은 integrated transistor circuit 제작을위해 mass printing 기법을사용하였다. Screen printing, pad printing, 그리고잉크젯을사용하여 7-stage ring oscillator를제작하였는데 frequency 는 48V에서 1.2Hz 의낮은특성을보였다. 유기반도체는 F8T2 를사용하였고, 게이트절연체는 low k인 hydrogenated polyolefine과 high k인 Luxprint(BaTiO 3 paste) 를사용하였고, 게이트전극과소스 / 드레인전극은 PEDOT을사용하였다. F8T2를 spin coating한경우에이동도가 4 10-3 cm 2 /V s, I on/off 가 2700 정도였고, gravure printing한경우는이동도가 1.2 10-3 cm 2 /V s, I on/off 가 510 정도였다. 그들은저가격의대량생산가능한프린팅기법을사용한것으로반도체의이동도가낮고또한 overlap 정밀도가떨어지는프린팅기법을사용했기때문에주파수가매우낮은것으로판단된다. 즉일반적으로유기반도체를이용한 RFID에의응용이저가격의프린팅기술로가능할것으로많은사람들이믿고있지만, 반도체의이동도를획기적으로높인다거나프린팅의 position accuracy를높여서 layer to layer overlap 을감소시켜기생커패시턴스를줄이지않고는높은주파수의 circuit 제작이불가능한것으로판단된다. 이결과는현재 full 프린팅으로제작할수있는 organic RFID 의현주소라고생각된다. 이밖에회로집적을생각할때고려해야할것이 signal propagation delay가있다. 일반적으로 channel length가 250µm 이하로떨어지게되면트랜지스터의성능은각 signal propagation delay에더많은영향을받게된다. 즉인터커넥터설계와트랜지스터집적화설계의중요성이매우커지게된다. 유기전자소자를이용한전자기기에서 metal line이길어지고폴리머와금속의접촉면에서의물리적확산등의문제로신호전달속도가길어 9
지는경향이발생한다. 이러한물성을좌우하는요소들에는트랜지스터의채널길이, 소스 / 드레인전극과게이트전극과의 overlap, 게이트절연층의유전율, 유기반도체소재의 carrier mobility, contact 저항, electrical leakage 및기타산소나습도들의환경적요인들이작용한다. ( 그림 13) 은 organic 로직소자의 propagation delay를나타낸것이다. Ring oscillator frequency, fo는 delay time과 stage의수의함수 fo= 1/(delay time stage 2) 와같이표현된다. 13.56 MHz를구현하기위해서는 delay time 이 ~ 수 nsec 이하여야한다. 또한 working voltage V DD 는최대 10V 이하여야한다. IMEC은전통적인리소그라피 (non-printing) 방법을사용하여 organic ring oscillator를제작하였는데, V DD =7V에서 propagation delay ~4 10-6 sec 정도의값을보이고있다. 반면 Plastic logic 사는 printing 방법으로 oscillator를제조하여특성을측정하였는데, V DD =40V 에서 propagation delay가약 8 10-4 sec 정도의값을가짐을보여주고있다. 최근에캠브리지대학 Cavendish lab. 의 Sirringhaus 교수그룹은잉크젯방법을이용하여 sub-micron meter의 channel Propagation delay(s) 10-0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Plastic logic Based on printing IMEC Suitable area for RFID PolyIC 3M 0 20 40 60 80 Supply voltage(v) < 자료 >: IMEC, 2007. ( 그림 13) Propagation Delay of Organic Circuit length를구현하는방법을제시하였는데, selfaligned printing 방법인이방법은기존의 e-beam lithography나 photo 공정을사용하지않고 submicron channel length 구현가능성을제시하였다는데의의가있다. Ⅴ. 결론 Printed RFID 기술은 photolithography 방법을적용하여 short channel 을형성하고 pentacene 과같은고이동도의물질과높은 V DD 를채택할경우 ~600kHz 정도까지는발진되는것으로확인되었다. 하지만 full printable organic RFID는 frequency 가아직 ~ 수백 khz를불안정하게구현하는정도이다. 이러한현실적어려움에도불구하고 13.56MHz printed RFID는 item-level tracking이가능한소량다품종의제품들에사용될것으로보인다. 이는 item-level tracking용으로저가격의 RFID에의요구가필요불가결하기때문이다. 개당 1센트정도의수준으로생산하지못할경우 item-level tracking RFID 시장의앞날은불확실하다. 이상에서살펴본바와같이 printed RFID에서가장핵심적인 logic clock frequency 를높이기위해서는 1 short channel OTFT 특성확보, 2 고이동특성확보, 3 저전압구동확보등이필수적이라할수있다. 그리고이런특성들이진공장비를사용한특성이아닌값싼전통적인프린팅공정과 rollto-roll이가능한공정에서얻어져야만 printed RFID를연구개발하는의미를찾을수있을것으로사료된다. 용어해설 유기전자소자 : 반도체, 도체및절연체특성을갖는유기물을이용한전자소자 Printed RFID 기술 : RFID tag 의안테나, 디지털, 아날로그회로및메모리등을프린팅방법으로제작하는기술 10
유인규외 / Printed RFID 기술 약어정리 CLK Clock DOD Drop on Demand EPC Electronic Product Code F8T2 Poly(9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) IDW International Display Workshop NV Non-Volatile OTFT Organic Thin Film Transistor P3AT Poly-3-alkylthiophene PAni Polyaniline PFET Polymer FET PHS Polyhydroxystyrene POR Power On Reset PTFT Polymer Thin Film Transistor RFID Radio Frequency Identification SCLC Space Charge Limited Current TFT Thin Film Transistor 참고문헌 [1] Nikkei Electronics, 2005년 5월 23일. [2] Y.Y. Lin, D.J. Gundlach, S.F. Nelson, and T.N. Jack- son, Pentacene-Based Organic Thin-Film Transistor, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.44, No.8, 1997, pp.1325-1331. [3] R. Sezi et al., Organic Materials for High-Density Non-Volatile Memory Applications, IEDM03, pp. 259-263. [4] J.N. Bradley, Roll-to-Roll Processing, USDC, USDC Flexible Display Report, Chapter 4, 2004. [5] H. Sirringhaus et al., Dewetting of Conducting Polymer Inkjet Droplets on Patterned Surfaces, Nature Materials, Vol.3, No.171, 2004. [6] Walter Fix, 13.56MHz RFID Transponders Based on Polymers, Organic Electronics Conference & Exhibition, 2006. [7] Klaus Dimmler, Printed RFID Technology, Organic Electronics Conference & Exhibition, 2006. [8] 조규진외, 초저가플라스틱 RFID Tag 제조를위한플라스틱 IC 인쇄기술, 고분자과학과기술, 제 17권 1호, 2006년 2월, pp.27-37. [9] W Clemens et al., From Polymer Transistors toward Printed Electronics, J. Mater. Res., Vol.19, 2004, pp.1963-1973. [10] Florian Dötz et al., MRS Fall 2005, Fully Mass Printed Integrated Circuits, 2005. 11