특 집 초저가플라스틱 RFID Tag 제조를위한플라스틱 IC 인쇄기술 조규진 ᆞ 송재희 ᆞ 정민훈 ᆞ 양회택 ᆞ 이복임 ᆞ 김선희 1. 서론 RFID tag는다음 ( 그림 1) 에도시한바와같이크게 RF 안테나와트랜스폰더로나눌수있고트랜스폰더는 RF 인터페이스, 마이크로프로세서및메모리의 3 부분으로나눌수있다. 1 물론 RFID tag 의사용용도및 가격에따라마이크로프로세서와메모리부분은 1-bit 트랜스폰더또는 surface wave 형태를이용하면생략하고간단한구조로대체될수도있으나, 유비쿼터스시대의중심요소로이용되기위해서는 RFID tag 가마이크로컴퓨터기능을가져야하며이를위해서는마이크로프로세서와메모리부분이트랜스폰더에포함되어 조규진 1989 경희대학교 ( 학사 ) 1995 Univ. of Oklahoma( 박사 ) 2005 Rice대학연구교수 2005 RRC 센터장 1996 순천대학교화공과부교수 송재희 1989 1991 1994 1998 1999 2002 2004 인하대학교 ( 학사 ) 인하대학교 ( 석사 ) Univ. of California at San Diego ( 박사 ) Univ. of California at Berkeley ( 박사후연구원 ) 순천대학교화학과조교수 정민훈 2004 2006 2005 2005 순천대학교화학공학과 ( 학사 ) 순천대학교화학공학과 ( 석사 ) Univ. of Rice, 화학과, 연구원 ( 주 ) 파루 RFID 기술연구센터연구원 양회택 2004 2004~ 2006 2005 2005~ 순천대학교화학공학과 ( 학사 ) 순천대학교화학공학과 ( 석사 ) Univ. of Wollongong, 연구원 ( 주 ) 파루 RFID 기술연구센터연구원 이복임 2004 2004~ 2006 2005~ 성신여자대학교 ( 학사 ) 성신여자대학교 ( 석사 ) ( 주 ) 파루 RFID 기술연구센터연구원 김선희 2004 2005~ 2005~ 순천대학교화학공학과 ( 학사 ) 순천대학교화학공학과 ( 석사과정 ) ( 주 ) 파루 RFID 기술연구센터연구원 조규진송재희정민훈양회택이복임김선희 Plastic IC Printing Technology for Preparation of Penny Plastic RFID Tag 순천대학교신소재응용학부화학공학과 (Gyou-Jin Cho and Jae-hee Song, Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, 315 Maegok, Sunchon, Jeonnam 540-742, Korea) e-mail:gcho@sunchon.ac.kr ( 주 ) 파루 RFID 기술연구센터연구원 (Min-hun Jung, Hoe-teak Yang, Bock-im Lee, and Sun-hee Kim, Center for Plastic RFID Technology, 42-2, Sunchon Industrial Complex, Sunchon, Jeonnam 540-813, Korea) 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 27
그림 1. RFID Tag 기본구조. 야한다. 그림 1에도시한 RFID tag를중심으로기본동작원리를공급되는전원유무에따라살펴보면, tag 자체내에배터리를포함하는능동형 RFID tag와리더기로부터전원을공급받는수동형 RFID tag 로나눌수있다. 일반적으로수동형 RFID tag 제조가능동형보다는생산가격이저렴하며광범위하게사용될수있기때문에인쇄방법에의한저가의플라스틱 RFID tag 제조는모두수동형 RFID tag 제조에국한되어기술개발이진행되고있다. 수동형 RFID tag 는전원을리더기에서발생하는고주파의전자기파를안테나를통하여 RF 인터페이스의집적된렉티파이어 (rectifier) 를통해구동전압 (DC) 으로전환하여트랜스폰더칩을구동시키는에너지원이된다. 또한 RF 인터페이스는 tag 가지닌정보를리더기에전달하고받는역할을주로수행한다. 1 이와같은 RF 인터페이스를포함한트랜스폰더칩의마이크로프로세서와메모리부분은까지실리콘에기초한집적화된칩으로제조되어 RF 안테나에별도로접합하는방법을이용하여수동형 RFID tag가제조되었다. 이에따라수동형 RFID tag 1개당생산가격을 50원이하로낮추는것은실리콘칩을이용하여서는불가능한것으로알려져있다. 그러나유비쿼터스시대에서는기존의바코드와같이저렴하면서도적당량의정보 (440 bit 이상 ) 를주고받을수있는초저가즉 5원이하의수동형 RFID tag 개발이필수적이다. 본특집에서는초저가의수동형플라스틱 RFID tag 생산을위한가능한기술들을정리해보고자한다. 초저가수동형플라스틱 RFID tag 생산을위해서는기존의실리콘에기초한제조기술이아닌보다저렴하고간편한제조기술이필요하며, 이를위해서는고비용의반도체공정장비가아닌저비용의인쇄장비를이용한전플라스틱 RFID tag 제조기술이필수적이다. 우선 인쇄장비를이용하여플라스틱필름위에 RFID tag 를제조하기위해서는최소한기존의바코드가지닌정보를대체할수있는정보저장이가능한수준의 RFID tag 인쇄기술이필요하다. 바코드대체용 RFID tag 제조를위해서는최소약 400 개정도의트랜지스터가명함크기정도의넓이 (15 cm 2 ) 에인쇄되어야한다. 이를위해서는트랜지스터하나의크기가약 5 mm 2 이하이어야한다. 인쇄방법을이용하여 5 mm 2 이하의트랜지스터를제조하기위해서는최소 10 µm의분해능을지닌인쇄장비가필요하며, 동시에회로배선, 전극, 절연막및반도체인쇄에필요한적합한잉크가필요하다. 이러한잉크는전도성고분자및일반고분자용액을적절하게포뮬레이션하여제조할수있다. 따라서초저가의수동형플라스틱 RFID tag 제조를위해서는우선적합한인쇄장비가필요하며, 이들장비에적합한잉크가필수적임을알수있다. 본특집에서는일반적으로이용될수있는전자소자인쇄장비소개와트랜지스터제조용전자잉크포뮬레이션을포함하여, 수동형 RFID tag 를구성하는 RF 인터페이스, 마이크로프로세서및메모리에제조에필수적인고분자집적회로제조기술및고분자메모리제조기술의현황을살펴보고자한다. 2. 전자소자인쇄기술저가의전자소자를전자잉크그대로를사용하는인쇄기술을이용하여제조하기위해서는각소자를이루고있는인덕터, 저항, 캐태시터, 트랜지스터, 배선등을 100% 인쇄방법으로제조가능하여야한다. 이를위해서는우선적으로각특성에적합한전자잉크가개발되어야하며, 고분해능의인쇄설비가갖추어져야한다. 전자잉크는다음 3장에서언급하고 2장에서는전자소자제조 28 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
가가능한인쇄설비들의장단점을간략하게언급하고자한다. 전자소자가인쇄가능한일반적인프린팅방법으로는 Flexography, Letterpress, Soft Lithography, Offset Lithography, Gravure, Pad, Screen, Inkjet Electrophotography, Micropen, Transter Printing, Dippen Nanolithography 등이있으며, 2 이들중저가의전자소자들을대량생산할수있는상용화된인쇄장비들 의장단점을다음페이지표 1에요약하였다. 특히그림 2에도시한플렉소인쇄는독일의 Poly IC에서자유자재로휨이가능한 TFT 를대량인쇄할수있는파일롯생산기술을확립한상태이다. 그러나플렉소인쇄는분해능의한계가있어 TFT 의채널길이를 30 µm 이하로인쇄하는것은불가능하여, 이에따라인쇄된 TFT 의정열비와전하이동도가반도체물질자체가지니고있는고유의값들보다낮아지게 표 1. 전자소자제조에쓰일수있는인쇄장비분석 인쇄기종류별 플렉소 옵셋 그라비아 로타리스크린 로타리레터프레스 인쇄방식 볼록판 평판 오목판 공판 볼록판 인쇄판재질 고무판 PS판 동판 원통형망사 수지판 유연한수지또는고무볼록판필름출력후형광램프를통해드럼식으로동을씌운후이미지조각하고크스크린재판기법과동일하며필름을화학처리된수지판에 재판 을사용 PS 판에전이 롬코팅 ( 음각가공 ) 망사형으로생산성의향상, 재빛쬠으로빛에반응된부분을판가격비쌈 잉크통의롤러로안료잉크또 PS판을드럼에부착하고물동판가공후드럼부착, 가공된동판드럼에잉크원형통안에잉크가들어있어수지판을드럼에부착하고볼 인쇄원리 는아닐린을올려이에접하는과잉크를공급하면상호밀를묻혀 doctor( 얇은강판 ) 로긁어불필요한잉크망을통하여잉크를인쇄면록면에잉크를공급하여인쇄잉크묻힘롤러로잉크를고어내는성질로인쇄될부위만를없앤후오목 cell 속에남아있는잉크를고무롤에공급하는방식 인쇄방법무판에고루묻혀압통에의잉크가남고, 하부의고무로라을이용하여적당한압력을가해잉크를다양한 해종이가판에압착인쇄 가종이의인쇄면을전달하는기재에전이시키는인쇄방법다색, 복합인쇄와 간접인쇄방식 미세한화면부위까지인쇄가가능하며플라스틱 필름, 셀로판, 등다양한기재에적용이된다. 선명도 (LPI) 85 130 130 300 130 300 65 120 130 177 색조범위 5 95 2 98 1 98 10 90 3 97 사용잉크성질 수성 수성, 유성 유성 수성, 유성 수성, 유성 잉크도포량 얇음 얇음 얇음 상대적두터움 얇음 잉크건조방식 상온건조, UV경화 열건조, UV건조 열건조, UV경화 UV건조 인쇄가능소재 종이 / 필름등인쇄가능 종이만가능 소재별로다름 종이 / 필름등인쇄가능 종이 / 필름등인쇄가능 인쇄폭 (mm) 480 1050*750 1000 480 250 급지형태 롤 시트 롤 롤 롤 출지형태 롤 & 시트 시트 롤 롤 & 시트 롤 & 시트 판매처 하이델베르그 대진, 대양, 국제, 다이요 스톡 산기등 원산지 독일 한국, 일본 네덜란드 일본 대략가격 15억 5 15억 6 8억 15억 6 10억 속도 m/min.) 60 90 m 90 120 m 120 180 m 30 60 m 60 90 m 대략크기 10 m*3 m 10 m*3 m 15 m*3 m 10 m*3 m 10 m*3 m 고급인쇄는부적합하고신문, 서적, 일반적인옵셋기능종이면에가기계사양별로자동, 반자동, 수동이있으며제질국내의제작사는없으며기계대부분이일본산 포장지, 박스, 라벨, 전산품류와사능하며필름적용시는 UV옵별로종이, 필름, 알미늄기계가다름 가고가이고스크린판의단가 무용품류에사용국산은없음 셋기를별도제작, 부착하거나, 대략가격산출기준국내산최상급, 전자사양최가비싸국내시장형성안됨, UV 옵셋전용이가장일반적임상급, 무축방식, 8 도기준, 보일러시설 ( 스팀방식 ) 외국에서는사용함. 국내산은없으며일산은기계의경우, 도당가격산출 인쇄 / 라벨에는거의사용하지 가약하고독일하이델베르그거의국산을사용함외산의경우농심계열사가독않고섬유인쇄용으로일부사 비고 가대부분임 일산전자동방식을사용 (450억규모 ) 용함 점도자동희석기있음- 각드럼의색상별로설치, 점도자동희석하여색상의변화가거의없음, 1도 당 1억 5천이상 ( 농심은설치 ) * 교정기 -샘플제작용및테스트용으로활용여부확인 인쇄기와동일하게인쇄되며 1도씩동판을바꿔 가며인쇄가가능, 2억정도 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 29
된다. 그림 3에는잉크와표면요철부문에직접인쇄가가능한 letterpress 인쇄방법을간략히도시하였고, 그림 4에는기름과물성분의상호반발효과를이용한 offset 인쇄방법을간략히도시하였다. 또한그림 5에는인쇄방법들중가장빠른속도를지닌 gravure 인쇄방법을간략히도시하였다. 이방법은컬러필터인쇄등에매우유익하게적용가능하다. 그림 6에는전체방법들중굴곡이있는표면에인쇄가용이한 pad printing 방법을도시하였다. 전자소자인쇄방법중가장높은프리퀀시에도동작할수있는트랜지스터인쇄가가능한 dip-pen nanolithography 기술을그림 7에도시하였다. 2 기존의인쇄장비들중, 반도체공정의 fab 을대체할만한인쇄장비로잉크젯프린터를들수있는데, 포토레지스트등리소공정에사용되는화학약품을전혀사용하지않아저비용이며공정이단순하다. 알려진잉크젯프린터의최대분해능은약 5 µm로서이범위내의아래그림에도시한다양한용도의 fab 공정을간단하게저비용으로수행할수있는장점을지니고있다. 3 특히고분해능의잉크젯인쇄의장점은기판과접 그림 2. Flexography. 그림 5. Gravure. 그림 3. Letterpress. INK ROLLERS 그림 6. Pad printing. LITHO PLATE CYLINDER Dip-pen nanolithography AFM Tip WATER ROLLERS IMPRESSION CYLINDER OFFSET BLANKET CYLINDER PAPER Molecular transport Substrate Writing direction 그림 4. Offset lithography. 그림 7. Dip-pen nanolithography. 30 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
Ethylene glycol(18 cp, 47 dyne/cm) Isopropanol(2 cp, 22 dyne/cm) 그림 10. 점도가잉크방울생성에미치는영향. Speed Vs. Viscosity 그림 8. 잉크젯인쇄기술의산업적응용. Speed m/s 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4 6 8 10 12 14 16 Viscosity/cps 그림 11. 잉크점도가잉크젯인쇄속도에미치는영향. Drop size : 52 μm 60 μm 60 μm 그림 12. 3 µm 이하의분해능을지닌잉크젯인쇄. 그림 9. Ink 방울형태가인쇄에미치는영향. 촉하지않고인쇄를수행할수있다는것으로서기판에미리인쇄된소자와의접촉오염을줄일수있으며동시에미리인쇄된소자와정확한배열로인쇄할수있다는장점을지니고있다. 이에따라그림 8에도시한바와같이그분해능의잉크젯프린터는기존의 fab 공정을저렴하고단순하게대체할수있다. 그림 9에도시한바와같이잉크젯노즐에서사출되는잉크방울의모양과크기가인쇄되는소자의정확성을좌우지하게된다. 3 따라서일반적으로잉크젯노즐은이미제품으로구입하므로변형이어렵기때문에주로사용하는노즐에가해지는압력 (back pressure) 과잉크젯잉크의점도, 표면장력및젖음성을제어하여인쇄되는소자의품질을제어할수있다. 일반적으로점도가낮게되면그림 10에도시한바와같이노즐로부터생성되는잉크방울에기생잉크방울이생성되어원하는분해능을확보하기가어렵게된다. 반면, 점도가높으면인쇄속도가늦어지게되므로 ( 그림 11) 인쇄하고자하는기판과잉크의점도, 표면 장력등을고려한종합적인인쇄조건을확립하여야한다. 결론적으로잉크젯인쇄방법은다른인쇄기술에비하여인쇄장비가저렴하고또한컴퓨터로모든소자를자유자재로설계하고직접인쇄할수있다는장점이있어미세전자소자제작까지기존의반도체 fab 공정을대체할수있을것이다 ( 그림 12). 3. 전자잉크제조기술핸드폰, PDA, 노트북컴퓨터등각종전자기기에들어가는연성인쇄회로기판 (flexible printed circuit board, FPCB) 과일반적인산업용, 사무용또는가정용전기전자기기에사용되는인쇄회로기판 (printed circuit borad, PCB) 은수지필름에전체적으로동이결합되어있는연성동박적층판 (flexible copper clad laminate, FCCL) 또는동박적층판 (copper clad laminate, CCL) 을리소그라피 (lithography) 공정을통하여부분적으로식각하여원하는배선만남기는복잡한일련의공정을거쳐제작되었다. 즉폴리이미드와 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 31
표 2. 배선및전극용전도성잉크 Particle Particle size Solvent Conc. Curing Line width Line thickness ρ Author (nm) (wt%) condition (µm) (nm) (Ω cm) Ag 5 7 α-terpineol 10 100 300 80 100 3 10-6 Fuller et al. (hot surface) Au 2 4 Toluene 30 300 400 20 50 1.4 10-5 Bieri et al. (laser curing) Au 2 4 Toluene 30 35 50 500 123 250 4.5 10-6 Chung et al. (laser curing) Au 2 5 Toluene 30 200 1000 17 20 200 1.4 10-5 Bieri et al. (laser curing) Au 5 20 Toluene 30 300 1000 600 1 10-5 Szczech et al. Ag 1 10 Toluene 30 35 300 120 1000 3.5 10-5 Szczech et al. 같은내열성수지필름위에접착제를바르고여기에동박을붙인후고온프레스공정을통하여연성동박적층판또는동박적층판을제조하거나, 상기접착제대신구리와이종원소합금으로이루어진중간층을형성한후동박을결합하는공정을통하여인쇄회로기판의원소재인동박적층을제조하고, 얇게만들어진동박적층판에원하는형태의배선만을남겨원하는회로를만들기위해서는포토레지스터의도포, 건도, 노광, 세정, 에칭, 포토레지스터제거등의리소그라피공정을거치게된다. 이와같은공정은다양한고가의장비가필요하고, 제조비용이높은공정을수행하여야한다는문제점이있다. 이에따라인쇄회로뿐만아니라마크로전자소자등저가의전자소자는이러한기존의 fab 과정을줄이고, 저가로인쇄기술을이용하여제작할수있는다양한전도성잉크들이개발되었다. 전도성잉크는배선및전극재료로이용하기위해서금속나노입자를분산시켜제조할수있으며, 은 (Ag), 동 (Cu), 니켈 (Ni), 백금 (Pt), 금 (Au), 또는팔라듐 (Pd) 등을사용할수있다. 4 나노입자를만드는방법으로는전기분해법, 졸-겔법, 마이크로에멀젼법및화학환원법을들수있다. 전기분해법과졸-젤법은제조비용이높고많은양의금속콜로이드를제조하기어렵고, 마이크로에멀젼법은제조방법이복잡하여입자의크기및현상을제어하기어려워실용성에문제가있다는단점을가지고있다. 그러나화학환원법은고분자분산안정제존재하에환원력을갖는용매를이용하여금속연의환원에의하여나노입자를제조하는것으로제조방법이간단하고대량생산이가능하다는장점을가지고있다. 5 나노입자를이용한전도성잉크는전도도가가장중요하게고려되어야한다. 까지연구되어진전도성잉크의전도도를표 2에요약하였다. 전자잉크로 70 200 그림 13. 인쇄된나노잉크의열처리전후 SEM 이미지. 사용되기위해서는인쇄후에열처리 (curing) 를하여나노입자를그림 13에도시한바와같이연결하여야하며, 단시간에열처리를해서높은전도도를갖게하는것이중요하다. 입자크기는 1 80 nm 이하가좋고, 침전없이안정하게분산되어야한다. 잉크젯프린터에적용했을때, 입자크기가커지거나, 입자들끼리뭉침이일어나노즐을막아버릴수있으므로입자들의안전성을확보하여야하며이를위해서는계면활성제와고분자등을첨가하여입자표면에전자이중층 ( 그림 14) 을형성하여 DLVO 도표에서콜로이드가안정화될수있는반발에너지를제공할수있도록해야한다 ( 그림 15). 점도와표면장력을줄여줄수있으나, 과량첨가하게되면, 32 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
그림 14. 전자이중층. 그림 16. 금속나노와이어 TEM 사진. 표 3. 금속들의일함수표 Metal Cs K Li Ca Mg Al Ag Cu Pd Au Pt Wo 가 Function (ev) 2.14 2.30 2.90 2.87 3.66 4.28 4.26 4.65 5.12 5.1 5.47 5.65 그림 15. DLVO 도표. 전기전도성이저하되거나접착력에영향을준다. 일반프린터의경우점도가 2 40 cp가적당하며, 잉크젯의경우 1.5 cp가적당하다. 표면장력은보통 20 70 dynes/cm 이다. 향후전자잉크의전기전도성향상과비용절감을위하여금속나노와이어를이용하여전자잉크를제조하고있으며, 금속나노와이어는저렴한에멀션방법으로쉽게제조가가능하다. 제조된금속나노와이어를그림 16에도시하였다. 6 금속성잉크는인쇄후반도체와일함수차이로인하여 Schottky 접촉이될수있으므로, 전기전도성고분자잉크를드레인과소스전극제조시만특별히사용할수도있다. 7 금속잉크에사용되는금속들의일함수를표 3에도시하였다. 이때주로사용되는전도성고분자는폴리피롤, 폴리아닐린과 PEDOT 을들수있다. 이들고분자들은중합시특별한도판트를사용하여, 중합하는용매에전도성고분자를미세콜로이드화하여안정한분산물질로형성하도록도움을주도록선택하여사용하도록한다. 대표적인분산성도판트들을그림 17 에표시하였다. 인쇄공정을통한유기전자소자에서매우중요한인쇄요소는반도체층을트랜지스터에인쇄가능하도록하 그림 17. 대표적인분산용도판트. 는반도체용잉크제조이다. 반도체용잉크제조는우선적으로고려되어야할부분이인쇄후반도체분자들의배열에관한부분이다. 유기반도체물의증착에의해제조된트랜지스터는일반적으로인쇄방법으로제조한트랜지스터에비해전하이동도가 100배정도큰것을보면알수있듯이반도체잉크가지닌결점을쉽게알수있다. 이와같은단점을극복하기위해서는잉크상으로존재시에는무결정형태로존재하나인쇄후건조되며분자들이자기배열하여잘정돈된결정형의반도체인쇄되는물질이필요하다 ( 그림 18). 8 게이트전극절연물질용잉크는유전상수가높은고분자들을분자량에따라유기또는물에녹여점도와표 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 33
A 그림 18. 잉크건조후배열된반도체고분자들의 AFM 이미지. V 2 ( W ov = I Kn ) L 그림 19. 개별회로 MOSFET 증폭기회로의기본적인구조. 면장력을적절히제어하여잉크로사용할수있다. 이때절연층에미세구멍들이인쇄후생성될수있으므로기판표면과의젖음이절연층잉크제조에매우중요한변수가될수있다. 4. 고분자집적회로제조기술 이장에서는이미잘정리되어서보고된유기트랜지스터 (OTFT) 에대해서는별도로언급하지않고, 9 거의모든전자시스템에사용되는기본적인신호처리기능인신호의증폭을담당하는증폭기 (amplifier) 와디지털회로설계에서가장기본적인요소인반전기 (inverter) 에대하여간략히 MOSFET 를기준으로원리를설명하고고분자집적회로의한예로 RFID tag 발진에중요한링발진기 (ring oscillator) 회로와발진특성을예로서설명하였다. 개념상으로보면, 가장간단한신호처리는신호의증폭이다. 트랜스듀서로부터공급되는신호는대개마이크로볼트 (µv) 또는밀리볼트 (mv) 의범위내에있고, 작은에너지를갖는 약한 신호이기때문에, 이런신호를증폭시킬필요가있다. 특히고분자집적회로에서는신호가 MOS 에비하여현저히낮기때문에특히증폭기의기능이매우중요하다. 고분자증폭기는 MOSFET 증폭기회로를그대로이용하여인쇄하는방법으로제작이가능하다. 집적회로증폭기들에관해서는이곳에서설명하지않고, 이장에서는개별 MOSFET 증폭기를기준으로설명하고자한다. 개별회로는증폭기부하들로주로저항기들을이용한다. 그러나 IC MOS 증폭기들은증폭기부하들로일정전류전원을사용한다. 이전원들이 MOS- FET 들을추가하여구현되므로, 그결과증폭기는더욱복잡한회로가된다. 따라서여기에서는 MOSFET 증 그림 20. CMOS 반전기회로와고분자를통해인쇄된반전기의예. 그림 21. CMOS 반전기와인쇄된반전기전압특성. 폭기구성들에대한주제소개와기본적인원리를설명하고자한다. 그림 19는개별회로 MOSFET 증폭기들의다양한구성들을구현하기위한기본적인회로와직류전류와이들에나타나는직류전압들을보여준다. 인쇄공정을통하여그림 19의증폭기를간단하게인쇄할수있다. 10 반전기는전압제어스위치로동작하는트랜지스터를이용하여구현할수있다. 가장간단한반전기회로를그림 20에도시하였다. 그림에서이상적인거동은인력전압이저레벨일때스위치가열리고고레벨일때는스위치가폐쇄될것이다 (V O =0). 논리반전기 (logic inverter) 는그이름이의미하듯이, 입력신호의논리값을반전시킨다. 따라서논리 0 입력에대해출력은논리 1일것이고, 반대로논리 1 입력에대해출력은논리 0일것이다. 전압레벨들의관점에서, 그림 20의인쇄된반전기전압특성을그림 21 34 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
에 CMOS 반전기전압특성과함께도시하였다. 7 전자시스템을설계할때, 규정된표준파형들, 예를 들어사인파, 구형파, 삼각파, 펄스등을가지는신호들이자주요구된다. 표준신호들을필요로하는시스템들에는컴퓨터및제어시스템, 통신시스템, 그리고테스트및계측시스템이포함된다. RFID 시스템에서는파형의신호들이정보캐리어 (information carrier) 로서이용되며, 파형은발진기로생성되는데반전기를이용한링발진기 (ring oscillator) 를쉽게제조할수있다. 이때제조된링발진의최대발진주파수는사용한트랜지스터의최대스위칭주파수 (fmax) 와비례하며이때 f µᆞu ds /L 2 (U ds 는드레인-소스전압 ) 로표시한다. 11 링발진기에서모든반전기의출력값은다음반전기의입력으로사용되어지며총홀수개의인버터가서로연결되어있다. 마지막단의반전기의출력은처음단의반전기의입력과서로연결되어있다. 7 링발진기에전압이가해지면홀수개의반전기로인해회로가구동하게된다. 여기에두가지현상을가늠할수있다. 첫째회로전체가중간준위의신호를가지게된다. 두번째회로가정상적으로구동하게되어발진이일어나게되는것이다. 회로구성의많은관점에링발진기는다음과같은중요한기준을가지게된다. (i) 발진논리회로로서기능을지녀야한다. (ii) 링발진기가구동되는전압을결정해야한다. (iii) 발진기의스테이지수가정해져야한다. (iv) 발진신호의 on/off, 대칭성, 노이즈등의특성이결정되어야한다. 리소공정과인쇄공정을혼용한고분자트랜지스터를이용한 7개의반전기로구성된고분자링발진기의특성을그림 22에도시하였다. 11 5. 유기메모리소자제조기술 수동형플라스틱 RFID tag에사용되는메모리는읽기전용메모리가주를이루고있다. 읽기전용메모리 (ROM:read-only-memory) 는고정된데이터형태를가지는소자로서, 전원공급장치가꺼진상태에서도내용이지워지지않기때문에여러가지디지털시스템에응용되고있다. ROM 이란주소비트를입력하고지정된주소로부터찾아낸데이터비트를출력으로하는일종의조합논리회로라고생각할수있다. 12 그림 23에간략화된 32 비트회로를나타내었다. 각각의비트라인은의사 NMOS 논리의형태로 PMOS 부하트랜지스터를거쳐공급전원에연결되어있다. 0을저장하고있는셀에는 NMOS 트랜지스터가존재하고 1을저장하고있는셀에는트랜지스터가없다. 그림 23의 ROM 회로를따라인쇄기술로고분자 FET 를이용하여 ROM 인쇄가가능하나, 약점은정적전력을소비한다는것이다. ROM 은사용자가단한번프로그램할수있는 PROM 과사용자가원하는만큼지우고다시프로그램할수있는 EPROM 이있다. 여기서 EPROM 은 ROM의가장유용한형태이나, 소거와재프로그램을하는데는상당한시간이소요되며아주가끔씩만프로그램하도록되어있다. 13 의 EPROM 은그림 24와같은셀을이용한다. 이셀은기본적으로폴리실리콘 (polysilicon) 으로만들어진두개의게이트를갖는증가형 n채널 MOSFET 이다. 게이트중의하나는회로의어떤부분에서도전기적으로연결되지않는다. 플로팅되어있기때문에, 이를플로팅게이트 (floating gate) 라부른다. 선택게이트 (select gate) 라고하는또 Word address Row decoder W 1 W 2 W 3 W 4 W 5 W 6 W 7 W 8 그림 22. (a) 7 개의반전기로구성된발진칩회로도식도, (b) P3HT, 골드전극을기반으로한 7 개의반전기로제작된발진칩. (c) 링발진칩 (b) 의출력신호, 공급 voltage:-60 V, 주파수 :192 khz. B 3 B2 B1 B 0 To sense amplifier 그림 23. 8 워드 4 비트로구성된간단한 ROM 회로. VDD 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 35
(a) (b) 그림 24. 플로팅게이트트랜지스터 (a) 단면도, (b) 회로기호. 그림 26. 프로그램중의플로팅게이트트랜지스터. 그림 25. 프로그램한결과플로팅게이트트랜지스터의 i D -V GS 특성곡선의이동모습. 하나의게이트는일반적인증가형 MOSFET 의게이트 와똑같은기능을한다. 위의그림의 MOS 트랜지스터를플로팅게이트트랜 지스터 (floating gate transistor) 라고부르며, (b) 와같은회로기호를사용한다. 점선은플로팅게이트를나타낸다. 플로팅게이트의동작을살펴보면, 셀이프로그램되기전에는어떤전하도플로팅게이트에존재하지않으며, 이소자는일반적인 n채널증가형 MOSFET 와같이동작한다. 따라서이것은그림 25와같은 D- i V GS 특성곡선을갖는다. 이경우문턱전압이낮다. 트랜지스터의이런상태를프로그램되지않은상태라고한다. 이것은플로팅게이트트랜지스터가존재할수있는두가지상태중한가지로서, 임의적으로프로그램되지않은상태를 1이기억된상태로간주한다면플로팅게이트트랜지스터가그림 25와같은 D- i V GS 특성곡선을가질때, 우리는이트랜지스터가 1을기억하고있다고말한다. 반면에플로팅게이트트랜지스터를프로그램하기위해서는큰전압이드레인과소스사이에가해져야하며, 이와동시에큰전압이선택게이트에인가되어야한다. 그림 26은프로그램과정중의플로팅게이트 MOSFET 를보여준다. 그림 27. 플라스틱필름위에인쇄된 100% 고분자플로팅게이트트랜지스터. 플로팅게이트에어떤전하도없기때문에, 이소자는보통 n채널증가형 MOSFET 로동작한다. 선택게이트에인가된큰전압때문에, n형반전층 ( 채널 ) 이기판표면위에형성된다. 또한드레인의상당히큰양의전압때문에이채널은끝이뾰족한형태가된다. EPROM 을 100% 인쇄방법을이용하여저비용으로제조할수있다면, 플라스틱 RFID tag 의정보저장및전달에기존의트랜지스터를이용한 ROM 보다효율적으로이용될수있다. 13 실제로그림 24에도시한플로팅게이트트랜지스터를 100% 잉크젯인쇄를이용하여제작한사진을그림 27에도시하였다. 14 이때인쇄된플로팅게이트트랜지스터의 i-v DS 특성과 i D -V GS 특성을그림 28에도시하였다. 국내에서바코드에저장할수있는정보와상응하는 RFID tag 용 140 bit 메모리셀을 100% 인쇄방법을이용한플로팅게이트트랜지스터를이용하여제작중에있다. 14 6. 전망 현특집이작성되는순간까지 100% 인쇄기술을이용한초저가의플라스틱 RFID tag 제조기술은저주파영역에서고주파영역에이르기까지아직보고된바없다. 그러나최근스웨덴의 acreo 란회사에서인 36 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 1, February 2006
Drain Current(A) Id(A) 2.50E-007 2.00E-007 1.50E-007 1.00E-007 5.00E-008 0.00E+000-5.00E-008-1.00E-007-1.50E-007-2.00E-007-2.50E-007-3.00E-007-3.50E-007-4.00E-007-4.50E-007-5.00E-007-5.50E-007-6.00E-007-6.50E-007-7.00E-007 0.0000005 0.0000000-0.0000005-0.0000010-0.0000015-0.0000020-0.0000025-0.0000030-0.0000035-0.0000040 0-10 -20-30 -40-50 Gate Voltage(V) -30-25 -20-15 -10-5 0 Vds(V) Vds = -10 Vds = -20 Vds = -30 Vds = -40 Vds = -50 Vg-0 Vg--8 Vg--16 Vg--24 Vg--32 Vg--40 그림 28. 인쇄된플로팅게이트트랜지스터 I-V DS 와 I-V GS 의특성. 표 4. 인쇄기술을이용한 RFID Tag 제조기술수준 플라스틱 RFID Tag 주요부품요소 세계수준 ᆞ120 khz 수준발진칩및 RF Interface 인쇄기술 안테나인쇄및설계기술 메모리인쇄및설계기술 ᆞ 초보적 RF 인터페이스인쇄기술확보 ᆞ그라비아인쇄를이용한 MHz GHz 영역설계및제조 국내수준 ᆞ60 khz 수준 ᆞ인쇄를이용한 RF 인터페이스기본단위소자제조기술확보 ᆞ 잉크젯및그라비아인쇄를이용한 MHz GHz 영역설계및제조 ᆞ 유기 TFT 를이용하여 6bit 시연함 ᆞ 메모리용플로팅게이트트랜지스터를 100% 인쇄방식으로제조가능 쇄방법으로만제조된 260 khz 영역의단순한 RFID tag를시연하였으나, 저장정보가아직까지는바코드를대체할만한수준은아니다. 전세계적으로전망하기는 2008년초저가의플라스틱 RFID tag 상용화가가능할것으로전망하고있다. 100% 인쇄기술을이용한플라스틱 RFID tag 기술수준을분석한결과를표 4에도시하였다. 본연구는순천대학교 RRC센터와 ( 주 ) 파루의연구비지원으로수행되었으며이에감사합니다. 참고문헌 1. K. Finkenzeller, RFID Handbook, WILEY, England, 2004; P. Harrop, The Market for Printed Electronics, Electronics USA 2005, Naples, FL., U.S.A.,. Dec. 6-9, 2005. 2. P. Harrop and D. Lawrence, Printed Electronics Masterclass, Electronics USA 2005, Naples, FL., U.S.A., Dec. 6-9, 2005. 3. A. Hudd and M. Wills, Ink Jet Technology Masterclass, Electronics USA 2005; A. Hudd and M. Wills, ink jet Technology Masterclass, Electronics USA 2005, Naples, FL., U.S.A., Dec. 6-9, 2005; S. Nondlider, Polymer electronics for reel to reel production, Electronics USA 2005, Naple, FL., U.S.A., Dec. 6-9, 2005; T. Linder, Printed Electronics- HP's Technology beyond Ink on Paper, Electronics USA 2005, Naples, FL., U.S.A., Dec. 6-9, 2005. 4. G. Cho. J. H. Song, and B. I. Lee, aqueous Inkjet Inks for the fabrication of wires and Electronics, unpublished results. 5. H. Lee, K. Chou, and K. H, Nanotechnlogy, 16, 2436-2441 (2005). 6. J. Song, et al J. Am Chem. Soc., 123, 10397-10398 (2001). 7. G. Cho, M. H. Jung, and H. T. Yang, All Plastic Inkjet Printed Ring Oscillator with high frequency, unpublished results. 8. R. J. Kline, M. D. McGehee, E. N. Kadnilkova, J. Liu, J. M. J. Freche't, and M. F. Toney, Macromolecules, 38, 3312 (2005). 9. C. D. Dimitrakopoulos and D. J. Mascaro, IBM J. Res. A Dev., 1, 11 (2001). 10. W. Fic, A. Ullmann, D. Zipper, and W. Clemens, Fast and stable polymer electronic circuits, SPIE's 48th Annual meeting (2003). 11. W. Clemens, W. Fix, J. Ficker, A. Knobloch, and A. Ullmann, J. Mater. Res., 19, 1963 (2004). 12. A. Bernds, W. Clenens, W. Fix, M. Lorenz, and H. Rost, U.S. Patent 6, 903, 958B2 (2005). 13. R. Aberg, Printed non Volatile random access memory, Electronics USA 2005, Naples, FL., U.S.A., Dec. 6-9, 2005. 14. G. Cho. and S. Kim, All Inkjet Printed Floating Gate Trasistors and Flash Memory from Them unpublished results. 고분자과학과기술제 17 권 1 호 2006 년 2 월 37