Electrical Properties of RFID Tag Antenna Fabricated by Si CMOS Process

Si CMOS

공정을 적용한 RFID 태그 안테나 제작 및 전기적 특성

이석진·박승범·정태환·임동건·박재환*·김용호¹·문남수² 충주대학교 전자공학과, ¹한국기계연구원, ²네트론텍(주) 부설연구소

Electrical Properties of RFID Tag Antenna Fabricated by Si CMOS Process

Seok-Jin Lee, Seung-Beom Park, Tae-Hwan Jung, Dong-Gun Lim, Jae-Hwan Park*, Yong-Ho Kim¹ and Namsu Mun²

Department of electronics, Chungju National University, 380-702, Chungju, Korea.

1Korea Institute of Materials Science, Changwon, Korea.

2Netrontek Co., Ltd, Chungju, Korea.

초 록:Si CMOS 공정을 사용하여 소형의 RFID 태그 안테나를 Si 기판위에 구현하고 그 전기적 특성을 평가하였다.

HFSS 전자계 시뮬레이터를 사용하여 13.56 MHz 주파수 대역에서 마이크로스트립 선폭 및 선간격을 50~200 µm 영역에 서 조절하면서 안테나 패턴을 설계하였다. S 파라메터, 자기공진주파수 및 Q 값을 시뮬레이션으로부터 도출하였다. 마이 크로스트립 선폭 및 선간격이 각각 100 µm 인 10턴의 안테나에서 자기공진주파수는 80 MHz 정도이며 Q 값은 9 정도로 계산되었다. Si 기판 태그의 마이크로스트립 안테나는 DC 스퍼터링 공정에 의해 Al 2 µm를 증착하여 구현하였다. 리더 -태그를 밀착시킨 조건에서 태그 안테나 루프에서는 약 4.3 V의 전압이 검출되었다.

Abstract: By using Si CMOS process, small RFID tag antenna were fabricated on Si substrate and their electrical properties were evaluated. Firstly, tag antenna pattern and the electromagnetic properties were simulated with HFSS. The frequency was 13.56 MHz, the line-width and line-gap were modeled in the range of 50~200µm. S parameters, SRF, and Q value were calculated from geometry. When the line-width and line-gap were 100µm and 100 µm, respectively and the loop-turn was 10, the SRF was 80 MHZ and the Q value was ca. 9. When the microstrip antenna pattern of aluminum 2µm was fabricated by using DC sputtering, Vpp of ca. 4.3 V was obtained when the reader and tag were closely contacted.

Keywords: CMOS, RFID Tag, Microstrip antenna, SMD

1. 서 론

최근 IT기술의 발전방향은 유비쿼터스 및 컨버젼스 경 향을 뚜렷하게 나타내고 있으며, 관련 제품 및 부품의 개 발방향도 이에 부응해야 할 필요성이 증대되고 있다. 실 리콘 반도체 기술에서는 종래의 디지털 연산 기능 뿐 아 니라 물리, 화학, 열, 광, 에너지, 바이오, 헬스, 환경 정보 및 기능을 통합하는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 특 히 실리콘 CMOS 공정기술은 기술적, 가격적인 측면에 서 유리하기 때문에 Si CMOS 공정을 기반으로 융복합 기능성을 갖는 모놀리딕 칩(monolithic chip) 개발이 이루 어질 것으로 전망된다. 이러한 측면에서 Si CMOS 단위 공정기술을 적용한 센서, 액츄에이터, 에너지소자, 광소 자, 무선소자 등의 개발은 큰 의미가 있다.

본 연구에서는 Si CMOS 공정기술을 적용한 초소형 RFID(Radio Frequency Identification) 안테나의 설계 및 구 현에 대해 시뮬레이션 및 실제 제작을 통해 조사하였다.

RFID는 통신 IC칩과 무선을 통해 제품, 식품, 동물 등 다 양한 개체의 정보를 관리할 수 있는 인식 기술이며, 현재 까지 제품식별 및 품질관리에 주로 사용되어 왔던 바코 드 시스템에 비해 월등한 장점 (무선링크, 다중검지, 고 속동작 등)이 있어 향후 물류, 제품관리, 품질관리 등에 급속히 보급될 것으로 전망 된다.^1-3) RFID 시스템은 리더 와 태그시스템으로 구성되며, 태그의 경우 라벨형태의 태 그가 대부분 사용되고 있다.

라벨형 태그의 경우 저가격으로 제조가 가능하지만, 태 그의 크기와 넓이로 인해 사용용도의 제한이 따르는 문 제점을 안고 있다. 따라서 세계적으로 태그를 소형화하 려는 움직임이 일어나고 있다.^3-5) RFID 태그를 소형화하 려면 안테나 구조가 정밀하게 소형으로 구현되어야 하며, 이는 반도체 CMOS 공정을 사용함으로써 효과적으로 달 성할 수 있다. CMOS 공정 기반의 RFID 안테나 구현기 술이 고도화 되면, 궁극적으로는 통신칩과 안테나가 단 일칩으로 일체화된 극소형의 RFID 태그가 개발될 것으

*Corresponding author E-mail: [email protected]

로 전망된다. 이러한 CMOS 공정기반의 태그는 SMD (Surface Mount Device) 형태로 패키징되면 SMT 장비에 의해 전자제품의 제조과정에서 보드상에 실장이 가능하 여 PCB 이력관리 (tracking)에 매우 효과적으로 활용이 가 능하다.³⁾특히 SMD화된 RFID 태그는 PCB 부품 탑재과 정에서 사용되는 SMT 장비를 사용하여 바로 PCB 상에 올릴 수 있다는 장점이 있다.

Si에 구현된 초소형 RFID 태그 개발을 위하여는 Si 기 판에서의 마이크로스트립 안테나 설계, 관련 CMOS 공정, 특성 평가 등이 연구되어야 한다. 본 연구에서는 5 mm×5 mm 면적의 실리콘 기판위에서 RFID 마이크로스 트립 안테나를 설계하고, 제조한 후 그 특성을 평가하여 초소형 RFID 태그 구현의 가능성을 확인하고자 하였다.

2. 연구 방법

본 연구에서 적용한 RFID 주파수대역은 HF (13.56 MHZ)로 설정하였으며, 이 때 안테나 구조는 자기결 합방식의 루프구조가 된다. 태그 안테나의 전기적 특성 예 측을 위하여 유한요소법 (FEM) 기반의 3차원 전자계 시뮬 레이터인 HFSS (v6.0, Ansoft)를 사용하였다. 마이크로스 트립 안테나의 구조는 선폭 50~200 µm, 선간 간격 50~100µm, 턴수 1~10턴 사이의 범위에서 안테나 루프의 S parameter, 자기공진주파수 (SRF) 및 Q 값을 계산하였다.

안테나 제작을 위하여 먼저 다양한 형상의 마이크로스 트립 안테나 패턴의 포토마스크를 제작하여 포토리쏘그 라피 공정을 시행하였다. 스핀코터를 이용하여 감광제(P- LA 900, Tokyo Ohka)를 6 µm로 일정하게 도포한 후 핫플 레이트에서 110^oC로 5분간 베이킹한 후, 쿼츠(quartz) 마 스크 패턴으로 30초간 노광을 하였다. 노광 후 현상액 처 리를 통하여 네가티브 패턴을 구현한 후 Al 전극을 증착 하였다. 전극패턴의 증착은 DC 스퍼터링 공정에 의해 구 현하였다. 4" Al 타겟을 사용하였으며, Ar 3~7 mTorr 분 위기 하에서 60~100 W 전력으로 30~60분간 스퍼터링하 여 Al 전극의 두께를 1~2 µm 범위에서 조절하였다. 최종

적인 안테나 패턴은 아세톤에 의한 lift-off 공정에 의해 얻었다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 마이크로스트립 안테나 설계 및 시뮬레이션

RFID 주파수대역은 UHF (900 MHz), HF (13.56 MHZ), LF(125 KHz) 등이 있으며 UHF 대역의 경우는 반파장 다 이폴, HF 이하 대역은 자기결합 방식의 루프 안테나 구 조가 된다.¹⁾ Fig. 1에는 상용 제품에 적용되고 있는 HF 대 역 RFID 태그 안테나의 사례를 나타내었다. 대체적으로 직경 10~40 mm 정도의 사각루프 형태가 대부분이다. 본 연구에서는 HF 대역을 적용하였으므로, 안테나의 기본 구조로서 사각 루프구조 형태를 설정하였다.

Si 기판위에 소형의 루프 안테나를 구현할 경우 소형화 에 따른 이득감소 및 손실성의 Si 기판으로 인한 손실도 발생하게 된다. 먼저 HFSS 시뮬레이션에 의하여 상용 라 벨태그에 비하여 Si 기판에 구현된 소형 안테나의 이득 이 얼마나 저하되는지 예측하여 보았다. 상용태그 안테 나와 Si 기판에 적용한 안테나의 물리적 구조를 Table 1 에 정리하여 나타내었다. Si 기판 태그는 상용태그에 비 해 면적은 1.5% 정도이며, 안테나를 구성하는 마이크로 Fig. 1. Selected samples of commercial RFID tags.

Fig. 2. HFF simulation model setups for the (a) commercial and (b) Si RFID tags.

스트립 도선의 두께는 약 8% 정도가 된다. HFSS 시뮬레 이션을 위하여 Fig. 2와 같은 단일루프 모델로 하여 두 가 지 안테나의 기본적 특성을 평가해 보았다. 리더 안테나 의 경우 양 쪽 모두 동일한 구조로 하여 포트 1을 설정하 였으며, 태그 안테나에 포트 2를 설정하여 S21값을 계산 하였다. 리더 안테나와 태그 안테나 사이 거리는 0.1~100 mm 범위에서 설정하였다. HFSS의 경우 3차원 공간에서 소스의 전류 및 주파수에 의해 정해지는 전자 계로부터 공간상에 떨어져 있는 도선에 유기되는 전계 및 전력을 계산할 수 있으므로, RFID 리더 안테나 및 태그 안테나 사이에 무선으로 링크되는 전압 및 전력 이득을 바로 계산할 수 있는 장점이 있다.

Table 1에 리더-태그 거리가 50 mm인 경우에 대하여 상 용태그 안테나와 Si 기판 안테나의 이득을 나타내었다.

상용태그의 S21값은 -46 dB로 계산되었다. 커플링이 매 우 약하게 된 이유는, 시뮬레이션 모델이 송신, 수신 루 프 모드 1턴으로 설계되었기 때문이다. Si기판을 적용한 태그의 경우 S21값은 -66 dB로 계산되었다. 이득 값이 상 용태그에 비하여 이득이 약 20 dB 정도나 크게 저하한 이 유는 Si기판 태그의 경우 루프면적 및 전극 두께가 매우 작기 때문이다. 표에 나타내었듯이 Al 전극의 두께를 증 가시키거나, Si 기판을 제거할 경우에도 2~5 dB 정도의

이득향상 밖에 나타나지 않는 걸로 보아, Si 기판에 적용 한 태그 안테나의 대폭적 이득 저하는 안테나 루프 면적 의 감소가 주 원인임을 알 수 있다.

Fig. 3에는 상용태그 안테나와 Si 기판 안테나의 이득

을 리더-태그 거리별로 정리하여 나타내었다. 먼저 (a)는 상용태그와 유사한 조건으로서 40 mm×40 mm 면적의 1 턴 루프를 만든 경우이며, (b) 경우는 실리콘 기판위에서 10 mm×10 mm 면적의 안테나, (c) 경우는 더 소형화하여 Fig. 3. Effect of reader-tag distance on the S21 of the (a) 10 mm×10 mm commercial tag, (b) 10 mm×10 mm Si tag, and (c) 5 mm×5 mm Si RFID tag.

Table 1. A summarized table of antenna types, geometry, and S21 obtained when the reader-tag distance was 50mm.

안테나 유형 크기(mm) 기판(두께) 마이크로스트립(두께) S21(dB)

상용태그 안테나 40×40 PET(100 µm) Cu (25 µm) -46.1

Si기판 안테나 5×5

Si(500 µm) Al (2 µm) -66.2

Al (25 µm) -62.5

None Al (2 µm) -64.5

Al (25 µm) -61.8

Fig. 4. Effect of number of loop-turns on the S parameter in Si RFID tags. (a) 1 turn, (b) 3 turns, and (c) 10 turns. (Sweep frequency=13.56~113.56 MHz, :S11, ×:S21)

실리콘 기판위에서 5 mm×5 mm 면적의 안테나를 구현하 였을 경우에 S21값을 나타낸 것이다. 상용태그 구조 (a) 에서는 리더와 태그를 밀착시켰을 때 S21값 -7 dB 정도로 나타나는데 이는 19% 정도의 전압이득이다. 5 mm×5 mm 면적의 Si 기판 태그인 (c) 경우는 밀착조건에서 S21값이

-46 dB 정도인데 이는 근접조건에서도 리더 안테나 루프

와 태그 안테나 루프가 중첩되지 않기 때문이다. Si 기판 태그 안테나의 경우 밀착시킨 경우의 이득은 상용태그 안 테나가 50 mm 정도의 거리에서 얻어지는 이득과 비슷한 수준이다. Si 기판 태그의 운용에서는 리더-태그 사이의 거리를 짧게 하거나 리더 안테나의 출력을 증강시키는 것 이 필요할 것이다.

단일 루프에서 조사된 전기적 특성을 기초로 하여 Fig.

4에는 루프 턴수 증가에 따른 전기적 특성 변화를 나타 내었다. 루프의 양단에 포트를 형성하여 13.56~100 MHz 주파수 영역에서 2-포트 S 파라메터 해석을 행하였다. 단 일루프 (a)의 경우는 13.56 MHz에서 대략 4 ohm 정도의 저항값을 나타내었으나, 10턴 루프 (c)의 경우에는 30 ohm 정도까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 저항값의 발 생은 Al 도선의 저항성분, 표피효과 (skin effect), 근접효 과 (proximity effect) 등의 종합적 효과로 나타나게 된다. ⁶⁾ 초소형의 크기로 안테나를 구현하게 되면, 선폭 및 선간 간격이 감소함으로 인하여 직렬저항 성분 값을 피할 수

없게 된다. 리액턴스 성분은 주파수 증가에 따라 증가하 기 시작하며, 주파수가 더욱 증가하면 마이크로스트립 사 이에 발생하는 용량성 부하의 영향으로 다시 감소하였다.

리액턴스 성분이 서로 상쇄되는 주파수가 자기공진주파수 (SRF)이다. 3~10턴 루프의 경우 SRF는 모두 100 MHZ 이 하에서 형성되었다. Y 파라메터에서 계산된 Q의 최대값 은 3턴 안테나의 경우 2 정도로, 10턴 안테나의 경우 9 정 도로 계산되었다.

Fig. 5에는 마이크로스트립의 선폭 및 선간격에 따른

SRF 변화거동을 나타내었다. SRF 선폭 대비 선간격이 1:1 이하로 떨어질 경우 SRF 값은 급격히 감소하는데 이 는 근접효과로 인한 용량성 부하의 증가가 원인이다. 그 림에 나타낸 것 처럼 3턴 루프에 대하여 SRF 값을 시뮬 레이션을 통해 계산해 보면 선폭:선간격 비율이 1:3, 1:1, 3:1인 경우 2.4 GHz, 2.0 GHz, 0.4 GHz로 나타난다. 한편 10턴 루프에 대하여 조사하면 선폭:선간격 비율이 3:1인 경우는 SRF가 40 MHz 이하로 급격히 저하하였다. 태그 안테나의 경우 운용주파수에서 공진을 일으켜 사용해야 하게 되는데, 통상 안테나의 SRF를 운용주파수의

20~30% 정도로 제한하고 외부 병렬캐패시터를 부가하여

LC공진점을 운용주파수에 맞추게 된다.^6-7)결국 10턴 안 테나에서 Q 값 및 SRF 특성을 적절하게 확보하기 위해 서는 마이크로스트립의 선폭 및 선간격의 비율은 1:1 부

Fig. 5. Effect of microstrip geometry on the SRF in Si RFID tags. (a) Width=50µm gap=150 µm, (b) width=100 µm gap=100 µm, and (c) width=150µm, gap=50 µm.

Fig. 6. (a) Fabricated Si-substrate tag antenna, (b) a SEM image of the Al microstrip, and (c) a waveform obtained under the contact with reader antenna.

근이 적절한 것으로 판단된다.

3.2. 마이크로스트립 안테나 제작 및 측정

시뮬레이션 결과를 바탕으로 하여 선폭 50~200 µm, 선 간 간격 50~100 µm, 턴수 5~20턴 사이의 범위에서 여러 종류의 안테나 패턴을 구현하였다. Fig. 6에는 실제로 제 작된 마이크로스트립 안테나 사례를 나타내었다. 실제 DC 저항값은 Al 전극의 증착조건, 증착 두께에 따라 상 당한 변화폭을 나타내었으며, 10턴의 경우 60~150 ohm 정도의 값을 나타내었다. 시뮬레이션에 비해 실제 제조 된 안테나의 경우 DC 저항값이 떨어지는데 그 이유는 증 착된 전극의 물리적 전기적 충실성이 시뮬레이션 값에 비 해 떨어지고, 선폭 및 선간격 등의 균일성이 위치별로 변 동되기 때문이다. Fig. 6 (b)에는 증착된 Al 전극의 파단 면을 나타내었다. Fig. 6 (c)에는 리더기를 작동시켜 리더 안테나 루프에서 전자계가 방출되는 환경 하에서 Si기판 상에 구현된 태그 안테나 루프에서 측정된 파형을 나타 내었다. 리더 안테나와 밀착된 조건에서 13.56 MHz에 근 접하는 주파수 특성과, Vpp=4.3 V 정도의 값이 얻어졌다.

동일한 조건에서 상용태그 안테나 루프에서는 Vpp=8 V의 값이 얻어 졌다.

4. 결 론

본 연구에서는 Si 기판 위에서 DC 스퍼터링 공정에 의 해 Al 전극을 증착함으로써 5 mm×5 mm 면적을 갖는 초 소형의 RFID 태그 안테나를 구현하였다. 마이크로스트 립 선폭 및 선간격이 각각 100 µm인 10턴의 안테나에서 자기공진주파수는 80 MHz 정도이며 Q 값은 9 정도로 계 산되었다. 기존의 상용태그에 비해서 낮은 이득과 특성 을 나타내었지만, 리더기와의 운용거리를 0~10 mm로 줄 이면 시뮬레이션 상으로 동일 이득 달성이 가능하며 실 제 리더기 환경 하에서 태그인식도 가능하였다. 본 논문 에서 제시된 초소형 RFID 안테나의 경우 운용거리를 단

축되지만 초소형 태그가 필요한 부분에 활용이 가능하다.

예컨대, 웨이퍼스케일의 칩셋을 루프 안테나 중심부에 실 장하여 태그전체를 초소형 SMD화 하고 이를 표면실장기 술을 이용하여 PCB 상에 탑재할 수 있다. 이 경우 전자 제품의 생산과정 및 사후관리에서 리더 안테나를 제품에 근접시키면 셋트의 해체없이 PCB 이력관리가 가능한 PCB 트래킹 분야에 적용할 수 있는 장점이 있다. 향후 전 자소자의 개발방향은 소형화, 경박단소화, 고기능화, 복 합기능화의 방향으로 나아갈 것으로 예상되며 특히 Si 기 반의 복합칩 (SIP, SOP) 형태로 진화하여 나갈 것으로 전 망된다. 이러한 측면에서 Si 공정 기반의 RFID 태그 안 테나의 구현은 다양한 초소형의 지능 시스템 개발에 기 여할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부와 한국산업기술재단의 지 역혁신인력양성사업으로 수행된 연구결과임.

참고문헌

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