‘JOMFUL’ Technology
RFID 시장을 보다 확대하는 데에는 풀어야 할 몇 가지 과제가 잔존한다. 먼저, 수억 개의 제품에 보다 싼 가격으로 RFID가 도입될 수 있도록 대량 생산 기술을 개발하는 것이 중요하다. 둘째, 제품 단위로 정보관리를 하기 위해 보다 확신성 있는 고품질의 제조기술을 유지해야 한다. 특히 태그는 일회성향이 짙은 제품이므로 그 재질에 있어 친환경성 물질에 대한 고려 역시도 간과돼서는 안된다. 이미 Omron은 연간 1억장 이상의 13.56MHz RFID 태그를 2001년부터 생산해 오며 제조 기술을 발전시킴으로 상기의 문제들을 해결해 나아가고 있다. OMRON은 JOMFUL과 관련해 일본에서 뿐만 아니라 미국, 유럽, 한국, 대만 등에서 특허권을 인정받고 있다.
▲ <그림1>과 <그림2>
<그림1>과 <그림2>에서는 현재 RFID 태그의 사용되고 있는 2가지 구조를 보여주고 있다. 두 가지 주파수 태그 모두 스트랩 타입으로 IC 칩이 탑재된 PCB(스트랩)를 안테나회로에 접합한다. OMRON은 JOMFUL 기술을 이용해 IC칩과 스트랩을 접합하고 그 스트랩을 안테나회로에 접합한다.
IC 칩과 스트랩 PCB 융착
▲ <그림 3>
'JOMFUL'이란, Joint, Metal, Film, and Ultrasonic이 조합된 단어로 금속성 물질을 이용한 새로운 방식의 초음파 본딩 기술이다. <그림3>은 IC칩을 PCB에 융착하는 공정을 도식화 하고 있다.
기본적으로 진행되는 공정은 다음과 같다. 먼저, 핫멜트 잉크 층과 도전회로를 적용한 PET(Polyethylene terephthalate)로 이루어진 스트랩 PCB를 준비한다. 에칭된 저항층은 잉크층을 대신해 회로가 도전되는데에 사용된다. 다음으로, IC칩에 압력이 가해지면서 초음파가 잉크층으로부터 스트랩에 전달되며 IC칩에 있는 전자소자가 잉크층과 융착되도록 하여 접합이 이루어진다. 마지막으로, 초음파 압력을 제거하게 되면 잉크층은 초음파로 발생된 마찰열에 의해 재경화되어 도전회로가 더욱 견고해진다.
▲ <그림 4>
<그림4>는 도전 회로(알루미늄)와 IC칩의 전자소자 사이에서 발생한 융착 공정 부위이다. 이 그림은 IC칩 전자소자와 알루미늄 회로를 금(gold electrode)을 사용해 넓은 영역에 걸쳐 접합된 것을 보여준다. 이러한 공정은 0.3~0.5초에 걸쳐 이루어진다. OMRON는 이러한 금속 융착 공정으로 신뢰도 높은 고품질화를 실현한다.
태그 제조공정 단계와 시간 단축
▲ <표1> JOMFUL과 ACP(Anisotropic Conductive Paste)의 실장공정비교
<표1>은 JOMFUL방식과 ACP (Anisotropic Conductive Paste)방식의 비교를 나타낸다.
JOMFUL 기술은 점착제 사용이 필요없어 2단계의 공정(도포/경화)을 단축시킨다. 적은 공정단계는 재료 비용과 해당 공정에 이용되는 장비 비용을 절감시킨다. 또 제조단계의 단축화는 공정단계에서 발생되는 불량률을 최소화시키고 ACP 공정방식 대비 제조 소요시간을 1/10으로 단축해 대량 생산을 가능케 한다.
IC칩 융착 공정의 신뢰성 및 품질 향상
▲ <그림5>
JOMFUL 기술을 사용함에 따라 OMRON은 IC칩의 전자소자와 도전회로 사이의 기계적인 접합 강도에 의존하게 되는데, <그림5>에서는 RFID 태그의 내구성을 확인하기 위해 Roll형태의 인레이를 연속 회전한 테스트다.
테스트 결과 OMRON JOMFUL 기술로 제조된 RFID 태그는 300회 연속 굴절 회전시 불량률이 전혀 나타나지 않았으나, 유사한 형태의 스트랩 방식으로 제조된 타사의 태그는 같은 테스트 환경에서 50회의 굴절 회전도 견뎌내지 못했다. OMRON의 경험으로 볼 때, Roller 회전 굴절 검사에서 200회 이상을 견디지 못한다면 현장에서의 적용이 실패로 돌아가게 될 것이라 우려된다.
나아가, IC칩의 크기가 축소화(0.5mm 혹은 그 이하) 될 것으로 예상되는데 이는 ACP 방식으로 IC칩을 접합시키는데 사용할 수 있는 점착제의 양 또한 줄어들어 접착 강도가 더욱 약화될 것이라는 우려가 생긴다. JOMFUL 기술로 태그를 생산하게 되면 이와 같은 잠재적인 문제에 대한 우려는 필요없게 된다. 특히 온도 85℃/습도 85%의 환경에서 1000시간이 넘는 연속 테스트를 통해 확인된 신뢰도 높은 결과는 이러한 확신을 뒷받침한다.
일반적으로, RFID 태그는 종이 혹은 그와 유사한 래미네이팅을 통해 최종적으로 사용된다. 이러한 래미네이션(Lamination) 공정은 온도가 85℃ 또는 그 이상 상승하게 되므로 JOMFUL 기술의 사용은 이러한 라벨 래미네이션 작업에도 적합한 제조 공법이라 할 수 있다.
▲ <그림6>
안정적이고 일정한 교신 거리 보장
<그림6>에서 보이는 것과 같이 PCB 위에 IC칩을 탑재하는 것으로 IC와 전도회로 사이에 커패시터(Capacitor)가 형성된다. 커패시터의 범위가 넓으면, 교신 거리의 오차 범위 또한 커지게 된다. <그림6>에서는 JOMFUL 기술로 제조된 RFID 태그와 ACP 방식으로 제조된 태그의 교신거리 테스트 결과를 보여주고 있는데 ACP 방식으로 제조된 태그는 불안정한 교신거리 결과를 보여주고 있다. 왜냐하면 커패시터의 범위가 일정치 않음으로 태그 임피던스의 차이를 유발시키기 때문이다. 이와는 대조적으로 JOMFUL 기술은 커패시터의 범위 오차를 줄여주어 교신거리 오차를 최소화한다.
JOMFUL, 환경 유해성 물질 불필요
ACP 방식 태그는 IC칩을 전도회로에 부착할 때 열경화성 점착제를 사용하는데 여기에는 호르몬계 파열 화학 물질인 bisphenil-A를 포함하고 있는 에폭시 플라스틱이 함유돼 있다. 따라서 에폭시 플라스틱을 포함하고 있는 점착제로 RFID 태그를 제작하는 것을 피해야만 한다. JOMFUL 기술 공정은 열경화성 점착제 대신 금속 융착 방식으로 IC칩 전자 소자를 이용해 전도회로와 연결하기 때문에 이러한 환경 유해 물질에 대한 우려가 필요없다.
김진희 기자
rfidkim@itdaily.kr