[스크랩] RFID 태그의 동작원리와 인식률 향상방안

1. 개 요
사회적으로 RFID 사용이 많아지고 이와 관련된 책들이 많이 나와 있지만 RFID 태그 전원공급 원리에 대한 분석이 없어, 개인적으로 분석한 자료를 공개하여 RFID 태그 인식률 저하, 태그 운영상 문제점 등이 발생 시 개선방안을 강구할 때 참고자료로 활용할 수 있도록 하기 위함.

2. RFID 란?
ｏ RFID(Radio Frequency Identification)의 약어
ｏ 전자TAG를 사물에 부착하여, 사물이 주위 상황을 인지하고 기존 IT 시스템과 실시간으로 정보교환 및 처리할 수 있는 기술
ｏ 비접촉형 소자
ｏ 고주파 신호를 사용하여 내부의 칩과 외부장치와 무선데이터통신
ｏ 현재기술로 10m정도까지 가능(수동형 소자)
ｏ 공항에 일부 적용 중(물품관리, 수하물처리, 주차관제 시스템 등)

3. RFID 시스템(수동형)의 작동순서
① PC에서 리더의 제어 해석기에 읽으라는 명령을 보냄
② 제어해석기는 읽으라는 명령에 해당되는 신호를 Transmitter(송신기)를 거쳐 고주파 신호로 안테나까지 보냄
③ 안테나를 통하여 전파가 태그까지 도달
④ 태그는 전파를 에너지원으로 자체 Chip에 저장되어 있는 데이터를 전파로 변환
⑤ 안테나는 태그가 발생시킨 전파를 감지하여 Receiver(수신기)로 전달
⑥ Receiver는 전파를 데이터로 변환하여 제어 해석기에 전달하고
⑦ 제어 해석기는 데이터를 사람이 알 수 있는 값으로 변환하여 PC에 전달한다.

4. 전파의 전기성질
4.1. 전파의 개요
그림1은 평상시 텔레비전에 표시되는 화면이고 그림2는 텔레비전 안테나 근처에 전기면도기를 동작시킬 때 화면이다. 2개의 화면을 비교해 보면 면도기를 동작시킬 때는 텔레비전 화면에 가로로 하얀색 잡음신호들이 표시되는 것을 볼 수가 있다. 이것은 모터회전에 의하여 전기에너지가 발생되고 이 에너지가 공간을 전파하여 텔레비전 안테나까지 도달되기 때문이며 이러한 전기적 에너지를 일종의 전파라고 할 수 있다.
전파는 전기적 성질을 가지고 있으며, 전선과 같은 도체를 흐르는 전기를 전류라고 한다. 한편 공간(진공)과 같이 도체가 없는 곳을 흐르는 전기를 전파라고 한다.

[그림1] 보통화면

 

 [그림2] 면도기를 동작시킨 화면

4.2. 전파의 복사
전계와 자계는 매우 깊은 관계를 가지고 있어 떨어질 수가 없는 관계이다.
초등학교 시절 에나멜선을 원통에 감고 스위치를 연결하고 전지에 연결하였던 기억이 있을 것이다. 이때 스위치를 눌러 코일에 전류가 흐르면 코일은 자석이 되고 스위치를 끊으면 보통 코일이 된다. 같은 원리로 전선에 전기를 흘리면 자계가 발생되어 전선근처에 있는 나침판의 지구의 남북을 가리키지 않고 전선에서 발생되는 자계의 영향을 받아 다른 방향을 가리키게 된다.
전선에 전류를 흘리면 자계가 발생되는 원리와 반대의 원리로 감겨진 코일에 자석을 넣었다 뺏다하면 코일선에서 전기가 발생되어 코일선에 연결 된 검류계(전류의 흐름을 감지하는 측정장비)의 메터가 움직이게 된다.
따라서 자계와 전기는 서로 연관이 있으며 전선에 전류가 흐르면 자기가 생기고 자기의 변화가 있으면 전류가 발생하게 된다. 전류가 많이 흐르면 자기도 강해지고 자기의 변화가 커질수록 전류도 많이 흐르게 된다. 이것을 전자유도라고 부르며 발전기나 모터, 변압기 등 여러 가지 장치에 이 원리가 응용되고 있다.
따라서 전계(전기)의 변화가 자계를 유기하고 그 자계의 변화가 전계를 유기하여, 전계와 자계가 대개 쇠사슬의 연속과 같이 맞물려서 안테나에서 공간으로 전기신호가 퍼지게 되며 이것이 전파전파(電波傳播) 원리이다.

4.3. 헤르즈의 실험
1888년 독일의 물리학자 H.R 헤르즈가 J.C 맥스웰에 의하여 예언된 전자기파(전파)의 존재를 입증하기 위하여 발진기로서 유도코일을 사용하여 그 양끝에 전기불꽃을 일으키자 간극이 있는 고리모양의 철사를 검출기로 사용하여 그 양끝에도 전기불꽃이 발생하는 것을 발견하였다. 고리모양의 철사에는 배터리가 없는데도 전기불꽃이 발생하였으므로 전파에는 “전기에너지를 포함하고 있다."는 것이 입증이 된 셈이다.

4.4. 전파는 에너지
386세대는 광석라디오를 기억하고 있을 것이다. 아마 현재 50대이상 만 기억을 하고 있을 것이다. 광석라디오에는 건전지가 없다. 단지 안테나선을 매우길게 하던가 안테나선을 전등의 선에 감아서 안테나를 길게한 효과와 같은 원리가 되도록 만들고 방송국을 선별하는 가변콘덴서를 돌리면 라디오 소리가 들리는데 이것은 안테나에서 수신한 전파를 전원(에너지)으로 이용하여 안테나 코일에서 전기로 변환시키면서 이 신호에 포함된 신호 중에서 원하는 주파수의 신호만 동조바리콘을 이용하여 수신하고, 이 신호를 광석검파기로 검파하여 고주파에 포함된 음성신호를 리시버로 들을 수 있는 원리로 동작되며, 자료에 의하면 이 라디오는 1920년대부터 30년대까지 사용된 것으로 되어있으나 나의 기억으로는 70년대 초까지 학생들이 자작하여 사용하던 것을 본 기억이 있다. 이 라디오는 전파에 포함된 전기신호에서 전기에너지를 획득하여 음성신호를 재생하므로 소리가 작고 방송국에서 너무 먼 곳에서는 수신이 안 된다.
여기서 가장 중요한 것을 알 수 있는데 그것은 “전파 속에는 전기가 포함되어 있고 이 전기신호가 있기 때문에 전원(배터리)이 없어도 광석라디오를 동작시킬 수 있다.”는 것이다.

5. 송신전파의 전력성분
송신기의 송신능력을 나타내는 송신출력을 10W, 100W와 같이 표시를 한다. 이런 송신출력은 집안에서 사용하는 백열등 10W, 100W와 같은 개념으로 볼 수 있으며 단지 송신출력은 안테나를 통하여 전력을 공중으로 보내고, 백열등은 필라멘트를 통하여 전력을 보낼 뿐, 두 개는 같은 개념으로 생각할 수 있다.
그림3과 같이 송신기에 안테나를 연결하고 송신하면 송신전력이 공간으로 출력되는 상황을 직접 볼 수 없지만 그림4, 5와 같이 안테나 연결단자에 램프를 연결하고 송신하면 송신출력이 낮을 경우(1W)에는 램프가 약하게 빛나지만 송신출력이 높을 경우(5W)에는 밝게 빛나는 것을 볼 수 있다. 따라서 백열등 전력과 송신출력을 같은 개념으로 볼 수 있으며, 안테나 연결단자에 램프를 연결하면 전파가 전력(전기) 성분을 가지고 있다는 것을 직접 확인 할 수 있다.

[그림3] 송신기 송신상태(안테나 연결)

[그림4] 1W로 송신 시 램프상태(희미하게 빛남)

 

[그림5] 5W로 송신 시 램프상태(밝게 빛남)

[그림6] RFID 태그 외관(아시아나 항공권)

 

[그림7] RFID 태그 내부

6. RFID 태그(항공권)
6.3 도선의 공진에서 “안테나의 길이는 주파수가 높으면 짧아지고 주파수가 낮으면 높아진다.”는 것을 알 수가 있는데 주파수가 낮은 경우(중파)에는 그림 10과 같이 페라이트 코어에 코일을 감아서 만드는 방법을 사용하지만 주파수가 높아지면(VHF 이상) 안테나 길이가 짧아지므로 구리선을 이용하여 간단하게 안테나를 구성하는 것이 가능하다.
그림6과 그림7은 2004년 정보통신부 주관 RFID 시범사업으로 수행하였던 “항공수하물 추적 통제시스템”에서 사용하였던 914MHz 태그로서 외부모양은 그림6과 같고, 외부종이(테이프)를 제거하면 내부는 그림7과 같은 구조로 되어 있다. 내부구조(그림7)를 보면 구리선이 안테나이며, 검게 보이는 점과 같은 것은 반도체 칩이다.
반도체 칩을 동작하기 위해서는 배터리가 필요하지만 태그에는 배터리가 없고 리더 안테나에서 전파를 발사하면 태그에서 전파를 수신하여 전기에너지로 변환하여 반도체 칩을 동작시켜 리더와 서로 데이터 통신하는 원리를 이용한다.

7. RFID 태그 인식률 향상방안
RFID를 운영하면서 가장 문제가 되는 것이 인식률 문제이며 인식률과 관련된 문제점은 다음과 같다.
ｏ 리더 송신출력 증가 : 송신출력이 클수록 전파가 멀리까지 전파되므로 태그의 인식거리 및 인식률이 좋아진다. 그러나 타 장비에 대한 전파혼신 및 전파의 합리적인 활용 등의 문제로 전파법에 제한을 두고 있다.
ｏ 이득이 큰 안테나 사용 : 리더와 태그에 이득이 큰 안테나를 사용하는 것은 가능하지만 리더 안테나에 적용하는 것이 적정하며 태그에 이득이 큰 안테나를 사용할 경우에는 태그가격이 상승하는 문제점이 발생한다. 그러나 1회사용하지 않고 정기주차권과 같이 반복 사용하는 곳에는 적용이 가능하다.
ｏ 태그방향 조정 : 태그의 안테나를 리더 안테나에서 발사하는 전파를 가장 잘 수신할 수 있는 방향으로 향하도록 하여 리더에서 발사하는 전파가 잘 수신되도록 하여 태그에서 충분한 전력을 전환하고 양호한 데이터가 수신되도록 한다. 그러나 수하물과 같은 경우에는 콘베어 벨트에서 이동하면서 수하물 방향이 바뀌므로 항상 리더 안테나 방향으로 향하도록 하는 것이 어려우므로 태그방향을 임의로 조정하는 것은 어렵다.
ｏ 태그의 구겨짐 : 태그가 구겨져서 인식률이 떨어지는 현상은 태그 안테나가 구겨져서 본래성능이 나오지 안하기 때문이다.
ｏ 태그주변 금속에 의한 반사(Backscatter Coupling 방식) : 레이더의 원리처럼 리더에서 전파를 발사하면 태그는 반사와 비반사로 태그의 정보를 리더에 전송하지만 태그주변에 금속물질이 있을 경우 금속물질에 의한 반사도 리더로 수신되어, 리더가 태그의 정확한 데이터를 읽을 수 없도록 한다.
ｏ 액체에 의한 흡수 : 전파는 주파수가 높을수록 물과 같은 액체에 의한 감쇠가 커진다. 이런 문제 때문에 물속에서 임무를 수행하는 잠수함과 무선통신을 할 때는 낮은 주파수로 통신을 하며, 한국공항공사에서 2004년도에 추진하였던 “항공 수하물 추적 통제시스템” 시범구축 시 제주지역 수하물에 귤과 같은 액체에 의한 인식률 저하현상도 이러한 원인 때문이다.

8. 결 론
전파는 전기에너지를 공간으로 복사하는 것이며, RFID 리더에서 태그로 전파를 발사하면 태그는 이 전파를 수신하여 전파에 포함된 전기성분을 에너지로 변환하여 태그동작에 필요한 전력을 얻고 이 태그는 리더와 무선데이터 통신을 한다. 따라서 전파를 멀리까지 전송할 수 있다면 RFID 동작거리도 증가하게 되는데, 전파통달거리를 증가시키기 위한 ‘송신출력 증가, 고이득(지향성) 안테나 사용, 태그 수신감도의 증가’와 같은 방법을 RFID 시스템에도 그대로 적용 시킬 수 있다.
그리고 태그의 구겨짐, 태그와 리더 안테나의 방향, 태그 주변 금속에 의한 전파의 반사 및 액체(귤, 물 등)에 의한 흡수 등의 문제로 태그의 인식률이 떨어지는 현상이 발생되는데 이런 현상은 전파전파 특성에 기인하는 것이다.
공항을 포한하여 여러 분야에서 RFID를 이용한 시스템이 많이 도입될 것이며, 사업을 추진하면서 문제점들이 발생할 것으로 예측되는데 문제발생 시 전파전파특성을 잘 이해하고 전파를 잘 분석한다면 개선방안이 도출될 것으로 예측된다.

출처 : 제주 온도라 카페 & 정보통신기술사 부부

글쓴이 : 전문가 원글보기

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