RFID(Radio Frequency IDentification Tag Chip)란 무선 신호를 이용하여 사물을 자동으로 식별하기 위해 식별대상이 되는 사물에는 RFID 태그를 부착하고 무선 신호를 이용한 송수신을 통해 RFID 리더와 통신을 수행하는 비접촉식 자동 식별 방식을 제공하는 기술이다. 이러한 RFID가 사용되면서 종래의 자동 식별 기술인 바코드 및 광학 문자 인식 기술의 단점을 보완할 수 있게 되었다.

최근에 들어, RFID 태그는 물류 관리 시스템, 사용자 인증 시스템, 전자 화폐 시스템, 교통 시스템 등의 여러 가지 경우에 이용되고 있다.

예를 들어, 물류 관리 시스템에서는 배달 전표 또는 태그(Tag) 대신에 데이터가 기록된 IC(Integrated Circuit)태그를 이용하여 화물의 분류 또는 재고 관리 등이 행해지고 있다. 또한, 사용자 인증 시스템에서는 개인 정보등을 기록한 IC 카드를 이용하여 입실 관리 등을 행하고 있다.

한편, RFID 태그에 사용되는 메모리로 불휘발성 강유전체 메모리가 사용될 수 있다.

일반적으로 불휘발성 강유전체 메모리 즉, FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)은 디램(DRAM;DynamicRandom Access Memory) 정도의 데이터 처리 속도를 갖고, 전원의 오프시에도 데이터가 보존되는 특성 때문에 차세대 기억 소자로 주목받고 있다.

이러한 FeRAM은 디램과 거의 유사한 구조를 갖는 소자로서, 기억 소자로 강유전체 커패시터를 사용한다. 강유전체는 높은 잔류 분극 특성을 가지는데, 그 결과 전계를 제거하더라도 데이터가 지워지지 않는다.

도 1은 일반적인 RFID 장치의 전체 구성도이다.


 

종래 기술에 따른 RFID 장치는 크게 안테나부(1), 아날로그부(10), 디지털부(20) 및 메모리부(30)를 포함한다.

여기서, 안테나부(1)는 외부의 RFID 리더로부터 송신된 무선 신호를 수신하는 역할을 한다. 안테나부(1)를 통해 수신된 무선 신호는 안테나 패드(11,12)를 통해 아날로그부(10)로 입력된다.

아날로그부(10)는 입력된 무선 신호를 증폭하여, RFID 태그의 구동전압인 전원전압 VDD을 생성한다. 그리고,입력된 무선 신호에서 동작 명령 신호를 검출하여 명령 신호 CMD를 디지털부(20)에 출력한다. 그 외에, 아날로그부(10)는 출력 전압 VDD을 감지하여 리셋 동작을 제어하기 위한 파워 온 리셋신호 POR와 클록 CLK을 디지털부(20)로 출력한다.

디지털부(20)는 아날로그부(10)로부터 전원전압 VDD, 파워 온 리셋신호 POR, 클록 CLK 및 명령 신호 CMD를 입력받아, 아날로그부(10)에 응답신호 RP를 출력한다. 또한, 디지털부(20)는 어드레스 ADD, 입/출력 데이터 I/O,제어 신호 CTR 및 클록 CLK을 메모리부(30)에 출력한다.

또한, 메모리부(30)는 메모리 소자를 이용하여 데이터를 리드/라이트하고, 데이터를 저장한다.

여기서, RFID 장치는 여러 대역의 주파수를 사용하는데, 주파수 대역에 따라 그 특성이 달라진다. 일반적으로 RFID 장치는 주파수 대역이 낮을수록 인식 속도가 느리고 짧은 거리에서 동작하며, 환경의 영향을 적게 받는다. 반대로, 주파수 대역이 높을수록 인식 속도가 빠르고 긴 거리에서 동작하며, 환경의 영향을 많이 받는다.

한편, 최근에는 실리콘 쓰루 홀(through-hole) 전극을 형성하여 칩의 상단에서 하단으로 전송 경로를 만드는 기술이 주목받고 있다. 와이어 본딩(wire bonding)이나 플립 칩(flip chip) 등의 기존의 연결 방식은 RFID 태그칩에서의 면적을 줄이는데 있어서, 패드 면적에 의한 한계가 발생한다. 즉, 웨이퍼 전면(front side)에 다수의 패드를 형성하기 위한 별도의 레이아웃 공간이 필요하다.

특허 기술 설명

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 안테나 하부에 안테나 기판을 형성하여 외부 구동장치와의 연결이 용이하도록 한다.

둘째, 압축 장력에 의해 RFID 칩을 안테나 기판에 쉽게 삽입될 수 있도록 하여, 안테나와 RFID 칩의 연결 속도를 향상시킬 수 있도록 한다.

셋째, 단순 삽입 방법에 의해 안테나와 RFID 칩을 고속으로 연결하여, 상대적으로 가격이 비싼 범프(Bump) 공정을 생략함으로써 비용을 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 구성 변경 등은 이하의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 RFID(Radio Frequency Identification) 장치의 안테나 기판(100) 구조를 나타낸다.
도2)

안테나 기판(100)의 일정 영역에 RFID 칩이 삽입될 수 있는 캐비티(Cavity)(101)를 형성하게 된다. 즉, 도 2는 안테나 패턴(Pattern)을 형성하기 위한 안테나 기판(100)의 구조에 관한 것이다. 여기서, RFID 칩이 삽입되는 공간을 마련하기 위해 안테나 기판(100)에 캐비티(101)를 형성하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 안테나 기판(100)과 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도3)

여기서, 안테나 기판(100)의 캐비티(101)는 두 개의 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)이 마주하는 곳에 형성된다. 그리고, 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)은 안테나 기판(100)의 상부에 형성되어 캐비티(101)를 사이에 두고 일정 기울기로 경사진 형태를 갖는다.

이때, 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)은 캐비티(101) 영역의 상부에서 (a),(b)와 같이 일정 면적으로 돌출된 형태를갖고 RFID 칩과 접촉된다. 이에 따라, 추후에 RFID 칩이 캐비티(101) 영역에 쉽게 삽입될 수 있도록 한다.

또한, 안테나 기판(100)의 하부 영역에는 구동장치가 연결된다. 여기서, 안테나 기판(100)에는 그 내부를 관통하는 쓰루 콘택(Through Via)(102a,102b)이 형성된다. 이에 따라, 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)과 외부의 구동장치는 안테나 기판(100)에 마련된 쓰루 콘택(102a,102b)을 통해 상호 통신을 수행하게 된다. 여기서, 구동장치는 LED(light Emitting diode), 모터(Motor), 또는 스피커(Speaker) 등이 포함될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 안테나 전극 ANT(+),ANT(-) 상에 RFID 칩(103)을 삽입하기 위한 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도4)

도 4에서와 같이, 2개의 안테나 전극 ANT(+),ANT(-) 사이에 RFID 칩(103)을 위치하도록 하고, RFID 칩(103)의 상부에 압력을 가하여 안테나 기판(100)의 캐비티(101)에 RFID 칩(103)이 압축 삽입될 수 있도록 한다.

여기서, RFID 칩(103)의 양측에는 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)과 연결되는 패드 전극(104a,104b)이 형성된다.

이때, 2개의 안테나 전극 ANT(+),ANT(-) 사이의 간격은 RFID 칩(103)의 폭(Width) 보다 일정 간격 작게 설정되도록 한다. 이에 따라, RFID 칩(103)의 삽입시 RFID 칩(103)과 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)이 접촉되는 부분이밀착됨으로써 그 간격이 들뜨지 않게 된다.

여기서, RFID 칩(103)의 폭은 RFID 칩(103)과, RFID 칩(103)의 양단에 연결된 패드 [0034] 전극(104a,104b)의 폭을 모두 포함하는 간격을 말한다.

그리고, 2개의 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)이 마주보는 부분은 일정 각도로 경사지도록 형성되기 때문에, RFID칩(103)에 압력을 가할 경우 RFID 칩(103)이 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)의 경사면을 따라 미끄러지듯이 캐비티(101)에 삽입된다.

이때, RFID 칩(103)이 삽입되는 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)는 스프링 작용에 의해 휘어지는 특성을 가지며, 약간의 탄성이 있어서 RFID 칩(103)이 물리적으로 삽입되는 경우에도 부서지거나 스크래치가 발생하지 않는다. 그리고, RFID 칩(103)은 일정 깊이까지 삽입되며, 캐비티(101)의 바닥면까지 삽입되어도 무관하다. 다만, 안테나 전체가 구조적으로 흔들렸을 때 RFID 칩(103)이 빠지지 않을 정도의 깊이까지만 삽입하는 것이 바람직하다.

이러한 경우 외부의 압축 장력에 의해 RFID 칩이 캐비티(101)에 삽입되므로, RFID 칩(103)과 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)을 용이하게 연결할 수 있게 된다. 따라서, RFID 칩(103)을 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)에 삽입하기 위해 상대적으로 가격이 비싼 별도의 범프(Bump) 레이어가 필요 없게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 안테나의 몰딩 레이어(Molding Layer) 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도5)

도 4에서와 같이, 안테나 전극 ANT(+),ANT(-) 사이에 RFID 칩(103)을 삽입한 이후에 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)과 RFID 칩(103)의 상부에 몰딩 레이어(Molding Layer)(105)를 덮어씌우게 된다. 여기서, 몰딩 레이어(105)는 폴리머(Polymer), 레진(Resin) 또는 플라스틱(Plastic) 등의 성형재료로 이루어질 수 있다. 안테나 전극ANT(+),ANT(-)과, RFID 칩(103)의 상부에 몰딩 레이어(105)를 형성하고, 몰딩 레이어(105)에 열을 가하게 되면 RFID 칩(103)을 덮는 몰딩 구조가 형성된다.

도 6은 도 5의 RFID 칩(103)에 관한 상세 구성도이다.

도6)

본 발명에서는 쓰루-트렌치(Through Trench) 패드(Pad) 형성 기술을 이용한 RFID 칩(103)을 그 실시예로 설명하기로 한다. 이러한 쓰루-트렌치(Through Trench) 패드(Pad) 형성 기술을 이용한 RFID 장치에 관한 기술은 본발명과 동일한 발명자에 의해 출원된 출원번호 10-2007-0039303호에 개시되어 있다.

본 발명의 RFID 칩(103)은 웨이퍼(Wafer) 상의 RFID 회로에 대한 레이아웃 감소와 기생 커패시턴스(Capacitance) 또는 저항을 줄여 동작 속도를 향상시키고 저전력을 구현할 수 있도록 한다.

이를 위해, RFID 칩(103)은 실리콘 쓰루 홀(Silicon Through Hole) 패드 전극 기술을 이용하여 기판 후면(Backside)에 그라운드 패드 전극(104b)을 형성하고, 기판 전면(Front side)의 실리콘 상부에 회로 공정을 완료한 후에 신호 입력 패드 전극(104a)을 형성하도록 한다.

이러한 RFID 칩(103)의 형성 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, RFID 쓰루-트렌치 패드의 형성 공정이 시작되기 이전에 후면 공정을 수행하기 위해 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer,110)의 후면을 공정 진행 상태로 놓는다. 여기서, 실리콘 웨이퍼(110)는 P-형 기판(P-typesubstrate)을 사용하는 것이 바람직하다.

이후에, 실리콘 웨이퍼(110)에 안테나 패드 전극을 형성하기 위한 버퍼층(112)을 형성한다. 여기서, 버퍼층(112)은 도전성 또는 부 도전성 층이 모두 사용 가능하다. 버퍼층(112)이 도전성이라도 하부 패드(Bottom pad)를 그라운드(Ground) 신호로 사용하기 때문에 P 형 기판 전압과 도전형이 같아지게 된다.

이어서, 실리콘 웨이퍼(110)의 후면에 안테나의 하부 패드 전극(104b)을 형성한다. 그리고, 실리콘 웨이퍼(110)의 전면에 RFID 태그 회로 공정을 진행하기 위한 CMOS 게이트 공정층(114) 및 메탈 공정층(116)을 형성하게 된다.

다음에, 하부 안테나 패드 전극(104b)과 RFID 회로의 그라운드 전원을 연결하는 플러그(Plug)를 형성하기 위해 실리콘 쓰루 트렌치 홀(Silicon Through-Trench hole) 형성 공정을 수행한다. 그리고, 메탈 물질을 쓰루 트렌치 홀에 매립하여 플러그(Plug,118) 형성 공정을 수행한다.

그리고, RFID 회로의 그라운드 전원에 해당하는 메탈 라인과 플러그(118) 메탈을 연결하여 그라운드 전원 연결라인(120)을 형성한다. 또한, 안테나의 또 다른 단자인 신호 입력단자를 연결할 수 있는 상부 안테나 패드 전극(104a)을 형성한다.

도 7은 본 발명에 따른 안테나 연결 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도7)

상부 안테나 패드 전극(104a)에는 신호 입력을 위한 안테나 전극 ANT(+)의 노드가 연결되고, 하부 안테나 패드전극(104b)에는 그라운드 전원의 입력을 위한안테나 전극 ANT(-)의 노드가 연결된다.

도 7의 (b)는 RFID 칩(103)과 안테나가 연결된 실제 제품을 나타낸 도면이다. 본 발명은 실리콘 쓰루 홀 패드전극 기술을 이용하여 후면에 그라운드 안테나 패드 전극(104b)을 형성하고, 전면에는 실리콘 위에 회로 공정을 완료한 이후에 상부 안테나 패드 전극(104a)을 형성하게 된다.

이에 따라, 종래의 패드 구성에서와 같이 웨이퍼 상의 전면에 복수개의 패드를 형성하기 위한 별도의 레이아웃공간이 불필요하게 된다. 즉, 한 개의 안테나 패드는 후면의 실리콘에 형성되고, 쓰루 트렌치 플러그 전극이 형성됨으로써 전면의 실리콘 회로에 안테나로부터의 무선 신호를 공급하게 된다. 따라서, 웨이퍼 상의 RFID 회로의 레이아웃 면적을 감소시킬 수 있고 기생 커패시턴스 또는 저항을 줄여 회로의 구동 속도를 향상시킬 수 있도록 한다.

도 8은 본 발명의 동작을 설명하기 위한 RFID 칩(103)의 구성도이다.

도8)

본 발명에서 안테나 전극 ANT(+),ANT(-)은 무선신호를 위한 통신 라인으로 사용되지만, 구동 장치를 제어하기 위한 제어 신호의 송수신 라인으로 사용될 수도 있다. 본 발명에서는 구동 장치로 LED가 제어되는 것을 그 실시예로 설명하기로 한다. 이러한 RFID 장치(103)는 선택기(200), 디지털부(210), 변조부(220) 및 복조부(230)를 포함한다.

디지털부(210)로부터 인가되는 선택 제어신호 MUX_CON에 따라 상부 안테나 패드 전극(104a), 하부 안테나 패드 전극(104b)을 무선신호를 위한 통신 라인으로 사용하게 될지, 구동 장치를 제어하기 위한 제어신호 송수신용 라인으로 사용하게 될지를 선택하게 된다.

즉, 도 9에서와 같이 선택 제어신호 MUX_CON가 하이 레벨로 인에이블 될 경우 무선통신 모드로 동작하게 된다.

도9)

이에 따라, 선택기(200)는 무선 제어신호 RF_CON를 선택하여 상부 안테나 패드 전극(104a), 하부 안테나 패드전극(104b)을 통해 무선 신호를 송수신하게 된다. 이때, 변조부(220) 또는 복조부(230)가 구동되어 변조신호(MOD) 또는 복조신호(DEMOD)가 안테나를 통해 송수신된다.

반면에, 도 9에서와 같이 선택 제어신호 MUX_CON가 로우 레벨로 디스에이블 될 경우 LED 와이어(Wire) 모드로 동작하게 된다. 이에 따라, 선택기(200)는 LED제어신호 LED_CON를 선택하여 상부 안테나 패드 전극(104a), 하부 안테나 패드 전극(104b)을 통해 LED를 제어하기 위한 제어신호를 입출력하게 된다.

근래에 들어, 건물 등에 설치된 조명등이 다수의 LED 소자를 포함하여 이루어지는 경우가 많다. 이러한 경우 다수의 LED 소자를 개별적으로 온/오프 제어하여 특수한 형태의 무늬를 빛을 통해 나타낼 수 있도록 한다. 또한, 다수의 조명등 중 사용자가 원하는 밝기로 조명등을 제어하거나 원하는 위치에 있는 조명등을 별도로 제어할 수 있게 된다.

본 발명은 상술 된 조명등을 제어하는 방식에 있어서, RFID 장치를 통해 조명등을 원격으로 제어할 수 있게 된다. 즉, LED 장치에 RFID 태그를 부착하고, 외부의 리더기를 통해 원하는 신호를 무선 주파수로 전송하면, LED장치에 부착된 RFID 태그가 이를 인식하여 고유 ID에 따라 별도의 코멘트를 입력받음으로써 각각의 LED를 원하는 개수 및 밝기 등으로 조절할 수 있도록 한다.

이러한 RFID 태그는 일반적인 무선 리모트 컨트롤러에 비해 상대적으로 가격이 저렴하기 때문에 조명등 장치에 RFID 태그가 적용될 경우 구현 비용을 줄일 수 있으며 사용자에게 편리함을 제공할 수 있게 된다.

발명자: 강희복

대리인: 특허법인태평양