RFID(무선 주파수 식별)는 자동 식별 및 데이터 수집 분야의 핵심 기술입니다. 일반적인 정의와 달리 기술적으로 RFID는 질의 장치와 응답 장치 간에 데이터를 전송하기 위해 전자기장 또는 전파를 사용하는 비대칭 무선 통신 시스템입니다.

이 문서는 물리 계층, 변조 메커니즘, 안테나 기술, 신호에 영향을 미치는 환경적 요인 및 실제 운영 효율성 분석에 대한 심층적인 통찰력을 제공합니다.

1. 물리적 원리 및 결합 메커니즘

RFID의 데이터 전송 기능은 작동 주파수와 자기장 거리(근거리)에 따라 두 가지 개별적인 물리적 원리에 기반합니다.

유도 결합 - 근거리장

이 메커니즘은 저주파 LF 125 kHz 및 고주파 HF/NFC 13.56 MHz 시스템에 적용됩니다.

근거리장은 거리 d < λ / 2π (여기서 λ는 파장)로 정의됩니다.

패러데이의 전자기 유도 법칙을 기반으로 작동합니다. 리더의 안테나는 변화하는 자기장을 생성하는 코일입니다. RFID 태그에 2차 코일이 포함되어 이 자기장 영역에 들어가면 유도 기전력이 발생하여 회로에 전류를 공급합니다.

데이터는 부하 변동 방법을 통해 리더로 전송됩니다. 태그의 회로는 안테나와 병렬로 연결된 부하 저항을 켜고 끄고, 상호 임피던스를 변경하여 리더 코일에서 전압 강하를 유발합니다. 리더는 이 전압 변화를 이진 데이터로 디코딩합니다. 자기장은 1/r³ 비율로 감쇠하므로 판독 범위는 일반적으로 1미터 미만으로 제한됩니다.

역산란 결합 - 원거리장

이 메커니즘은 초고주파 UHF 860~960 MHz 및 마이크로파 2.4 GHz 시스템에 적용됩니다.

레이더 원리를 기반으로 작동합니다. 리더는 공간으로 전파되는 전자기파를 방출합니다. 태그의 회로는 두 상태 간의 입력 임피던스를 변경하여 안테나의 반사 계수 또는 레이더 단면 RCS를 변경합니다. 리더는 반사파의 강도 변화를 감지하여 데이터를 디코딩합니다.

여기서 감쇠는 거리의 제곱(d²)에 비례하므로 최대 10-15미터 이상의 작동 범위를 허용합니다.

2. 안테나 이론 및 전파 편광

UHF RFID 시스템의 성능은 안테나 설계 및 편광 동기화에 크게 좌우됩니다.

선형 편광

전자기파는 수평 또는 수직과 같이 단일 평면에서 진동합니다.

• 장점: 에너지가 집중되어 가장 먼 판독 거리를 제공합니다.
• 단점: 태그 안테나와 리더 안테나가 평행해야 합니다. 태그가 파동에 수직으로 놓이거나 교차 편광 현상이 발생하면 리더는 신호를 수신하지 못합니다.

원형 편광

전자기파는 이동하면서 나선형으로 회전하며, 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전할 수 있습니다.

• 장점: 상품이 무작위로 배열된 소매 환경에 적합한 모든 방향에서 태그를 읽을 수 있습니다.
• 단점: 선형 편광에 비해 약 3dB의 전력(에너지의 50%) 손실이 발생하여 판독 거리가 약간 짧아집니다.

이득 및 빔 폭

• 높은 이득 (예: 9-12 dBi): 좁은 빔, 멀리 이동. 창고 게이트, 컨베이어 벨트에 적합합니다.
• 낮은 이득 (예: -20 ~ 3 dBi): 넓은 빔, 근거리장. 인접한 태그를 잘못 읽지 않도록 스마트 선반 또는 결제 지점에 적합합니다.

3. 아키텍처 및 태그 분류

RFID 태그는 전원 및 메모리 구조를 기준으로 기술적으로 분류됩니다.

전원 공급 장치에 따른 분류

• 수동 태그: 자체 전원이 없습니다. RF 파동 에너지로 작동합니다. 저렴한 비용, 긴 수명.
• 반수동 태그: 칩과 센서에 전원을 공급하는 배터리가 통합되어 있지만 여전히 역산란 방식을 사용하여 정보를 전송합니다. 수동 태그보다 감도가 높습니다 (-30dBm 대 -18dBm).
• 능동 태그: 배터리 및 능동 파동 송신기가 있습니다. 판독 범위 >100m.

EPC Gen 2 메모리 아키텍처

ISO/IEC 18000-63 표준은 4개의 메모리 파티션을 규정합니다.

1. 보안 파티션 (Bank 00): 32비트 액세스 비밀번호와 32비트 태그 삭제 비밀번호를 포함합니다.
2. EPC 파티션 (Bank 01): 96비트에서 496비트까지의 전자 제품 코드를 포함합니다. 이것은 식별을 위한 기본 키입니다. 프로토콜 제어 비트 및 CRC-16 오류 검사 코드도 포함합니다.
3. TID 파티션 (Bank 10): 트랜스폰더 식별 코드. 제조업체 코드와 칩의 고유한 일련 번호를 포함합니다. 이 데이터는 일반적으로 위조 방지를 위해 공장에서 고정적으로 기록됩니다.
4. 사용자 파티션 (Bank 11): 사용자 정의 메모리 (512비트 - 8 Kbyte). 네트워크 연결이 없을 때 추가 정보를 저장하는 데 사용됩니다.

4. 에어 인터페이스 및 신호 변조

리더에서 태그로

진폭 변조를 사용합니다. 펄스 간격 인코딩 기술을 사용하여 데이터를 인코딩합니다. 이 기술에서 값 '0'은 짧은 펄스이고 '1'은 긴 펄스입니다. 중요한 특징은 비트 주기 시간의 대부분 동안 파동 에너지를 높은 상태로 유지하여 태그가 데이터를 수신하는 동안 전원이 손실되지 않도록 하는 것입니다.

태그에서 리더로

태그는 반사 계수를 변경하여 약하게 응답합니다. 인코딩은 FM0 또는 Miller 서브 캐리어를 사용합니다.

• FM0: 가장 빠른 속도이지만 간섭에 취약합니다.
• Miller (M=2, 4, 8): 속도는 느리지만 간섭에 대한 저항력이 매우 뛰어납니다. 금속이 많거나 전파 간섭이 있는 환경에서 리더는 태그에 Miller M=4 또는 M=8 모드로 전환하도록 요청합니다.

5. 충돌 방지 알고리즘

수백 개의 태그가 동시에 응답하면 신호 충돌이 발생합니다. UHF Gen 2 시스템은 무작위 슬롯 ALOHA 알고리즘 (Q 알고리즘이라고도 함)을 사용합니다.

1. 리더는 매개변수 Q가 포함된 Query 명령을 보냅니다 (예: Q=4, 2^4 = 16 슬롯 시간과 동일).
2. 각 태그는 [0, 2^Q-1] 범위에서 16비트의 임의 숫자를 자체 생성합니다.
3. 숫자 0을 뽑은 태그는 즉시 응답합니다.
4. 리더는 해당 임의 숫자가 포함된 확인 신호를 보냅니다.
5. 태그는 전체 EPC 코드를 다시 보냅니다.
6. 충돌이 발생하면 (여러 태그가 동시에 숫자 0을 뽑은 경우) 리더는 태그에 다른 숫자를 선택하도록 요청하는 명령을 보냅니다.

6. 환경적 요인 및 감쇠

실제 RFID 배포는 환경의 물리적 현상으로 인해 이론보다 복잡합니다.

• 다중 경로 페이딩 효과: UHF 파동은 벽, 바닥, 금속을 통해 반사되어 안테나로 여러 경로를 생성합니다. 이러한 파동은 서로 상쇄 간섭을 일으켜 판독 영역에 데드 스폿을 생성할 수 있습니다. 이것이 태그가 안테나에 매우 가까이 있어도 읽을 수 없는 이유입니다.
• 에너지 흡수: 물과 극성 액체는 UHF 파동 에너지를 강하게 흡수합니다. 인체도 상당한 신호 감쇠를 유발합니다.
• 주파수 편차: RFID 태그가 금속 표면에 너무 가까이 배치되면 기생 커패시턴스가 태그 안테나의 공진 주파수를 변경하여 리더의 915 MHz 파동을 더 이상 포착하지 못하게 합니다. 절연층이 있는 특수 태그를 사용해야 합니다.

7. 보안 및 Gen 2 V2 표준

도청 및 위조의 위험에 대처하기 위해 Gen 2 Version 2 표준은 다음과 같은 보안 기능을 추가했습니다.

• 암호화 인증: 태그와 리더는 AES-128 알고리즘을 사용하는 질의-응답 메커니즘을 통해 신원을 증명해야 합니다. 태그 위조를 방지합니다.
• 익명성 기능: 태그가 메모리의 일부 또는 전체를 숨기거나 임의 응답을 변경하여 태그를 소지한 사람의 위치 추적을 방지할 수 있습니다.
• 사용자 메모리 잠금: 특정 메모리 영역을 영구적으로 잠가 무단 데이터 덮어쓰기를 방지합니다.

8. 미들웨어 및 에지 처리

리더의 원시 데이터는 애플리케이션 계층 이벤트 표준에 따라 미들웨어 계층을 통해 필터링되어야 합니다.

1. 필터링: 중복 제거. 태그는 초당 50번 읽을 수 있으며 시스템은 "태그 A가 나타났습니다"만 보고하면 됩니다.
2. 스무딩: 태그 깜박임 현상 (즉, 잘 읽히다가 갑자기 간섭으로 인해 신호가 손실되었다가 다시 나타나는 현상)을 처리합니다.
3. 논리적 매핑: EPC 코드 (예: 303405...)를 비즈니스 정보 (예: 셔츠 사이즈 M, 선적 123)로 변환합니다.

9. 비즈니스 요인 분석 및 운영 효율성

RFID 적용은 기술적인 문제일 뿐만 아니라 비용 및 프로세스를 최적화하는 전략이기도 합니다.

공급망 최적화

• 재고 정확도: (바코드를 사용하여) 평균 65%에서 99% 이상으로 향상됩니다. 이를 통해 가상 품절 및 재고 손실을 최소화합니다.
• 재고 속도: 재고 조사 시간을 90-95% 단축합니다. 한 직원은 수동 방법을 사용할 때 수백 개의 제품에 비해 한 시간에 20,000개의 제품을 스캔할 수 있습니다.
• 출처 추적: EPC 코드는 각 제품 단위를 고유하게 식별하여 공장에서 판매 지점까지의 여정을 정확하게 추적하고 위조 방지 및 효율적인 회수를 지원합니다.

투자 수익률 분석

• 태그 비용 (변동비): 장기적으로 가장 큰 비용 요소입니다. 수동 태그 가격은 수량에 따라 4-10 미국 센트입니다. 가치가 낮은 품목의 경우 태그 비용이 이윤에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 인프라 비용 (고정비): 고정 리더, 게이트 안테나, 휴대용 장치 및 인코딩 기계를 포함합니다.
• 통합 비용: 미들웨어 및 기존 ERP 시스템에 통합하는 데 드는 노력.
• 투자 수익: 기업은 일반적으로 인건비 절감, 상품 손실 감소 및 선반에 항상 상품이 준비되어 있어 매출 증가로 인해 12-24개월 후에 손익분기점에 도달합니다.

10. 일반적인 실제 응용 프로그램

지능형 교통: 무정차 통행료 시스템 (VETC/ePass)

목표: 현금 지불을 위해 차량을 정지시키는 시간을 없애고 통행료 징수소의 정체를 줄이고 수익을 투명하게 만듭니다.

기술 구성:

• 식별 태그 (E-tag): 차량 조명 또는 앞 유리에 부착된 수동 UHF 태그를 사용합니다. 태그는 햇빛과 비가 오는 환경을 견딜 수 있도록 설계되었으며 제거 방지 기능이 있습니다.
• 장거리 리더: 갠트리에 설치하고 특정 차선에 파동 빔을 집중시키기 위해 높은 이득 (12 dBi)의 선형 편광 안테나를 사용합니다.

작동 메커니즘: 차량이 40-60 km/h의 속도로 통행료 차선으로 이동하면 리더는 6-8미터 거리에서 E-tag를 활성화합니다. 백엔드 시스템은 차량의 식별 코드를 인증하고 전자 지갑의 잔액을 확인하고 0.2초 이내에 자동으로 돈을 차감합니다.

패션 소매: Uniqlo/Decathlon 모델

목표: 결제 속도 (셀프 체크아웃)를 높이고 계산대 직원을 줄이고 절대적인 재고 정확도를 보장합니다.

기술 구성:

• 통합 RFID 태그: RFID 칩은 종이 가격표 (행택) 또는 천 라벨 (케어 라벨)에 직접 내장되어 있습니다.
• 결제 기계 (POS): 수신 영역은 신호를 격리하기 위해 전파 차단 재료 (패러데이 케이지)로 덮인 "큐비클"입니다.

작동 메커니즘: 고객은 전체 쇼핑 바구니를 기계 큐비클에 넣습니다. 내부의 리더는 제품의 위치나 방향에 관계없이 모든 태그를 동시에 스캔합니다 (일괄 판독). 데이터는 ERP 시스템과 대조하여 청구서를 표시합니다.

자산 및 물류 관리

목표: 지게차를 멈추지 않고도 상품의 창고 입출고 기록을 자동화합니다.

작동 메커니즘: 판독 게이트 (RFID 포털)가 창고 문 (도크 도어)에 설치됩니다. 지게차가 팔레트 상품을 운반하여 통과하면 판독 게이트는 상자의 모든 태그와 지게차의 식별 태그를 스캔합니다. WMS 시스템은 "입고" 또는 "출고" 상태를 자동으로 업데이트합니다.

11. 결론

현대 RFID 기술은 전자기장 물리학, 저전력 회로 기술, 확률 통계 이론 및 암호화의 조합입니다. 성공적인 배포에는 주파수 선택, 안테나 설계와 같은 기술적 요소와 태그 비용 제어 및 운영 프로세스 재구성과 같은 비즈니스 요소 간의 균형이 필요합니다.