RFID를 이용한 인쇄회로보드 추적: 속도, 효율, 생산성 단순화

RFID

글 : 크리스 쿡 & 행크 토마렐리텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com제조 전 과정의 제품 추적은 처음에는 연필과 종이로 사람이 직접 데이터를 기록하는 방법으로 이루어졌다. 바코드가 도입되면서 자동화되고 기계 판독이 가능한 추적 메커니즘으로 변화하면서 전반적인 제조 과정이 보다 능률적으로 변했다. 그러나 지금의 인쇄회로보드(PCB) 조립은 바코드 라벨의 한계에 부딪히고 있다. 바코드와 RFID 태그가 공존한다 할지라도, 고밀도 보드 상에서 비교적 사이즈가 큰 바코드 라벨이 입력될 공간이 부족해지고 있는 상황에 직면할 수밖에 없다. 더구나 기본 설계에서 파생되어 나오는 수십 또는 수백 가지의 모델을 만들어 내는 유연한 제조 프로세스 때문에 제품 제조의 최종 단계에서 바코드 라벨을 교체해야 하며, 이때 바코드 추적인지 아니면 RFID 추적인지를 검토할 필요가 있음을 뜻한다.RFID는 PCB 추적에 적합한 다양한 속성을 갖추고 있다. RFID는 다양한 환경 조건에서 정확도, 신뢰성, 성능, 지속성을 제공하며, 구현이 용이한 안전한 기술이다. PCB 추적 환경에 적용될 경우, 이러한 속성들은 제조 프로세스를 능률적으로 만들 수 있다. 입증된 기술의 RFID는 여타 산업의 자산 추적에 대한 구현을 통해 운영 및 수익성의 두 기준에서 상당한 진보를 이루었다. RFID는 보드 공간, 자동화 및 사람의 개입 등을 포함한 바코드 관련 문제들을 해결할 뿐만 아니라 재프로그래밍을 가능하게 하며 제조, 재고 관리, 또는 출하 프로세스의 어떠한 시점에서도 업데이트할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 제조 부품 중 가장 작은 부품도 현재 출시되어 있다. 이러한 여러 가지 장점들은 유연성 강화, 생산량 증대, 품질 이력관리(traceability) 향상 등으로 이어지며, 전반적인 제조 원가를 절감시킨다. 예를 들어, 제품 조립 과정의 특정 부분에서 문제가 발생할 경우, 제조업체는 RFID를 이용하여 프로세스 상의 정확한 위치를 파악하고 그 문제를 차단할 수 있을 뿐만 아니라 그 문제로 인해 손상을 입었을 부분들을 즉시 파악할 수 있다. 이는 전체 건초 더미를 헤집지 않고도 건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같은 비유로 설명될 수 있을 것이다. 이는 제조과정뿐만 아니라, 전체 수명에 이르기까지 확대될 수 있다. 실제로, RFID 강화 회로를 이용하면 서비스, 보증, 리콜 등의 비용을 모두 절감할 수 있을 것이다.바코드의 한계바코드는 1980년대부터 전자부품 제조업체에서 널리 사용되어 왔지만 상당 부분 한계가 있으며, 많은 경우 이 바코드가 제조된 제품의 추적 및 관리가 더 이상 적합하지 않다고 간주되고 있다. 이는 기술이 발전하면서 RFID와 같은 새로운 기술이 비즈니스 트렌드와 이에 추가적으로 요구되는 요구사항 등에 따라 발전되었기 때문일 것이다.일부 바코드 지지자들은 표준 선형 바코드 라벨과 스캐너가 단순하고 저렴하다는 장점에 주목한다. 유감스럽게도, 이 바코드는 정보 밀도(information density)가 낮아 약 12가지 문자를 라벨에 부여하는 데에도 50㎟ 이상의 면적이 필요하다. 이에 따라 유연성이 매우 낮다. 뿐만 아니라 거의 모든 제조업체들은 판독 누락이나 생산성 저하의 우려 때문에 섣불리 바꿀 수 없는 자체적 표준, 라벨 크기, 삽입 위치 등을 갖추고 있다.수백 비트의 정보를 수십 평방 밀리미터에 넣을 수 있는 2차원 바코드나 데이터 매트릭스는 그 밀도 문제에 봉착해 있다. 그러나 이 문제의 해결을 위해서는 고가의 스캐너, 판독의 신뢰성 및 유연성의 저하 등을 포함한 여러 가지 트레이드오프가 수반된다. 일반적으로 데이터 매트릭스 라벨의 판독에는 정밀한 등록을 요하는 고가의 고해상도 카메라가 필요하다. 그러한 고정밀성 때문에 라벨 위치가 바뀔 때마다 매번 조립 라인의 카메라 위치를 변경해야 하며 주변 환경에 따라 판독 정확도가 달라질 수 있다. 고속 생산 라인의 데이터 매트릭스 라벨의 경우 80~90%의 판독률이 일반적이다. 이러한 두 가지 형태의 바코드는 라벨과 판독기 간의 가시선(line of sight)을 요한다.이로써 PCB 부품의 배치에 더욱 제약이 따르며 대형 방열기(heat sink)나 실장 브라켓의 설계 및 배치가 바코드 제약에 따른 영향을 더 자주 받게 된다. 가시선의 또 다른 단점은 PCB가 최종 인클로저(enclosure) 안에 들어가면 더 이상 라벨을 판독할 수 없다는 점이다.두 형태의 바코드 모두 재프로그램이 불가능하며, 이는 오늘날의 유연한 제조 시스템에 있어 큰 제약으로 작용한다. 대체로 제조업체들은 기본 제품에서 단 몇몇 부품만 차이가 나는 다양한 버전을 제조하고 있다. 이 부품들은 흔히 디바이스가 재고목록에 등재되거나 심지어 기존 완성품에서 재작업이 이루어진 다음 설치된다. 이러한 경우, 그 유닛에 대해 저장된 이력이 거의 없는 새로운 마감 품번과 일련번호 등을 알릴 수 있도록 바코드를 수작업으로 교체해야 한다.바코드 처리율(throughput)은 한 번에 하나의 라벨을 판독하는 스캐너로 제한된다. 복수 동시 판독이 필요할 경우, 여러 대의 스캐너를 설치해야 한다. 선형 바코드 스캐너가 저렴하다 하더라도, 여러 대의 스캐너는 추가 비용이 들며 이에 따른 유지 보수 문제 또한 추가적으로 고려해야 할 요소이다.해당 애플리케이션에 적용되거나 적용되지 않을 수 있는 바코드의 문제점은 다음과 같다.쪾 라벨 상의 오일, 그리스(grease), 또는 기타 화학약품으로 인한 판독 불가쪾 낮은 물리적 내구성은 라벨이 손실되거나 찢어져 판독이 불가능하게 될 수 있음을 의미쪾 바코드를 찾기 어렵거나 위치가 다를 경우, 수동 판독 속도의 저하RFID와 Gen2 UHFRFID는 제품의 접촉없이 전자식별을 가능하게 만드는 기술이다. RFID 태그(tag)는 본질적으로 무선으로 재기록이 가능한 메모리칩이다. 배터리를 이용하여 통신 거리를 늘린 태그를 능동 태그(active tag)라고 한다. 수동 태그(passive tag)는 판독기의 에너지 필드에서 전원을 취하므로 배터리가 필요하지 않다. 정교함, 메모리 크기, 판독 범위 및 보안 등에서 차이가 있는 RFID 태그의 종류는 다양하다. 이 애플리케이션은 최신 수동 태그 중의 하나인 EPCGlobal™Gen2 UHF에도 적합하다.2004년 말 완성된 Gen2 UHF 사양은 대량 재고 관리를 위한 저렴한 단순 프로토콜이다. 이는 현재 ISO 표준이며 세계적으로 840~960MHz 주파수 대역에서 작동한다. 북아메리카, 유럽 및 아시아 등의 대기업들이 자사 공급업체에서부터 매장 창고에 이르는 공급 체인 전반에 걸친 제품 추적에 Gen2 UHF를 이용하고 있다. PCB 제조업체들은 자사 제조 시스템에 일체화되는 빌딩 블록(building block)을 적용하여 판매업체를 위한 하드웨어와 소프트웨어를 개발할 수 있는 편익을 누릴 수 있다.PCB 상의 RFID 구현전자부품의 추적에 RFID를 이용하는 것은 전혀 새로운 일이 아니다. 기존 버전에서는 저주파(LF) 및 고주파(HF) 태그를 이용했다. PCB에 라벨 기반의 태그를 부착하거나 RFID 칩에 직접 실장된 안테나를 식각하는 시도가 이루어졌다. HF와 LF에는 모두 비교적 큰 루프 안테나가 요구되기 때문에 그러한 솔루션은 상당히 큰 공간이 필요하다. 이와 달리, 극초단파(UHF) 태그는 약 3인치(75mm) 길이의 동박 트레이스(thin copper trace)인 소형 쌍극 안테나만으로도 충분하다.지금까지의 RFID 솔루션에는 표면실장 제조와 호환되는 적절한 패키지 형태가 결여되어 있었다. 가능한 한 디바이스의 크기를 작게 만들고 비용을 낮추기 위하여, RFID 제조업체들은 일반적으로 플립 칩(flip chip) 기술로 조립된 베어 다이(bare die)를 이용했다. 그러나 대부분의 제조 라인에는 플립 칩 장비가 일체화돼 있지 않기 때문에 이는 비현실적이다. 기존의 픽앤플레이스(pick-and-place) 조립 라인과 호환되는 아주 작은 표면 실장 패키지의 출현은 매우 중요하다. UHF 다이를 위한 표면실장기술(SMT) 패키지는 아주 작은 세라믹 저항과 커패시터의 크기와 유사한 1.5×1mm(60×40mil) 보다 작을 수도 있으며, 고밀도 전자부품에 적합하다.RFID의 주요 장점중 하나는 태그를 판독할 가시선이 필요 없다는 것이다. PCB가 판독기 영역 내에 있는 한 판독이 가능하다. 이는 충분한 전송력을 갖춘 판독기 안테나를 조립 라인 위에 설치해두기만 하면, RFID 칩의 위치나 방향이 크게 중요하지 않다는 것을 의미한다. 그리고 PCB가 인클로저나 패키지로 가려져 있지 않는 한, 태그를 판독할 수 있다.Gen2 UHF 태그의 판독 범위는 길게는 10m(30ft)에 이를 수 있다. 특정 경우에 그러할 수 있듯이 판독 범위가 문제요소라면, 태그 안테나 설계를 변경하여 범위를 쉽게 좁힐 수도 있다. Gen2 UHF 사양에서는 ‘강제 종료’ 명령으로 태그가 비활성화 돼야 한다. 이로써 제조업체가 원할 경우 태그를 영원히 작동하지 않게 만들 수도 있다.Gen2 UHF 기반의 칩을 이용할 경우의 장점은 다음과 같다:쪾 낮은 보드 공간 점유율쪾 데이터 재기록 가능쪾 가시선이 불필요하므로, 일부 패키지/인클로저를 통한 판독 가능쪾 태그 상의 메모리 잠금 옵션쪾 암호 쓰기 금지쪾 ‘강제종료’ 명령으로 태그를 영구적으로 비활성화쪾 판독 범위 조절 가능쪾 SMT 또는 플립 칩 실장 옵션쪾 표준 SMT 부품에 버금가는 내구성쪾 표준 제조 작업에 따른 비용 감소쪾 동시 고속 판독표 1은 PCB 추적 애플리케이션에서 바코드 대비 RFID의 장점을 나타낸다.이용 사례96비트, 또는 12바이트의 정보는 부호화에 충분치 않은 메모리로 여겨질 수 있으나, 실제로는 상당한 융통성이 있다. 수십억 가지 제품의 모델 번호와 일련번호를 부여하는 충분한 숫자 부여 공간을 제공하기 위하여 이 크기의 메모리가 선택되었다. 96비트는 총 296, 또는 79×1027에 달하는 숫자를 제공한다. 제조업체들은 일반적으로 태그 부호화에 자사만의 방식을 보유하고 있겠지만, 보다 간결한 할당 방법은 모델 번호, 일련 번호 및 일련의 제조 코드에 각기 32비트를 할당하는 것이다. 각각의 32비트 세그먼트에는 약 43억 개의 숫자를 저장할 수 있다.이 유연성은 수십 또는 수백 가지의 이종 고객들의 시스템과 방법을 접목시킴에 있어 각별한 문제에 직면해 있는 CM(contract manufacturer, 하청 제조업체)의 경우에 특히 유용하다. CM은 공장에서 자사에 가장 적합한 부호화 시스템을 이용할 수 있어, OEM으로 출하할 때 태그를 간단히 재프로그램할 수 있다. RFID 활성화 추적을 원치 않을 경우, CM은 그 장치를 ‘강제종료’하거나 PCB의 스크랩 부위에 장착했다가 출하 전에 제거할 수 있다.표 2에는 여러 단계에서 프로그램하고 제조 데이터베이스에 기록할 수 있는 정보와 가능한 제조 라인 흐름이 열거되어 있다. 표 2의 방법은 모델 번호, 일련 번호 및 제조 코드 비트(MCB)에 각기 32비트를 할당하는 앞서 언급한 메모리 할당 방법을 이용하고 있다. 이러한 형식의 시스템 유연성은 제조업체들이 RFID를 통해 수집되는 실시간 데이터로부터 부가적인 편익을 실현시킬 수 있기 때문에 매우 중요하다. 이로써 프로세스 효율을 향상시키는 실시간 경영 의사결정이 가능하게 된다. 품질 정보를 제공하고 빠르게 변하는 고객의 수요에 신속히 대응할 수 있다는 것은 오늘날의 경쟁 시장에서 특히 중요하며, 디바이스를 한 모델 번호에서 다른 번호로 신속하게 재구성하고 그 디바이스의 전체 이력을 기록하는 것은 앞서 언급한 바와 같이 유용한 도구이다.제조 코드를 태그에 프로그래밍 시키는 편익은 디바이스의 이력을 파악하기 위하여 공장 직원과 시스템이 온라인 데이터베이스에 접속할 필요가 없게 된다는 점이다. 업무 규정(Business rule)을 현장과 장비에 적용할 수 있으며 직원들은 네트워크 속도나 심지어 연결 신뢰성에 대한 염려없이 신속하게 대응할 수 있다. 이 오프라인 가독성을 제조 유연성 및 효율 향상에 활용할 수 있다.결론고품질 제조, 아웃소싱, 유연성 및 법적 요구사항에 대한 필요는 제조 조립의 추적을 극한 상황으로 몰고 있다. 자사의 제조 데이터에 대한 고도로 정확하고 포괄적인 시야를 갖추지 않을 경우, 대다수 기업들은 상당한 보증, 안전 및 책임 비용에 직면하게 된다. 제조업체가 문제가 발생한 특정 일자의 특정 장비에 부여된 일련번호만이라도 확인할 수 있다면, 제품 전체를 리콜하지 않아도 된다. 이러한 리콜, 보증 그리고 발생 가능한 소송 비용의 절감은 그 기업의 순익에 직접적인 영향을 미치게 된다.오늘날, PCB 조립 라인에서 생산된 제품의 총수량을 쉽게 추적하는 것이 가능해졌다. 그러나 현재 대량 생산 공장의 생산 프로세스 관리에 필요한 정확도를 갖춘 프로세스 중 디바이스의 숫자, 위치, 상태 및 시간 측정기준을 즉시 이용하기란 쉽지 않다. 모든 장치는 품질, 추적성 및 조립 라인 효율에 대하여 개별적 추적이 필요하다. 고도로 자동화된 오늘날의 환경 또한 사람의 개입이 가능한 한 적어야 한다. 마지막으로, EPCGlobal™ Gen2 사양(일명 ISO 18000-6C)의 신속한 채택은 판독기 하드웨어 및 소프트웨어 둘 다에 즉시 이용할 수 있는 인프라 표준 기반의 접근법이 있음을 의미한다. 이 표준 기반의 방법은 효율 향상, 실시간 데이터, PC 보드 및 조립품의 정확한 추적을 위한 제조 ROI를 제공한다. 이 새로운 디바이스는 공간 절감, 조립 라인 작업 과정과 셋업을 한층 효율적으로 만들 수 있는 매우 유연한 자동 식별 방법을 제공한다. 발전된 RFID 기술을 통해 제조업체들은 정교함을 한 단계 더 끌어올릴 수 있다.저자소개>>크리스 쿡(Chris Cook)은 TI의 애플리케이션 스페셜리스트이다. 그는 비접촉식 지불 시스템 고객사에 애플리케이션 조언, 테스팅, 및 기술 지원 제공을 담당하고 있다. 전자 분야에서 12년 이상의 경력을 갖췄으며, 자신의 전문 지식을 TI의 비접촉식 지불 시스템 사업을 지원하기 위한 전자부품 실장 솔루션의 설계 및 관리에 활용하고 있다. 바코드 및 RFID 기술이 포함되는 데이터 수집 분야에서 15년 간의 경력을 갖고 있다.

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