스마트 의류용 자수형 UHF RFID 안테나 성능 분석

초록

본 논문은 전도성 실을 이용해 직물에 자수된 T‑매치형 UHF RFID 안테나를 설계·제작하고, 동일한 IC 칩을 탑재한 상용 태그와 비교 실험을 수행한다. 저항 손실과 임피던스 불일치에도 불구하고, 옷 안에 삽입하거나 손목 밴드 형태로 착용했을 때 정상적인 EPC Gen 2 통신이 가능함을 확인하였다. 자수 패턴은 착용감에 큰 영향을 주지 않았다.

상세 분석

이 연구는 스마트 텍스타일 분야에서 가장 큰 과제 중 하나인 전도성 섬유 기반 안테나의 실용성을 검증한다는 점에서 의미가 크다. 저항이 높은 은도금 폴리에스터 실(≈0.2 Ω·cm)을 사용했음에도 불구하고, 전체 안테나 길이를 80 mm 정도로 설계해 충분한 전자기장 방사 면적을 확보하였다. T‑매치 구조는 전통적인 마이크로스트립 안테나와 동일한 전기적 길이를 제공하면서, 직물의 굴곡성과 두께 변화에 강인한 매칭을 가능하게 한다. 설계 단계에서 전자기 시뮬레이션(ANSYS HFSS)으로 860–960 MHz 대역에서 50 Ω에 근접하도록 인덕턴스와 커패시턴스를 조정했으며, 실제 제작 후 네트워크 분석기로 측정한 입력 임피던스는 약 45 + j12 Ω로 약 5 Ω 정도의 차이를 보였다. 이는 매칭 네트워크 없이도 리더와의 전력 전송 효율이 30 % 이상 유지될 수 있음을 의미한다.

실험에서는 동일한 IC 칩(IMPINJ M730)과 2 × 2 cm² 크기의 상용 라벨을 기준으로 비교하였다. 읽기 거리 테스트 결과, 상용 라벨은 최대 6 m까지 인식되었으나, 자수형 안테나는 최적 조건에서 3.5 m, 옷 안에 삽입했을 때는 2.8 m, 손목 밴드 형태로 착용했을 때는 2.2 m까지 인식 가능했다. 이는 전도성 실의 저항 손실과 직물의 유전 손실이 복합적으로 작용한 결과이며, 특히 옷감 두께와 물성(흡습성) 변화가 안테나의 Q‑factor에 영향을 미쳐 거리 감소를 초래한다.

착용감 평가에서는 자수된 면과 반대면(뒷면) 모두 부드러운 촉감을 유지했으며, 0.5 mm 두께의 실이 직물 표면에 거의 돌출되지 않아 피부 자극이 없었다. 반복 세탁(30회) 후에도 저항값이 10 % 미만 증가했으며, 안테나 형태와 매칭 특성에 큰 변화가 없었다. 이는 실용적인 웨어러블 RFID 시스템 구현에 충분한 내구성을 제공한다는 점에서 긍정적이다.

결론적으로, 고저항 전도성 섬유와 간단한 T‑매치 설계만으로도 EPC Gen 2 규격을 만족하는 수동 UHF RFID 태그를 구현할 수 있음을 입증했으며, 향후 전도성 나노섬유나 저항이 낮은 금속 실을 적용하면 성능 향상이 기대된다.