인쇄전자 기술을 활용한 스마트 포장 시장 진입을 위한 제언
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인쇄전자 기술을 활용한 스마트 포장 시장 진입을 위한 제언
  • 조규진
  • 승인 2019.11.12 11:45
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성균관대학교 양자물리과학원 생명물리학과 조규진 교수
조규진 교수
조규진 교수

전 세계 포장산업 시장규모는 2017년에 세계 스마트폰 시장의 두 배 정도 크기이었으며, 지속적으로 확장되고 있는 실정이다. 특히 IoT가 접목된 스마트 포장 시장은 아직까지 시장이 열리지 않은 완전한 블루 오션 지대라고 생각된다. 이러한 좋은 스마트 포장 시장이 있음에도 불구하고 아직까지 이 분야에 시장이 열리지 않는 이유는 무엇이고 어떻게 스마트 포장 시장을 열수 있을 것인가에 대해 저의 인쇄전자 경험에 기반하여, 인쇄전자 관점에서 스마트 포장 시장 진입을 위한 전략을 제안해 보고자 한다.

스마트 포장 산업이 열리지 않는 이유의 가장 큰 이유는 포장산업의 현 기술 수준과 시스템 반도체 기술에 기반한 현 IoT 기술 수준의 잘못된 매칭에서 발생한다고 볼 수 있다. 포장 기술 중에서 인쇄기술의 현 최고 수준은 중첩 인쇄 정밀도 ±100μm에 인쇄 속도 500m/min인 반면, IoT 구현을 위한 안테나에 Si-칩 마운팅 하는 속도는 최고 인쇄 속도에 비하여 현저하게 뒤처지기 때문에 R2R 공정으로 안테나를 인쇄한다고 해도 Si-칩 마운팅 공정을 인라인으로 구동하기가 불가능하다. 또한 인쇄 속도를 낮추어 Si-칩을 포장 인쇄공정에 집적화하여 마운팅 한다고 해도, Si칩의 특성상 포장에 따른 완충 층 없이 직접 노출하여 사용하는 데는 Si-칩의 단단함과 두꺼운 두께로 인하여 내구성 및 안정성이 대두되어 실용적이지 못하다.

실례로, 본인은 최근에 미국 전자공학회에 R2R 그라비아를 이용하여 인쇄한 NFC 안테나와 온도센서 그리고 유연 회로에 Si칩을 브릿지하여 시간의 변화에 따른 온도 변화를 스마트폰으로 모니터링하여 식품의 유해성 빅데이터와 연계하여 실시간으로 소비자가 스마트폰으로 해당 식품을 구입해도 되는지에 대한 유해성을 평가할 수 있는 Time-Temperature History(TTH)-NFC Label을 개발하여 보고한 바 있다(IEEE Sensor Journals, 2019). 그러나, 실질적인 스마트 포장에 TTH-NFC Label을 부착하여 사용하는 데는, 가격 부담(1500원/개)과 브릿지 된 Si-칩의 돌출된 특성과 단단한 특성으로 인해, 모든 유연한 포장에 적용하기에는 제조 가격 부분과 제조된 라벨의 유연성의 한계로 인해 실용화가 어려워 이러한 두 가지 중요한 문제를 해결하는 기술을 확보해야 한다. 이와 같이 R2R 인쇄와 Si-칩을 하이브리드한 TTH-NFC Label에서 발생하는 전형적인 두 가지 중요한 문제는 IoT를 적용하고자 하는 모든 스마트 포장에서 해결해야 할 가장 중요한 문제들이라고 볼 수 있다.

상기에 언급한 두 가지 중요한 문제를 동시에 해결하려면 많은 예산과 시간이 소요됨에 따라 전략적으로 개발이 용이한 두께 20~50μm 수준의 Si칩을 개발하여 먼저 고가 제품의 포장에 적용하고 다양한 저항 및 캐패시터 타입의 센서들을 R2R 인쇄 기술로 개발하여 Si칩과 같이 적용하는 것이다. 이와 같은 박막 Si-칩과 R2R 인쇄된 센서를 브릿지하는 기술에 기반 한 스마트포장 기술을 이용하여 먼저 고가 제품의 포장에 적용하여 상용화하는 동시에, 단순한 컨트롤러(ADC내장)를 R2R인쇄기술로 개발하는 연구를 시작하여야 한다.

인쇄 컨트롤러를 개발해야 하는 이유는 박막 Si-칩에 기반한 스마트 포장 기술은 1-2년 내에 중국과 인도에게 쉽게 시장경쟁력을 잃을 수 있는 방면, 인쇄 컨트롤러의 개발은 3-4년 내에 따라 하기 힘든 기술이기 때문이다. 이때 개발하는 R2R 인쇄 컨트롤러는 분당 최대 6m 이상의 속도로 제조 가능하도록 개발해야 하며, 동시에 스마트폰의 NFC에서 무선으로 받을 수 있는 파워인 1W 수준에서 충분히 구동되어야 한다. 이러한 컨트롤러를 5년전에 R2R 인쇄기술로 인쇄하려면, p,n타입 반도체 잉크에서부터 유전체 잉크 등을 동시에 개발했어야 하나, 현재는 상용화된 p,n타입 반도체 및 유전체 잉크들을 이용해서 R2R인쇄 최적화 공정을 수행하여 비교적 빠른 시일 내에 개발할 수 있을 것으로 예측한다.

결론적으로, 세계 스마트 포장 시장을 선점하려면 Si칩과 R2R 인쇄센서 하이브리드 형태로 상용화를 추진하면서 동시에 R2R 인쇄 컨트롤러를 개발하여 5년 내에 Si칩을 스마트 포장에서 대체 가능하여야 한다. 현재 국내외에 축적된 인쇄전자 기술에 기반을 두어 보면, R2R 인쇄 컨트롤러의 개발은 비교적 어렵지 않은 반면, 개발된 컨트롤러의 내구성과 소자 수율을 상용화 수준까지 끌어올리기 위한 많은 예산과 인력 투입이 필요하다. 즉, 스마트 포장 시장 산업을 선도하기 위해서는 병렬로 먼저 Si칩과 브릿지한 R2R 인쇄 센서 기반 스마트 포장 산업을 활성화는 동시에 R2R인쇄 컨트롤러 개발사업도 스마트 포장에서 사용되는 Si-칩을 대체하는 수준의 스펙으로 진행되어야 한다고 생각한다.

 

【에이아이타임스 aitimes 에이아이타임즈】


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