NFC 규격을 준수하는 소자를 구현하기 위한 새롭고 경제적인 방법
2013년 04월 11일
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근거리 무선통신(NFC) 기술을 갖춘 소자들 설치가 기하급수적으로 증가하고 있어 향후 18 개월 내에 많은 시판 스마트폰들의 표준 기능이 될 것으로 보인다. 이제 거의 모든 종류의 다른 전자 기기 제조업체들이 사용자들의 제품을 NFC를 통해 스마트폰에 손쉽게 무선 연결하도록 해줌으로써 사용자 경험을 개선할 기회를 제공하고 있다. 그러나 시스템 설계자들에게 주어진 문제는'그 실제적인 구현 방법은 무엇인가 하는 것이다.

오늘날 NFC 기술을 구현하기 위해서는 태그를 시스템에 부착하거나 혹은 본격적인 NFC 판독기 칩을 그 안에 내장시키거나 해야 한다. 그러나 전자는 융통성 없는 메모리 기능만을 제공할 뿐, 본격적인 쌍방향 데이터 교환 기능이나 여하한 에너지 수집 수단을 지원하지 않는다. 그리고 후자의 경우 프론트엔드 디자인으로 인해 복잡한 데다가 상당한 코드 부하가 걸린다. 게다가 소재 비용은 물론 개발 자원 면에서도 많은 비용이 든다. 따라서 쌍방향 NFC 기능을 소자에 추가하는 것이 바람직하기는 하지만, 비용에 민감한 제품이나 일용품화 된 제품들에는 이제까지 상업적으로 적용할 수가 없었다.

그러나 본고에서는 이 같은 상황이 이제는 바뀌었음을 보여주고자 한다. 아날로그 IC 제조업체인 ams가 새로 개발한 기술은 쌍방향 NFC 통신을 손쉽고 저렴한 비용에 경쟁력 있는 보드 크기로 구현할 수 있는 길을 가로막던 기술적, 상업적 장애물들을 제거했다. 그 결과, 전자 제조업체들은 이제 호스트 마이크로컨트롤러를 갖춘 모든 소자들이 NFC 기능을 갖춘 모든 휴대폰과 쌍방향 무선 연결을 확립할 수 있게 되었다.

NFC 기술의 이용

NFC는 NFC Forum이 정의한 일련의 표준으로 노키아, 필립스 및 소니가 설립한 컨소시엄을 통해 현재 150개 회원사를 보유하고 있다. NFC 기술은 두 소자가 서로 가까이 근접해 있을 때 13.56MHz 채널을 통해 연결을 확립할 수 있도록 해준다. NFC는 오늘날 비접촉 티켓과 같은 최종 제품들에서 금융 거래용 데이터의 전송에 널리 사용된다. NFC 기능을 갖춘 일부 휴대폰들은 다른 휴대폰들과 연락처 목록이나 URL을 공유할 수도 있다.

NFC 기술은 무선 태그(RFID) 시스템에도 매우 널리 채택되어 자산 추적 및 액세스 제어와 같은 애플리케이션들을 가능케 해준다.

오늘날의 NFC 구현 방법

데이터 링크로서의 NFC 채널은 두 가지 방법 가운데 하나로 통신하도록 설계할 수 있다. 첫 번째 방법은 수동형 통신으로서 기동 디바이스(판독기)가 반송파 전자기장을 제공하고 목표 디바이스(태그)가 이 전자기장을 변조시킴에 따라 응답하게 된다. RFID 판독기는 태그로부터 오는 정보를 읽는데 태그는 내장 메모리에 정보를 저장하고 있다. 이런 종류의 통신은 인증이나 신원 확인 용도로 널리 사용된다.

두 번째 통신 모드는 능동적이고 본격적인 쌍방향 통신으로서 두 개의 NFC 기능 소자들이 반이중 링크를 통해 데이터를 교환한다. 이런 종류의 통신 채널은 예를 들어 파일이나 연락처, URL 또는 사진을 NFC 기능을 갖춘 두 개의 휴대폰 간에 전송하는 데 사용된다. 이는 수동형 NFC보다 다용도의 데이터 연결을 제공함으로써 보다 많은 애플리케이션들을 용이하게 구현할 수 있도록 해준다. 그러나 오늘날의 이 같은 능동형 통신 모드는 링크 양쪽의 디바이스들에 복잡한 NFC 프로토콜 스택을 구현해야 한다. 또한 하드웨어 면에서는 본격적인 NFC 판독기를 시스템에 내장시켜야 한다.

그러나 판독기를 구현하려면 상당한 비용이 든다. 단지 BoM(bill-of-materials) 비용뿐만 아니라 전력과 공간, 개발 노력 면에서도 해당된다.

• 판독기는 태그보다 훨씬 더 복잡한 안테나 디자인을 필요로 한다. 이는 귀중한 보드 공간을 차지하고 복잡한 정합 회로망은 BoM 비용을 상승시키게 된다.
• NFC 판독기를 설계하기 위해서는 상당한 RF 및 EMC 전문지식이 필요하며, 긴 개발 과정이 수반된다.
• 이 디자인은 자가전력 공급(포집 에너지를 통한)이 불가능한데 판독기의 안테나가 RF 전자기장을 전송하는 동안 200~300 mA 정도를 소모하기 때문이다. 이는 디자인이 호스트 시스템의 배터리로부터 전력을 공급 받거나 독자적인 배터리 전원을 사용해야만 함을 의미한다.

이러한 단점들은 거대한 설치 기반을 가진 스마트폰에 NFC 연결 기능을 구현하는 일이 갖는 매력에도 불구하고 어째서 이 기술이 아직까지도 일용품이나 저가의 가전제품, 기구 또는 센서에 내장되지 않고 있는지 설명해 준다. NFC 태그를 저가의 소자에 추가하는 저렴한 대안은 특유의 ID와 태그 메모리의 정적인 내용들만을 판독할 수 있는 제한된 일련의 애플리케이션들만을 가능케 해준다.

새로운 NFC 인터페이스 IC(NFiC) 아키텍처

저렴하지만 유능한 비접촉 링크를 NFC 체계 내에서 지원하기 위해서는 단순한 ISO 14443A 보다 많은 기능과 유연성을 통신 채널 내에서 제공하면서도 NFC 판독기의 구현에 따르는 높은 비용과 복잡성은 피할 수 있는 솔루션이 필요했다. NFC 인터페이스 IC(NFiC, 그림 1 참조)라고 불리는 ams사의 새로운 아키텍처는 이러한 중도적 방법을 제공할 것으로 보인다.

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그 RF 회로 디자인은 수동형 태그와 비슷해서 작고 간단한 안테나를 사용한다. 그러나 NFiC 아키텍처가 신기원을 이루고 있는 것은 이 저렴한 무선 인터페이스를 통해 완전한 쌍방향 NFC 통신을 지원하기 때문이다. 이는 모든 마이크로컨트롤러에 대한 인터페이스를 통해 제어되며, 완전히 포집된 에너지로 동작한다. 이로 인한 이점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

• NFiC를 NFC 호환 쌍방향 데이터 교환에 사용할 수 있다.
• RF 회로를 설계하기가 쉽다.
• NFiC는 호스트 시스템의 전력에 기생하지 않는다. 포집한 에너지로 NFiC 칩 자신은 물론 이를 제어하는 MCU에도 전력을 공급하기 때문이다.
• NFiC의 빠른 MCU 인터페이스는 최고 848 kbps의 데이터 전송속도를 지원한다.
• NFiC가 태그처럼 동작하기 때문에 NFC 프로토콜 스택은 본격적이고 복잡한 NFC 스택의 작은 일부에 불과하다. 따라서 이를 호스트 MCU 상에 구현하기가 쉽다.
• 태그와 마찬가지로 NFiC 소자는 NFC 판독기보다 훨씬 더 쉽게 인증 받을 수 있다.

현재 시판되고 있는 NFiC 아키텍처의 구현물인 ams의 AS3953 NFC Interface IC는 호스트 마이크로컨트롤러를 갖춘 어떠한 소자나 도구라도 쌍방향 NFC 통신 기능을 제공하도록 해준다.(그림 2 참조)

이 IC는 ISO 14443A 데이터 프레이밍 기능이 통합된 RF 프론트엔드와 호스트 MCU에 대한 SPI 인터페이스, 그리고 에너지 포집 및 전력관리 시스템을 제공한다. 또한 내장된 EEPROM은 데이터를 저장하거나 프로그램 가능한 수동형 웨이크업 패턴을 제공하는 데 사용할 수 있다. 이 IC는 ISO 14443A 표준을 완전히 따르는데다가 작은 NFC 프로토콜 스택만을 필요로 하므로 NFC Reader IC에 비해 적은 노력으로 집적이 가능하다.
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NFiC의 애플리케이션

NFiC 아키텍처는 어떠한 소자라도 NFC 규격을 따르며 NFC 폰에 대한 저렴한 쌍방향 인터페이스를 제공하는 이상적인 방법을 제공한다. 이 기술을 이용할 수 있는 시장 부문들은 다음과 같다:

• 대화형 스마트 카드와 디스플레이를 갖춘 스마트 카드
• 소매 부문에 사용되는 전자 가격 표시기(ESL)
• 의료 기기
• NFC를 통한 간단한 보안 블루투스나 와이파이 페어링
• 가전 제품
• 수동형 소자의 프로그래밍, 개인화 및 활성화(생산 라인에서 이루어지는 부분적 설정 등)

그 잠재력을 보여줄 수 있는 흥미로운 애플리케이션 가운데 하나가 NFC 규격을 준수하는 의료 기기이다. 오늘날 기기 제조업체들은 환자들이 자신들의 의료 장치를 스마트폰에 연결시킬 수 있도록 해달라는 요구에 대해 블루투스 모듈을 의료 장치에 덧붙이는 걸로 해결하다. 유감스럽게도, 블루투스 모듈은 상당한 전력을 소모하는데다가(이는 배터리로 동작하는 장치들에 있어서 중요한 단점이다) 고가이기 때문에 장치의 BoM비용을 높인다. 
 
NFiC 아키텍처를 의료 기기에 구현하면 이러한 단점들을 없앨 수 있다. 판독기 IC 프론트엔드에는 대개 16 개의 부품이 필요한 데 비해, AS3953과 같은 소자의 BoM에는 단지 외부 부품 하나만이 필요할 뿐이다. 에너지 포집 기능 덕분에 배터리 사용시간에도 아무런 영향을 미치지 않는다.

NFiC의 구현은 시스템 아키텍처에 놀라우리만치 급진적인 파급효과를 미칠 수 있다. 전형적인 의료 기기의 주된 구성요소들은 다음과 같다:

• 디스플레이
• 메모리
• 사용자 인터페이스 (버튼, LED, 버저 등)
• 프로세서
• 배터리
• 전력관리 시스템
• 센서

쌍방향 NFC 기능의 추가로 소자가 NFC 기능을 갖춘 스마트폰과 통신하게 됨에 따라 폰 자체가 디스플레이, 메모리, 사용자 인터페이스(앱의 형태로) 및 복잡한 프로세싱 기능들을 제공할 수 있게 되었다.

이는 단지 NFiC 소자와 센서, 간단한 MCU 및 배터리만으로 의료 기기를 만들 수 있음을 뜻한다. 이처럼 간단한 저가의 NFiC 칩을 추가하면 호스트 소자가 상당히 저렴해질 뿐만 아니라 스마트폰 앱으로 만듦으로써 훨씬 더 즐겁고 매력적인 사용자 경험을 제공할 수 있다.

결론적으로, MCU를 갖춘 임의의 소자에 구현된 NFiC 인터페이스 칩은 수동형 태그의 경우보다 더 안전하고 다재다능한 NFC 링크를 제공할 수 있는 수단을 부여한다. 또한 저가, 저전력 소모, 작은 점유 면적 및 통합의 용이성이라는 태그의 이점들을 그대로 유지한다.

그래픽 / 영상
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