도난 방지 기술은 비정질 음향 자기 라벨에 의존합니다.

도난 방지 기술은 비정질 음향 자기 라벨에 의존합니다.

슈퍼마켓에 들어가면 모든 상품에 도난 방지 설계가 되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 비정질 음향 자기 기술의 적용입니다.

전자식 상품 감시(EAS) 시스템은 비즈니스 시스템에서 흔히 사용됩니다. 우리 일상생활에서 사용되는 EAS 시스템에는 전자기 시스템, 마이크로파 시스템, 무선 주파수 시스템, 지능형 시스템, 음향 자기 시스템 등 6가지 종류가 있습니다. 그중 음향 자기 시스템은 가격이 저렴하고 사용이 간편하며 탐지율이 높아 가장 널리 사용됩니다.

I. 음향자기공명영상이란 무엇인가

음향 자기 경보 시스템은 비정질 합금 리본이 높은 자성(탄성 결합 계수)으로 인해 강력한 공진 신호를 방출할 수 있다는 원리에 기반합니다. 일반적으로 음향 자기 경보 시스템은 검출기, 디코더, 센서 등으로 구성됩니다. 검출기는 20밀리초마다 58kHz의 임펄스파를 방출하고, 이 임펄스파 방출 후 5번의 공진 신호를 감지하여 각 신호의 강도와 주파수가 동일하면 경보가 울립니다. 만약 1초 이내에 신호들이 동일하지 않으면 경보가 울리지 않습니다. 이 기술은 경보의 정확성을 보장합니다. 디코더는 도난 방지 장치 내부의 바이어스 필름을 탈자시켜 공진 신호의 강도를 감소시키므로 경보가 울리지 않습니다.

음향자기 기술은 20년 이상 도난 방지 장치에 널리 사용되어 왔습니다. 미국 특허 US4510489에 따르면 FeNiMoB와 같은 일부 비정질 리본은 높은 자성으로 인해 고공진 신호를 방출할 수 있으며, 이 이론은 상용 도난 방지 시스템에 성공적으로 적용되었습니다. 비정질 리본은 공진기로 사용되고, 바이어스 필름은 준경자성 재료(US5729200) 또는 연자성 재료(US7626502)로 만들어집니다. 음향 자기 표지에 대한 연구는 거의 없다.

II. 음향자기 이론 자기변형 효과

외부 자기장의 영향으로 강자성 물질의 크기가 변하고, 외부 자기장이 제거되면 원래 길이로 돌아갑니다. 자기변형 물질의 경우, 자기장의 영향으로 길이가 선형적으로 변형되어 변위를 일으키거나, 교류 자기장의 영향으로 길이가 반복적으로 변형되어 진동이나 음파를 발생시킵니다. 이러한 물질은 전자기 에너지를 기계 에너지나 음향 에너지로 변환할 수 있으며, 반대로 기계 에너지를 전자기 에너지로 변환할 수도 있습니다. 전자를 자기변형 효과, 후자를 자기탄성 효과라고 합니다.

특정 조건에서 페라이트계 자성 금속은 길이가 변하는데, 이는 자화 과정에서 원자 사이의 이동 때문에 발생합니다. 교류 자기장 하에서, 자변형 금속 띠는 교류 자기장의 주파수에 따라 진동하는 것을 관찰할 수 있습니다. 교류 자기장의 주파수와 금속 띠의 공진 주파수가 같을 때, 진폭이 최대가 되면서 공진이 발생합니다. 이러한 현상은 특히 페름 합금(Fe-Ni)에서 두드러지게 나타납니다.

반면에, 이러한 자기변형 효과는 가역적인 압전자기 현상입니다. 따라서 교류 자기장의 주파수가 금속 스트라이프의 공진 주파수와 일치하면 퍼머넌트 합금 스트라이프가 진동하기 시작합니다. 교류 자기장이 꺼지면 음향 자기 라벨은 마치 소리굽쇠처럼 순간적으로 감쇠 진동을 하며 공진 신호를 방출합니다. 이는 교류 자기장의 공간적 확장으로 수신기에 의해 감지될 수 있습니다. 자기변형 효과는 자기변형 계수 λ로 나타낼 수 있으며, λ = (LH-L0)/L0입니다. 여기서 L0는 물질의 원래 길이이고, LH는 외부 자기장의 영향으로 변화된 물질의 길이입니다.

자기기계적 결합 계수 K

바이어스 자기장 하에서 교류 자기장에 의해 비정형 줄무늬가 자극을 받으면 줄무늬 내부에서 자기 에너지와 기계 에너지 사이의 교환이 일어납니다. 이를 자기기계적 결합은 다음과 같은 방식으로 계수 K에 의해 평가됩니다. 음향 자기 라벨의 핵심 구성 요소는 비정질 합금(페름 합금)입니다.

현상학적 이론에 따르면, 인자 k는 다음과 같이 표현됩니다. 공명 주파수 Fr과 반공명 주파수 FA에 대한 공식입니다.

이 라벨은 공진점과 반공진점을 가지고 있으며, 작은 인가 자기장에서도 큰 공진 신호를 방출할 수 있습니다. 또한, 이 두 지점 사이에서 전압 강하가 뚜렷하게 나타나는데, 이는 라벨의 자기기계적 결합 계수가 높다는 것을 의미합니다. 날카로운 공진 곡선은 라벨이 높은 Q 인자와 좁은 대역폭, 그리고 우수한 선택성을 가지고 있음을 보여줍니다. 따라서 적절한 바이어스 자기장을 설정하고 양호한 작동 조건을 제공하면 높은 공진 신호와 높은 주파수 안정성을 얻을 수 있습니다.

튜닝 포크 효과
음향 자기 라벨은 길이 약 40mm, 폭 8~14mm, 두께 1mm의 작은 플라스틱 상자로 구성됩니다. 상자 안에는 두 종류의 금속 띠로 이루어진 소리굽쇠 구조가 있는데, 하나는 상자에 고정된 단단한 금속 띠이고 다른 하나는 자유롭게 진동하는 비정질 띠입니다. 라벨의 특수한 재질과 구조 덕분에 특정 공진 주파수를 가지며, 인가된 교류 자기장의 주파수와 라벨의 공진 주파수가 일치하면 공진이 발생합니다. 자기변형 효과와 압전자기 효과로 인해 인가된 교류 자기장이 사라진 후에도 라벨은 감쇠 진동을 계속하며, 교류 자기 에너지와 기계 에너지의 변환 모드와 공진 신호 감쇠를 형성합니다. 이것이 바로 복합 음향 자기 신호의 한 형태입니다.

일반적인 음향 자기 라벨의 작동 주파수는 58kHz이며, 소리굽쇠 신호는 초음파와 유사하여 강력한 간섭 방지 기능과 높은 침투력을 가지고 있어 다른 라벨보다 더욱 선명한 색상을 구현합니다.
소리굽쇠 효과를 이용한 식별 과정은 실제로 전자기 에너지와 기계 에너지의 상호 작용에 의한 변환 과정입니다. 하지만 자기 장치의 변환 효율이 매우 낮기 때문에 강력한 송신 전력이 필요합니다. 자기장을 활성화하는 데 필요한 최소값은 일반적으로 16A/m 이상이므로 음향 자기 라벨 검출기의 안테나 크기가 매우 커야 합니다.

III. 국내외 현황

음향자기표지에서 공진기와 바이어스 필름은 핵심 구성 요소입니다. 공진 필름은 철계 및 철-니켈계 비정질 스트립으로 만들어집니다. 공진기의 조성, 기하학적 크기 및 모양, 열처리 조건, 그리고 공진판의 개수는 음향자기표지의 음향자기적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 바이어스 필름은 주로 반경질 자성 재료로 만들어지며, 필름의 성능은 표지의 주파수에 영향을 미치고 음향자기표지의 검사 및 해독 가능 여부에 달려 있습니다. 따라서 공진기 및 바이어스 필름 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

특허 WO2007143707은 공진판의 새로운 조성물을 제안하는데, 이는 FeaNIbMc (여기서 M은 Co, C, B, P 등 중 하나이거나 이들의 조합, A + b + c = )의 비정질 리본으로 추정된다. 100, a 40~70wt% 범위(b)에서, 10~50wt% 범위(b)에서, 10~50wt% 범위(c)에서, 300도의 자기장에서 최소 1시간 동안 열처리하면 오늘날 시판되는 제품과 유사한 음향 및 자기적 특성을 얻을 수 있을 뿐 아니라 공명막의 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

미국 특허 US6057766은 0.28~0.4의 자기탄성 결합 계수를 갖는 공진 소자로 사용하기에 적합한 철계 자기변형 재료를 개시하고 있으며, 여기서 철 함량은 45~82 중량%이고 나머지는 주로 코발트, 니켈 및 일부 유리 형성 원소로 구성됩니다. 미국 특허 US6,181,245는 음향 자기 태그를 더 먼 거리에서 해독할 수 있도록 하는 낮은 보자력의 바이어스 시트 재료를 개시하고 있습니다. 미국 특허 US6,689,490은 8~25 중량%의 니켈, 1.5~4.5 중량%의 알루미늄, 0.5~3 중량%의 티타늄을 포함하고 나머지는 철로 구성된 음향 자기 라벨의 바이어스 시트에 사용하기에 적합한 반경질 자성 재료를 개시하고 있습니다. 이 반경질 자성 재료는 일반적인 바이어스 재료와는 다르며 매우 우수한 자기적 특성과 높은 내식성을 갖습니다. 게다가 생산 과정에서 냉간 가공 및 템퍼링에 매우 적합합니다.

IV: 관련 기업
공진 및 바이어스 필름은 현재 전 세계적으로 개발되고 있지만, 시장 요구에 부합하는 고성능 음향 및 자기 라벨을 생산하는 기업은 미국에 앞서 있습니다. 특히 반경질 자성 합금 스트립을 이용한 바이어스 시트 제조 공정은 매우 복잡하여, 세계적으로 이 기술을 보유한 업체는 독일의 진공 야금 회사와 미국의 카펜터 특수강 회사 두 곳뿐입니다. 국내에서는 비정질 연자성 소재를 이용한 자기 태그 바이어스 생산 업체만 있으며, 반경질 자성 소재를 이용한 자기 태그 바이어스 제조 공정은 사실상 미개척 상태에 머물러 있습니다.

V. 시장 규모 및 전망

세계에서 가장 앞선 전자탐지기(EAS) 중 하나인 음향자기탐지기는 다양한 상황에서 널리 사용되고 있습니다. 동시에 유럽 국가들은 제품 생산 시 도난 방지 라벨을 부착하도록 의무화하는 '출처 표기 제도'를 적극적으로 시행하고 있습니다. 이러한 조치는 생산 비용을 절감하고 라벨 사용량을 늘리는 효과를 가져올 것입니다.

그 결과, 음향 자기 라벨의 사용량은 약 80억 건에 달하고, 거래액은 2억 달러 이상이며, 연간 수요 증가율은 25%를 유지하여 매우 넓은 시장 잠재력을 지니고 있습니다.

하지만 라벨 제작 기술은 거의 5년 동안 미국 기업이 독점해 왔습니다. 국내 기업들도 강력한 도난 방지 라벨 기술을 보유하고 있지만 시장 점유율은 2% 미만에 불과하며, 현재 소리와 자석을 이용한 도난 방지 태그 제작 공정 개선이 시급합니다. 연구가 진전됨에 따라 이러한 기술들이 우리 삶에 점차 도입되고 있으며, 비정질 음향 자기 보안 시스템은 우리에게 더욱 신뢰할 수 있는 보안을 제공할 것입니다.