카드를 대기만 해도 결제되는 이유 — 배터리 없는 카드가 켜지는 순간

아침 8시 42분, 지하철 개찰구 앞에서 가방을 멘 채 손에 든 카드를 단말기 위 3센티미터쯤에 스치듯 대고 그대로 걸어 나간다. 삑 소리와 함께 문이 열리고, 나는 카드를 꺼내지도 주머니에서 꺼내지도 않았다. 화면이 바뀌는 데 걸린 시간은 사람이 한 걸음을 떼는 0.3초 남짓이다.

이 장면에서 이상한 점은 속도가 아니다. 그 얇은 플라스틱 안에는 배터리가 없다. 교통카드는 몇 달, 몇 년을 주머니에 넣어 다니다가도 스스로를 켤 힘이 없다. 그런데도 단말기 앞에 다가가는 순간 회로가 살아나 암호를 계산하고, 잔액을 빼고, 잔액이 줄었다는 사실을 다시 돌려보낸다. 어디서 그 전기가 나왔을까.

흔한 설명 — "전파로 데이터를 주고받는다"는 말의 빈틈

대부분의 설명은 여기서 멈춘다. 카드와 단말기가 전파, 즉 전자기파로 정보를 주고받는다는 것이다. 틀린 말은 아니다. 실제로 카드와 단말기는 13.56메가헤르츠(1초에 1,356만 번 진동하는 전파)를 쓴다. 전 세계 교통카드와 신용카드의 비접촉 규격인 ISO/IEC 14443과 NFC의 작업 주파수가 이 값이다.

전파는 무선 데이터 전송 수단으로서는 익숙하다. 와이파이도 블루투스도 전파를 쓴다. 그래서 "교통카드도 와이파이의 작은 사촌쯤"이라는 이미지가 남는다. 그런데 와이파이 공유기와 노트북은 각자 전원에 꽂혀 있다. 카드에는 그 전원이 없다. 여기서 비유가 깨진다.

전파는 정보의 운반체일 뿐이고, 아무것도 하지 않는 물체에 일을 시키려면 에너지가 필요하다. 카드 안의 칩은 문턱 전압을 넘겨야 동작을 시작한다. 배터리로 구동하는 능동 RFID 태그가 1.5~3볼트를 쓰는 것과 달리, 배터리가 없는 수동형 태그는 들어오는 전자기장에서 이 볼트를 직접 만들어내야 한다.

그래서 문제는 두 가지로 갈린다. 첫째, 단말기가 보내는 전파가 카드 위치에서 충분히 강한가. 둘째, 그 에너지를 카드가 쓸 수 있는 전기로 바꿀 수 있는가. 교통카드의 배터리 없는 설계는 두 문제를 한 번에 푸는 방식을 골랐다. 바로 전파를 "읽는" 것이 아니라 "받아서 먹는" 것이다.

플라스틱 카드 안장 안에 들어 있는 칩과, 테두리를 여러 겹 도는 코일 안테나(ISO 14443 규격의 76×45mm 안테나). 이 루프가 단말기의 자기장을 전기로 바꾼다 — Z22, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

실제 기구 1단계 — 단말기가 자기장을 깐다

단말기 안에는 동전 크기만 한 코일과 발진 회로가 들어 있다. 이 회로가 13.56메가헤르츠로 진동하는 교류 전류를 코일에 흘리면, 코일 주위에 같은 주파수로 부풀었다 줄었다 하는 자기장이 생긴다. 이것을 근접장, 즉 가까운 거리에서만 유효한 장이라고 부른다. 단말기 표면에서 몇 센티미터 안쪽까지가 이 장이 쓸 만한 세기를 유지하는 범위다.

중요한 것은 이 장이 "신호"가 아니라 "일하는 장"이라는 점이다. 자기장은 1초에 1,356만 번 방향을 바꾸고, 그 변화가 카드 안의 도선을 통과할 때마다 도선에 전압이 유도된다. 발전기와 원리가 같다. 자전거 바퀴에 붙은 다이너모가 바퀴 회전으로 전구를 켜는 것과, 단말기가 자기장 변화로 카드를 켜는 것은 같은 현상이다.

실제 기구 2단계 — 카드 코일이 전기가 된다

카드 안에는 손톱만 한 칩과 함께, 카드 외곽을 따라 여러 번 감긴 가느다란 코일이 있다. 코일을 여러 번 감는 이유는 간단하다. 유도되는 전압은 감은 횟수에 비례한다. 한 바퀴로는 밀리볼트 수준인 전압이, 수십 바퀴를 감으면 칩이 쓸 수 있는 볼트 단위로 올라간다. 카드는 이렇게 얻은 교류를 정류해 직류로 바꾸고, 축전기에 잠깐 저장한 뒤 칩에 공급한다.

여기서 카드의 생존 조건이 정해진다. 단말기에서 멀어지면 자기장 세기가 급격히 줄고, 유도 전압이 칩의 문턱 아래로 떨어져 카드는 그냥 플라스틱 조각이 된다. 배터리 없는 카드가 단말기에 바짝 붙어야만 작동하는 것은 성능의 한계가 아니라 설계의 출발점이다. 카드와 단말기 사이의 거리 제한은 이 구조에서 저절로 나온다.

실제 기구 3단계 — 데이터는 어떻게 오갈까

전력을 받은 칩이 깨어나면, 이번에는 반대로 자기장을 흔들어 응답한다. 카드가 자기 코일의 부하를 바꾸면 단말기 코일 쪽에서 보이는 임피던스가 달라지고, 그 변화가 단말기의 전압 파형에 나타난다. 단말기는 이 미세한 흔들림을 읽어 0과 1을 복원한다. 이를 부하 변조라고 부른다. 카드는 스스로 전파를 내보내지 않고, 단말기가 깔아 둔 장을 살짝 흔들어 말을 거는 셈이다.

교통카드 한 장을 처리하는 데는 대략 100~300밀리초가 걸린다. 이 안에 단말기가 카드에 신호를 보내 깨우고, 카드가 고유 번호를 답하고, 서로 어떤 속도로 대화할지 정하고, 암호 인증을 마친 뒤, 잔액을 차감해 기록하는 과정이 차례로 들어간다. 우리가 "그냥 댔다"고 느끼는 순간에도 한 차례의 짧은 협상이 끝나 있다.

버스에 장착된 비접촉 결제 단말기. 화면 아래 검은 판이 카드와 휴대폰을 읽는 안테나 영역이다 — Deerpuppy, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

숫자로 보는 거리 제한 — 10센티미터가 보안 장치인 이유

ISO/IEC 14443 규격이 상정하는 동작 거리는 최대 10센티미터, 실용적으로는 4센티미터 안쪽이다. 이 거리는 단순한 편의의 문제가 아니다. 자기장 세기는 거리의 세제곱에 반비례해 줄어든다. 거리가 두 배가 되면 세기는 여덟 분의 하나가 되고, 세 배가 되면 스물일곱 분의 하나가 된다. 1센티미터에서 겨우 칩을 켜던 장은 3센티미터에서 이미 문턱 근처로 떨어진다.

그래서 누군가 지하철에서 옆자리 사람의 카드를 읽으려면, 자기 코일을 그 사람 가방에서 10센티미터 이내로 가져가야 한다. 그 거리는 이미 어깨가 닿는 거리다. 읽히지 않도록 만들어진 것이 아니라, 읽으려면 눈에 띌 수밖에 없는 거리에서만 읽히도록 만들어진 구조다. 거리 제한이 곧 물리적 접근 통제다.

이 설명이 틀리는 경우 — 다섯 가지 예외

첫째, 모든 카드가 이렇게 동작하지는 않는다. 전동 킥보드 요금을 내는 데 쓰는 먼 거리 태그나 창고 재고 관리용 태그는 배터리를 넣은 능동형이거나, 읽기 전용이며 훨씬 긴 거리를 쓴다. 둘째, 휴대폰의 NFC 결제는 배터리가 있는 쪽이지만, 배터리가 꺼진 뒤에도 몇 시간 동안 카드 모드가 남는 경우가 있어 "휴대폰은 배터리가 있어서 된다"는 설명이 반쯤만 맞는다.

셋째, 카드 한 장 안에 안테나가 두 개인 복합 카드(교통과 신용을 함께 담은 카드)는 서로 다른 주파수와 규격을 오가며, 이때는 위 설명이 절반만 적용된다. 넷째, 금속 지갑이나 두꺼운 알루미늄 케이스에 넣으면 자기장이 차단되어 읽히지 않는다. 이때는 보안이 아니라 단순한 전자기 차폐 효과다. 다섯째, 자기장 세기가 충분해도 카드 코일의 방향이 단말기 코일과 수직으로 서면 유도가 거의 일어나지 않아, 같은 거리여도 읽히지 않는다.

생활에 적용되는 판단 세 가지

첫째, 카드를 지갑 안에 넣어 두고 대는 습관은 카드 종류에 따라 결과가 다르다. 가죽 지갑은 대개 통과한다. 여러 장의 카드가 겹쳐 있으면 단말기가 여러 번 깨우려다 하나를 고르는 데 시간이 걸려 반응이 느려진다. 반응이 이상하게 느리면 먼저 지갑을 벗겨 보는 것이 합리적이다.

둘째, "멀리서도 읽힌다"는 걱정은 대개 과장이지만 "절대 안 읽힌다"는 안심도 과장이다. 읽히는 거리가 수 센티미터인 것과, 누군가 그 거리까지 접근할 수 있는지는 다른 문제다. 붐비는 버스에서 가방을 몸 앞으로 두는 것 같은 기본 동작이 실질적인 방어선이 된다. 셋째, 카드가 갑자기 안 읽힐 때는 잔액이나 단말기 문제로 의심하기 쉽지만, 먼저 카드가 휘었는지 확인할 가치가 있다. 안테나는 얇은 도선이라 카드가 구부러지면 끊어지는 경우가 있고, 그때는 겉모습이 멀쩡해도 전력 공급이 끊긴다.

독자에게 묻습니다

카드를 대지 않고도 결제가 되는 가게, 손을 대면 카드 목록이 뜨는 휴대폰, 케이스에 넣은 채로 통과되는 개찰구까지 — 같은 원리가 서로 다른 경험으로 나타납니다. 여러분의 주머니 속에서 "이건 왜 이렇게 빨리 되지"라고 느꼈던 순간은 어떤 것이었나요? 그리고 그 카드가 정확히 몇 센티미터까지 읽히는지 직접 재 본 적이 있나요?

참고 자료

ISO/IEC 14443 (Identification cards — Contactless integrated circuit cards — Proximity cards), ISO/IEC 18092 (Near Field Communication Interface and Protocol). 국제전기기술위원회(IEC) 표준 문서.

NXP Semiconductors, 「AN10833: MIFARE and NTAG — how to get the best performance out of your antenna」, 응용 노트 (코일 권선 수와 유도 전압, 동작 거리 조건).

Finkenzeller, K., 『RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification』, Wiley — 근접장 결합과 부하 변조의 원리 설명.

이미지 출처: Wikimedia Commons, IC Inlay of Standard Ticket Transit Card(Z22, CC BY-SA 4.0) / Contactless Card Reader Aboard RVT Bus(Deerpuppy, CC BY-SA 4.0).