萬物互聯——柔性RFID之噴墨列印

2020-11-24 RFID世界網

  ???RFID又被稱為無線射頻識別技術,該技術可以通過無限信號進行目標物體的自動識別,並且通過讀取器與目標物體進行數據的傳輸與交換。作為自動識別技術中的佼佼者,RFID在未來物聯網領域具有非常廣闊的應用前景。

  基本的RFID系統由兩部分構成:問答器和應答器。問答器主要用於信息的錄入和採集,而應答器則是通常所說的RFID標籤,主要用來進行信息的存儲於交換。

  RFID標籤主要分為兩部分:標籤天線和晶片。RFID具有多種分類方式,如果根據工作頻率的不同可以分為:低頻RFID(LF)、高頻RFID(HF)、超高頻RFID(UHF)以及微波RFID。一般而言,RFID的讀寫距離與使用的頻率有關係,頻率越高讀寫距離越遠,最高階段可以高達數米。不過,目前RFID標籤的價格比較高,特別是在天線工藝的製備上具有過程複雜、成本較高等缺點,因此不適合在低端物品上廣泛使用,這就大大限制了RFID在未來萬物互聯時代的應用前景。傳統的天線製備主要包括,化學蝕刻法、電鍍法、絲網印刷以及凹版印刷等方法。蝕刻法和電鍍法工藝複雜、成本高,且對環境汙染較大。而絲印和凹印等方法製備的天線厚度15-20 μm,且柔性較差,所採用的貴金屬消耗量較高,成本優勢不明顯。

  而隨著印刷電子工藝,特別是噴墨列印工藝的日漸成熟,通過噴墨列印工藝製備柔性RFID標籤天線,具有非常巨大的潛在優勢:

  1. 噴墨列印墨水多為納米級金屬墨水,列印薄膜厚度較低,具有良好的柔性;

  2. 噴墨列印工藝屬於一種數位化製備方式,不需要掩膜版、光刻、刻蝕等工藝,只需要在軟體層面設計好圖形,按需列印製備即可,簡單快速,並且可以大幅度提高墨水實際利用率。

  通過以上分析可以看出,噴墨列印製備RFID天線的最核心技術就是噴墨列印用油墨。油墨性能可以直接影響噴墨列印天線的電阻和性能。目前常用的油墨主要分為金屬基漿料、顆粒性墨水以及有機前驅體墨水。

  金屬漿料

  金屬漿料是應用於印刷天線的最廣泛材料之一。通常由金屬薄片(通常是銀)、聚合物粘合劑材料和適當的溶劑組成。溶劑確保漿料可印刷,聚合物粘結劑用於保持漿料的穩定性,也用於調整油墨的粘度。金屬薄片本身是油墨中主要的導電成分。

圖1 金屬漿料的結構示意圖納米顆粒基墨水

  近年來,世界範圍內直徑小於100 nm的納米顆粒的生產工藝日趨成熟。這種尺寸的納米顆粒的膠體在懸浮液中非常穩定,因而在油墨中可以實現更高質量的質量分數負載。當金屬納米顆粒的直徑大大減小到100納米以下時,一個有趣的物理現象就會出現。由於粒子的直徑減少,粒子的比表面積大幅增加。因而納米粒子具有更強烈的表面屬性。通原子在表面的結合能小於體系內部的結合能,因而當納米顆粒尺度降低,特別是當顆粒直徑低於10納米時,許多金屬納米顆粒的熔點會顯著下降。例如,直徑為2 nm的金納米顆粒的熔點會低於100℃。不過,熔點的降低會對電導率產生明顯的影響。當由納米顆粒組成的薄膜通過低溫燒結,局部的納米顆粒之間會相互連接,從而形成到導電通路,製備得到接近塊體材料的電導率。

圖2 列印層數與電導率的變化規律有機金屬前驅體墨水

  有機金屬前驅體通常就是金屬元素與各種有機官能團,通過化學過程結合而形成的化合物。有機金屬前驅體通過特殊設計的化學結構處理後,有機金屬分子的有機成分與金屬化合鍵斷裂,變成有機蒸汽揮發掉,留下金屬導電薄膜。近年來,已有大量關於有機金屬前體報導,不過在應用於天線列印過程中,仍會面臨一些問題。有機金屬前驅體化合物中金屬元素的含量通常非常低,因而燒結之後的薄膜通常為多孔結構。並且這類墨水通常不太適合製備天線所需的厚膜。不過,近期已經有文獻報導通過列印金屬有機前驅體墨水作為種子層,然後經過後期化學鍍從而製備高質量的薄膜天線。

圖3 通過列印種子層製備天線用導電線路的過程示意圖 

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