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石墨烯RFID电子标签

返回列表 来源:物联标签 点击次数: 发布日期:2019-05-05

智慧城市、工业4.0、物联网的快速发展催生了市场对RFID 智能识别产品的大量需求。RFID(Radio Frequency Identification)又称无线射频识别技术,是非接触式数据自动采集技术,是物联网的核心技术之一。其最大特点是信息采集速度快,不需要机械或光学接触,完全通过无线通信技术完成,在1 秒钟内能够同时采集数百上千个物体信息,信息采集准确率高。目前该技术已广泛应用于物流仓储、交通运输、安全防伪、移动支付等几乎所有领域。

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1 国内外研究现状

美国是RFID 电子标签应用的积极推动者,其在RFID 标准建立、软硬件技术开发与应用领域均走在世界前列。欧洲RFID 标准追随美国主导的EPCglobal 标准。欧美国家对于RFID 的研究发展主要集中于标准制定、芯片制造、阅读器制造及系统集成方面。我国是全球最大的RFID 电子标签供应商,RFID 电子标签生产总量约占全球60% 左右,特别是高频RFID 电子标签,我国基本实现了从芯片到天线的全部国产化。

普及应用RFID 系统的主要瓶颈是标签的价格、尺寸和环境适应性。现阶段,国内普遍使用铜导线绕制法和铝箔蚀刻法制造RFID 电子标签,国外基本使用陶瓷烧结法。共同存在的问题有:

(1)污染环境;

(2)标签底材单一,应用领域受限;

(3)制造效率低;

(4)标签尺寸大;

(5)成本高;

(6)制造精度低。

过去几年国内外众多研究机构认为用导电银浆丝网印刷制造RFID 电子标签是实现标签低成本、小型化、高精度、适应性强、大规模生产最为有效的技术。虽然图象复制领域的印刷技术速度快、效率高、线条精细、套印准确,但是,由于导电银浆导电性差以及导电机理的限制,只能采用高银含量的导电银浆和低网线数的丝网网版,受油墨黏度、延展性、流动性、刮印压力、网版拉伸、网线干扰等数十个因素的影响,所印制的RFID 电子标签导线结构变形、边界粗糙、短路断路、实际辐射效率与理论辐射效率相差很大。综观国内外研究,几乎没有针对上述问题的科学有效的控制手段,因此,目前几乎没有用此工艺实现RFID 电子标签产业化的成功案例。

综上所述,一方面,RFID 电子标签市场需求越来越旺盛,另一方面,RFID 电子标签制造技术仍存在效率偏低、成本偏高、污染环境、基材单一等问题,市场亟需新型的制造技术来突破需求与供应之间的矛盾。

1.1 趋势和需求分析

随着英国曼彻斯特大学诺贝尔奖获得者安德烈·海姆爵士和康斯坦丁·诺沃肖洛夫爵士成功研发了高导电性能的石墨烯材料,石墨烯价格的下降和产品质量的提高极大地刺激下游产品的应用研究,如各类导电线路、传感器、医学监视器等石墨烯电子产品层出不穷。由于石墨烯材料具有微观拓扑结构,使之具备高导电性能,其导电机理与金属银微粒的导电机理不同。

1.2 优势

将石墨烯粉末化处理后制成填充型复合导电浆料,具有两大优势:

(1)兼容性强。石墨烯浆料可在塑料薄膜、纸张、陶瓷、棉布、木材等几乎所有基材上实现印刷;

(2)性价比高。与现有的导电银浆相比,石墨烯浆料具有更好的导电性能和较大的成本优势。随着石墨烯生产技术不断成熟、成本不断降低,石墨烯导电浆料将逐渐占据市场份额。预计到2020 年导电浆料领域石墨烯应用市场规模将达到2 亿元。

目前,国外一些研制RFID 系统的厂家已经纷纷重启用石墨烯浆料印制RFID 电子

标签的关键技术及产业化研究,如英国BGTMaterials Limited (BGTM) 公司。

但国内暂无其他公司对该技术进行产业化研发。

目前,我国石墨烯产能正在迅速扩大,国内已有多家规模化生产石墨烯厂家。例如:宁波墨西科技有限公司、重庆墨希科技有限公司、鸿纳新材料科技有限公司、济南墨希新材料科技有限公司、苏州格瑞丰纳米科技有限公司、南京先丰纳米科技有限公司、常州二维炭素科技有限公司等,各公司的石墨烯产量均能达到100 吨/ 年。

据中商产业研究院发布的《2017-2022 年中国物联网行业市场前景及投资机会研究报告》数据显示,2018 年中国RFID 市场规模将达到600 亿元。

基于此,通过分析RFID 电子标签性能参数,优化石墨烯导电浆料的印刷适性,应用凹版印刷技术,实现绿色环保、大批量、高效率、高质量、低成本、适合各种基材的RFID 电子标签新型制造技术成为行业必然发展趋势。

2 项目研究方法

2.1 石墨烯导电浆料的浆料配制、调制及其分散性调控

由于石墨烯特性跟导电银粉有截然不同的外观与导电特性,使得以石墨烯为基底的导电浆料的配方、制程工艺也截然不同。石墨烯的疏水性会使石墨烯纳米片极易通过强烈的范德华力产生团聚,使用有效的溶剂可以阻止石墨烯的团聚,从而使之成为稳定的石墨烯分散液。理想的溶剂主要有N- 甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)。本项目拟采用以DMF/NMP 为溶剂,在石墨烯浆料配方中增加稳定剂(如乙基纤维素等)的方法分散石墨烯,以期解决石墨烯粉末容易团聚,不易分散的问题。采用激光粒度仪测试浆料的颗粒度及其分散度,保证石墨烯浆料颗粒的分散性。

在石墨烯导电浆料中加入紫外引发剂、光敏树脂等组分,优化其混合比例,使石墨烯导电浆料能在紫外光下快速固化,降低印刷后RFID 电子标签的干燥温度,缩短干燥时间,提高生产效率,可在纸张、塑料薄膜、丝织品等各种基材上印刷RFID 电子标签。改变浆料的连接料和助剂,调制石墨烯导电浆料的粘度、黏性、流动性、表面张力、干燥性、触变性、流变性、颗粒度等印刷适性,利用黏度杯或乌氏粘度计、浆料粘性仪、表面张满足凹版印刷的要求。

2.2 基于石墨烯导电浆料印刷的RFID电子标签天线设计

影响RFID 电子标签天线电学性能的主要参数有:天线形状、尺寸结构、材料特性、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗、灵敏度、品质因素和应用环境等,RFID 电子标签的设计需要对上述参数加以权衡。

在仿真软件HFSS 或ADS 中输入天线线宽、线间距、弯折尺寸、馈电间隙、馈电环大小、电磁信号接收及反馈材料电导率、电介质介电常数等设计参数,进行计算机仿真模拟,如图9 所示为计算机仿真模拟获得UHF RFID电子标签回波损耗及能量分布情况,从而确定RFID 电子标签电学性能表征参数,建立数据模型。研究石墨烯导电浆料配方以及印制工艺参数对天线性能的影响。研究墨膜厚度对于趋肤效应的影响以及天线性能的影响。通过研究石墨烯墨层在不同化学势时的阻抗特性,尤其是超高频频段的高电抗特性对RFID 电子标签天线增益的影响。

2.3 基于石墨烯导电浆料的凹版印刷参数的调控

根据石墨烯导电浆料的印刷适性,以及计算机模拟设计的RFID 电子标签的结构参数,确定合适的凹版印刷滚筒的网版线数、网孔深度和网穴形状,计算上墨量,调节浆料膜层厚度。针对纸张、塑料薄膜(如PET、PI、CPP 等)、丝织品等不同基材,调整凹版印刷时收放卷的张力、印刷橡胶压印辊的压力、浆料触变黏度、刮刀接触角度、印刷速度、定位套印等一系列印刷工艺参数,获得最优化的印刷工艺方案。

2.4 优化墨膜干燥温度和滚筒压制压力

由于印刷导电墨层在一定程度干燥固化后,再经滚筒压延,可改变其表面形貌,提高墨层致密度,大幅度提高导电性,但是被研压的墨膜易导致轮廓放大,导线变形。调节石墨烯导电墨层在紫外固化通道内的温度和时间,测试电导率提高能力与墨层轮廓变形程度,优化墨膜固化温度、时间和研压压力等工艺参数。

2.5 分析测试RFID电子标签的性能

取印刷样张,贴芯片后在Tagformance 等网络分析仪上测试其工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗、品质因素带宽、方向性、增益、回波损耗、品质因素、灵敏度等电学性能参数,测试其在不同应用环境下的阅读距离,进行验证与修正。

3 结语

经过以上研究方法和技术路线,以期可获得高电导率、满足物联网产业需求的RFID 电子标签,实现RFID 电子标签大规模产业化制造,制造过程完全无废弃物,确保绿色环保。石墨烯RFID 电子标签的技术迭代,必将成为物联网行业下一个风口。

 

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