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石墨烯RFID電子標簽具备怎样的优势

發布時間:2019-12-18

智慧城市、工業4.0、物聯網的快速發展催生了市場對RFID智能識別産品的大量需求。RFID又稱無線射頻識別技術,是非接觸式數據自動采集技術,是物聯網的核心技術之一。其最大特點是信息采集速度快,不需要機械或光學接觸,完全通過無線通信技術完成,在1秒鍾內能夠同時采集數百上千個物體信息,信息采集准確率高。目前該技術已廣泛應用于物流倉儲、交通運輸、安全防僞、移動支付等幾乎所有領域。

01國內外研究現狀

美国是RFID電子標簽应用的积极推动者,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電子標簽供应商,RFID電子標簽生产总量约占全球60%左右,特别是高频RFID電子標簽,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電子標簽,国外基本使用陶瓷烧结法。共同存在的问题有:

(1)汙染環境;

(2)標簽底材單一,應用領域受限;

(3)制造效率低;

(4)標簽尺寸大;

(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電子標簽是实现标签低成本、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電子標簽导线结构变形、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。

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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電子標簽产业化的成功案例。综上所述,一方面,RFID電子標簽市场需求越来越旺盛,另一方面,RFID電子標簽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趨勢和需求分析

隨著英國曼徹斯特大學諾貝爾獎獲得者安德烈?海姆爵士和康斯坦丁?諾沃肖洛夫爵士成功研發了高導電性能的石墨烯材料,石墨烯價格的下降和産品質量的提高極大地刺激下遊産品的應用研究,如各類導電線路、傳感器、醫學監視器等石墨烯電子産品層出不窮。由于石墨烯材料具有微觀拓撲結構,使之具備高導電性能,其導電機理與金屬銀微粒的導電機理不同。

1.2優勢

將石墨烯粉末化處理後制成填充型複合導電漿料,具有兩大優勢:

(1)兼容性強。石墨烯漿料可在塑料薄膜、紙張、陶瓷、棉布、木材等幾乎所有基材上實現印刷;

(2)性價比高。與現有的導電銀漿相比,石墨烯漿料具有更好的導電性能和較大的成本優勢。

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電子標簽的关键技术及产业化研究,如英国BGTMaterialsLimited(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,我國石墨烯産能正在迅速擴大,國內已有多家規模化生産石墨烯廠家。例如:甯波墨西科技有限公司、重慶墨希科技有限公司、鴻納新材料科技有限公司、濟南墨希新材料科技有限公司、蘇州格瑞豐納米科技有限公司、南京先豐納米科技有限公司、常州二維炭素科技有限公司等,各公司的石墨烯産量均能達到100噸/年。據中商産業研究院發布的《2017-2022年中國物聯網行業市場前景及投資機會研究報告》數據顯示,2018年中國RFID市場規模將達到600億元。

基于此,通过分析RFID電子標簽性能参数,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電子標簽新型制造技术成为行业必然发展趋势。

02項目研究方法

2.1石墨烯導電漿料的漿料配制、調制及其分散性調控

由于石墨烯特性跟導電銀粉有截然不同的外觀與導電特性,使得以石墨烯爲基底的導電漿料的配方、制程工藝也截然不同。石墨烯的疏水性會使石墨烯納米片極易通過強烈的範德華力産生團聚,使用有效的溶劑可以阻止石墨烯的團聚,從而使之成爲穩定的石墨烯分散液。理想的溶劑主要有N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)。本項目擬采用以DMF/NMP爲溶劑,在石墨烯漿料配方中增加穩定劑(如乙基纖維素等)的方法分散石墨烯,以期解決石墨烯粉末容易團聚,不易分散的問題。采用激光粒度儀測試漿料的顆粒度及其分散度,保證石墨烯漿料顆粒的分散性。

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電子標簽的干燥温度,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電子標簽。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電子標簽天线设计

影响RFID電子標簽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電子標簽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,计算机仿真模拟获得UHFRFID電子標簽回波损耗及能量分布情况,从而确定RFID電子標簽电学性能表征参数,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電子標簽天线增益的影响。

2.3基于石墨烯導電漿料的凹版印刷參數的調控

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電子標簽的结构参数,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優化墨膜幹燥溫度和滾筒壓制壓力

由于印刷導電墨層在一定程度幹燥固化後,再經滾筒壓延,可改變其表面形貌,提高墨層致密度,大幅度提高導電性,但是被研壓的墨膜易導致輪廓放大,導線變形。調節石墨烯導電墨層在紫外固化通道內的溫度和時間,測試電導率提高能力與墨層輪廓變形程度,優化墨膜固化溫度、時間和研壓壓力等工藝參數。

2.5分析测试RFID電子標簽的性能

取印刷樣張,貼芯片後在Tagformance等網絡分析儀上測試其工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗、品質因素帶寬、方向性、增益、回波損耗、品質因素、靈敏度等電學性能參數,測試其在不同應用環境下的閱讀距離,進行驗證與修正。

總結

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電子標簽,实现RFID電子標簽大规模产业化制造,制造过程完全无废弃物,确保绿色环保。石墨烯RFID電子標簽的技术迭代,必将成为物联网行业下一个风口。

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