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下一個風口:石墨烯RFID電子标簽!

智慧城市、工業4.0、物聯網的快速發展催生了市場對RFID 智能識别産品的大量需求。RFID(Radio Frequency Identification)又稱無線射頻識别技術,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 秒鐘内能夠同時采集數百上千個物體信息,信息采集準确率高。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。

1 國内外研究現狀

美國是RFID 電子标簽應用的積極推動者,其在RFID 标準建立、軟硬件技術開發與應用領域均走在世界前列。歐洲RFID 标準追随美國主導的EPCglobal 标準。歐美國家對于RFID 的研究發展主要集中于标準制定、芯片制造、閱讀器制造及系統集成方面。我國是全球最大的RFID 電子标簽供應商,RFID 電子标簽生産總量約占全球60% 左右,特别是高頻RFID 電子标簽,我國基本實現了從芯片到天線的全部國産化。

普及應用RFID 系統的主要瓶頸是标簽的價格、尺寸和環境适應性。現階段,國内普遍使用銅導線繞制法和鋁箔蝕刻法制造RFID 電子标簽,國外基本使用陶瓷燒結法。共同存在的問題有:

(1)污染環境;

(2)标簽底材單一,應用領域受限;

(3)制造效率低;

(4)标簽尺寸大;

(5)成本高;

(6)制造精度低。

過去幾年國内外衆多研究機構認為用導電銀漿絲網印刷制造RFID 電子标簽是實現标簽低成本、小型化、高精度、适應性強、大規模生産最為有效的技術。雖然圖象複制領域的印刷技術速度快、效率高、線條精細、套印準确,但是,由于導電銀漿導電性差以及導電機理的限制,隻能采用高銀含量的導電銀漿和低網線數的絲網網版,受油墨黏度、延展性、流動性、刮印壓力、網版拉伸、網線幹擾等數十個因素的影響,所印制的RFID 電子标簽導線結構變形、邊界粗糙、短路斷路、實際輻射效率與理論輻射效率相差很大。綜觀國内外研究,幾乎沒有針對上述問題的科學有效的控制手段,因此,目前幾乎沒有用此工藝實現RFID 電子标簽産業化的成功案例。

綜上所述,一方面,RFID 電子标簽市場需求越來越旺盛,另一方面,RFID 電子标簽制造技術仍存在效率偏低、成本偏高、污染環境、基材單一等問題,市場亟需新型的制造技術來突破需求與供應之間的矛盾。

1.1 趨勢和需求分析

随着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

将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。随着石墨烯生産技術不斷成熟、成本不斷降低,石墨烯導電漿料将逐漸占據市場份額。預計到2020 年導電漿料領域石墨烯應用市場規模将達到2 億元。

目前,國外一些研制RFID 系統的廠家已經紛紛重啟用石墨烯漿料印制RFID 電子

标簽的關鍵技術及産業化研究,如英國BGTMaterials Limited (BGTM) 公司。

但國内暫無其他公司對該技術進行産業化研發。

目前,我國石墨烯産能正在迅速擴大,國内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 市場規模将達到600 億元。

基于此,通過分析RFID 電子标簽性能參數,優化石墨烯導電漿料的印刷适性,應用凹版印刷技術,實現綠色環保、大批量、高效率、高質量、低成本、适合各種基材的RFID 電子标簽新型制造技術成為行業必然發展趨勢。

2 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,使得以石墨烯為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,從而使之成為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)。本項目拟采用以DMF/NMP 為溶劑,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。

在石墨烯導電漿料中加入紫外引發劑、光敏樹脂等組分,優化其混合比例,使石墨烯導電漿料能在紫外光下快速固化,降低印刷後RFID 電子标簽的幹燥溫度,縮短幹燥時間,提高生産效率,可在紙張、塑料薄膜、絲織品等各種基材上印刷RFID 電子标簽。改變漿料的連接料和助劑,調制石墨烯導電漿料的粘度、黏性、流動性、表面張力、幹燥性、觸變性、流變性、顆粒度等印刷适性,利用黏度杯或烏氏粘度計、漿料粘性儀、表面張滿足凹版印刷的要求。

2.2 基于石墨烯導電漿料印刷的RFID電子标簽天線設計

影響RFID 電子标簽天線電學性能的主要參數有:天線形狀、尺寸結構、材料特性、工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗、靈敏度、品質因素和應用環境等,RFID 電子标簽的設計需要對上述參數加以權衡。

在仿真軟件HFSS 或ADS 中輸入天線線寬、線間距、彎折尺寸、饋電間隙、饋電環大小、電磁信号接收及反饋材料電導率、電介質介電常數等設計參數,進行計算機仿真模拟,如圖9 所示為計算機仿真模拟獲得UHF RFID電子标簽回波損耗及能量分布情況,從而确定RFID 電子标簽電學性能表征參數,建立數據模型。研究石墨烯導電漿料配方以及印制工藝參數對天線性能的影響。研究墨膜厚度對于趨膚效應的影響以及天線性能的影響。通過研究石墨烯墨層在不同化學勢時的阻抗特性,尤其是超高頻頻段的高電抗特性對RFID 電子标簽天線增益的影響。

2.3 基于石墨烯導電漿料的凹版印刷參數的調控

根據石墨烯導電漿料的印刷适性,以及計算機模拟設計的RFID 電子标簽的結構參數,确定合适的凹版印刷滾筒的網版線數、網孔深度和網穴形狀,計算上墨量,調節漿料膜層厚度。針對紙張、塑料薄膜(如PET、PI、CPP 等)、絲織品等不同基材,調整凹版印刷時收放卷的張力、印刷橡膠壓印輥的壓力、漿料觸變黏度、刮刀接觸角度、印刷速度、定位套印等一系列印刷工藝參數,獲得最優化的印刷工藝方案。

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,提高墨層緻密度,大幅度提高導電性,但是被研壓的墨膜易導緻輪廓放大,導線變形。調節石墨烯導電墨層在紫外固化通道内的溫度和時間,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 分析測試RFID電子标簽的性能

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。

3 結語

經過以上研究方法和技術路線,以期可獲得高電導率、滿足物聯網産業需求的RFID 電子标簽,實現RFID 電子标簽大規模産業化制造,制造過程完全無廢棄物,确保綠色環保。石墨烯RFID 電子标簽的技術疊代,必将成為物聯網行業下一個風口。

本文來自石墨烯資訊,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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