萬物互聯(lián)——柔性RFID之噴墨打印
???RFID又被稱為無線射頻識別技術(shù),該技術(shù)可以通過無限信號進行目標物體的自動識別,并且通過讀取器與目標物體進行數(shù)據(jù)的傳輸與交換。作為自動識別技術(shù)中的佼佼者,RFID在未來物聯(lián)網(wǎng)領域具有非常廣闊的應用前景。
基本的RFID系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:問答器和應答器。問答器主要用于信息的錄入和采集,而應答器則是通常所說的RFID標簽,主要用來進行信息的存儲于交換。
RFID標簽主要分為兩部分:標簽天線和芯片。RFID具有多種分類方式,如果根據(jù)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系,頻率越高讀寫距離越遠,最高階段可以高達數(shù)米。不過,目前RFID標簽的價格比較高,特別是在天線工藝的制備上具有過程復雜、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(lián)時代的應用前景。傳統(tǒng)的天線制備主要包括,化學蝕刻法、電鍍法、絲網(wǎng)印刷以及凹版印刷等方法。蝕刻法和電鍍法工藝復雜、成本高,且對環(huán)境污染較大。而絲印和凹印等方法制備的天線厚度15-20 μm,且柔性較差,所采用的貴金屬消耗量較高,成本優(yōu)勢不明顯。
而隨著印刷電子工藝,特別是噴墨打印工藝的日漸成熟,通過噴墨打印工藝制備柔性RFID標簽天線,具有非常巨大的潛在優(yōu)勢:
1. 噴墨打印墨水多為納米級金屬墨水,打印薄膜厚度較低,具有良好的柔性;
2. 噴墨打印工藝屬于一種數(shù)字化制備方式,不需要掩膜版、光刻、刻蝕等工藝,只需要在軟件層面設計好圖形,按需打印制備即可,簡單快速,并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,噴墨打印制備RFID天線的最核心技術(shù)就是噴墨打印用油墨。油墨性能可以直接影響噴墨打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(qū)體墨水。
金屬漿料
金屬漿料是應用于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?shù)娜軇┙M成。溶劑確保漿料可印刷,聚合物粘結(jié)劑用于保持漿料的穩(wěn)定性,也用于調(diào)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(jié)構(gòu)示意圖納米顆?;?/em>
近年來,世界范圍內(nèi)直徑小于100 nm的納米顆粒的生產(chǎn)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(wěn)定,因而在油墨中可以實現(xiàn)更高質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)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(xiàn)象就會出現(xiàn)。由于粒子的直徑減少,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(jié)合能小于體系內(nèi)部的結(jié)合能,因而當納米顆粒尺度降低,特別是當顆粒直徑低于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于100℃。不過,熔點的降低會對電導率產(chǎn)生明顯的影響。當由納米顆粒組成的薄膜通過低溫燒結(jié),局部的納米顆粒之間會相互連接,從而形成到導電通路,制備得到接近塊體材料的電導率。
圖2 打印層數(shù)與電導率的變化規(guī)律有機金屬前驅(qū)體墨水
有機金屬前驅(qū)體通常就是金屬元素與各種有機官能團,通過化學過程結(jié)合而形成的化合物。有機金屬前驅(qū)體通過特殊設計的化學結(jié)構(gòu)處理后,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(fā)掉,留下金屬導電薄膜。近年來,已有大量關于有機金屬前體報道,不過在應用于天線打印過程中,仍會面臨一些問題。有機金屬前驅(qū)體化合物中金屬元素的含量通常非常低,因而燒結(jié)之后的薄膜通常為多孔結(jié)構(gòu)。并且這類墨水通常不太適合制備天線所需的厚膜。不過,近期已經(jīng)有文獻報道通過打印金屬有機前驅(qū)體墨水作為種子層,然后經(jīng)過后期化學鍍從而制備高質(zhì)量的薄膜天線。
圖3 通過打印種子層制備天線用導電線路的過程示意圖