納米導(dǎo)電銀技術(shù)在RFID領(lǐng)域的應(yīng)用

射頻識(shí)別 (RFID) 標(biāo)簽是一種新興的標(biāo)簽技術(shù), 在標(biāo)簽內(nèi)置芯片存入資料, 信息將被以電子技術(shù)的方式植入智能標(biāo)簽內(nèi), 應(yīng)用于物流、保安、健康、門禁控制、產(chǎn)品安全、身份認(rèn)證以及其他場(chǎng)合. RFID使用的頻率有6種，分別為135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz（即UHF）、2.45GHz以及5.8GHz。無(wú)源RFID主要使用前二種頻率。2007年， 高頻（13.56MHz）RFID 銷售約25億美元。大約是其它頻段同類產(chǎn)品的10倍。 在過去幾年，全世界發(fā)達(dá)國(guó)家， 率先啟用，為信貸、借記、帳戶、銀行提供了一種便捷的手段，近幾年來，RFID在中國(guó)也有了飛速的發(fā)展， 僅國(guó)民身份證卡一項(xiàng)的市場(chǎng)價(jià)值就在60億美元左右。另外電子護(hù)照  （e-passport） 也是RFID巨大的市場(chǎng)。其它日用消費(fèi)品，也在不斷擴(kuò)大使用范圍， 成為一種方便快捷的付費(fèi)方式，企業(yè)顧客雙雙得益。 如倫敦地鐵Oyster 非接觸式RFID 付費(fèi)卡， 2007年發(fā)行了數(shù)千萬(wàn)張，極大地降低了管理服務(wù)成本， 提高了地鐵效率，同時(shí)使得消費(fèi)者受益于更加廉價(jià)的地鐵票費(fèi)。 不僅如此，RFID 職能卡的個(gè)性化（一一對(duì)應(yīng)關(guān)系），也使各種服務(wù)行業(yè)得到了非常有價(jià)值的顧客統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。伴隨著國(guó)家金卡工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，IC卡技術(shù)和近期快速發(fā)展的RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，極大地推動(dòng)了我國(guó)信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的協(xié)調(diào)發(fā)展起著重要作用。
 
圖1 是 美國(guó)Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸付費(fèi)FIRD 智能卡結(jié)構(gòu)圖。目前芯片造價(jià)可以達(dá)到 < 1 美分。而天線的制造費(fèi)用因工藝不同而各異， 但是總體造價(jià)遠(yuǎn)高于芯片。傳統(tǒng)銅線纏繞技術(shù)工藝落后， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了超大規(guī)模生產(chǎn)量的要求。傳統(tǒng)的銅版刻蝕工藝，目前造價(jià)相對(duì)適中， 但是工藝復(fù)雜，特別是工藝過程對(duì)環(huán)境的污染引起一定程度的關(guān)注。另外銅天線的使用， 必須有防氧化措施， 因?yàn)殂~極易被氧化，而氧化后的銅， 將破壞導(dǎo)電性， 特別是表面導(dǎo)電性能（祥見后面討論部分）。
 
 
圖1美國(guó)Texas Instrument 最新推出的超薄非接觸FIRD卡
射頻天線
射頻芯片

 
 
 
用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷工藝和高新技術(shù)生產(chǎn)導(dǎo)電銀漿料（油墨）來印制RFID天線越來越為人關(guān)注，這種制造方法具有如下特點(diǎn)：
工藝極為簡(jiǎn)單而且能夠進(jìn)行超大規(guī)模生產(chǎn)（如日單位產(chǎn)量達(dá)上千萬(wàn)個(gè)甚至更高），極大地提高生產(chǎn)效率； 
銀具有良好的導(dǎo)電性，即便是表面被氧化，仍然保持良好的導(dǎo)電性。 
沒有像銅板刻蝕那樣的環(huán)境污染。 
不足：目前導(dǎo)電銀漿料生產(chǎn)RFID天線主要問題是其原料成本高，導(dǎo)致單個(gè)成本造價(jià)高。
 
如何大幅度降低RFID天線成本是大家關(guān)心的問題。
 
措施之一：有效地大幅度地降低銀漿料的使用量。
 
如圖一所示的天線，目前的絲網(wǎng)印刷工藝大多是印刷線寬在0.5 – 1.0 mm，平均厚度 0.01 mm左右。其銀的耗材較大。
 
我公司采用納米和微米技術(shù)，生產(chǎn)出的超細(xì)導(dǎo)電銀漿JLY-101型，可以印刷出超細(xì)銀線，其寬度30 – 40 µm, 厚度　3 – 4 µm, 如圖二所示。這是世界上首個(gè)通過印刷方法研發(fā)印刷的超細(xì)銀導(dǎo)線。這樣，可以大幅度的降低用材從而降低RFID 天線的制造成本?！?
 
圖二：聚隆公司研發(fā)的超細(xì)導(dǎo)電銀漿料：印刷銀線微觀結(jié)構(gòu)
30 µm

 
 
措施之二：采用銀包銅，降低原材料的成本。
銅是個(gè)良導(dǎo)體。問題是銅易于氧化從而破壞了導(dǎo)電性，特別是高頻射頻天線的導(dǎo)電性?！￡P(guān)于介紹銅氧化的理論很多。這里重點(diǎn)考慮的是其常溫下的氧化問題。室溫到100度，表面主要生成Cu2O；通?？吹降你~的顏色變化，大多基于Cu2O產(chǎn)物所致。銀可以有效地阻止銅氧化，并且有著良好的導(dǎo)電性能。理論上講，用銀包銅做成的導(dǎo)電漿料應(yīng)該和純銀漿料的導(dǎo)電性能相差不遠(yuǎn)，但是，目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的導(dǎo)電性能相差很大。這不是理論問題，　而是銀包銅材料的工藝和技術(shù)需要改善。目前的銀包銅，還存在若干問題，其中之一是銅粉沒有能夠被銀全部或大部分包裹起來。圖三是一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)圖，其中的銅粉就是沒有被銀包裹起來。
 
 
 
 
圖三：銀包銅的缺陷：銅粉沒有被銀包裹起來
 
 
 
 
措施之三：結(jié)合措施之一，進(jìn)一步提高超細(xì)銀線的導(dǎo)電性。
導(dǎo)電銀漿料的基本組成是銀及高分子材料。我公司最新推出的非接觸RFID卡專用導(dǎo)電銀漿料，可以在45 ºC 的條件下，12-15分鐘干燥，滿足了目前非接觸RFID天線的需要。如果做成如圖二所示超細(xì)銀導(dǎo)線，其成本無(wú)疑會(huì)大幅度降低，但是其電阻也會(huì)升高，這樣勢(shì)必影響RFID天線的工作性能。主要原因是銀粒與銀粒之間沒有完全連接起來，其間　存在高分子聯(lián)接料，而高分子是非導(dǎo)體，　這樣的微觀結(jié)構(gòu)勢(shì)必影響導(dǎo)電性。為此，采用新型高分子聯(lián)接料，配合納米級(jí)超細(xì)銀粉，從技術(shù)上解決銀低溫?zé)Y(jié)的問題，從而把離散的銀粒與銀粒，“燒結(jié)“起來，這樣比傳統(tǒng)的導(dǎo)電銀漿的導(dǎo)電性會(huì)提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，可以滿足RFID 射頻天線的工作性能要求。圖四是聚隆公司正在研發(fā)的低溫?zé)Y(jié)型非接觸RFID卡專用漿料。從圖中可以看出，銀與銀之間聯(lián)結(jié)一體，形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。目前可以在500 ºC實(shí)現(xiàn)超細(xì)印刷銀線的“燒結(jié)”。這里需要解釋的是為什么銀的熔點(diǎn)在961 ºC　而500 ºC就融化了。通過熱力學(xué)基本定律可以得到以下理論：
 
 
Tm / Tom = 1 – (2σM )/(rρ∆H)
 
其中Tm 是銀粒＝ｒ時(shí)的熔點(diǎn)，Tom 是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，銀的本體熔點(diǎn)，σ＝表面張力，　M ＝分子量，　ρ＝密度，　∆H＝熔融時(shí)的能量變化（熱晗）。
 
該公式表明，銀粒的尺寸越小，銀的熔點(diǎn)越低。當(dāng)然，這只是個(gè)理論模型，　可以定性地說明觀察到的現(xiàn)象。公司最終的目標(biāo)研發(fā)出燒結(jié)溫度為150 ºC左右超細(xì)納米級(jí)導(dǎo)電銀漿料（油墨）。 
 
 
圖四： 500ºC 低溫?zé)Y(jié)銀的微觀結(jié)構(gòu)圖。

總之，通過以上超細(xì)銀線技術(shù)，加上燒結(jié)措施提高導(dǎo)電性，有希望把目前的RFID 天線造價(jià)成倍的降低，為RFID技術(shù)推廣發(fā)揮重要的作用。
成功案例：捷德金卡有限公司是由德國(guó)G&D集團(tuán)合資的現(xiàn)代化大型制卡企業(yè)，擁有世界領(lǐng)先的制卡技術(shù)，特別是對(duì)非接觸智能卡天線用導(dǎo)電銀漿有較高的要求，同時(shí)又要控制降低成本。我公司生產(chǎn)的天線用絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電銀漿在該公司成功應(yīng)用，主要性能優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，并且成本有大幅度降低。該型產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，已向國(guó)家專利局申請(qǐng)了發(fā)明專利，該產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)成功必將對(duì)智能卡及RFID的性能成本產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。