石墨烯RFID電子標(biāo)簽具備怎樣的優(yōu)勢(shì)

智慧城市、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展催生了市場(chǎng)對(duì)RFID智能識(shí)別產(chǎn)品的大量需求。RFID又稱無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，是非接觸式數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。其最大特點(diǎn)是信息采集速度快，不需要機(jī)械或光學(xué)接觸，完全通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)完成，在1秒鐘內(nèi)能夠同時(shí)采集數(shù)百上千個(gè)物體信息，信息采集準(zhǔn)確率高。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、安全防偽、移動(dòng)支付等幾乎所有領(lǐng)域。

01國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)是RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用的積極推動(dòng)者，其在RFID標(biāo)準(zhǔn)建立、軟硬件技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域均走在世界前列。歐洲RFID標(biāo)準(zhǔn)追隨美國(guó)主導(dǎo)的EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)。歐美國(guó)家對(duì)于RFID的研究發(fā)展主要集中于標(biāo)準(zhǔn)制定、芯片制造、閱讀器制造及系統(tǒng)集成方面。我國(guó)是全球最大的RFID電子標(biāo)簽供應(yīng)商，RFID電子標(biāo)簽生產(chǎn)總量約占全球60%左右，特別是高頻RFID電子標(biāo)簽，我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了從芯片到天線的全部國(guó)產(chǎn)化。普及應(yīng)用RFID系統(tǒng)的主要瓶頸是標(biāo)簽的價(jià)格、尺寸和環(huán)境適應(yīng)性。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)普遍使用銅導(dǎo)線繞制法和鋁箔蝕刻法制造RFID電子標(biāo)簽，國(guó)外基本使用陶瓷燒結(jié)法。共同存在的問(wèn)題有：

(1)污染環(huán)境;

(2)標(biāo)簽底材單一，應(yīng)用領(lǐng)域受限;

(3)制造效率低;

(4)標(biāo)簽尺寸大;

(5)成本高;

(6)制造精度低。

過(guò)去幾年國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為用導(dǎo)電銀漿絲網(wǎng)印刷制造RFID電子標(biāo)簽是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽低成本、小型化、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)、大規(guī)模生產(chǎn)最為有效的技術(shù)。雖然圖象復(fù)制領(lǐng)域的印刷技術(shù)速度快、效率高、線條精細(xì)、套印準(zhǔn)確，但是，由于導(dǎo)電銀漿導(dǎo)電性差以及導(dǎo)電機(jī)理的限制，只能采用高銀含量的導(dǎo)電銀漿和低網(wǎng)線數(shù)的絲網(wǎng)網(wǎng)版，受油墨黏度、延展性、流動(dòng)性、刮印壓力、網(wǎng)版拉伸、網(wǎng)線干擾等數(shù)十個(gè)因素的影響，所印制的RFID電子標(biāo)簽導(dǎo)線結(jié)構(gòu)變形、邊界粗糙、短路斷路、實(shí)際輻射效率與理論輻射效率相差很大。

綜觀國(guó)內(nèi)外研究，幾乎沒有針對(duì)上述問(wèn)題的科學(xué)有效的控制手段，因此，目前幾乎沒有用此工藝實(shí)現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽產(chǎn)業(yè)化的成功案例。綜上所述，一方面，RFID電子標(biāo)簽市場(chǎng)需求越來(lái)越旺盛，另一方面，RFID電子標(biāo)簽制造技術(shù)仍存在效率偏低、成本偏高、污染環(huán)境、基材單一等問(wèn)題，市場(chǎng)亟需新型的制造技術(shù)來(lái)突破需求與供應(yīng)之間的矛盾。

1.1趨勢(shì)和需求分析

隨著英國(guó)曼徹斯特大學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)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(fā)了高導(dǎo)電性能的石墨烯材料，石墨烯價(jià)格的下降和產(chǎn)品質(zhì)量的提高極大地刺激下游產(chǎn)品的應(yīng)用研究，如各類導(dǎo)電線路、傳感器、醫(yī)學(xué)監(jiān)視器等石墨烯電子產(chǎn)品層出不窮。由于石墨烯材料具有微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使之具備高導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電機(jī)理與金屬銀微粒的導(dǎo)電機(jī)理不同。

1.2優(yōu)勢(shì)

將石墨烯粉末化處理后制成填充型復(fù)合導(dǎo)電漿料，具有兩大優(yōu)勢(shì)：

(1)兼容性強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)印刷;

(2)性價(jià)比高。與現(xiàn)有的導(dǎo)電銀漿相比，石墨烯漿料具有更好的導(dǎo)電性能和較大的成本優(yōu)勢(shì)。

隨著石墨烯生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟、成本不斷降低，石墨烯導(dǎo)電漿料將逐漸占據(jù)市場(chǎng)份額。預(yù)計(jì)到2020年導(dǎo)電漿料領(lǐng)域石墨烯應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2億元。目前，國(guó)外一些研制RFID系統(tǒng)的廠家已經(jīng)紛紛重啟用石墨烯漿料印制RFID電子標(biāo)簽的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化研究，如英國(guó)BGTMaterialsLimited(BGTM)公司。但國(guó)內(nèi)暫無(wú)其他公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。

目前，我國(guó)石墨烯產(chǎn)能正在迅速擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)已有多家規(guī)模化生產(chǎn)石墨烯廠家。例如：寧波墨西科技有限公司、重慶墨?？萍加邢薰?、鴻納新材料科技有限公司、濟(jì)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，各公司的石墨烯產(chǎn)量均能達(dá)到100噸/年。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2017-2022年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場(chǎng)前景及投資機(jī)會(huì)研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)RFID市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到600億元。

基于此，通過(guò)分析RFID電子標(biāo)簽性能參數(shù)，優(yōu)化石墨烯導(dǎo)電漿料的印刷適性，應(yīng)用凹版印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、大批量、高效率、高質(zhì)量、低成本、適合各種基材的RFID電子標(biāo)簽新型制造技術(shù)成為行業(yè)必然發(fā)展趨勢(shì)。

02項(xiàng)目研究方法

2.1石墨烯導(dǎo)電漿料的漿料配制、調(diào)制及其分散性調(diào)控

由于石墨烯特性跟導(dǎo)電銀粉有截然不同的外觀與導(dǎo)電特性，使得以石墨烯為基底的導(dǎo)電漿料的配方、制程工藝也截然不同。石墨烯的疏水性會(huì)使石墨烯納米片極易通過(guò)強(qiáng)烈的范德華力產(chǎn)生團(tuán)聚，使用有效的溶劑可以阻止石墨烯的團(tuán)聚，從而使之成為穩(wěn)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(xiàng)目擬采用以DMF/NMP為溶劑，在石墨烯漿料配方中增加穩(wěn)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(tuán)聚，不易分散的問(wèn)題。采用激光粒度儀測(cè)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(dǎo)電漿料中加入紫外引發(fā)劑、光敏樹脂等組分，優(yōu)化其混合比例，使石墨烯導(dǎo)電漿料能在紫外光下快速固化，降低印刷后RFID電子標(biāo)簽的干燥溫度，縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，可在紙張、塑料薄膜、絲織品等各種基材上印刷RFID電子標(biāo)簽。改變漿料的連接料和助劑，調(diào)制石墨烯導(dǎo)電漿料的粘度、黏性、流動(dòng)性、表面張力、干燥性、觸變性、流變性、顆粒度等印刷適性，利用黏度杯或?yàn)跏险扯扔?jì)、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(dǎo)電漿料印刷的RFID電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

影響RFID電子標(biāo)簽天線電學(xué)性能的主要參數(shù)有：天線形狀、尺寸結(jié)構(gòu)、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(zhì)因素和應(yīng)用環(huán)境等，RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)需要對(duì)上述參數(shù)加以權(quán)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(huán)大小、電磁信號(hào)接收及反饋材料電導(dǎo)率、電介質(zhì)介電常數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，計(jì)算機(jī)仿真模擬獲得UHFRFID電子標(biāo)簽回波損耗及能量分布情況，從而確定RFID電子標(biāo)簽電學(xué)性能表征參數(shù)，建立數(shù)據(jù)模型。研究石墨烯導(dǎo)電漿料配方以及印制工藝參數(shù)對(duì)天線性能的影響。研究墨膜厚度對(duì)于趨膚效應(yīng)的影響以及天線性能的影響。通過(guò)研究石墨烯墨層在不同化學(xué)勢(shì)時(shí)的阻抗特性，尤其是超高頻頻段的高電抗特性對(duì)RFID電子標(biāo)簽天線增益的影響。

2.3基于石墨烯導(dǎo)電漿料的凹版印刷參數(shù)的調(diào)控

根據(jù)石墨烯導(dǎo)電漿料的印刷適性，以及計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)的RFID電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定合適的凹版印刷滾筒的網(wǎng)版線數(shù)、網(wǎng)孔深度和網(wǎng)穴形狀，計(jì)算上墨量，調(diào)節(jié)漿料膜層厚度。針對(duì)紙張、塑料薄膜(如PET、PI、CPP等)、絲織品等不同基材，調(diào)整凹版印刷時(shí)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(shù)，獲得最優(yōu)化的印刷工藝方案。

2.4優(yōu)化墨膜干燥溫度和滾筒壓制壓力

由于印刷導(dǎo)電墨層在一定程度干燥固化后，再經(jīng)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(dǎo)電性，但是被研壓的墨膜易導(dǎo)致輪廓放大，導(dǎo)線變形。調(diào)節(jié)石墨烯導(dǎo)電墨層在紫外固化通道內(nèi)的溫度和時(shí)間，測(cè)試電導(dǎo)率提高能力與墨層輪廓變形程度，優(yōu)化墨膜固化溫度、時(shí)間和研壓壓力等工藝參數(shù)。

2.5分析測(cè)試RFID電子標(biāo)簽的性能

取印刷樣張，貼芯片后在Tagformance等網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)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(zhì)因素帶寬、方向性、增益、回波損耗、品質(zhì)因素、靈敏度等電學(xué)性能參數(shù)，測(cè)試其在不同應(yīng)用環(huán)境下的閱讀距離，進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

總結(jié)

經(jīng)過(guò)以上研究方法和技術(shù)路線，以期可獲得高電導(dǎo)率、滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)需求的RFID電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制造，制造過(guò)程完全無(wú)廢棄物，確保綠色環(huán)保。石墨烯RFID電子標(biāo)簽的技術(shù)迭代，必將成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)下一個(gè)風(fēng)口。