碳系導(dǎo)電油墨印刷RFID標(biāo)簽天線洗鋁工藝研究

楊婷婷

（泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州362000）

一、研究背景

RFID技術(shù)即射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification)興起于20世紀(jì)90年代并日漸成熟。

當(dāng)前RFID技術(shù)存在著諸多問題,如標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、成本過高以及涉及安全隱私等。目前RFID技術(shù)使用的主要是成本較高的銀系導(dǎo)電油墨，成本低的碳系油墨雖有應(yīng)用，但制成天線導(dǎo)電性不如銀系油墨?，F(xiàn)在每枚RFID標(biāo)簽的價(jià)格在0.3-0.6美元。由(硅)芯片、內(nèi)置天線和底材3部分共同決定RFID標(biāo)簽成本，現(xiàn)階段芯片和底材的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，降低天線制作成本是關(guān)鍵，優(yōu)化標(biāo)簽內(nèi)置天線的制作工序是重點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代RFID無處不在，降低導(dǎo)電油墨的成本，有效控制其印制的RFID天線成本，必能促進(jìn)RFID標(biāo)簽的廣泛應(yīng)用。

二、研究方案

為了得到低成本高導(dǎo)電性能的天線，本文對(duì)RFID天線的導(dǎo)電性進(jìn)行了簡(jiǎn)單地實(shí)驗(yàn)和初步的探索。RFID標(biāo)簽天線通常采用蝕刻法、壓箔法和導(dǎo)電油墨印刷法等三種方法印制。

蝕刻法是在絕緣材料表面敷上導(dǎo)體，再通過腐蝕的方法將不需要的導(dǎo)體去掉。腐蝕洗鋁工藝制作金屬天線，步驟繁多，生成周期長(zhǎng)，形狀不好控制。

導(dǎo)電油墨印刷法是在薄膜、紙張等絕緣基板上直接用導(dǎo)電油墨印刷導(dǎo)電線路，形成天線和電路。導(dǎo)電油墨印刷天線工序少，做出成品時(shí)間短，成本較低同時(shí)綠色環(huán)保。但是導(dǎo)電油墨印刷天線的導(dǎo)電性不如蝕刻法。

本研究把蝕刻洗鋁與導(dǎo)電油墨直接印刷工藝結(jié)合，采用碳系導(dǎo)電油墨印刷能降低RFID導(dǎo)電油墨的成本，同時(shí)在現(xiàn)有的蝕刻洗鋁法的基礎(chǔ)上使天線性能更優(yōu)。本實(shí)驗(yàn)的流程如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中采用鍍鋁膜作為底材，利用鋁層與碳層并聯(lián)來減小天線的電阻值；其次是采用不同厚度的鍍鋁膜、不同的樹脂、不同配比的導(dǎo)電油墨來制備RFID天線，并且研究不同濃度NAOH溶液、不同腐蝕時(shí)間對(duì)各種薄膜附著力和導(dǎo)電性能的影響，對(duì)比得出最好性能的RFID天線。

三、研究創(chuàng)新

通常蝕刻洗鋁工藝中，選擇的抗蝕劑是普通的有機(jī)溶劑，產(chǎn)生的抗蝕膜沒有得到利用，于是本研究希望利用具有導(dǎo)電性的抗蝕膜與鋁或銅并聯(lián)降低電阻率。通過把蝕刻洗鋁工藝同導(dǎo)電油墨印刷法融合，用碳系導(dǎo)電油墨印刷的墨層作為抗蝕膜來掩蓋銅鋁，使導(dǎo)電油墨印刷的天線導(dǎo)電性得到提升，同時(shí)又可以改變蝕刻洗鋁工藝天線形狀不好控制的缺點(diǎn)。

圖1 本實(shí)驗(yàn)流程圖

四、研究結(jié)果與分析

(一)導(dǎo)電性能測(cè)試與分析

測(cè)量天線的導(dǎo)電性，比較各配方導(dǎo)電油墨、承印物性能的優(yōu)劣，在于比較電阻率。電阻率大小與電路的寬度、長(zhǎng)度無關(guān)，只跟二者之間的比例、電阻值和墨層厚度有關(guān)，在測(cè)量電阻時(shí)，可以不必測(cè)量整個(gè)線路的電阻值，由于該天線的電阻測(cè)量復(fù)雜，為計(jì)算出電阻率，測(cè)量某一段電路的阻值、長(zhǎng)度和寬度，再通過式（1）計(jì)算出油墨的體積電阻率ρ。其中，L表示測(cè)量某段電路的長(zhǎng)度，w表示檢測(cè)電路的寬度，w=0.8mm。S表示檢測(cè)電路的橫截面積，n表示長(zhǎng)度是寬度的倍數(shù)。每組計(jì)算電阻率時(shí)，取5段已知長(zhǎng)度電路測(cè)量電阻值，計(jì)算電阻率，再求平均值。表1、表2、表3給出了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。其中“無”表示在腐蝕過程中，墨層嚴(yán)重掉落，天線已無法測(cè)量電阻率。

式中：

R—墨層的電阻值；

d——墨層厚度；

ρ——體積電阻率。

表1 氯醋馬樹脂導(dǎo)電油墨電阻率

由表1可知，當(dāng)石墨炭黑比為13:4時(shí)，使用Al/PET/Al作為承印物，RFID天線的導(dǎo)電性最好。

表2 聚乙烯聚丙烯樹脂導(dǎo)電油墨電阻率

從表2中可以看出，當(dāng)石墨炭黑比為13:3時(shí)，使用VmPET/VmPET為承印物，RFID天線表現(xiàn)出最好的導(dǎo)電性能。

表3 EVA樹脂導(dǎo)電油墨電阻率

在EVA樹脂液中，由表3不同承印物和不同導(dǎo)電填料混合物之間的電阻率對(duì)比可以看出，當(dāng)石墨炭黑比為13:3時(shí)，VmPET作為承印物時(shí)RFID天線的導(dǎo)電性最好。

按樹脂分類，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為三組，從三組數(shù)據(jù)可以得出，以氯醋馬樹脂制備的導(dǎo)電油墨印刷的RFID天線導(dǎo)電性最好，聚乙烯聚丙烯樹脂次之，EVA樹脂最差。

按承印材料分類，BOPP/AL,AL/PET/AL在腐蝕洗鋁時(shí)，部分情況下出現(xiàn)天線從鍍鋁膜上脫落導(dǎo)致無法測(cè)量電阻率?？梢钥闯鲞@兩種膜上天線能測(cè)出的電阻率表現(xiàn)不錯(cuò)，因?yàn)殇X層厚和墨層并聯(lián)后電阻較?。蝗欢谐霈F(xiàn)鋁層薄時(shí)電阻率更小的情況，這個(gè)可能和鋁層表面不平，和炭層并聯(lián)接觸不充分，電阻值下降不明顯有關(guān)。

在測(cè)量電阻率時(shí)，一個(gè)重要影響因素是墨層的厚度。墨層厚度見表4、表5、表6?！盁o”指嚴(yán)重掉墨，無法測(cè)量厚度。

表4 氯醋馬樹脂導(dǎo)電油墨各承印物墨層厚度測(cè)量值

表5 聚乙烯聚丙烯樹脂導(dǎo)電油墨各承印物墨層厚度測(cè)量

表6 EVA樹脂導(dǎo)電油墨各承印物墨層厚度測(cè)量

從上述墨層厚度測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，氯醋馬樹脂制備的導(dǎo)電油墨的墨層整體上比其他兩種樹脂制備的導(dǎo)電油墨的墨層厚，其他兩種樹脂制備的導(dǎo)電油墨的墨層厚度較小。天線的電阻值由墨層和鋁層并聯(lián)決定，墨層的厚薄不單獨(dú)決定電阻率，而是由鋁層的并聯(lián)接觸好壞決定。墨層如果過于薄，那么填料無法實(shí)現(xiàn)有效的連接，導(dǎo)致導(dǎo)電性能不好。墨層太厚，從計(jì)算公式（1）可以看出，會(huì)造成電路的電阻值、電阻率偏大，也影響天線的導(dǎo)電性?？傊珜雍穸纫m當(dāng)。在本實(shí)驗(yàn)中影響墨層厚度的原因可能有：絲網(wǎng)參數(shù)，網(wǎng)孔面積百分比較小，油墨轉(zhuǎn)移到承印物上的量較少；印刷壓力的影響，因?yàn)樵摻z印機(jī)的壓力完全靠手工操作，印刷壓力可能調(diào)節(jié)的不恰當(dāng)；網(wǎng)距較大；加上刮墨刀長(zhǎng)時(shí)間的使用有些磨損，使壓力不均衡。

（二）附著力測(cè)試與分析

附著力通常指的是漆膜和涂物的結(jié)合能力。目前墨膜附著力測(cè)定方法只能以間接的手段來測(cè)定，通常分為三大類型即以劃格法、劃圈法代表的綜合測(cè)定法，以拉開法為代表的剝落試驗(yàn)法和用溶劑和軟化劑配合使用的測(cè)試水試驗(yàn)法。本實(shí)驗(yàn)采用PHC-600百格刀劃格法測(cè)試碳系導(dǎo)電油墨的附著力。附著力的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見表7，附著力的測(cè)試結(jié)果見表8、表9、表10和表11。

通過以上附著力測(cè)試的結(jié)果可以看出，三種樹脂中，氯醋馬樹脂導(dǎo)電油墨的附著力最好，聚乙烯聚丙烯樹脂次之，EVA樹脂導(dǎo)電油墨的附著力最差。四種承印物，VmPET/VmPET薄膜附著力最好。同一種樹脂，石墨炭黑比為13:5的附著力基本上較差，原因是炭黑含量較多，且炭黑的顆粒較大，從而造成附著力較差。以上幾種導(dǎo)電油墨，附著力總體上較好，但根據(jù)附著力測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)可以看出，實(shí)驗(yàn)中制備的導(dǎo)電油墨的附著力還有提升的空間，油墨的附著力在一定程度上影響著導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性，在此次實(shí)驗(yàn)中，墨層附著力不夠，天線在腐蝕的時(shí)候墨層會(huì)發(fā)生嚴(yán)重脫落。本實(shí)驗(yàn)中為排除其他因素的影響，采用提高附著力的方法，對(duì)承印物進(jìn)行電暈處理、或在油墨中加入助劑等以提高附著力。

表7 附著力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

表8 VmPET薄膜附著力測(cè)試

表9 VmPET/VmPET薄膜附著力測(cè)試

表10 BOPP/Al薄膜附著力測(cè)試

表11 Al/PET/Al薄膜附著力測(cè)試

五、研究結(jié)論

從相同樹脂，相同承印物、不同石墨炭黑比觀察，當(dāng)石墨炭黑比為13:3和13:4時(shí)，整體上RFID天線的導(dǎo)電性能較好，原因是，炭黑的顆粒較大，會(huì)影響油墨的成膜性以及附著力，而石墨炭黑比為13:5時(shí)，炭黑含量較多，顆粒較大，導(dǎo)致油墨附著力較差；從相同樹脂、相同石墨炭黑比、不同承印物觀察，鋁層較厚的BOPP/Al、Al/PET/Al承印物上的天線導(dǎo)電性較好，因?yàn)殇X層較厚，鋁層的電阻值越小，與碳層并聯(lián)的阻值越小，故鋁層厚，天線的導(dǎo)電性較好；從相同承印物、相同石墨炭黑比，不同的樹脂觀察，從檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以得出氯醋馬樹脂性能最好，利用氯醋馬樹脂制備的導(dǎo)電油墨，具有良好的附著性，良好導(dǎo)電性，其成膜性較好，能良好的連接導(dǎo)電粒子，也能牢固的附著在承印物上。

按樹脂分類，可以將本實(shí)驗(yàn)分為三大類，氯醋馬樹脂性能最好，聚乙烯聚丙烯樹脂次之，EVA樹脂最差。每組中RFID天線電阻率最小的做比較見圖2，可以得出本實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)電性最好的是：氯醋馬樹脂配成的導(dǎo)電油墨，石墨炭黑比為13:4，以Al/PET/Al為承印物印刷的RFID天線。這組數(shù)據(jù)中，石墨炭黑比合適，增加炭黑增強(qiáng)了油墨的導(dǎo)電性，但沒有造成油墨中粒子顆粒過大，沒有影響樹脂的成膜性、附著力；氯醋馬樹脂性能最優(yōu)，保證了油墨的成膜性和附著性；Al/PET/Al鋁層較厚，一定程度上降低了整個(gè)電路的電阻值。結(jié)合這幾個(gè)因素，實(shí)驗(yàn)中得到了較成功的結(jié)果，相較于將導(dǎo)電油墨直接印刷在如PET等非導(dǎo)電薄膜上，RFID天線的具有更好的導(dǎo)電性能。本次研究的創(chuàng)新之處在于將導(dǎo)電油墨印刷在鍍鋁層上，讓導(dǎo)電的鋁層和導(dǎo)電墨層并聯(lián)，以降低電阻提高導(dǎo)電性。

圖2 最小電阻率

導(dǎo)電油墨作為新興的印刷電子產(chǎn)業(yè)的主要原材料之一，其廣闊的應(yīng)用前景和巨大的研究?jī)r(jià)值勢(shì)必吸引我們做進(jìn)一步探究。目前導(dǎo)電油墨的制備和RFID天線的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等都制約著其進(jìn)一步推廣。所以，現(xiàn)階段對(duì)于導(dǎo)電油墨的各項(xiàng)研究都是相當(dāng)急迫的。順應(yīng)RFID技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的要求，本論文只是對(duì)RFID天線的導(dǎo)電性進(jìn)行了簡(jiǎn)單地實(shí)驗(yàn)和初步的探索，進(jìn)一步跟進(jìn)和改善空間很大。如果使用石墨烯材料，天線的導(dǎo)電性能應(yīng)該比本實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好，希望本文的研究成果能為以后使用導(dǎo)電油墨生產(chǎn)RFID天線提供參照。