印刷電子在智能物流包裝中的應(yīng)用

李昭 馬克欣 雷志穎 張耀藝 耿宇航 王偉

[摘要]在分析印刷電子、智能包裝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合印刷電子在智能物流包裝相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，闡述印刷電子在智能物流包裝中的應(yīng)用路徑、應(yīng)用方向、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等，并對(duì)印刷電子在智能物流包裝中的應(yīng)用趨勢(shì)做了展望，以期為印刷電子的應(yīng)用拓寬思路，為智能物流包裝的發(fā)展提供啟示。

[關(guān)鍵詞]智能物流;物流包裝;印刷電子

[中圖分類號(hào)]F252.13;F253.9[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-152X（2021）12-0123-04

Application of Printed Electronics in Intelligent Logistics Packaging

LI Zhao，MA Kexin，LEI Zhiying，ZHANGYaoyi，GENG Yuhang，WANG Wei

（Henan University of Science & Technology，Luoyang 471023，China）

Abstract：Based on an analysis of the characteristics of printed electronics and intelligent packaging，combined with the application of printed electronics in the field of intelligent logistics packaging，this paper expounded the path and direction of application，and advantages of printed electronics in intelligent logistics packaging，and projected the trend of its application，which would broaden the ideas for the application of printed electronics，and provide enlightenment for the development of intelligent logistics packaging.

Keywords：intelligent logistics;logistics packaging;printed electronics

0引言

傳統(tǒng)包裝具備的容納、運(yùn)輸、保護(hù)、傳遞商品信息等基本功能已日漸無(wú)法滿足互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代人們的需求，新的包裝需求被不斷提出，尤其體現(xiàn)在智能元素的融入，如感知、互動(dòng)、信息可視化等，因此包裝需要不斷創(chuàng)新發(fā)展。近年來(lái)，印刷電子技術(shù)迅速崛起，其具有柔性化、大面積、低成本、綠色化的特點(diǎn)，與智能包裝的發(fā)展理念不謀而合。目前雖然印刷電子的研究成果不斷出現(xiàn)，但其應(yīng)用轉(zhuǎn)化仍不容樂(lè)觀。本文以印刷電子在智能物流包裝中的應(yīng)用為研究對(duì)象，分析其應(yīng)用現(xiàn)況、特點(diǎn)、趨勢(shì)，以期為印刷電子的應(yīng)用提供新思路，為智能物流包裝的發(fā)展提供啟示。

1印刷電子及智能物流包裝概述

1.1印刷電子

1.1.1印刷電子的特點(diǎn)。印刷電子就是“印刷+電子”，采用印刷的方式制造電子器件和電路。傳統(tǒng)的電路芯片和電路板的制作需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光刻、顯影、刻蝕等步驟加工制成，本質(zhì)是一種減材過(guò)程，而印刷電子是以印刷的方式將功能材料以圖案化的形式沉淀到基底表面，然后通過(guò)燒結(jié)將墨水燒結(jié)成固體材料，是一種增材過(guò)程[1]。因此印刷電子優(yōu)勢(shì)明顯：（1）省略刻蝕步驟不產(chǎn)生廢液，印刷沒(méi)有高溫過(guò)程，降低成本，對(duì)環(huán)境友好;（2）不依賴于基底材料性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)柔性化，借助印刷技術(shù)可以大面積批量化生產(chǎn)。印刷電子技術(shù)非常符合現(xiàn)代包裝工業(yè)中綠色、智能一體化的發(fā)展重點(diǎn)，具有在包裝中推廣的基礎(chǔ)。

1.1.2印刷電子系統(tǒng)組成。印刷電子制造主要涉及基底材料、功能性導(dǎo)電油墨、印刷工藝、印刷設(shè)備四個(gè)方面，其中印刷工藝與印刷設(shè)備可根據(jù)實(shí)際需求采用現(xiàn)有的印刷工藝與設(shè)備，印刷電子在智能物流包裝應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題集中在基底材料和功能油墨的選擇。

（1）基底材料。由于印刷電子本身的性質(zhì)，電子墨水可以被顯示在大多數(shù)材料上，對(duì)基底材料沒(méi)有特殊的要求，如硅片、玻璃、有機(jī)高分子材料、箔片、紙張等。可根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)選擇柔性化、低成本、耐溫性好的基底材料，基底材料大多具有獨(dú)特的柔性和延展性，可適應(yīng)高效、大面積、低成本的制造工藝。對(duì)于包裝而言，基底材料一般為瓦楞紙、單張紙、塑料薄膜等柔性化材料或玻璃、金屬等剛性材料，均可直接作為印刷電子的基底材料。

（2）功能性導(dǎo)電油墨。功能性導(dǎo)電油墨是印刷電子的核心，印刷電子是在傳統(tǒng)的印刷方式的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的油墨替換成具有導(dǎo)電性能的特殊油墨，從而使印刷出來(lái)的電路既具有色彩學(xué)的特性，又有電學(xué)特性[2]。功能性導(dǎo)電油墨需要導(dǎo)電性能良好，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉，儲(chǔ)存方便，且具有良好的印刷適性[3]。目前制備功能導(dǎo)電油墨的原料主要有金屬材料、有機(jī)材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，研究熱點(diǎn)主要集中在金屬納米材料和無(wú)機(jī)非金屬材料。金屬納米導(dǎo)電油墨有Cu系、Ag系、Au系、Al系等，其中Ag系導(dǎo)電油墨性價(jià)比較高，目前較為常用;無(wú)機(jī)非金屬材料導(dǎo)電油墨主要有離子型油墨、碳類導(dǎo)電型油墨等，其中石墨烯導(dǎo)電墨水發(fā)展前景廣闊[4]。

1.2智能物流包裝

智能物流包裝是指在包裝、商品或商品-包裝組合中有集成化元件或固有特性，利用該元件或特性可將符合特定要求的智能成分賦予商品包裝的功能中，或體現(xiàn)于商品本身的使用中[5]。智能物流包裝可分為三類：結(jié)構(gòu)智能物流包裝、信息型智能物流包裝、功能材料型智能物流包裝，印刷電子主要應(yīng)用于信息型智能物流包裝中。信息型智能物流包裝主要是利用電子信息、物理、通信等技術(shù)，在包裝外部或表面增加條形碼、二維碼、RFID標(biāo)簽、傳感器等，通過(guò)信息和通信技術(shù)顯示、展現(xiàn)、傳達(dá)相關(guān)的包裝信息，并借助包裝信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品存儲(chǔ)、運(yùn)送、銷售、回收等全過(guò)程管理[6]。

目前制約信息型智能物流包裝發(fā)展的原因有制造成本、環(huán)境感知、信息交互等方面的問(wèn)題。以傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)為例，RFID電子標(biāo)簽分為有源電子標(biāo)簽和無(wú)源電子標(biāo)簽，有源電子標(biāo)簽使用卡內(nèi)電池的能量，識(shí)別距離較長(zhǎng)，但是壽命有限并且價(jià)格較高。無(wú)源電子標(biāo)簽不含電池，利用閱讀器發(fā)射的電磁波的能量，具有重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、較便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是發(fā)射距離受限制，且所需閱讀器發(fā)射功率大[7]。而印刷電子的出現(xiàn)可以解決此類問(wèn)題，利用小面積、柔性化的印刷電池充當(dāng)電源降低電子標(biāo)簽的成本，提高電子標(biāo)簽的讀取精度、識(shí)別范圍和靈敏度。同時(shí)，通過(guò)絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷的電子印刷方式代替產(chǎn)生大量廢液、過(guò)程復(fù)雜的蝕刻天線方式，可使電子標(biāo)簽成本進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保[8]。

2印刷電子在智能物流包裝中的應(yīng)用

2.1物流包裝裝潢設(shè)計(jì)

將印刷電子應(yīng)用于包裝裝潢設(shè)計(jì)，可以改變包裝傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將靜態(tài)設(shè)計(jì)提升為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。以柔性O(shè)LED（Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光二極管）為例，OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光、耗電低、反應(yīng)速度高等優(yōu)點(diǎn)，印刷電子可利用噴墨印刷技術(shù)制造OLED顯示器件的有機(jī)功能層，將紅綠藍(lán)三種顏色溶液打印到指定子像素中，其定位精度、打印精度、重復(fù)精度均很高，可以滿足OLED印刷的需求[9]。OLED技術(shù)在包裝設(shè)計(jì)中目前主要與壓敏傳感器結(jié)合應(yīng)用在瓶裝啤酒和飲料中，如德國(guó)公司Inuru生產(chǎn)出了使用OLED技術(shù)的自照明標(biāo)簽，當(dāng)觸摸、移動(dòng)或接近傳感器激活這些標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽就會(huì)發(fā)光。其他印刷電子在包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用見(jiàn)表1[10]。

上述印刷電子在包裝設(shè)計(jì)應(yīng)用中均需電源，可由印刷電子制作的印刷電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。印刷電池將導(dǎo)電油墨印刷到基底材料上，以構(gòu)成正負(fù)極與電路，獲取一種可以儲(chǔ)存電能的電池，可以集成到智能標(biāo)簽、OLED、微型傳感器、RFID上作為供電源。

2.2運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)控

運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)控主要使用傳感器。傳感器的存在使物品擁有了感官，有了感知身邊信息并傳遞信息的能力。印刷電子技術(shù)可使傳感器更易實(shí)現(xiàn)柔性化，同時(shí)具有微小化、低成本、綠色環(huán)保、適合大批量生產(chǎn)使用的特點(diǎn)。目前柔性溫度傳感器、柔性壓力傳感器、彎曲傳感器是柔性傳感器的典型產(chǎn)品。Bruno，等[11]提出一種基于PET基底的壓力傳感器，通過(guò)檢測(cè)基底電阻的變化，感知外界壓力的變化情況，可用于監(jiān)測(cè)包裝運(yùn)輸過(guò)程中壓力變化，防止包裝出現(xiàn)損壞。Mutreja，等[12]分離和純化了抗外膜抗原的抗體，用于構(gòu)建檢測(cè)傷寒沙門氏菌的生物傳感器，將抗體與嵌入在商用絲網(wǎng)印刷碳電極上的石墨烯-氧化石墨烯層相連接，可用于果蔬傷寒沙門氏菌檢測(cè)即病菌檢測(cè)。印刷電子在運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)控中的其他應(yīng)用見(jiàn)表2[13]。

2.3物流管理

物流管理主要指RFID系統(tǒng)，RFID系統(tǒng)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)射頻無(wú)線信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)用電子標(biāo)簽來(lái)標(biāo)識(shí)物體，電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線電波與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，讀寫器可將主機(jī)的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，再把電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，主機(jī)的數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、管理和控制。RFID系統(tǒng)具有存儲(chǔ)量大、讀取距離遠(yuǎn)、高效、可靠等優(yōu)勢(shì)。因此只要在商品包裝上植入RFID標(biāo)簽，通過(guò)信息感應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不需要人工可自動(dòng)記錄入庫(kù)和出庫(kù)信息。英國(guó)的Marks & Spencer服裝類包裝的商品標(biāo)識(shí)大量使用了RFID技術(shù)。Talkin things智能包裝系統(tǒng)利用RFID、NFC、智能手機(jī)之間的交互，顯示產(chǎn)品信息、安全警告、過(guò)期日期、劑量監(jiān)測(cè)。RFID系統(tǒng)的實(shí)施基本載體為RFID標(biāo)簽，其用量巨大，成本相對(duì)也較高，而印刷電子可通過(guò)自身優(yōu)點(diǎn)充分降低RFID標(biāo)簽的成本，促進(jìn)智能物流管理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

2.4應(yīng)用前景

印刷電子作為一個(gè)新興電子制造技術(shù)領(lǐng)域，各種相關(guān)技術(shù)還在不斷完善和創(chuàng)新。除了要提升印刷電子在現(xiàn)有智能物流包裝領(lǐng)域的應(yīng)用水平外，還需要不斷拓寬新的領(lǐng)域[14]。其中印刷電子在智能物流包裝中最有可能率先廣泛應(yīng)用于食品生鮮智能保鮮包裝、醫(yī)藥智能物流包裝、包裝智能交互設(shè)計(jì)三個(gè)領(lǐng)域。

（1）食品生鮮智能保鮮包裝。運(yùn)輸距離跨度大，環(huán)境中濕度、溫度等都對(duì)食品新鮮度造成影響，因此食品生鮮物流包裝可利用印刷紙電池、生物傳感器、溫濕度傳感器和RFID標(biāo)簽等，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源追蹤。

（2）醫(yī)藥智能物流包裝。某些特定的醫(yī)藥運(yùn)輸需要特定的溫度，因此會(huì)利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控包裝的溫度，反饋給運(yùn)輸人員，在溫度異常時(shí)發(fā)生報(bào)警。針對(duì)此類標(biāo)簽，印刷電子可以提高其環(huán)境感知靈敏度以及信息傳遞速度的能力。

（3）包裝智能交互設(shè)計(jì)。通過(guò)OLED屏幕可以將包裝設(shè)計(jì)從靜態(tài)層面提升到更聯(lián)動(dòng)的動(dòng)態(tài)層面，帶給客戶更好的交互式體驗(yàn)。系列化、聯(lián)動(dòng)性的包裝能夠抓住用戶的眼球，促進(jìn)商品銷售，降低企業(yè)宣傳成本。同時(shí)可以與消費(fèi)者手機(jī)相關(guān)聯(lián)，將產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)化為聲音信息，方便殘疾人士和高齡人群獲取信息。

3印刷電子面臨的問(wèn)題

印刷電子作為一個(gè)新的領(lǐng)域，為傳統(tǒng)印刷行業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇，也為智能物流包裝注入新的活力，但印刷電子也面臨一些問(wèn)題，如打印精度低于傳統(tǒng)的集成電路加工，多層印刷受套印精度影響，功能性油墨的印刷適性問(wèn)題，導(dǎo)電粒子尺寸影響噴墨打印效果，燒結(jié)溫度的影響等。因此印刷電子產(chǎn)業(yè)化方面還有大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作要做，而智能物流包裝正好可以作為切入點(diǎn)。隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”的不斷發(fā)展，“萬(wàn)物互聯(lián)”已成為必然趨勢(shì)，將“物”連入“網(wǎng)”的基礎(chǔ)是成千上萬(wàn)的終端傳感器、識(shí)別器等，而當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能很難滿足“萬(wàn)物互聯(lián)”的需求，這其中巨大的產(chǎn)能缺口就是印刷電子在智能物流包裝中的廣闊市場(chǎng)。

4結(jié)語(yǔ)

低成本、柔性化、綠色化印刷電子的出現(xiàn)為綠色智能物流包裝的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇，對(duì)整個(gè)包裝行業(yè)也起到巨大的推動(dòng)作用。將印刷電子產(chǎn)物與智能物流包裝結(jié)合，落實(shí)印刷電子的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，促使包裝不斷發(fā)展革新，使包裝趨于智能化、人性化、實(shí)用化，豐富智能物流包裝在產(chǎn)品溯源、食品安全、智能及冷鏈物流、防偽驗(yàn)證等方面的應(yīng)用，可有效形成印刷電子-智能物流包裝產(chǎn)業(yè)鏈的整合，實(shí)現(xiàn)智能物流包裝更好更快的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]崔錚，王展.柔性印刷電子技術(shù)解析及發(fā)展趨勢(shì)[J].集成電路應(yīng)用，2019，36⑵：26-29.

[2]李克偉，謝森培，李康，等.織物/紙基柔性印刷電子薄膜導(dǎo)電性能研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，526：200-206.

[3]李文瑞，張宏，孫加振.智能包裝新發(fā)展：基于印刷電子技術(shù)制備微型傳感器應(yīng)用于電商包裝[J].今日印刷，2019（4）：24-27.

[4]姜欣，趙軒亮，李晶，等.石墨烯導(dǎo)電墨水研究進(jìn)展：制備方法、印刷技術(shù)及應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào)，2017，62（27）：3 217-3 235.

[5]陳克復(fù)，陳廣學(xué).智能包裝：發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].包裝學(xué)報(bào)，2019，11（1）：1-17.

[6]陳昌杰.智能包裝簡(jiǎn)介[J].塑料包裝，2020，30（1）：37-40.

[7]蔣皓石，張成，林嘉寧.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（5）：1-4.

[8]許文才.智能包裝與智能標(biāo)簽[J].標(biāo)簽技術(shù)，2017（1）：59- 61.

[9]劉迪萱，鐘錦耀，唐彪，等.柔性與印刷OLED研究進(jìn)展[J].液晶與顯示，2021，36（2）：217-228.

[10]王展，鐘云飛.基于印刷電子的智能包裝研究與應(yīng)用[J].數(shù)字印刷，2020（5）：16-25.

[11]ANDO B，BAGLIO S.All-Inkjet Printed Strain Sensors [J]. IEEE Sensors Journal，2013，13（12）：4 874-4 879.

[12]MUTREJA R，JARIYAL M，PATHANIA P，et al. Novel surface antigen based impedimetric immunosensor for detection of Salmonella typhimurium in water and juice samples[J].Bio- sensors & Bioelectronics，2016，85（1）：707-713.

[13]2018柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)[R].2019.

[14]丁瑜，王曉宇，王慰.印刷電子的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[J].數(shù)字印刷，2019（Z1）：1-8.