智慧城(chéng)市(shì)、工(gōng)業(yè)4.0、物(wù)聯網的(de)快(kuài)速發展催生(shēng)了(le)市(shì)場(chǎng)對(duì)♦RFID智能(néng)識别産品的(de)大(dà)量需求。RFID又(yòu)稱無線射頻(pín)識别技(jì)術(shù)，是(shì)Ω非接觸式數(shù)據自(zì)動采集技(jì)術(shù)，是(shì)物(wù)聯網的(de)核心技(jì)術(shù)之一(yī)。其最大(dà)特點是(shì)信息采集速度快(kuà i)，不(bù)需要(yào)機(jī)械或光(guāng)學接觸，完全通(tōng)過無線通(tōng)信技(jì)術(shù)完成，在1秒(≈miǎo)鐘(zhōng)內(nèi)能(néng)夠同時(shí)采集數(shù)百上(shàng)千<個(gè)物(wù)體(tǐ)信息，信息采集準确率高(gāo)。目前該技(jì)術(shù)已廣泛應用(yòng)于δ物(wù)流倉儲、交通(tōng)運輸、安全防僞、移動支付等幾乎所有(yǒu)領域。

01國(guó)內(nèi)外(wài)研究現(xiàn)狀

美(měi)國(guó)是(shì)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽應用(yòng)的(de)積極推動者，其在RFID标準建立、軟硬件(jiàn)技(jì)術(shù)¶開(kāi)發與應用(yòng)領域均走在世界前列。歐洲RFID标準追随美(měi)國(guó)主導的(de)EPCglobal标準。歐美(měi)國(guó)家(λjiā)對(duì)于RFID的(de)研究發展主要(yào)集中于标準制(zhì)定、芯片制(zhì)造、閱讀(dú)器(qì)制(zhì)造及系統π集成方面。我國(guó)是(shì)全球最大(dà)的(de)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽供應商，RFID電(diàn)子(zǐ)标簽生(shēng)産總量約占全球60%左右±，特别是(shì)高(gāo)頻(pín)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽，我國(guó)基本實現•(xiàn)了(le)從(cóng)芯片到(dào)天線的(de)全部國(guó)産化(huà)。普及應用(yòng)RFID系統的(de)主要(yào)瓶頸是(shì)标簽的(de)價格ε、尺寸和(hé)環境适應性。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)普遍使用(yòng)銅導線繞制(zhì)法和(hé)鋁箔蝕刻法制(zhì)造RFID電(diànλ)子(zǐ)标簽，國(guó)外(wài)基本使用(yòng)陶瓷燒結法。共同存在的(de)問(wèn)題有(yǒu)：

(1)污染環境;

(2)标簽底材單一(yī)，應用(yòng)領域受限;

(3)制(zhì)造效率低(dī);

(4)标簽尺寸大(dà);

(5)成本高(gāo);

(6)制(zhì)造精度低(dī)。

過去(qù)幾年(nián)國(guó)內(nèi)外(wài)衆多(duō)研究機(jī)構認為(wèi)用(yòng)導電(diàn)銀(yín)漿絲網印刷制(zhì)造R←FID電(diàn)子(zǐ)标簽是(shì)實現(xiàn)标簽低(dī)成本、小(xiǎo)型化(huà)、高(gāo)精度λ、适應性強、大(dà)規模生(shēng)産最為(wèi)有(yǒu)效的(de)技(jì)術(shù)。雖然圖象複制(zhì)領域的(de)印刷 技(jì)術(shù)速度快(kuài)、效率高(gāo)、線條精細、套印準确，但(dàn)是(shì)，由于導電(diàn)銀(yín)漿導電(diàn)性差以及導®電(diàn)機(jī)理(lǐ)的(de)限制(zhì)，隻能(néng)采用(yòng)高(gāo)銀(yín)含量的(de)導₩電(diàn)銀(yín)漿和(hé)低(dī)網線數(shù)的(de)絲網網版，受油墨黏度、延展性、流動性、刮印壓力、網版拉伸、網線幹擾等數(shù)十個(gè)因素的(de)影(yǐ↑ng)響，所印制(zhì)的(de)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽導線結構變形、邊界粗糙、短(duǎn)路(lù)斷路(lù)、實際輻射效§率與理(lǐ)論輻射效率相(xiàng)差很(hěn)大(dà)。

綜觀國(guó)內(nèi)外(wài)研究，幾乎沒有(yǒu)針對(duì)上(shàng)述問(w→èn)題的(de)科(kē)學有(yǒu)效的(de)控制(zhì)手段，因此，目前幾乎沒有(yǒu)用(yòng)此工(gōng)藝實現(xiàn)RFID電(∏diàn)子(zǐ)标簽産業(yè)化(huà)的(de)成功案例。綜上(shàng)所述，一(yī)方面，RFID電(diàn)子(z♣ǐ)标簽市(shì)場(chǎng)需求越來(lái)越旺盛，另一(yī)方面，RFID電(diàn)子(zǐ)标簽制(z♣hì)造技(jì)術(shù)仍存在效率偏低(dī)、成本偏高(gāo)、污染環境、基材單一(yī)等問(wèn)&題，市(shì)場(chǎng)亟需新型的(de)制(zhì)造技(jì)術(shù)來(lái)突破需α求與供應之間(jiān)的(de)矛盾。

1.1趨勢和(hé)需求分(fēn)析

随著(zhe)英國(guó)曼徹斯特大(dà)學諾貝爾獎獲得(de)者安德烈?海(hǎi)姆爵士和(hé)康斯坦丁?諾沃肖洛夫爵士成功研發了(le)高(gāo)導電(diàn₹)性能(néng)的(de)石墨烯材料，石墨烯價格的(de)下(xià)降和(hé)産品質量的(de)提高(gāo)極大(dà)地(dì)刺激下(✘xià)遊産品的(de)應用(yòng)研究，如(rú)各類導電(diàn)線路(lù)、傳感器(qì)、醫(yī)學監視(shì)器(qì)等₩石墨烯電(diàn)子(zǐ)産品層出不(bù)窮。由于石墨烯材料具有(yǒu)微(wēi)觀拓撲結構，≠使之具備高(gāo)導電(diàn)性能(néng)，其導電(diàn)機(jī)理(lǐ)與金(jīn)屬銀(yín)微(wēi)粒的(de)導電(diàn)機(jī)理¥(lǐ)不(bù)同。

1.2優勢

将石墨烯粉末化(huà)處理(lǐ)後制(zhì)成填充型複合導電(diàn)漿料，具有(yǒu)兩大(dà)優勢：

(1)兼容性強。石墨烯漿料可(kě)在塑料薄膜、紙(zhǐ)張、陶瓷、棉布、木(mù)材等幾乎所有(yǒu)基材上(shàng)實現(xiàn)印刷;

(2)性價比高(gāo)。與現(xiàn)有(yǒu)的(de)導電(diàn)銀(yín)漿相(xiàng)比，石墨烯漿料具有(yǒu)更好(hǎ✔o)的(de)導電(diàn)性能(néng)和(hé)較大(dà)的(de)成本優勢。

随著(zhe)石墨烯生(shēng)産技(jì)術(shù)不(bù)斷成熟、成本不(bù)斷降低(dī)，石墨烯導電(diàn)漿料将逐漸占據市(shì)場(chǎng)份額。預計(jì)到(↓dào)2020年(nián)導電(diàn)漿料領域石墨烯應用(yòng)市(shì)場(chǎng)規模将達到(dào)2億元。目前，國(guó)外(wài)一(yī)些(xiπē)研制(zhì)RFID系統的(de)廠(chǎng)家(jiā)已經紛紛重啓用(yòng)石墨烯漿料印制(zhì)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)關鍵技(jì)γ術(shù)及産業(yè)化(huà)研究，如(rú)英國(guó)BGTMaterialsLimited(BGTM)公司。但(dàn)國(guó)內¥(nèi)暫無其他(tā)公司對(duì)該技(jì)術(shù)進行(xíng)産業(yè)化(huà)研發。

目前，我國(guó)石墨烯産能(néng)正在迅速擴大(dà)，國(guó)內(nèi)已有(yǒu)多(duō)家(jiā)規模化(huà)生(shēn↑g)産石墨烯廠(chǎng)家(jiā)。例如(rú)：甯波墨西(xī)科(kē)技(jì)有(yǒu)限公司、重ε慶墨希科(kē)技(jì)有(yǒu)限公司、鴻納新材料科(kē)技(jì)有(yǒu)限公司、濟南(nán)墨希新材料科(kē)技(jì)有≈(yǒu)限公司、蘇州格瑞豐納米科(kē)技(jì)有(yǒu)限公司、南(nán)京先豐納米科(kē)技(jì)有(yǒu)限公司、常州二維炭素科(k☆ē)技(jì)有(yǒu)限公司等，各公司的(de)石墨烯産量均能(néng)達到(dào)100噸/年(nián)。據中商産業(yè)研究院發布的(de)&《2017-2022年(nián)中國(guó)物(wù)聯網行(xíng)業(yè)市(shì)場(chǎng)前景及投資機(jī)會(hδuì)研究報(bào)告》數(shù)據顯示，2018年(nián)中國(guó)RFID市(shìγ)場(chǎng)規模将達到(dào)600億元。

基于此，通(tōng)過分(fēn)析RFID電(diàn)子(zǐ)标簽性能(néng)參數(shù)，優化(huà)石墨烯導電(diàn)漿料的(de✘)印刷适性，應用(yòng)凹版印刷技(jì)術(shù)，實現(xiàn)綠(lǜ)色環保、大(dà)批量、高(gāo)效率、♣高(gāo)質量、低(dī)成本、适合各種基材的(de)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽新型制(zhì)造技(jì)術(shù)成為(wèi)行(xíng)<業(yè)必然發展趨勢。

02項目研究方法

2.1石墨烯導電(diàn)漿料的(de)漿料配制(zhì)、調制(zhì)及其分(fēn)散性調控

由于石墨烯特性跟導電(diàn)銀(yín)粉有(yǒu)截然不(bù)同的(de)外(wài)觀與導電(diàn)特性，使得(de)以石墨烯為('wèi)基底的(de)導電(diàn)漿料的(de)配方、制(zhì)程工(gōng)藝也(yě)截然不€(bù)同。石墨烯的(de)疏水(shuǐ)性會(huì)使石墨烯納米片極易通(tōng)過強烈的(de)範德華力産生(shēng)團聚，♣使用(yòng)有(yǒu)效的(de)溶劑可(kě)以阻止石墨烯的(de)團聚，從(cóng)而使之成為(wèi)穩定的(de)石墨烯分(fēn)散液。理(lǐ)♣想的(de)溶劑主要(yào)有(yǒu)N-甲基吡咯烷酮(NMP)和(hé)二甲基甲酰胺(DMF)。本項目拟采用(yòng)以DMF/NMP為(wèi)™溶劑，在石墨烯漿料配方中增加穩定劑(如(rú)乙基纖維素等)的(de)方法分(fēn)散石墨烯，以期解決石墨烯粉末容易團聚，不(bù)易分(fēn)散的(de)問(wèn)題。采用(y±òng)激光(guāng)粒度儀測試漿料的(de)顆粒度及其分(fēn)散度，保證石墨烯漿料顆粒的(de)分(fēn)散性。

在石墨烯導電(diàn)漿料中加入紫外(wài)引發劑、光(guāng)敏樹(shù)脂等組分(fēn)，優化(huà)其混合比例，使石墨烯導電(diàn)漿料能(néng)在紫外(wài)光(☆guāng)下(xià)快(kuài)速固化(huà)，降低(dī)印刷後RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的 (de)幹燥溫度，縮短(duǎn)幹燥時(shí)間(jiān)，提高(gāo)生(shēng)産效​率，可(kě)在紙(zhǐ)張、塑料薄膜、絲織品等各種基材上(shàng)印刷RFID電(diàn)子(zǐ)标簽。改變漿料的(de)連接料和(h÷é)助劑，調制(zhì)石墨烯導電(diàn)漿料的(de)粘度、黏性、流動性、表面張力、幹燥性、觸變性、流變性、顆粒度等印刷适性，利用(yòng)黏度杯或烏氏粘度計(jì)、漿♣料粘性儀、表面張滿足凹版印刷的(de)要(yào)求。

2.2基于石墨烯導電(diàn)漿料印刷的(de)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽天線設計(jì)

影(yǐng)響RFID電(diàn)子(zǐ)标簽天線電(diàn)學性能(néng)的(de)主要(yào)參數(shù★)有(yǒu)：天線形狀、尺寸結構、材料特性、工(gōng)作(zuò)頻(pín)率、頻(pín)帶寬度、極化(huà)方向、方向性、增益、波∞瓣寬度、阻抗、靈敏度、品質因素和(hé)應用(yòng)環境等，RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)設計(jì)需要(yào)對(duì)上(shàng)述參數(‌shù)加以權衡。在仿真軟件(jiàn)HFSS或ADS中輸入天線線寬、線間(jiān)距、彎折尺寸、饋電(diàn¶)間(jiān)隙、饋電(diàn)環大(dà)小(xiǎo)、電(diàn)磁信号接收及反饋材料電(diàn)導率、電(diàn)介質介電(diàn)常數(shù)等設計(jì)參數($shù)，進行(xíng)計(jì)算(suàn)機(jī)仿真模拟，計(jì)算(suàn)機(jī)仿真模拟獲得(de)UHFRF×ID電(diàn)子(zǐ)标簽回波損耗及能(néng)量分(fēn)布情況，從(cóng)而确定RFID電(diàn)≤子(zǐ)标簽電(diàn)學性能(néng)表征參數(shù)，建立數(shù)據模型。研究石墨烯導電(diàn)漿料配方以及印制(zhì)工(gōng)藝參£數(shù)對(duì)天線性能(néng)的(de)影(yǐng)響。研究墨膜厚度對(duì)于趨膚效應的(de)影(yǐng)響以及天線性能 (néng)的(de)影(yǐng)響。通(tōng)過研究石墨烯墨層在不(bù)同化(huà)學勢時(shí)的(de)阻抗特性，尤其是(shì)超高(gāo)頻(pín)頻(pín)✘段的(de)高(gāo)電(diàn)抗特性對(duì)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽天線增益的(de)影(yǐng)響。

2.3基于石墨烯導電(diàn)漿料的(de)凹版印刷參數(shù)的(de)調控

根據石墨烯導電(diàn)漿料的(de)印刷适性，以及計(jì)算(suàn)機(jī)模拟設計(jì)的(de)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)結構參數(shù)，确定合适的(£de)凹版印刷滾筒的(de)網版線數(shù)、網孔深度和(hé)網穴形狀，計(jì)算(suàn)上(shàng)墨量，調節漿料膜層厚度。針對(duì)紙(zhǐ)張、塑料薄膜(如₹(rú)PET、PI、CPP等)、絲織品等不(bù)同基材，調整凹版印刷時(shí)收放(fàng)卷®的(de)張力、印刷橡膠壓印輥的(de)壓力、漿料觸變黏度、刮刀(dāo)接觸角度、印刷速度、定位套印等一(yī)系列印刷工(gōng)藝參數(shù)，獲得(de)最優化(huà)的(de)印刷工σ(gōng)藝方案。

2.4優化(huà)墨膜幹燥溫度和(hé)滾筒壓制(zhì)壓力

由于印刷導電(diàn)墨層在一(yī)定程度幹燥固化(huà)後，再經滾筒壓延，可(kě)改變其表面形貌，提高(∏gāo)墨層緻密度，大(dà)幅度提高(gāo)導電(diàn)性，但(dàn)是(shì)被研壓的(de)墨膜易"導緻輪廓放(fàng)大(dà)，導線變形。調節石墨烯導電(diàn)墨層在紫外(wài)固化(huà)通(tōng)₽道(dào)內(nèi)的(de)溫度和(hé)時(shí)間(jiān)，測試電(diàn)導率提高(gāo)能(néng)力與墨層輪廓變形程度，優化(huà)墨膜固化(huà)σ溫度、時(shí)間(jiān)和(hé)研壓壓力等工(gōng)藝參數(shù)。

2.5分(fēn)析測試RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)性能(néng)

取印刷樣張，貼芯片後在Tagformance等網絡分(fēn)析儀上(shàng)測試其工(gōng)作(zuò)頻(pín)率、頻(pín)帶寬↑度、極化(huà)方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗、品質因素帶寬、方向性、增益、回波損耗、品質因素、靈敏度等電(diàn)學性能(néng)參數(shù)，↕測試其在不(bù)同應用(yòng)環境下(xià)的(de)閱讀(dú)距離(lí)，進行(xín≠g)驗證與修正。

總結

經過以上(shàng)研究方法和(hé)技(jì)術(shù)路(lù)線，以期可(kě)獲得(de∏)高(gāo)電(diàn)導率、滿足物(wù)聯網産業(yè)需求的(de)RFID電(diàn)子(z&ǐ)标簽，實現(xiàn)RFID電(diàn)子(zǐ)标簽大(dà)規模産業(yè)化(huà)制(zhì>)造，制(zhì)造過程完全無廢棄物(wù)，确保綠(lǜ)色環保。石墨烯RFID電(diàn)子(zǐ)标簽的(de)技(jì)術(shù)叠代，必将成為(wèi)物(wù)聯網行(xíng)業'(yè)下(xià)一(yī)個(gè)風(fēng)口。