CN105733367A

CN105733367A - 射频识别卷标的导电墨水组合物、天线结构及天线的制造方法

Info

Publication number: CN105733367A
Application number: CN201410754359.8A
Authority: CN
Inventors: 赖中平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-07-06

Abstract

一种射频识别卷标的导电墨水组合物、天线结构及天线的制造方法，该墨水组合物包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，依据天线的形状可以通过印刷或喷墨印刷的方式将该墨水组合物涂布于一纤维基材的表面形成一导电层，部份的该导电层渗入该纤维基材的纤维间的孔隙附着于该纤维基材，由该纤维基材和该导电层构成一种不含金属和黏着剂的射频识别卷标的天线结构；本发明的墨水组合物不含金属和绝缘的黏着剂，故能提升天线结构的导电性、降低电阻和制作成本。

Description

射频识别卷标的导电墨水组合物、天线结构及天线的制造方法

技术领域

本发明是有关于射频识别技术(RadioFrequencyIdentification，RFID)，特别是一种射频识别卷标的导电墨水组合物、天线结构及天线的制造方法。

背景技术

射频识别系统包含读取器(Reader)和射频识别卷标(又称电子卷标)两大部份，射频识别卷标主要系由IC芯片和天线组成。一般常见的射频识别卷标为被动式卷标，天线感应到读取器发出的电磁波，将电磁波转换成电流以启动IC芯片，继而由IC芯片回传事先储存的数据至读取器而完成识别。射频识别系统依据电磁波的频率范围分类为低频标签(LH,125或134.2KHz)，高频标签(HF,13.56MHz)，超高频标签(UHF,868到956MHz)以及微波标签(Microwave,2.45GHz)，一般而言，频率越高，接收的距离越长，且速度越快。

天线把电磁波转换成电流的效率决定RFID的性能，转换效率又取决于天线样式设计和导电率。已知射频识别卷标的天线制造方法包含铜箔或铝箔蚀刻法和网版印刷法。铜(铝)箔蚀刻法的优点包括低电阻、高精确度、性能好，但是制程复杂、制作时间长、成本高、使用基材限制多，且须使用许多高污染的药剂如蚀刻液和清洗液，其制程不环保。网版印刷法是一个既快速又便宜的方法，直接使用导电墨水印刷于基板上，污染少且由于不含蚀刻制程，故能选择的基板多。其缺点在于天线的电子性能不如蚀刻法；如电阻不稳定、电导率低、黏着性差。而性能改善取决于导电墨水的特性，故印刷法的优点和普及化受制于导电墨水的价格和性能。目前金属是导电墨水中的主要导电物质，常用的金属有铜和银，但铜容易氧化，而银的价格高，使得导电墨水的性能受影响和价格居高不下。金属的附着性也是一个难题，由于金属无法自行成膜在基板上，故金属导电墨水的附着性完全依靠导电墨水中添加的黏着剂，但黏着剂多为绝缘体，进而影响墨水的导电性，黏着剂的添加造成黏着性和电阻率两者难以兼顾。

已知可利用印刷法制作天线的已知导电墨水，例如：在已公开的美国专利2012/027736A1，其中揭露一种导电墨水的导电材料组成中至少含有一种高分子黏着剂以达到良好的附着性，且含有额外的导电物质如金属、金属氧化物等，其片电阻(sheetresistance)范围在0.001～500ohm/sq之间。

另外在已公开的美国专利2004/0175515A1，其中提出以片状材料所组成的导电墨水可藉由凸版和凹版印刷，应用在射频识别上；其中也使用高分子和树脂作为黏着剂，其导电材料以碳黑、金属和金属氧化物为主，片电阻表现则相对较差在200ohm/sq左右。在已核准的美国专利7017822，其中提出将金属和树脂混合并以铸模的方式制作导线，导线和基版的黏接仍以树脂或是铸模到树脂基版上，导电材料则以不锈钢为主，碳材为填充料，其片电阻可达5～25ohm/sq之间。在已核准的台湾发明专利I434456「不织布熔岩纤维纸基材制作RFID天线的方法」，提出以含有金属离子的墨水印制天线后，再以无电电镀的方式将金属还原，此方法限定基材为不织布熔岩纤维纸，其制程复杂且仍以金属为主要导电物质。在已公告的中国专利CN101921505B，其中提出一种用于射频识别的导电油墨，其油墨材料采用银奈米线与银纳米粒子的混合物作为导电填料，并且使用2～10％的环氧树脂，但是银奈米线的价格昂贵会增加导电墨水的制造成本。

已公告的中国专利CN103436099，其中提出一种复合导电油墨，含有片状银粉和石墨烯、石墨片，其中以银粉为占大部份的导电材料，成膜树脂也占重量百分比5～30％。

有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

发明内容

为了解决已知导电墨水的上述问题，本发明提出了一种射频识别卷标的导电墨水组合物，可用于印刷射频识别卷标的天线。

本发明射频识别标纤的导电墨水组合物，包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电墨水组合物的固体含量所占重量比为2～85％(wt％)。

本发明射频识别标纤的天线结构包括：一纤维基材和一导电层，该导电层的组成物包括：含石墨结构的片状导电碳材和分散剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电层依据天线的形状涂布于该纤维基材的表面，部份的该导电层渗入该纤维基材的纤维间的孔隙附着于该纤维基材。

本发明射频识别标纤的天线结构的制造方法包括：准备一纤维基材；备制一导电墨水组合物，该导电墨水组合物包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电墨水组合物的固体含量所占重量比为2～85％(wt％)；依据天线的形状将该导电墨水组合物涂布于该纤维基材的表面；通过热干燥使该导电墨水组合物的该溶剂蒸发而在该纤维基板的表面形成一导电层，部份的该导电层渗入该纤维基材的纤维间的孔隙附着于该纤维基材。

本发明天线结构的制造方法的一实施例，包括一滚压步骤，将附着于该纤维基材的表面的该导电层滚压压缩比例为原厚度的0.5～99％。

由上述的内容可以了解，本发明射频识别标纤的墨水组合物不含金属和绝缘的黏着剂可以提升导电墨水的导电性，利用该墨水组合物涂布于纤维基材表面制成的天线结构，具有降低电阻和制作成本的功效，导电墨水和纤维基材的搭配可通过滚压制程进一步提高导电层的致密度及导电性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明射频识别标纤的天线结构的断面构造图；

图2为图1在位置II的结构微观示意图，绘示片状导电碳材和纤维基材共膜示意图；

图3为本发明射频识别标纤的天线结构的制造方法步骤图；

图4为本发明射频识别标纤的天线结构示意图；

图5为本发明射频识别标纤的天线结构在不同频率的讯号增益图。

符号说明

(10)纤维基材

(20)导电层

(21)片状导电碳材

具体实施方式

在下文中揭露有关本发明的实施例及/或实施方式，其中所提及的各个图式中，相同或对应的组件系以相同或对应的组件符号予以标示。

本发明射频识别标纤的导电墨水组合物的一种实施例，包含：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，该导电墨水组合物的固体含量占该导电墨水的重量比为2～85％(wt％)。其中该片状导电碳材一般为粉料的形态，该片状导电碳材包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑(例如KS6)、球状石墨其中的任一种或一种以上的组合，该片状导电碳材的厚度为1～10000nm(nanometer)，粒径为0.1～100um(micrometer)，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)；该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含P-123，Tween20，Xanthangum，CarboxymethylCellulose(CMC)，TritonX-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji30其中的任一种或一种以上的组合，其中该非离子型分散剂包含Poly(sodium4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammoniumbromide(HTAB)，Sodiumtaurodeoxycholatehydrate(SDS)，1-Pyrenebutyricacid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。

该溶剂可为纯水或是有机溶剂，该有机溶剂包含：N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)，IPA(Isopropylalcohol)，ethanol，glycerol，ethyleneglycol，butanol，propanol，Propyleneglycolmonomethylether(PGME)，Propyleneglycolmonomethyletheracetate(PGMEA)其中的任一种。

请参阅图1及图2，本发明射频识别标纤的天线构造包括：一纤维基材10和一导电层20，导电层20的组成物包括：含石墨结构的片状导电碳材和分散剂，其中片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)，前述的分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)。

请参阅图3为本发明射频识别标纤的天线结构的制造方法步骤，包括：

1、准备一纤维基材10，纤维基材10包含：棉纸、麻纸和聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称聚酯，PolyethyleneTerephthalate，PET)其中的任一种；

2、备制一导电墨水组合物，导电墨水组合物包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，其中片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，前述导电墨水组合物的固体含量所占重量比为2～85％(wt％)；

3、依据天线的形状将导电墨水组合物涂布于纤维基材10的表面，涂布的实施方式可以通过印刷(包含网版印刷、凸版印刷和凹版印刷其中的任一种)以及喷墨印刷(inkjetprinting)其中任一种方式实现；以及

4、通过热干燥使该导电墨水组合物的溶剂蒸发而在该纤维基板10的表面形成导电层20，部份的导电层20渗入纤维基材10的纤维间的孔隙附着于纤维基材10。

由上述说明可以了解，本发明射频识别卷标的天线结构，系依据天线的形状通过印刷或喷墨印刷的方式将上述导电墨水组合物涂布于纤维基材10的表面，部份的导电墨水渗入纤维基材10的纤维间，由于导电墨水中含有的片状导电碳材21具有良好的成膜性，在不需要添加黏着剂的情况，片状导电碳材21可以和纤维基材10共膜达到附着的效果(见图2)，由纤维基材10和导电层20构成一种不含金属和黏着剂的射频识别卷标的天线结构；本发明的墨水组合物不含金属和绝缘的黏着剂，故能提升天线结构的导电性、降低电阻和制作成本。

在本发明上述方法步骤的一实施例中，若采用网版印刷方式将导电墨水组合物涂布于纤维基材10的表面，其中网版目数为100～400目之间，其印刷精准度可到100μm；若采用喷墨印刷方式将导电墨水组合物涂布于纤维基材10的表面，依据喷墨印刷装置的定位能力，其最佳的印刷精准度甚至可达0.1um的等级。请参考图4为采用本发明的导电墨水组合物印刷完成的射频识别标纤的天线结构示意图，其中由本发明的导电墨水组合物印刷完成的导电层20的外观和传统铝箔蚀刻法无异，且导电层20与IC芯片的连接点，精准度可达10um内不短路(见图4的局部放大结构)。在本发明的另一实施例，所述的导电墨水组合物且可直接印刷在纸张上，直接制备撕毁式射频识别标签，可以大幅简化传统金属蚀刻与转移的复杂制程。

在本发明的一实施例，纤维基材10可选择纤维密度较高、毛细孔多的材料，若为纸张，则选用纸的基重范围为10～500g/m2、密度为0.5～2.5g/cm3，平均孔径为0.02～500μm。

导电层20印刷完成后经干燥步骤导电墨水中的溶剂蒸发，干燥方法的一种实施方式系采用热干燥法，加热温度范围为30～300℃，温度越高则加热时间越短。在本发明方法的一实施例，包括一滚压步骤，在干燥步骤后利用滚压方式将附着于纤维基材10的表面的导电层20滚压压缩比例为原厚度的0.5～99％，可以进一步提高导电层20的致密度及导电性。对于降低电阻的目的，可以通过涂布较厚的导电层20和提高导电层20的致密度获得实现，因此可选择厚度越厚、粒径越大的片状导电碳材，其中适用于射频识别标签的片状导电碳材的电阻为0.1～50ohm/sq(电阻率1×10-6～2.5×10-4ohm-m)。

请参阅图5为本发明射频识别标纤的天线结构在不同频率的讯号增益图，显示使用本发明射频识别卷标的导电墨水组合物在纤维基板10的表面印刷不同天线图形，在各个频率得到的讯号增益(gain)情形。从图5中的数据比较可知，通过不同天线设计，可在不同的频宽范围有特定讯号，以供特定频率的射频识别卷标使用，而且使用本发明射频识别卷标的导电墨水组合物于纤维基材10的表面印制成的天线结构，在超高频和微波的频率区段，均有相当明显的讯号。

将发明射频识别标纤的天线结构电连接IC芯片，并进行阅读器读取测试。测试的天线结构的天线图形属常用的超高频设计：一为较简单的直线天线，一为较复杂具多数弯曲处的天线，两种天线结构的片电阻及读取测试结如下列表一，证实使用本发明射频识别卷标的导电墨水组合物于纤维基材10的表面印制成的天线结构，适合使用于高频(HF,13.56MHz)，超高频(UHF,868到956MHz)以及微波(Microwave,2.45GHz)的射频识别标签。

表一射频识别标纤的天线结构电连接IC芯片的读取测试表

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所揭露的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims

1.一种射频识别卷标的导电墨水组合物，其特征在于，包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电墨水组合物的固体含量所占重量比为2～85％(wt％)。

2.如权利要求1所述射频识别卷标的导电墨水组合物，其特征在于，该片状导电碳材包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑、球状石墨其中的任一种或一种以上的组合，该片状导电碳材的厚度为1～10000nm，粒径为0.1～100um。

3.如权利要求1所述射频识别卷标的导电墨水组合物，其特征在于，该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含P-123，Tween20，Xanthangum，CarboxymethylCellulose(CMC)，TritonX-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji30其中的任一种或一种以上的组合，其中该非离子型分散剂包含Poly(sodium4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammoniumbromide(HTAB)，Sodiumtaurodeoxycholatehydrate(SDS)，1-Pyrenebutyricacid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。

4.一种射频识别卷标的天线结构，其特征在于，包括：一纤维基材和一导电层，该导电层的组成物包括：含石墨结构的片状导电碳材和分散剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电层依据天线的形状涂布于该纤维基材的表面，部份的该导电层渗入该纤维基材的纤维间的孔隙附着于该纤维基材。

5.如权利要求4所述射频识别卷标的天线结构，其特征在于，该纤维基材包含：棉纸、麻纸和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)其中的任一种。

6.如权利要求5所述射频识别卷标的天线结构，其特征在于，该绵纸和该麻纸的基重范围为10～500g/m2、密度为0.5～2.5g/cm3，平均孔径为0.02～500μm。

7.如权利要求4所述射频识别卷标的天线结构，其特征在于，该片状导电碳材包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑、球状石墨其中的任一种或一种以上的组合，该片状导电碳材的厚度为1～10000nm，粒径为0.1～100um。

8.如权利要求4所述射频识别卷标的天线结构，其特征在于，该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含P-123，Tween20，Xanthangum，CarboxymethylCellulose(CMC)，TritonX-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji30其中的任一种或一种以上的组合，其中该非离子型分散剂包含Poly(sodium4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammoniumbromide(HTAB)，Sodiumtaurodeoxycholatehydrate(SDS)，1-Pyrenebutyricacid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。

9.一种制造如请求项4射频识别卷标的天线结构的方法，其特征在于，包括：准备该纤维基材；备制一导电墨水组合物，该导电墨水组合物包括：含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂，该片状导电碳材占总固体重量比为90～99.999％(wt％)、该分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，该导电墨水组合物的固体含量所占重量比为2～85％(wt％)；依据天线的形状将该导电墨水组合物涂布于该纤维基材的表面；通过热干燥使该导电墨水组合物的该溶剂蒸发而在该纤维基板的表面形成该导电层，部份的该导电层渗入该纤维基材的纤维间的孔隙附着于该纤维基材。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该纤维基材包含：棉纸、麻纸和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)其中的任一种。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该片状导电碳材包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑、球状石墨其中的任一种或一种以上的组合，该片状导电碳材的厚度为1～10000nm，粒径为0.1～100um。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含P-123，Tween20，Xanthangum，CarboxymethylCellulose(CMC)，TritonX-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji30其中的任一种或一种以上的组合，其中该非离子型分散剂包含Poly(sodium4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammoniumbromide(HTAB)，Sodiumtaurodeoxycholatehydrate(SDS)，1-Pyrenebutyricacid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将该导电墨水组合物涂布于该纤维基材的表面的涂布方式包含网版印刷、凸版印刷、凹版印刷和喷墨印刷其中任一种。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该热干燥法的加热温度范围为30～300℃。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括一滚压步骤，在该热干燥步骤后利用滚压方式将附着于该纤维基材的表面的该导电层滚压压缩比例为原厚度的0.5～99％。