CN110165366A - 一种热转印的石墨烯天线及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热转印的石墨烯天线及其制备方法，该制备方法包括：将石墨烯导电墨水印刷在热转印纸上，形成石墨烯印刷层后进行热转印，使石墨烯印刷层从热转印纸上脱离并转移到目标基底上。本发明的制备石墨烯天线的流程节能、环保，并可结合大规模生产技术如卷对卷技术应用于工业化生产。本发明制备的石墨烯天线图案可以进行个性化设计以满足不同使用场景的需求。本发明还公开了一种RFID标签，通过将所述的石墨烯天线和RFID芯片实现电连接得到。本发明制备的石墨烯天线可以转印到任何目标基底包括不平整的三维基底上，并与基底完美共形，拓展了RFID标签在物联网领域的应用。

Description

一种热转印的石墨烯天线及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及印刷电子技术领域，具体涉及一种热转印的石墨烯天线及其制备方法和应用。
背景技术
近些年来，印刷电子引起了越来越多研究者的兴趣。印刷电子有着广泛的应用，如天线、透明电极、太阳能电池、薄膜晶体管、发光器件等。
目前印刷电子最常用的导电墨水是基于金属的导电墨水。金属导电墨水具有非常高的电导率和非常好的机械性能。但是也有许多非常突出的缺点，例如，尽管银具有非常高的电导率，但其价格非常高。而铝和铜虽然比银价格便宜，但是它们容易在空气中氧化，形成不导电的氧化物。而且金属导电墨水通常需要400摄氏度以上的固化温度，生产时所需能耗非常大。
基于碳材料的导电墨水是金属导电墨水的一种可能的替代品，而这其中，石墨烯材料是最具吸引力和前景的一种。石墨烯是碳原子周期性紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料。石墨烯具有的非常高的载流子迁移率使得它具有非常高的电导率，而且石墨烯的电导率在微波频段呈现频率无关性，这使得它在微波领域有着良好的应用前景。同时，石墨烯具有非常好的机械柔性和稳定性。
热转印是印制图案于各种材质商品上的新方法，特别适合制作少量多样的个性化及定制类商品、以及印制包含全彩图像或照片的图案。其原理是将数位图案透过印表机以特制转印墨水印在转印专用纸上，再以专用转印机，高温高压地将图案精准的转印到商品表面，完成商品印制。
目前已有一些关于石墨烯天线报道，但都是将石墨烯导电墨水直接印刷于基底上，这就对石墨烯材料墨水以及基底提出了很高的要求，比如基底表面粘合性、基底的平整性等，从而限制了基于石墨烯天线的射频识别(RFID)标签在物联网领域的应用。如何将石墨烯天线制备于三维物体以及不平整的物体上并与之共形是基于石墨烯天线的RFID标签广泛应用亟需解决的问题。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种石墨烯天线的制备方法，采用热转印的方法，并在此基础上制作了RFID标签，旨在解决目前石墨烯天线只能印刷在平面基底、无法与三维物体共形的问题。
一种石墨烯天线的制备方法，包括：将石墨烯导电墨水印刷在热转印纸上，形成石墨烯印刷层后进行热转印，使石墨烯印刷层从热转印纸上脱离并转移到目标基底上。
所述的石墨烯导电墨水由石墨剥离、分散而得到的石墨烯粉体材料、含有石墨烯的石墨纳米材料或者含有石墨烯的石墨纳米材料和导电添加剂的复合材料分散于溶剂中形成。
所述的石墨烯导电墨水的主要成分是石墨烯。石墨烯是碳原子周期性紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料。所述的石墨烯为单层、少层或者多层石墨烯材料。
所述目标基底是石墨烯天线实际使用的基底，可以是所有耐受150℃以上温度的基底，包括平整的、不平整、或者三维的物体如设备仪器表面、手机外壳等。这种目标基底的可选择性是本发明的主要特征之一。
所述的溶剂可以是水、乙醇、NMP、环己酮等，与具体采用的印刷技术有关。
所述印刷为丝网印刷、刮涂、滴涂、旋涂、凸版印刷或凹版印刷，但不限于此。
优先地，印刷石墨烯层后，进行干燥固化，包括但不限于热固化或光固化。
优选地，所述干燥固化的温度为50～120℃，时间为10～120min。此固化温度与时间范围内，得到的石墨烯印刷层瑕疵最少。该温度范围包含在热转印纸所能承受的温度范围内。该固化时间范围能满足使石墨烯印刷层干燥固化的要求。通过固化温度与时间的折衷优化可以使生产耗能尽量小。
形成石墨烯印刷层经干燥固化后再进行热转印。
优选地，形成石墨烯印刷层后以150～300℃的温度进行热转印。该温度范围内，石墨烯印刷层和热转印膜能较快且完整地从纸基底上脱落。
优选地，形成石墨烯印刷层后热转印的时间为1～10min。该时间范围内，石墨烯印刷层和热转印膜能完整地从纸基底上脱落。
热转印后，石墨烯印刷层连同热转印纸上的热转印膜层一并从热转印纸上脱离。
本发明还公开了一种所述的石墨烯天线的制备方法制备得到的石墨烯天线。
所述石墨烯天线的图案为石墨烯印刷层，或由微纳加工技术对石墨烯印刷层进行微纳加工而形成。
所述微纳加工技术为光刻、电子束刻蚀或激光雕刻，但不限于此。
一种RFID标签，包括：所述的石墨烯天线和RFID芯片。
所述的RFID芯片可依据实际性能要求从市场获得，或者自行设计制造。
所述的RFID标签是将本发明的石墨烯天线与RFID芯片实现电连接而组成，所述的实现电连接是通过导电线或导电粘结剂达到，可为金属或非金属类导电线或导电粘结剂。
优选地，所述的石墨烯天线为偶极子天线。偶极子天线的结构简单，制作方便，且性能指标优秀，能满足通用场景的使用需求。
优选地，所述的偶极子天线的两臂之间的距离为1～10mm。该天线臂间距离能实现偶极子天线较好的工作性能，且能与相近尺寸的芯片电连接实现RFID标签。
优选地，所述的偶极子天线的每个臂的长为5～70mm，宽为1～10mm。该天线臂尺寸能实现偶极子天线较好的工作性能。
上述设计下的RFID标签可在2.45GHz的微波频段工作。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)本发明的制备石墨烯天线的流程是节能、环保的制备流程，并可结合大规模生产技术如卷对卷技术应用于工业化生产。
(2)本发明制备的石墨烯天线图案可以进行个性化设计以满足不同使用场景的需求。
(3)本发明制备的石墨烯天线可以转印到任何能耐受150℃以上温度的目标基底包括不平整的三维基底上，并与基底完美共形，拓展了RFID标签在物联网领域的应用。
附图说明
图1为实施例1的石墨烯天线的制备流程示意图；
图2为实施例2的石墨烯天线的制备流程示意图；
图3a为实施例3的RFID标签的俯视图；图3b为实施例3的RFID标签的主视图；
图中：1-纸基底，2-热转印膜，3-石墨烯印刷层，4-石墨烯印刷天线，5-目标基底，6-RFID芯片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
石墨烯天线的图案为石墨烯印刷层，且石墨烯印刷层与热转印膜一同转印到目标基底上，具体步骤包括：
步骤01：将石墨烯导电墨水采用丝网印刷的方法印刷在热转印纸上而形成石墨烯印刷层，印刷速度为5～100毫米/秒，该石墨烯印刷层呈所设计的天线的形状；
步骤02：使用热固化方式使石墨烯印刷层干燥固化，固化温度为50～120℃，时间10～120分钟；
步骤03：将步骤02得到的结构以150～300℃的温度热转印1～10分钟，使石墨烯印刷层从热转印纸基底上脱离，并转移到目标基底上。
本实施例中采用丝网印刷的印刷技术制备石墨烯印刷层，但不局限于丝网印刷，也适用于其它现有的印刷技术如覆盖掩模板的刮涂、旋涂等；本实施例采用热固化方式使石墨烯印刷层干燥固化，但也可以采用其它可以使石墨烯印刷层固化的方式，比如光固化等。
以下结合图1，详细介绍本石墨烯天线的制备原理：
如图1所示，本发明制备的石墨烯天线4共有两层，即热转印纸的热转印膜2和石墨烯印刷层3。
其中，热转印纸由纸基底1和热转印膜2组成。当热转印后，热转印膜2和其上石墨烯印刷层容易从热转印纸的纸基底1上脱落，热转印膜2和其上石墨烯印刷层一同转移到转印的目标基底5上，热转印膜2对石墨烯天线4以及RFID标签的性能不会产生影响。
图1中，石墨烯印刷层是经过印刷、干燥固化后得到的；石墨烯天线4的结构可以进行个性化定制以适应不同应用场合的需求。
实施例2
石墨烯天线的图案为由微纳加工技术对石墨烯印刷层进行微纳加工而形成，图案化后的石墨烯印刷层与热转印膜一同转印到基底上，具体包括以下步骤：
步骤01：将石墨烯导电墨水采用刮涂的方法印刷在热转印纸上而形成石墨烯印刷层，印刷速度为5-100毫米/秒；
步骤02：使用热固化方式使石墨烯印刷层干燥固化，固化温度为50～120摄氏度，时间为10～120分钟；
步骤03：利用激光雕刻技术图案化石墨烯印刷层，刻蚀出所设计的天线图案；
步骤04：将步骤03得到的结构以150～300℃的温度热转印1～10分钟，使石墨烯印刷层从热转印纸基底上脱离，并转移到期望的基底上。
本实施例中采用刮涂的印刷技术制备石墨烯印刷层，但不局限于刮涂，也适用于其它现有的印刷技术如丝网印刷、旋涂等；本实施例采用热固化方式使石墨烯印刷层干燥固化，但也可以采用其它可以使石墨烯印刷层固化的方式，比如光固化等；石墨烯天线图案化技术可以采用现有的微纳加工技术比如激光雕刻、光刻、电子束刻蚀、等离子刻蚀等。
以下结合附图2，详细介绍本石墨烯天线的制备原理：
如图2所示，本发明制备的石墨烯天线4共有两层，即热转印膜2和石墨烯印刷层3。
其中，热转印纸由纸基底1和热转印膜2组成。当热转印后，热转印膜2和其上石墨烯印刷层3容易从纸基底1上脱落，热转印膜2和其上石墨烯印刷层3一同转移到目标基底5上，热转印膜2对石墨烯天线4以及RFID标签的性能不会产生影响。
图2中，石墨烯印刷层3是石墨烯导电墨水经过印刷在热转印纸上形成的，干燥固化和图案化后形成石墨烯印刷天线4。石墨烯天线4的结构可以进行个性化定制以适应不同应用场合的需求。
实施例3
将制备得到的石墨烯天线与RFID芯片通过导电银浆连接，而组成基于印刷石墨烯天线的RFID标签。其中，RFID芯片可以依据实际场景需求而从市场采购或者自行设计制造。
如图3所示，本发明制备的基于石墨烯天线的RFID标签由石墨烯天线4和RFID芯片6两部分组成。
实施例3使用导电银浆将石墨烯天线4与RFID芯片6连接，但也可以使用其它导电粘结剂，包括金属导电粘结剂和非金属导电粘结剂；RFID芯片6可以不放在偶极子天线的两个臂中间，但是芯片的引脚必须和天线电相连，形成导电通路。利用微纳加工技术，如果尺寸合适，RFID芯片6可以直接放置在天线的两个臂中间，但也需要与天线形成导电通路。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯天线的制备方法，包括：将石墨烯导电墨水印刷在热转印纸上，形成石墨烯印刷层后进行热转印，使石墨烯印刷层从热转印纸上脱离并转移到目标基底上。
2.根据权利要求1所述的石墨烯天线的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯导电墨水由石墨剥离、分散而得到的石墨烯粉体材料、含有石墨烯的石墨纳米材料或者含有石墨烯的石墨纳米材料和导电添加剂的复合材料分散于溶剂中形成。
3.根据权利要求1所述的石墨烯天线的制备方法，其特征在于，印刷石墨烯层后经干燥固化后再热转印到目标基底上。
4.根据权利要求3所述的石墨烯天线的制备方法，其特征在于，所述干燥固化的温度为50～120℃，时间为10～120min。
5.根据权利要求1所述的石墨烯天线的制备方法，其特征在于，形成石墨烯印刷层后进行1～10分钟的热转印。
6.根据权利要求1或5所述的石墨烯天线的制备方法，其特征在于，形成石墨烯印刷层后进行热转印的温度为150～300℃。
7.一种根据权利要求1～6任一权利要求所述的石墨烯天线的制备方法制备得到的石墨烯天线。
8.根据权利要求7所述的石墨烯天线，其特征在于，所述石墨烯天线的图案为石墨烯印刷层，或由微纳加工技术对石墨烯印刷层进行微纳加工而形成。
9.一种RFID标签，其特征在于，通过将权利要求7或8所述的石墨烯天线和RFID芯片实现电连接得到。
10.根据权利要求9所述的RFID标签，其特征在于，所述的石墨烯天线为偶极子天线；
所述的偶极子天线的每个臂的长为5～70mm，宽为1～10mm，间距为1～10mm。
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