CN113147211A - 一种应用于卷对卷制备纸基rfid标签天线的一体化设备 - Google Patents

一种应用于卷对卷制备纸基rfid标签天线的一体化设备 Download PDF

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Abstract

一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，属于柔性电子制备技术领域，解决现有技术难以组合实现RFID标签天线的卷对卷制备，且制造成本高的问题。本发明包括一体化依次设置的纸张放卷单元、柔版印刷单元、化学沉积单元和纸张收卷单元；所述纸张放卷单元包括依次设置的纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置；所述柔版印刷单元包括依次设置的柔版印刷装置和复合固化装置；所述化学沉积单元包括依次设置的沉积装置和清洗干燥装置；所述纸张收卷单元包括依次设置的纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置。本发明用于RFID标签天线卷对卷制备。

Description

一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备
技术领域
一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，用于RFID标签天线卷对卷制备，属于柔性电子制备技术领域。
背景技术
由于物联网(IoT)需求和市场的快速扩大，相关行业呈现蓬勃发展的态势。射频识别(RFID)技术是物联网的重要一环，是一种短距离通信技术，能够方便快捷的将器件采集的信息或标签内部包含的信息传递至读写器。由于价格相对低廉，体积小，可柔性化，非接触/视距，可无需电源等优点备受关注，RFID技术已在物资管理、定位和跟踪、智能制造和访问控制等各种场景中得到广泛应用。调查显示，我国每年对RFID标签的需求量超过30亿个，且这一数字仍在高速增长，RFID标签已拥有巨大的市场需求和广阔的发展前景。
阻碍RFID标签进一步取代条形码的主要原因在于成本限制，虽然RFID标签天线的设计日趋成熟和标准化，但制造技术却鲜有改进。目前绕制线圈通常用以制作低频RFID标签天线，难以适应目前高频和超高频的应用需求。而在高频和超高频标签天线制备中，可选方案有蚀刻法、直接印刷法和催化油墨法，蚀刻法首先通过设备在基材上压制一层金属箔，再涂敷感光胶，并利用化学或物理方法将未受光刻胶保护部分的材料从表面逐层清除，基材通常为PET塑料。蚀刻法的设备利用减材法制备RFID标签，属于传统制造设备，但在现阶段具有以下不足：(1)在设备设计方面较为复杂，需要多个设备分别实现涂敷感光胶、掩模曝光显影、刻蚀的步骤，难以实现一体化的制备；(2)在环保要求上难以实现，需要设计对金属离子和有害污染物的回收装置；(3)在成本方面下降空间较小，因为刻蚀法的设备加工材料必须是成本相对较高完整金属薄膜，并对基材的耐腐蚀要求也限制了低成本基材的应用；(4)且高精度设备的国产化率不高，易受外国企业制约。此外通过机械切削工艺实现卷对卷制备RFID标签天线的设备也被提出，该方案仍属于减材法制备RFID标签，虽有效降低了蚀刻法设备的工艺难度和制造成本，但当下仍具有以下缺陷：(1)由于机械切削设备图形定制化难度高，因此RFID标签天线难以实现复杂化设计；(2)采用该方案的设备加工精度低，RFID标签天线的线宽、金属层厚度均难以有效控制，成品性能低于其它方案；(3)成本下降有限，机械加工速度仍低于印制法。直接印刷法是通过设备将导电油墨印刷在基材上实现标签天线的图形化，通常需要附加后续固化或高温烧结步骤完成RFID标签天线的制备。直接印刷法的设备利用增材法制备RFID标签，属于新兴制造设备，然而目前也具有以下局限：(1)该设备常用导电油墨和碳基油墨，前者成本昂贵，而后者导电性能较差，均难以达到规模化的成本和性能要求；(2)直接印刷法的设备通常包含100～500℃的高温烧结设备，导致能耗较高，同时对基材的耐热性有较高要求，导致成本进一步上升；(3)该设备由于油墨固化环节缓慢，导致一体化制备中生产速度低于其它两类方案，因此难以用作低成本制备RFID标签天线的方案。而催化油墨法通过设备在基材上印制催化油墨实现标签天线油墨层的图形化，后续结合化学沉积或电沉积的方案实现RFID标签天线的制备。催化油墨法的设备利用增材法制备RFID标签，处于研究阶段，其优点在于：(1)该设备常用油墨通常不含或含微量贵金属，原料成本明显降低；(2)无需刻蚀或高温工艺，可以选择更多类型的基材，进一步控制了成本。虽然，催化油墨法的设备解决了现有技术制备RFID标签天线成本高的问题，但存在如下技术问题：
1.催化油墨法的设备应用较少，这是由于设备所需要采用的催化油墨组成、性质都与传统油墨存在较大区别，所需设备中的印制设备难以实现对油墨成分的有效检测和保护，油墨由于酸碱度变化容易导致粘度异常，以及由于光辐射导致油墨聚合失效或催化组分变质失效；
2.采用现有的催化油墨法的设备在化学沉积工艺需要一定沉积时间，需要化学沉积池长度达到100米以上，对设备稳定性和放置空间都有较高要求，因此难以组合实现RFID标签天线的一体化卷对卷制备。
虽然现有技术中也有“基于卷对卷的RFID标签天线制造设备”的论文的公开，该论文中采用切削的工艺实现标签制备，是上述减材法之一，相比蚀刻法确实简化了工艺、降低了成本，但难加工复杂天线，且天线精度很低(如图5所示)，难以作为普适的高质量天线的制备方案。
发明内容
针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，解决现有技术难以组合实现RFID标签天线的卷对卷制备，且制造成本高的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，包括一体化依次设置的纸张放卷单元、柔版印刷单元、化学沉积单元和纸张收卷单元；
所述纸张放卷单元包括依次设置的纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置；
所述柔版印刷单元包括依次设置的柔版印刷装置和复合固化装置；
所述化学沉积单元包括依次设置的沉积装置和清洗干燥装置；
所述纸张收卷单元包括依次设置的纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置。
进一步，所述纸张放卷装置和纸张收卷装置的速度调节范围为0～50m/s，纸张放卷张力调节装置和纸张收卷张力调节装置的张力调节范围为0～100N，张力调节装置包括采用直接法调节张力的张力调节部件，以及分别设置在柔版印刷单元的进纸和出纸处、化学沉积单元的进纸和出纸处、后处理装置的进纸和出纸处、干燥装置的进纸和出纸处的张力传感器。
进一步，所述柔版印刷装置包括从左下至右上分别设置有油墨箱、避光墨斗、上墨辊、网纹辊、印版滚筒和压印滚筒；
压印滚筒为主动轴，旋转方向与纸张收卷装置旋转方向一致，压印滚筒的齿轮与印版滚筒的齿轮相配合，印版滚筒的齿轮的齿轮与网纹辊的齿轮相配合，网纹辊的齿轮与上墨辊的齿轮相配合；
所述网纹辊为耐腐蚀陶瓷或镀铬网纹辊，目数为150～600目。
进一步，所述避光墨斗包括顶部开口的半封闭盒，设置在半封闭盒内的酸碱度监测设备和油墨连续供给部件，酸碱度检测设备包括检测油墨pH值的玻璃电极，油墨连续供给部件包括油墨液位检测传感器，与避光油墨箱连接的抽泵，抽泵入口位于避光油墨箱底部，抽泵出口位于避光墨斗上部，所述上墨辊置于半封闭盒的开口处封闭半封闭盒，半封闭盒采用耐腐蚀避光材料。
进一步，所述复合固化装置包括依次分体设置的热风固化装置和紫外固化装置；或一体设置的热风固化装置和紫外固化装置。
进一步，所述紫外固化装置的紫外光波长范围为300～400nm；
所述柔版印刷单元用水性催化油墨或水性UV催化油墨进行印刷；
所述沉积装置包括依次多轴垂直走线设置的鼓气设备和温控设备，所述温控设备控温范围为25～80℃，包括耐腐蚀的加热装置、温度监测装置和控制温度监测装置的温度控制器。
进一步，所述沉积装置适用于化学镀铜、银、镍中的一种或多种复合。
进一步，所述清洗干燥装置包括依次多轴垂直走线设置的第一清洗装置、后处理装置、第二清洗装置和干燥装置；
所述后处理装置包含鼓气装置和温控装置；
后处理装置适用于pH范围为3～13，温度范围为25～70℃的防氧化处理工艺、耐酸碱处理工艺中的一种或多种。
进一步，一体化设备适用承印基材包括印刷电路板厚纸、电子基层板用纸、玻璃卡纸、耐燃纸、石棉纸、铜版纸、石科纸、牛皮纸中的一种或多种。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
一、本发明将纸张放卷单元、柔版印刷单元、化学沉积单元和纸张收卷单元一体化卷对卷设置，可直接在纸基上实现RFID标签天线的图形化印制和金属化，减少了物料转移和安装环节，适宜低成本和大规模制备，以宽度为21cm的承印纸基为例，可实现每分钟生产2000～5000个RFID标签天线，单个成本低于0.03元；
二、本发明设有油墨避光保护装置，能有效避免水性UV油墨在印制过程中连接料的聚合导致的油墨粘度异常，并防止催化油墨中活性组分发生价态转换和团聚反应导致油墨活性功能失效，更适于印制电子技术中对催化油墨的检测需求；
三、本发明在印刷部件中设有油墨的酸碱度检测设备和油墨连续供给部件，可以有效检测墨斗中墨量和油墨pH值，实现自动化加墨，提高了生产效率，降低了人工成本和生产故障率；
四、本发明在化学沉积装置和后处理装置中通过多轴垂直走线设计，极大延长了单位空间内纸基的路程，使得化学沉积和后处理过程所需的设备长度明显缩短，减小对生产场地的空间要求，并通过卷对卷连续的沉积和后处理流程，有效降低了金属层在两个流程中的氧化，提高了RFID标签天线金属层的质量。
附图说明
图1为本发明实施例1的卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备示意图；
图2为本发明实施例1的卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备结构图；
图3为本发明中避光墨斗的示意图；
图4为本发明制备的RFID标签天线的实物图；
图5为现有基于卷对卷的RFID标签天线制造设备制备实验样本图(a)和采购样本图(b)的示意图；
图中：1-纸张放卷单元、2-柔版印刷单元、3-化学沉积单元、4-纸张收卷单元、6-避光墨斗、7-上墨辊、8-网纹辊、9-印版滚筒、10-压印滚筒、11-半封闭盒、12-酸碱度检测设备、13-避光油墨箱、14-复合固化装置、15-沉积装置、16-热风固化装置、17-紫外固化装置、18-鼓气设备、19-温控设备、20-第一清洗装置、21-后处理装置、22-第二清洗装置、23-干燥装置。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1：
一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，包括以下设计：
(1)一体化依次设置的纸张放卷单元1、柔版印刷单元2、化学沉积单元3和纸张收卷单元4；
所述纸张放卷单元1包括依次设置的纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置，设置有一组纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置；
所述柔版印刷单元2包括依次设置的柔版印刷装置和复合固化装置14，设置有一组柔版印刷装置和复合固化装置；
所述化学沉积单元3包括依次设置的沉积装置15和清洗干燥装置，设置有一组沉积装置和清洗干燥装置，清洗干燥装置包括依次设置一组后处理装置、两组清洗装置(即第一清洗装置和第二清洗装置)和一组干燥装置；
所述纸张收卷单元4包括依次设置的纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置，设置有一组纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置。
(2)收放卷单元(即纸张放卷单元和纸张收卷单元)的速度调节范围为0～15m/s，张力调节范围为0～70N。
(3)柔版印刷装置包括从左下至右上分别设置有油墨箱、避光墨斗6、上墨辊7、网纹辊8、印版滚筒9和压印滚筒10；
压印滚筒6为主动轴，旋转方向与纸张收卷装置旋转方向一致，压印滚筒10的齿轮与印版滚筒6的齿轮相配合，印版滚筒6的齿轮的齿轮与网纹辊8的齿轮相配合，网纹辊8的齿轮与上墨辊7的齿轮相配合；网纹辊为耐腐蚀陶瓷网纹辊，目数为350目，避光墨斗3包括顶部开口的半封闭盒11，设置在半封闭盒11内的酸碱度监测设备12和油墨连续供给部件，酸碱度检测设备12包括检测油墨pH值的玻璃电极，油墨连续供给部件包括油墨液位检测传感器，与避光油墨箱连接的抽泵，抽泵入口位于避光油墨箱底部，抽泵出口位于避光墨斗上部，所述上墨辊置于半封闭盒11的开口处封闭半封闭盒11，半封闭盒采用耐腐蚀避光材料。
(4)复合固化装置14包括一体化设置热风固化设备16和紫外固化设备17，其中，热风固化设备的温度范围为25～80℃，紫外固化装置的紫外光波长范围为300～400nm。
(5)柔版印刷单元用水性UV催化油墨进行印刷，粘度为700cP，选用耐碱性铜版纸作为基材。
(6)化学沉积单元3包括从左至右依次设置的沉积装置15和清洗干燥装置，沉积装置即指化学沉铜池依次多轴垂直走线设置的鼓气设备18和温控设备19，温控设备19包括耐腐蚀的加热装置(如图中黑色填充部分所示的加热棒)、温度监测装置和控制温度监测装置的温度控制器；清洗干燥装置包括从左至右依次设置的清洗池(即指第一清洗装置20)、后处理池(即指后处理装置21)包含鼓气设备、清洗池(即指第二清洗装置22)以及干燥装置23，干燥装置控温装置控温范围为25～70℃，包含耐碱性的加热装置、温度监测装置和温度控制器。
实施例2：
一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，包括以下设计：
(1)一体化依次设置的纸张放卷单元1、柔版印刷单元2、化学沉积单元3和纸张收卷单元4；
所述纸张放卷单元1包括依次设置的纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置，设置有一组纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置；
所述柔版印刷单元2包括依次设置的柔版印刷装置和复合固化装置14，设置有一组柔版印刷装置和复合固化装置；
所述化学沉积单元3包括依次设置的沉积装置15和清洗干燥装置，设置有一组沉积装置和清洗干燥装置，清洗干燥装置包括依次设置两组后处理装置、三组清洗装置(即第一清洗装置、第二清洗装置和第三清洗装置)和一组干燥装置；
所述纸张收卷单元4包括依次设置的纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置，设置有一组纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置。
(2)收放卷单元(即纸张放卷单元和纸张收卷单元)的速度调节范围为0～10m/s，张力调节范围为0～70N。
(3)柔版印刷装置包括从左下至右上分别设置有油墨箱、避光墨斗6、上墨辊7、网纹辊8、印版滚筒9和压印滚筒10；
压印滚筒6为主动轴，旋转方向与纸张收卷装置旋转方向一致，压印滚筒10的齿轮与印版滚筒6的齿轮相配合，印版滚筒6的齿轮的齿轮与网纹辊8的齿轮相配合，网纹辊8的齿轮与上墨辊7的齿轮相配合；网纹辊为耐腐蚀陶瓷网纹辊，目数为350目，避光墨斗3包括顶部开口的半封闭盒11，设置在半封闭盒11内的酸碱度监测设备12和油墨连续供给部件，酸碱度检测设备12包括检测油墨pH值的玻璃电极，油墨连续供给部件包括油墨液位检测传感器以及避光油墨箱，与避光油墨箱连接的抽泵，抽泵入口位于避光油墨箱底部，抽泵出口位于避光墨斗上部，所述上墨辊置于半封闭盒11的开口处封闭半封闭盒11，半封闭盒采用耐腐蚀避光材料。
(4)复合固化装置14分体化设计，左侧为热风固化设备，右侧为紫外固化设备，其中热风固化装置温度范围为25～80℃，紫外固化装置的紫外光波长范围为300～400nm。
(5)柔版印刷单元用水性催化油墨进行印刷，粘度为700cP，选用耐碱性石科纸作为基材。
(6)化学沉积单元包括从左至右依次设置的沉积装置和清洗干燥装置，沉积装置即指化学沉铜池依次多轴垂直走线设置的鼓气设备18和温控设备19，温控设备19包括耐腐蚀的加热装置(如图中黑色填充部分所示的加热棒)、温度监测装置和控制温度监测装置的温度控制器；清洗干燥装置包括从左至右依次设置的清洗池(即指第一清洗装置)、后处理池(即指后处理装置)包含鼓气设备、清洗池(即指第二清洗装置)、清洗池(即指第三清洗装置)以及干燥设备，控温装置控温范围为25～70℃，包含耐碱性的加热装置、温度监测装置和温度控制器。
上述实施例1一实施2中未详细描述的部件或组件都为现有的部件。
图1和图2分别为实施例1中卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备的示意图和结构图，设备安装和使用流程为：(1)将纸基从纸张放卷单元通过柔版印刷单元、化学沉积单元连接至纸张收卷单元，通过张力调节系统调节纸张张力；(2)油墨装载于避光墨斗和避光油墨箱中，化学沉积液和后处理液分别添加至化学沉积池和后处理池；(3)设备启动后，纸基从纸张放卷单元出发，在柔版印刷单元印制RFID标签天线的油墨图形；(4)经过一体式复合固化装置完成油墨的干燥固化；(5)在化学沉积单元经过10～60min沉积过程完成RFID标签天线的制备，并在后处理过程中实现抗氧化或耐酸碱保护处理；(6)经过清洗干燥后，完成收卷过程。
图3为避光墨斗的示意图，通过避光处理可以有效避免水性UV油墨在印制过程中连接料的聚合导致的油墨粘度异常，并防止催化油墨中活性组分发生价态转换和团聚反应导致油墨活性功能失效。以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：包括一体化依次设置的纸张放卷单元(1)、柔版印刷单元(2)、化学沉积单元(3)和纸张收卷单元(4)；
所述纸张放卷单元(1)包括依次设置的纸张放卷装置和纸张放卷张力调节装置；
所述柔版印刷单元(2)包括依次设置的柔版印刷装置和复合固化装置(14)；
所述化学沉积单元(3)包括依次设置的沉积装置(15)和清洗干燥装置；
所述纸张收卷单元(4)包括依次设置的纸张收卷装置和纸张收卷张力调节装置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述纸张放卷装置和纸张收卷装置的速度调节范围为0～50m/s，纸张放卷张力调节装置和纸张收卷张力调节装置的张力调节范围为0～100N，张力调节装置包括采用直接法调节张力的张力调节部件，以及分别设置在柔版印刷单元的进纸和出纸处、化学沉积单元的进纸和出纸处、后处理装置的进纸和出纸处、干燥装置的进纸和出纸处的张力传感器。
3.根据权利要求2所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述柔版印刷装置包括从左下至右上分别设置有避光油墨箱(13)、避光墨斗(6)、上墨辊(7)、网纹辊(8)、印版滚筒(9)和压印滚筒(10)；
压印滚筒(6)为主动轴，旋转方向与纸张收卷装置旋转方向一致，压印滚筒(10)的齿轮与印版滚筒(6)的齿轮相配合，印版滚筒(6)的齿轮的齿轮与网纹辊(8)的齿轮相配合，网纹辊(8)的齿轮与上墨辊(7)的齿轮相配合；
所述网纹辊(5)为耐腐蚀陶瓷或镀铬网纹辊，目数为150～600目。
4.根据权利要求3所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述避光墨斗(3)包括顶部开口的半封闭盒(11)，设置在半封闭盒(11)内的酸碱度监测设备(12)和油墨连续供给部件，酸碱度检测设备(12)包括检测油墨pH值的玻璃电极，油墨连续供给部件包括油墨液位检测传感器，与避光油墨箱(13)连接的抽泵，抽泵入口位于避光油墨箱(13)底部，抽泵出口位于避光墨斗(6)上部，所述上墨辊(7)置于半封闭盒(11)的开口处封闭半封闭盒(11)，半封闭盒(11)采用耐腐蚀避光材料。
5.根据权利要求4所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述复合固化装置(14)包括依次分体设置的热风固化装置和紫外固化装置；或一体设置的热风固化装置(16)和紫外固化装置(17)。
6.根据权利要求5所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述紫外固化装置的紫外光波长范围为300～400nm；
所述柔版印刷单元(2)用水性催化油墨或水性UV催化油墨进行印刷；
所述沉积装置(15)包括依次多轴垂直走线设置的鼓气设备(18)和温控设备(19)，所述温控设备控温范围为25～80℃，包括耐腐蚀的加热装置、温度监测装置和控制温度监测装置的温度控制器。
7.根据权利要求6所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述沉积装置(15)适用于化学镀铜、银、镍中的一种或多种复合。
8.根据权利要求7所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：所述清洗干燥装置包括依次多轴垂直走线设置的第一清洗装置(20)、后处理装置(21)、第二清洗装置(22)和干燥装置(23)；
所述后处理装置(21)包含鼓气装置和温控装置；
后处理装置(21)适用于pH范围为3～13，温度范围为25～70℃的防氧化处理工艺、耐酸碱处理工艺中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的一种应用于卷对卷制备纸基RFID标签天线的一体化设备，其特征在于：一体化设备适用承印基材包括印刷电路板厚纸、电子基层板用纸、玻璃卡纸、耐燃纸、石棉纸、铜版纸、石科纸中的一种或多种。
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