CN203967239U - 一种喷墨印刷的全纸质超高频rfid天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种喷墨印刷的纸质超高频RFID天线，具体涉及到超高频RFID标签，属于RFID（非接触识别技术）领域。本实用新型的纸质超高频RFID天线由纸质基材和天线线路构成，所述的天线线路为采用纳米银导电墨水在纸质基材上进行喷墨印刷而形成的导电线路层。本实用新型的纸质超高频RFID天线的频率在860～960MHz（与天线形状有关）；RFID天线在基材上附着力0级（GB/T9286-1998）；天线的柔性高；线路厚度在1～2微米；天线经过芯片封装后，读取距离可达5～10米。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，具体涉及到超高频RFID标签，尤其涉及到纸质RFID天线，属于RFID（非接触识别技术）领域。
背景技术
RFID俗称电子标签，是一种非接触的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。同条形码相比，RFID不但可以实现无接触识别，而且具有信息存储量大（国外最高为2048bit）、读取速度快（每秒上千次）、可循环使用、可在苛刻条件下使用等优点，在物流业、制造业、零售业等领域中获得了广泛的应用。
高频RFID应用比较成功的领域是智能卡，最突出的特点是识读距离比较短，成本较低，可靠性较高。随着各行业对远距离识别技术的强劲需求，超高频RFID应运而生。超高频RFID标签的高成本阻碍了其大规模商业应用。RFID标签包含基材、芯片和天线三部分。目前，芯片和基材以及封装技术相对稳定，价格变化不大。天线的制作工艺和材料极大地影响标签的成本和发展方向。
蚀刻工艺是制作RFID天线最常用的方法，由于其工艺繁琐，降低生产成本的难度比较大。同时，蚀刻工艺还需要经过酸碱腐蚀处理，产生大量的废液，被认为是一种非常不环保的工艺。印刷法制作RFID标签天线，是天线制作工艺发展的主流技术，具有效率高、无污染和节省原料的优点，可大幅度降低标签的生产成本。用导电油墨印刷RFID天线可以实现大批量生产，且废品率比较低，天线性能稳定，也能使RFID标签的总体生产成本大大降低。
表1不同RFID天线制作工艺的比较
印刷法制作RFID天线的关键技术在于导电油墨，比较成熟的是丝印导电银浆，该银浆采用微米银粉分散在树脂和溶剂体系中，形成高黏度的稳定体系，已有厂家利用其生产高频RFID门票。利用该银浆印刷的RFID标签存在两个缺点：需要在高温下（300℃左右）长时间加热，才能获得很好的导电效果；天线线路层较厚（几十微米），标签卷曲时容易发生脆裂。随着纳米技术的广泛发展，纳米尺度导电银浆在RFID天线的制作上，受到了越来越多的关注和研究。纳米尺度导电银浆本身的特征决定了其在RFID天线应用上有以下优势：1.固化温度低，银颗粒的尺寸在纳米级，可在120℃以下烧结，形成导电性良好的线路；2.天线基材更广，可在铜版纸、相纸、PET等材料上印刷；3.印刷的线路层较薄（喷墨印刷可达到5微米以下），相比于丝印银浆，具有更高的柔性；4.能适用于多种制造工艺，可采用喷墨印刷、凹版印刷和柔版印刷，效率较高，生产成本较低。
申请号为CN200820124040.7的中国专利公布了在PET上设计包含近场和远场的超高频天线，可采用丝网印刷和蚀刻铝技术来实现。申请号为CN95243900.X的中国专利公布了一种无缘的贴纸型超高频天线，用于通讯设备的功率增益，未涉及到天线的材质和制作工艺。申请号为CN200620048313.5的中国专利只公布了采用字母作为标签天线的方法。申请号为CN200720077536.9的中国专利公布了适用于金属材料表面的标签天线，线路材质为铜箔，需覆盖PET薄膜防止氧化。申请号为201010122390.1的中国专利公布了在纸质材料上制作RFID天线的方法，其采用铝或铜沉积导电层，然后蚀刻涂布胶层，利用转移膜的方式转移到纸质材料上。
RFID天线方面的专利多集中于不同应用场合下天线的设计，在RFID天线工艺和材料的工艺改进上（用导电油墨印刷制作RFID天线），暂未见该方面的专利申请。目前，市售的超高频RFID纸质标签都是将蚀刻的铝天线（inlay层，基材为PET）用纸封装，并不是真正意义上的全纸质RFID标签。
实用新型内容
本实用新型提供了一种全纸质超高频RFID天线，其使用纳米银导电墨水作为天线的印刷材料，采用喷墨印刷在纸质基材上形成天线线路，印刷后100～120℃加热1～2分钟，得到超高频RFID天线。采用该工艺制作超高频RFID天线具有工艺简单、无污染、低成本、天线射频性能好等优点。
为达到以上目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种喷墨印刷的纸质超高频RFID天线，由纸质基材和天线线路构成，所述的天线线路为采用纳米银导电墨水在纸质基材上喷墨印刷而形成的导电线路层。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的纸质基材包含铜版纸和相纸。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的铜版纸表面具有吸墨涂层。所述的吸墨涂层中包括树脂粘结料、溶剂、无机填料和助剂。该涂层能吸收墨水中多余的保护剂和连接料，防止银颗粒在纸内渗透，经过加热后，可得到致密的导电银层。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的相纸包括珠面、绸面、高光和绒面四种类型。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的纳米银导电墨水中含有纳米银颗粒（10w%～30w%），其粒度分布为10～400nm。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的纳米银颗粒表面包覆有保护剂，颗粒表面的保护剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇、柠檬酸钠和聚乙二醇中的至少一种或多种。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的纳米银导电墨水中的溶剂为异丙醇、正丙醇、乙二醇、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚中的至少一种或多种复配。
上述喷墨印刷的纸质超高频RFID天线的制备方法，包括如下步骤：在纸质基材上，采用纳米银导电墨水作为原材料，进行喷墨印刷形成天线线路；然后加热保温，最后裁切，得到全纸质超高频RFID天线。所述的加热的温度为100～120℃，保温时间为1～2分钟。
采用以上原料和工艺得到的天线具有以下性能特征：天线的频率在860～960MHz（与天线形状有关）；RFID天线在基材上附着力0级（GB/T9286-1998）；天线的柔韧性高；导电线路层厚度在1～2微米；芯片封装后，读取距离可达5～10米。
采用印刷工艺制作RFID天线具有以下明显优势：
1.采用纸质材料作为纳米银导电墨水的承印物，相比于PET材质，能得到均匀的导电线路。铜版纸上预涂布涂层能吸收墨水中多余的保护剂和连接料，防止银颗粒在纸内渗透，在纸面上形成致密、有金属光泽的导电银层（若无此涂层，打印干燥后不导电，无法起到RFID天线作用）；相纸无需预处理，直接打印即可。
2.工艺减少，只需稳定印刷工艺将导电墨水印刷在纸质基材上，经过烘箱加热即可，原有RFID天线的生产需经十几道工艺。
3.环保，印刷工艺用到的导电墨水采用环保低毒溶剂作为分散剂，加热过程中 可快速挥发，原有RFID天线生产中需经酸碱腐蚀，产生大量废水。
4.低成本，可实现卷到卷印刷，效率高，成品率高，天线的成本在3～8分人民币之间（与天线具体形状有关），原有RFID天线生产工序多，废品率高，环境和水污染需要治理。
附图说明
图1为喷墨印刷的纸质RFID天线（已封装芯片）。
图2为喷墨印刷制作RFID天线采用的工艺流程。
图3-1和图3-2分别为纳米银导电墨水在PET与相纸上干燥后的形态。
图4-1和图4-2分别为纳米银导电墨水在有涂层和无涂层铜版纸上的形态。
具体实施方式
如图1所示，喷墨印刷的纸质超高频RFID天线，包括纸质基材1和天线线路2两部分，天线线路2为采用纳米银导电墨水在纸质基材1上进行喷墨印刷而形成的导电线路层。纸质基材1包含铜版纸和相纸，相纸包括珠面、绸面、高光和绒面四种类型；铜版纸表面具有吸墨涂层。
铜版纸表面经过涂布涂层，涂层中包括树脂粘结料、溶剂、无机填料和助剂，涂层浆料组成和重量配比为：树脂粘结料（5～35份），溶剂（15～60份），无机填料（3～25份），助剂（3～8份）。树脂粘结料包含聚氨酯、乙基纤维素、醛酮树脂、氯化聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种或多种复配；溶剂包含异丙醇、正丙醇、乙酸乙酯、乙二醇、乙二醇乙醚、丙二醇甲醚中的至少一种或多种复配；无机填料包括碳酸钙、硫酸钡、硅藻土、高岭土、氧化铝、二氧化硅中的至少一种或多种复配，无机填料平均粒径小于100nm。助剂包括偶联剂和消泡剂；偶联剂为KH550（γ-氯丙基三乙氧基硅烷），KH560（γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷），KH570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）中的至少一种或多种复配；消泡剂为BYK-141、BYK-066N、BYK-052中的一种。该涂层能吸收墨水中多余的保护剂和连接料，防止银颗粒在纸内渗透，经过加热后，可得到致密的导电银层。
本实用新型采用的纳米银导电墨水包括：10w%～30w%的纳米银颗粒，纳米银颗粒表面由保护剂包覆，适量的表面活性剂和其它助剂（如pH调节剂、连接料等），余量为溶剂和助剂。纳米银颗粒的粒度分布为10～400nm；颗粒表面的保护剂为PVP、聚乙烯醇、柠檬酸钠和聚乙二醇中的一种或多种；纳米银墨水中的溶剂为异丙醇、正丙醇、乙二醇、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚中的一种或多种复配；pH调节剂为三乙醇胺等。
如图2所示，喷墨印刷制作RFID天线采用的工艺流程为：超高频RFID天线 设计，在纸质基材1上采用纳米银导电墨水进行喷墨印刷，在100～120℃加热1～2分钟，最后裁切。
【实施例1】将超高频RFID天线图形用喷墨打印机打印，基材为绸面相纸，打印的分辨率为1440dpi，选用纳米银导电墨水的银含量为10w%，颗粒的保护剂为PVP，溶剂为乙二醇和异丙醇（其体积比为1：5）。打印后经过100℃加热1～2分钟，得到RFID天线。如图1所示，为本实施例喷墨印刷的纸质RFID天线（已封装芯片）。
图3-1为纳米银导电墨水在PET上经喷墨打印后形成的天线线路干燥后的形态，图3-2为本实施例纳米银导电墨水在相纸上喷墨印刷形成的天线线路干燥后的形态。通过对比可以看到，采用纸质材料作为纳米银导电墨水的承印物，得到的导电线路更均匀，墨层厚度基本一致，电阻均匀；而打印在PET上的导电线路不均匀，中间厚度较高，电阻低，两边厚度低，电阻高。感应电流在电阻高的地方损耗较多，能量降低较快，导致识别距离短。因此，在本实施例条件下，采用纸质材料制作的RFID天线，在识别距离上具有一定优势。
【实施例2】将超高频RFID天线图形用喷墨打印机打印，基材为高光相纸，打印的分辨率为1440dpi，选用纳米银导电墨水的银含量为15w%，颗粒的保护剂为柠檬酸钠，溶剂为乙二醇和乙二醇乙醚（其体积比为1：5）。打印的天线经过110℃加热1～2分钟，得到RFID天线。
【实施例3】将超高频RFID天线图形用喷墨打印机打印，基材为珠面相纸，打印的分辨率为1440dpi，选用纳米银导电墨水的银含量为20w%，颗粒的保护剂为聚乙二醇，溶剂为乙二醇和丙二醇甲醚（其体积比为1：5）。打印后经过120℃加热1～2分钟，得到RFID天线。
【实施例4】将超高频RFID天线图形用喷墨打印机打印，基材为绒面相纸，打印的分辨率为1440dpi，选用纳米银导电墨水的银含量为25w%，颗粒的保护剂为PVP，溶剂为乙二醇和乙二醇丁醚（其体积比为1：5）。打印后经过120℃加热1～2分钟，得到RFID天线。
【实施例5】将超高频RFID天线图形用喷墨打印机打印，基材为预涂布涂层的铜版纸。涂层的组成包括树脂粘结料（5～35份），溶剂（15～60份），无机填料（3～25份），助剂（3～8份），其具体成分可在前面所述的材料中任选。打印的分辨率为1440dpi，选用纳米银导电墨水的银含量为30w%，颗粒的保护剂为PVP，溶剂为乙二醇和乙二醇丁醚（其体积比为1：5）。打印后经过120℃加热1～2分钟，得到RFID天线。
如图4-1和图4-2所示，将纳米银导电墨水在有涂层铜版纸上打印的天线线路，与纳米银导电墨水在无涂层铜版纸上打印得到的天线线路进行形态对比，预涂吸墨涂层的铜版纸能吸收墨水中多余的保护剂和连接料，防止银颗粒在纸内渗透，在纸面上形成致密、有金黄色金属光泽的导电银层，而无此涂层的铜版纸，导电颗粒向纸内渗透，无金属光泽，打印干燥后不导电，无法起到RFID天线作用。
经测试，实施例1～5得到的纸质RFID天线具有以下性能：天线的频率在860～960MHz（与天线形状有关）；RFID天线在基材上附着力0级（GB/T9286-1998）；天线的柔性高；线路厚度在1～2微米；天线经过芯片封装后，读取距离可达5～10米。
Claims (7)
1.一种喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：由纸质基材和天线线路构成，所述的天线线路为由纳米银导电墨水在纸质基材上喷墨印刷而形成的导电线路层，所述的纸质基材为铜版纸，所述的铜版纸表面具有吸墨涂层。
2.如权利要求1所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的吸墨涂层中包括树脂粘结料、溶剂、无机填料和助剂。
3.如权利要求2所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的树脂粘结料选自聚氨酯、乙基纤维素、醛酮树脂、氯化聚丙烯、聚乙烯醇和聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种；所述的溶剂选自异丙醇、正丙醇、乙酸乙酯、乙二醇、乙二醇乙醚和丙二醇甲醚中的至少一种；所述的无机填料选自碳酸钙、硫酸钡、硅藻土、高岭土、氧化铝和二氧化硅中的至少一种；所述的助剂为偶联剂和消泡剂。
4.如权利要求3所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的偶联剂选自γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；所述的消泡剂选自BYK-141、BYK-066N和BYK-052中的一种。
5.如权利要求1所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的纳米银导电墨水中含有纳米银颗粒，其粒度分布为10～400nm。
6.如权利要求5所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的纳米银颗粒表面包覆有保护剂，所述的保护剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、柠檬酸钠和聚乙二醇中的一种。
7.如权利要求5所述的喷墨印刷的全纸质超高频RFID天线，其特征在于：所述的纳米银导电墨水中的溶剂选自异丙醇、正丙醇、乙二醇、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚和丙二醇甲醚中的一种。
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