CN208539099U - 射频识别卷标的印刷天线结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种射频识别卷标的印刷天线结构，包括：纤维基材和附着于纤维基材的表面的导电层，所述导电层用以在纤维基材的表面构成天线的图案；其中导电层是一种由含有石墨结构的片状导电碳材、分散剂和溶剂组成的导电墨水通过印刷工艺涂布在纤维基材的表面，然后通过干燥处理后形成的导电层，所述导电层的部份导电碳材渗入纤维基材的孔隙可以牢固地附着在所述纤维基材；本实用新型通过纤维基材和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，可以提升天线结构的导电性、降低电阻和制作成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，特别是一种射频识别卷标的印刷天线结构。
背景技术
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，其中公开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，它的片电阻(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通过凸版和凹版印刷，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，导线和基板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。在已核准的中国台湾发明专利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，其油墨材料采用银纳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，但是银纳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％。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种射频识别卷标的印刷天线结构，可以提升天线结构的导电性，具有降低电阻和制作成本的功效。
为解决上述的技术问题，本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构的一种实施例包括：纤维基材和附着于纤维基材的表面的导电层，所述导电层用以在纤维基材的表面构成天线的图案；所述导电层的组成物包括：含有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％)、分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，所述导电层的部份导电碳材渗入纤维基材的孔隙可以牢固地附着在所述纤维基材。
作为本实用新型的优选结构，所述纤维基材的材质包含：棉纸、麻纸和聚合物薄膜其中的任一种，其中聚合物薄膜经过表面改质处理使得聚合物的交联和有机环结构断裂成为一种具有多孔性结构的材质。
作为本实用新型的优选结构，所述绵纸和麻纸的基重范围为10～500g/m2、密度为0.5～2.5g/cm3，平均孔径为0.02～500μm。
作为本实用新型的优选结构，所述聚合物薄膜包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，简称PET)膜以及聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)膜其中的任一种。
作为本实用新型的优选结构，所述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。
作为本实用新型的优选结构，其中片状导电碳材的厚度为1～10000nm，粒径为0.1～100um。
作为本实用新型的优选结构，所述分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，离子型分散剂包含P-123，Tween 20，Xanthan gum，Carboxymethyl Cellulose(CMC)，Triton X-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji 30其中的任一种或一种以上的组合，所述非离子型分散剂包含Poly(sodium 4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethyl ammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammonium bromide(HTAB)，Sodium taurodeoxycholate hydrate(SDS)，1-Pyrenebutyric acid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。
本实用新型的有异效果在于，构成天线的图案的导电层不含金属和黏着剂，可以提升天线结构的导电性，具有降低电阻和制作成本的功效，导电层的部份渗入纤维基材的孔隙可以牢固地附着在所述纤维基材，导电层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。
关于本实用新型涉的具体实施方式及其它的优点与功效，将配合图式说明如下。
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是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构的一种实施例的平面构造图；
图2是图1在位置A-A的断面构造图；
图3是图2在位置B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4是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构的制造方法步骤图；
图5是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构示意图；
图6是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构在不同频率的信号增益图。
符号说明
10纤维基材 20导电层
21片状导电碳材 P天线的图案
具体实施方式
为使本实用新型的技术手段及其它特点能进一步被了解，以下兹以较佳实施例并配合图式作说明，但应了解的是，该等实施例仅为说明之用，不应限制本实用新型的实施。
请参阅图1至图3是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构的一种优选实施例，包括：纤维基材10和附着于纤维基材10的表面的导电层20，所述导电层20用以在纤维基材10的表面构成天线的图案P；其中导电层20是一种由含有石墨结构的片状导电碳材21、分散剂和溶剂组成的导电墨水通过印刷工艺涂布在纤维基材10的表面，然后通过干燥处理后形成的导电层20。
在本实用新型的优选实施例，所述导电层20的组成物包括：含有石墨结构的片状导电碳材21和分散剂，其中片状导电碳材21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％)，所述导电层20的部份导电碳材21渗入纤维基材10的孔隙(见图3)可以牢固地附着在所述纤维基材10。
请参阅图4，是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构的一种制造方法的实施例，包括下列步骤：
1.准备纤维基材10，纤维基材10包含：棉纸、麻纸和聚合物薄膜其中的任一种，所述聚合物薄膜经过表面改质处理使得聚合物的交联和有机环结构断裂成为一种具有多孔性结构的材质。作为本实用新型的优选结构，所述绵纸和麻纸的基重范围为10～500g/m2、密度为0.5～2.5g/cm3，平均孔径为0.02～500μm。作为本实用新型的优选结构，所述聚合物薄膜包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜以及聚酰亚胺(PI)膜其中的任一种。
2.制备导电墨水组合物；
3.将导电墨水组合物涂布在纤维基材10的表面构成天线的图案P，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(inkjet printing)其中任一种方式实现；以及
4.通过热干燥使导电墨水组合物的溶剂蒸发而在纤维基板10的表面形成导电层20，部份的导电层20的片状导电碳材21渗入纤维基材10的纤维之间或是孔隙，进而牢固地附着在纤维基材10。
所述导电墨水组合物的固体含量占导电墨水的重量比为2～85％(wt％)。其中片状导电碳材21一般为粉料的形态，所述片状导电碳材21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；其中的一种优选实施例，片状导电碳材21的厚度为1～10000nm(nanometer)，粒径为0.1～100um(micrometer)，其中片状导电碳材21占总固体重量比为90～99.999％(wt％)；其中的一种优选实施例，所述分散剂占总固体重量比为0.0001～10％(wt％)，其中分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，其中离子型分散剂包含P-123，Tween 20，Xanthan gum，Carboxymethyl Cellulose(CMC)，Triton X-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji 30其中的任一种或一种以上的组合，其中非离子型分散剂包含Poly(sodium 4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethyl ammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammonium bromide(HTAB)，Sodium taurodeoxycholate hydrate(SDS)，1-Pyrenebutyric acid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。
所述溶剂可为纯水或是有机溶剂，其中有机溶剂包含：N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP)，IPA(Isopropyl alcohol)，ethanol，glycerol，ethylene glycol，butanol，propanol，Propylene glycol monomethyl ether(PGME)，Propylene glycol monomethylether acetate(PGMEA)其中的任一种。
由上述说明可以了解，本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构，是通过印刷或喷墨印刷的方式将所述导电墨水组合物涂布于纤维基材10的表面构成天线的图案P，导电墨水的部份的片状导电碳材21渗入纤维基材10的纤维之间或孔隙，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3)，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印刷天线结构。
在前述的制造方法的实施例中，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5是采用所述导电墨水组合物印刷完成的射频识别卷标的印刷天线结构示意图，其中由所述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，而且导电层20与IC芯片的连接点，精准度可达10um内而且不会短路(见图5的局部放大结构)。
导电层20印刷完成后通过干燥步骤将导电墨水中的溶剂蒸发，干燥方法的一种实施方式是采用热干燥法，加热温度范围为30～300℃，温度越高则加热时间越短。在上述制造方法的一种优选的实施例步骤，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21，其中适用于射频识别标签的片状导电碳材21的电阻为0.1～50ohm/sq(电阻率1×10-6～2.5×10-4ohm-m)。
请参阅图6是本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构在不同频率的信号增益图，显示本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构，在各个频率得到的信号增益(gain)情形。从图6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信号，以供特定频率的射频识别卷标使用，而且本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构，在超高频和微波的频率区段，均有相当明显的信号。
将本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构电性连接IC芯片，并进行阅读器读取测试。测试的天线结构的天线的图形P属常用的超高频设计：一种是较简单的直线天线，另一种是较复杂具多数弯曲形状的天线，两种天线结构的片电阻及读取测试结如下列表一，证实本实用新型射频识别卷标的印刷天线结构，适合使用于高频(HF,13.56MHz)，超高频(UHF,868到956MHz)以及微波(Microwave,2.45G Hz)的射频识别标签。
表一
| 天线图型 | 天线频率 | 片电阻(ohm/sq) | RFID阅读器测试结果 | |
| 样品1 | 长条直线型 | UHF | 8.38 | 可读取 |
| 样品2 | 弯曲型 | UHF | 5.34 | 可读取 |
虽然本实用新型已通过上述的实施例公开如上，然其并非用以限定本实用新型，本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的专利保护范围须视本申请的权利要求所界定者为准。
Claims (4)
1.一种射频识别卷标的印刷天线结构，包括：纤维基材和附着于纤维基材的表面的导电层，所述导电层用以在该纤维基材的表面构成天线的图案；该导电层中含有石墨结构的片状导电碳材，该导电层的部份该导电碳材渗入该纤维基材的孔隙可以牢固地附着在所述纤维基材。
2.如权利要求1所述射频识别卷标的印刷天线结构，该纤维基材的材质包含：棉纸、麻纸和聚合物薄膜其中的任一种，其中该聚合物薄膜经过表面改质处理使得聚合物的交联和有机环结构断裂成为一种具有多孔性结构的材质。
3.如权利要求2所述射频识别卷标的印刷天线结构，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。
4.如权利要求2所述射频识别卷标的印刷天线结构，该聚合物薄膜包含聚对苯二甲酸乙二醇酯膜以及聚酰亚胺膜其中的任一种。
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