RFID标签印制技术的进展

　　一直以来，受限于高成本等因素，RFID标签在国内市场未能大量普及。

　　目前，RFID标签技术的进展主要集中在天线和芯片的制造材料与印刷设计工艺方面，并成为印刷设计电子技术一个重要的研究方向。

　　相比RFID标签制作的其他技术，印制技术的诞生使RFID标签在低成本、高效率和环保化方面具有不可比拟的优势，为其进一步在民用领域发挥作用提供了极大的可能。

制造材料的进展

　　1.天线材料

　　主流RFID天线主要以铜和铝为材料，分别通过线圈绕制和蚀刻工艺制作，产品在可靠性和使用寿命上具有很大优势，因此占据了绝大部分市场。

　　然而，随着纳米技术的兴起，可直接印制RFID天线的纳米油墨（采用导电材料制成）对现有材料提出了挑战。根据IDtechEX（知名市场研究公司）统计，2012年全球导电油墨占有28.6亿美元的市场，预计2018年导电油墨市场将达到33.6亿美元，届时，纳米银导电油墨和纳米铜导电油墨市场将达到7.35亿美元。

　　不过，纳米导电油墨印制RFID天线技术，目前仍面临着油墨附着力、耐摩擦性、印刷设计均匀性、导电性与防氧化性需要改善等问题。

　　（1）纳米银导电油墨

　　纳米银导电油墨具有优异的导电性、防氧化性，加上其技术成熟度较高，是印制RFID天线的首选材料。

　　华南理工大学相关研究组利用自制的平均粒径为62.79nm的纳米银颗粒为导电填料，以聚氨酯／丙烯酸树脂为连结料、乙酸乙酯和乙醇为溶剂，加入适量的油酸分散剂，经搅拌混合分散，配制成导电油墨。该油墨电阻率数量级可达10-4Ω·m，耐摩擦次数达6000次以上，能抵抗封箱胶带的多次撕拉。

　　华中科技大学相关研究组以次磷酸钠为还原剂、六偏磷酸钠为分散剂、PVP为保护剂，与硝酸银溶液反应，制得紫红色银溶胶，加入pH调节剂，将银溶胶pH值调节至3，经过滤、钝化、洗涤等操作，在60℃温度环境下真空干燥得到平均粒径为30nm左右的纳米银粉，再加入到FA-406油墨中配置成导电油墨，固化后，该导电油墨具有较好的柔韧性和耐湿热性，且导电性高、印刷设计均匀性也好。

　　（2）纳米铜导电油墨

　　纳米铜导电油墨虽然导电性比纳米银导电油墨稍差，但价格具有很大的竞争优势，近年来开始成为研究热点。不过，铜的化学性质活泼，这使得如何避免纳米铜颗粒在合成与应用中氧化成为一大难点。

　　华中科技大学相关研究组利用激光加热液体金属使其汽化的方法，制备了平均粒径为88nm的纳米铜粉，经过有机高分子的包覆，避免了颗粒直接与空气接触而氧化。所得的铜粉加入溶剂、树脂和助剂高速分散后，在PI薄膜上的附着力可以高达5B级，电阻率为10-7Ω·m，采用刮墨—掩膜工艺制作成超高频RFID天线，封装芯片后，识别距离能达到3米，如图1、图2所示。

　　广东东硕科技有限公司在有机溶剂乙二醇中采用还原法，成功制备了直径为30～50nm的球形纳米铜，且无其他的氧化物存在，这表明乙二醇可以防止纳米铜氧化，同时聚乙二醇分散剂可以增加纳米铜粒子的分散稳定性及均匀性。

　　2.芯片材料

　　在芯片制造领域，衡量制造工艺的基准是芯片内晶体管与导线相连接的宽度，即线宽，宽度越细，该制造工艺越精准。受到原子元件尺寸的限制，半导体芯片的线宽有其物理极限，芯片体积不可能无限小，因此，通、断电的频率到一定程度就很难再提高。

　　采用碳纳米管（CNTs）来取代硅晶体管，是突破这个瓶颈的最佳方法。CNTs与其他半导体材料相比，不仅尺寸小、电学性能优异、物理和化学性质稳定，而且CNTs构建的晶体管还具有发热量更少以及运行频率更高等优点，同时，CNTs容易实现溶液化，分离纯化后的CNTs墨水能印刷设计出高性能的薄膜晶体管器件。

　　不可避免的，CNTs也存在着缺点，即制备的CNTs中同时含有金属性和半导体性CNTs。因此，在芯片制造领域，其需要经过分离处理，得到半导体性质的CNTs才能发挥相应的作用。

　　目前，单壁CNTs的分离一般基于化学方法，较为成熟，有电泳分离法（electrophoreticseparation）和层离法（chromatographicmethod）等，但往往涉及到多种化学试剂，如加入表面活性剂会产生掺杂效应，所以，分离需要多步物理化学过程来完成。

　　近几年，又出现了一种全新的分离CNTs的方法——库仑爆炸法。库伦爆炸法利用静电排斥的原理使一束单壁CNTs带上同种电荷，当电荷之间的排斥力大于CNTs之间的范德华力时，即发生库仑爆炸。这种爆炸能使一束碳纳米管相互分离，形成一种独特、新奇的放射状格局，被命名为“纳米树”（nanotree）。经拉曼光谱（Ramanspectra）等测试证明，分离后的CNTs具有较小的直径，不到3nm，甚至出现结构完整的单根CNTs。

　　同时出现的还有其他新技术，如利用不同序列的DNA识别金属性和半导体性单壁CNTs。DNA识别虽然灵敏，但成本高，且耗时长。缩短这一时长可以通过两相萃取，将不同属性单壁CNTs分离开来，整个过程只需4分钟，比传统的方法快了数十倍，而且成本大幅降低，为分离出的单壁CNTs走向真正意义的应用提供了可能。

印刷设计工艺的进展

　　1.天线印刷设计工艺

　　目前RFID天线常用到丝网印刷设计方式，但网印生产效率较低、印刷设计精度不高、墨层厚、成本较高，已逐渐不能满足天线精细印制的要求。国内外很多专家、学者已通过理论分析及实验验证，RFID标签天线可以由导电油墨通过喷墨印刷设计方式印制，具有印刷设计墨层薄、印刷设计成本低、导电性好、天线图案易控制等优点。

　　中科院沈阳自动化研究所工业信息学研究室全印制电子技术课题组，采用数字喷墨印制技术打印出了无芯片RFID标签天线，该标签天线部分采用纳米银导电墨水直接打印成型，代替了传统复杂的蚀刻生产工艺，可达到高频RFID标签13.56MHz的性能要求。该研究小组正在对打印设备的喷头驱动系统、运动控制系统、光电检测系统等方面进行进一步改进，全力攻克采用打印谐振电路替代RFID标签芯片编解码功能等关键技术。

　　上海合玉科技发展有限公司使用自主研发的高速卷对卷自动化生产设备，以印刷设计的方式生产RFID标签天线，大幅提升了生产效率。同时，其特有的全印制铜加成法技术，可以兼容SMT（SurfaceMountedTechnology）贴装工艺。铜本身的电气特性，使产品性能优于铝蚀刻和银浆印制天线，而且在卷对卷的精密印刷设计工艺下，产品质量一致性得以保证。

　　2.芯片印刷设计工艺

　　不同于传统无机RFID标签，新型有机RFID标签全部通过印刷设计技术将金属和有机物油墨印在同一衬底，得到天线和芯片。有机RFID标签的工作原理、结构、功能及频谱划分等，与无机RFID相比并没有太大的区别，二者主要的区别在于芯片中的晶体管是否采用印刷设计工艺制成。

　　采用硅晶体管制备RFID芯片时会产生重金属及有毒气体等工业废料，同时要消耗大量水，生产时间长。而有机RFID芯片的晶体管，可采用高速多色印刷机在普通塑料基底上直接印制出来。通过卷对卷印刷设计技术批量生产有机RFID标签，可以大大减少成本。据相关报道显示，全有机的RFID标签成本将降至每枚0.01～0.02美元。另据研究表明，2015年使用有机电路的RFID市场规模将达到116亿美元。

　　中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷设计电子研究中心在原有工作基础上，通过化学方法和聚合物选择性包覆方法开发出多种高效选择性分离半导体碳纳米管方法，并通过现代印刷设计技术构建出性能优越的碳纳米管薄膜晶体管器件（迁移率和开关比分别可以达到40cm2/Vs和107）、全印刷设计柔性薄膜晶体管器件、反相器等简单逻辑电路。这为碳纳米管印刷设计薄膜晶体管器件在LED、OLED、RFID等领域的应用打下了坚实的基础。

　　厂家和消费者关注的是RFID标签的性能和价格，印刷设计法制造的RFID标签与传统的RFID标签相比只是在材料和工艺上有所改进，在频率、读取距离、使用环境等性能上并未有实质性改善，因此，并不完全属于创新性的产品。不过，受环保政策影响，印刷设计法制造RFID标签依旧是大势所趋。

　　相信随着研究人员的不懈努力，RFID标签所用的制造材料和工艺会逐渐取得突破。届时，一种真正的低成本、环保的RFID标签将进入人们的生活。