萬物互聯——柔性RFID之噴墨打印

　　???RFID又被稱為無線射頻識別技術，該技術可以通過無限信號進行目標物體的自動識別，并且通過讀取器與目標物體進行數據的傳輸與交換。作為自動識別技術中的佼佼者，RFID在未來物聯網領域具有非常廣闊的應用前景。

　　基本的RFID系統由兩部分構成:問答器和應答器。問答器主要用于信息的錄入和采集，而應答器則是通常所說的RFID標簽，主要用來進行信息的存儲于交換。

　　RFID標簽主要分為兩部分：標簽天線和芯片。RFID具有多種分類方式，如果根據工作頻率的不同可以分為：低頻RFID(LF)、高頻RFID(HF)、超高頻RFID(UHF)以及微波RFID。一般而言，RFID的讀寫距離與使用的頻率有關系，頻率越高讀寫距離越遠，最高階段可以高達數米。不過，目前RFID標簽的價格比較高，特別是在天線工藝的制備上具有過程復雜、成本較高等缺點，因此不適合在低端物品上廣泛使用，這就大大限制了RFID在未來萬物互聯時代的應用前景。傳統的天線制備主要包括，化學蝕刻法、電鍍法、絲網印刷以及凹版印刷等方法。蝕刻法和電鍍法工藝復雜、成本高，且對環境污染較大。而絲印和凹印等方法制備的天線厚度15-20 μm，且柔性較差，所采用的貴金屬消耗量較高，成本優勢不明顯。

　　而隨著印刷電子工藝，特別是噴墨打印工藝的日漸成熟，通過噴墨打印工藝制備柔性RFID標簽天線，具有非常巨大的潛在優勢：

　　1. 噴墨打印墨水多為納米級金屬墨水，打印薄膜厚度較低，具有良好的柔性;

　　2. 噴墨打印工藝屬于一種數字化制備方式，不需要掩膜版、光刻、刻蝕等工藝，只需要在軟件層面設計好圖形，按需打印制備即可，簡單快速，并且可以大幅度提高墨水實際利用率。

　　通過以上分析可以看出，噴墨打印制備RFID天線的最核心技術就是噴墨打印用油墨。油墨性能可以直接影響噴墨打印天線的電阻和性能。目前常用的油墨主要分為金屬基漿料、顆粒性墨水以及有機前驅體墨水。

　　金屬漿料

　　金屬漿料是應用于印刷天線的最廣泛材料之一。通常由金屬薄片(通常是銀)、聚合物粘合劑材料和適當的溶劑組成。溶劑確保漿料可印刷，聚合物粘結劑用于保持漿料的穩定性，也用于調整油墨的粘度。金屬薄片本身是油墨中主要的導電成分。

圖1 金屬漿料的結構示意圖納米顆粒基墨水

　　近年來，世界范圍內直徑小于100 nm的納米顆粒的生產工藝日趨成熟。這種尺寸的納米顆粒的膠體在懸浮液中非常穩定，因而在油墨中可以實現更高質量的質量分數負載。當金屬納米顆粒的直徑大大減小到100納米以下時，一個有趣的物理現象就會出現。由于粒子的直徑減少,粒子的比表面積大幅增加。因而納米粒子具有更強烈的表面屬性。通原子在表面的結合能小于體系內部的結合能，因而當納米顆粒尺度降低，特別是當顆粒直徑低于10納米時，許多金屬納米顆粒的熔點會顯著下降。例如，直徑為2 nm的金納米顆粒的熔點會低于100℃。不過，熔點的降低會對電導率產生明顯的影響。當由納米顆粒組成的薄膜通過低溫燒結，局部的納米顆粒之間會相互連接，從而形成到導電通路，制備得到接近塊體材料的電導率。

圖2 打印層數與電導率的變化規律有機金屬前驅體墨水

　　有機金屬前驅體通常就是金屬元素與各種有機官能團，通過化學過程結合而形成的化合物。有機金屬前驅體通過特殊設計的化學結構處理后，有機金屬分子的有機成分與金屬化合鍵斷裂，變成有機蒸汽揮發掉，留下金屬導電薄膜。近年來，已有大量關于有機金屬前體報道，不過在應用于天線打印過程中，仍會面臨一些問題。有機金屬前驅體化合物中金屬元素的含量通常非常低，因而燒結之后的薄膜通常為多孔結構。并且這類墨水通常不太適合制備天線所需的厚膜。不過，近期已經有文獻報道通過打印金屬有機前驅體墨水作為種子層，然后經過后期化學鍍從而制備高質量的薄膜天線。

圖3 通過打印種子層制備天線用導電線路的過程示意圖