碳系导电油墨印刷RFID标签天线洗铝工艺研究

杨婷婷

（泉州经贸职业技术学院，福建 泉州362000）

一、研究背景

RFID技术即射频自动识别技术(Radio Frequency Identification)兴起于20世纪90年代并日渐成熟。

当前RFID技术存在着诸多问题,如标准不统一、成本过高以及涉及安全隐私等。目前RFID技术使用的主要是成本较高的银系导电油墨，成本低的碳系油墨虽有应用，但制成天线导电性不如银系油墨。现在每枚RFID标签的价格在0.3-0.6美元。由(硅)芯片、内置天线和底材3部分共同决定RFID标签成本，现阶段芯片和底材的价格相对稳定，降低天线制作成本是关键，优化标签内置天线的制作工序是重点。

物联网时代RFID无处不在，降低导电油墨的成本，有效控制其印制的RFID天线成本，必能促进RFID标签的广泛应用。

二、研究方案

为了得到低成本高导电性能的天线，本文对RFID天线的导电性进行了简单地实验和初步的探索。RFID标签天线通常采用蚀刻法、压箔法和导电油墨印刷法等三种方法印制。

蚀刻法是在绝缘材料表面敷上导体，再通过腐蚀的方法将不需要的导体去掉。腐蚀洗铝工艺制作金属天线，步骤繁多，生成周期长，形状不好控制。

导电油墨印刷法是在薄膜、纸张等绝缘基板上直接用导电油墨印刷导电线路，形成天线和电路。导电油墨印刷天线工序少，做出成品时间短，成本较低同时绿色环保。但是导电油墨印刷天线的导电性不如蚀刻法。

本研究把蚀刻洗铝与导电油墨直接印刷工艺结合，采用碳系导电油墨印刷能降低RFID导电油墨的成本，同时在现有的蚀刻洗铝法的基础上使天线性能更优。本实验的流程如图1所示。

实验中采用镀铝膜作为底材，利用铝层与碳层并联来减小天线的电阻值；其次是采用不同厚度的镀铝膜、不同的树脂、不同配比的导电油墨来制备RFID天线，并且研究不同浓度NAOH溶液、不同腐蚀时间对各种薄膜附着力和导电性能的影响，对比得出最好性能的RFID天线。

三、研究创新

通常蚀刻洗铝工艺中，选择的抗蚀剂是普通的有机溶剂，产生的抗蚀膜没有得到利用，于是本研究希望利用具有导电性的抗蚀膜与铝或铜并联降低电阻率。通过把蚀刻洗铝工艺同导电油墨印刷法融合，用碳系导电油墨印刷的墨层作为抗蚀膜来掩盖铜铝，使导电油墨印刷的天线导电性得到提升，同时又可以改变蚀刻洗铝工艺天线形状不好控制的缺点。

图1 本实验流程图

四、研究结果与分析

(一)导电性能测试与分析

测量天线的导电性，比较各配方导电油墨、承印物性能的优劣，在于比较电阻率。电阻率大小与电路的宽度、长度无关，只跟二者之间的比例、电阻值和墨层厚度有关，在测量电阻时，可以不必测量整个线路的电阻值，由于该天线的电阻测量复杂，为计算出电阻率，测量某一段电路的阻值、长度和宽度，再通过式（1）计算出油墨的体积电阻率ρ。其中，L表示测量某段电路的长度，w表示检测电路的宽度，w=0.8mm。S表示检测电路的横截面积，n表示长度是宽度的倍数。每组计算电阻率时，取5段已知长度电路测量电阻值，计算电阻率，再求平均值。表1、表2、表3给出了相应的测试结果。其中“无”表示在腐蚀过程中，墨层严重掉落，天线已无法测量电阻率。

式中：

R—墨层的电阻值；

d——墨层厚度；

ρ——体积电阻率。

表1 氯醋马树脂导电油墨电阻率

由表1可知，当石墨炭黑比为13:4时，使用Al/PET/Al作为承印物，RFID天线的导电性最好。

表2 聚乙烯聚丙烯树脂导电油墨电阻率

从表2中可以看出，当石墨炭黑比为13:3时，使用VmPET/VmPET为承印物，RFID天线表现出最好的导电性能。

表3 EVA树脂导电油墨电阻率

在EVA树脂液中，由表3不同承印物和不同导电填料混合物之间的电阻率对比可以看出，当石墨炭黑比为13:3时，VmPET作为承印物时RFID天线的导电性最好。

按树脂分类，实验数据分为三组，从三组数据可以得出，以氯醋马树脂制备的导电油墨印刷的RFID天线导电性最好，聚乙烯聚丙烯树脂次之，EVA树脂最差。

按承印材料分类，BOPP/AL,AL/PET/AL在腐蚀洗铝时，部分情况下出现天线从镀铝膜上脱落导致无法测量电阻率。可以看出这两种膜上天线能测出的电阻率表现不错，因为铝层厚和墨层并联后电阻较小；然而有出现铝层薄时电阻率更小的情况，这个可能和铝层表面不平，和炭层并联接触不充分，电阻值下降不明显有关。

在测量电阻率时，一个重要影响因素是墨层的厚度。墨层厚度见表4、表5、表6。“无”指严重掉墨，无法测量厚度。

表4 氯醋马树脂导电油墨各承印物墨层厚度测量值

表5 聚乙烯聚丙烯树脂导电油墨各承印物墨层厚度测量

表6 EVA树脂导电油墨各承印物墨层厚度测量

从上述墨层厚度测量数据可以看出，氯醋马树脂制备的导电油墨的墨层整体上比其他两种树脂制备的导电油墨的墨层厚，其他两种树脂制备的导电油墨的墨层厚度较小。天线的电阻值由墨层和铝层并联决定，墨层的厚薄不单独决定电阻率，而是由铝层的并联接触好坏决定。墨层如果过于薄，那么填料无法实现有效的连接，导致导电性能不好。墨层太厚，从计算公式（1）可以看出，会造成电路的电阻值、电阻率偏大，也影响天线的导电性。总之，墨层厚度要适当。在本实验中影响墨层厚度的原因可能有：丝网参数，网孔面积百分比较小，油墨转移到承印物上的量较少；印刷压力的影响，因为该丝印机的压力完全靠手工操作，印刷压力可能调节的不恰当；网距较大；加上刮墨刀长时间的使用有些磨损，使压力不均衡。

（二）附着力测试与分析

附着力通常指的是漆膜和涂物的结合能力。目前墨膜附着力测定方法只能以间接的手段来测定，通常分为三大类型即以划格法、划圈法代表的综合测定法，以拉开法为代表的剥落试验法和用溶剂和软化剂配合使用的测试水试验法。本实验采用PHC-600百格刀划格法测试碳系导电油墨的附着力。附着力的测试标准见表7，附着力的测试结果见表8、表9、表10和表11。

通过以上附着力测试的结果可以看出，三种树脂中，氯醋马树脂导电油墨的附着力最好，聚乙烯聚丙烯树脂次之，EVA树脂导电油墨的附着力最差。四种承印物，VmPET/VmPET薄膜附着力最好。同一种树脂，石墨炭黑比为13:5的附着力基本上较差，原因是炭黑含量较多，且炭黑的颗粒较大，从而造成附着力较差。以上几种导电油墨，附着力总体上较好，但根据附着力测试的标准可以看出，实验中制备的导电油墨的附着力还有提升的空间，油墨的附着力在一定程度上影响着导电油墨的导电性，在此次实验中，墨层附着力不够，天线在腐蚀的时候墨层会发生严重脱落。本实验中为排除其他因素的影响，采用提高附着力的方法，对承印物进行电晕处理、或在油墨中加入助剂等以提高附着力。

表7 附着力测试标准

表8 VmPET薄膜附着力测试

表9 VmPET/VmPET薄膜附着力测试

表10 BOPP/Al薄膜附着力测试

表11 Al/PET/Al薄膜附着力测试

五、研究结论

从相同树脂，相同承印物、不同石墨炭黑比观察，当石墨炭黑比为13:3和13:4时，整体上RFID天线的导电性能较好，原因是，炭黑的颗粒较大，会影响油墨的成膜性以及附着力，而石墨炭黑比为13:5时，炭黑含量较多，颗粒较大，导致油墨附着力较差；从相同树脂、相同石墨炭黑比、不同承印物观察，铝层较厚的BOPP/Al、Al/PET/Al承印物上的天线导电性较好，因为铝层较厚，铝层的电阻值越小，与碳层并联的阻值越小，故铝层厚，天线的导电性较好；从相同承印物、相同石墨炭黑比，不同的树脂观察，从检测的数据可以得出氯醋马树脂性能最好，利用氯醋马树脂制备的导电油墨，具有良好的附着性，良好导电性，其成膜性较好，能良好的连接导电粒子，也能牢固的附着在承印物上。

按树脂分类，可以将本实验分为三大类，氯醋马树脂性能最好，聚乙烯聚丙烯树脂次之，EVA树脂最差。每组中RFID天线电阻率最小的做比较见图2，可以得出本实验中导电性最好的是：氯醋马树脂配成的导电油墨，石墨炭黑比为13:4，以Al/PET/Al为承印物印刷的RFID天线。这组数据中，石墨炭黑比合适，增加炭黑增强了油墨的导电性，但没有造成油墨中粒子颗粒过大，没有影响树脂的成膜性、附着力；氯醋马树脂性能最优，保证了油墨的成膜性和附着性；Al/PET/Al铝层较厚，一定程度上降低了整个电路的电阻值。结合这几个因素，实验中得到了较成功的结果，相较于将导电油墨直接印刷在如PET等非导电薄膜上，RFID天线的具有更好的导电性能。本次研究的创新之处在于将导电油墨印刷在镀铝层上，让导电的铝层和导电墨层并联，以降低电阻提高导电性。

图2 最小电阻率

导电油墨作为新兴的印刷电子产业的主要原材料之一，其广阔的应用前景和巨大的研究价值势必吸引我们做进一步探究。目前导电油墨的制备和RFID天线的设计、生产等都制约着其进一步推广。所以，现阶段对于导电油墨的各项研究都是相当急迫的。顺应RFID技术发展趋势的要求，本论文只是对RFID天线的导电性进行了简单地实验和初步的探索，进一步跟进和改善空间很大。如果使用石墨烯材料，天线的导电性能应该比本实验结果更好，希望本文的研究成果能为以后使用导电油墨生产RFID天线提供参照。