导电银浆RFID技术及市场

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  RFID(Radio Frequency Identification),即射频识别,俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。一个完整的RFID系统通常由存储标识物信息的电子标签、用于读写标签数据的读写器以及进行数据处理的计算机软件组成。RFID技术利用无线射频方式进行双向通信(交换数据)以达到自动识别目的,具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读写距离远、标签上数据可以加密、数据存储容量大、存储信息可更改、可识别高速运动物体、可同时识别多个标签,操作快捷方便。

  現時应用于生产过程管理、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通等多个领域。

  物聯網(The Internet of things):通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃瞄器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡單來說,物聯網就是“物物相連的互聯網”,它有兩層意思:第一,物聯網的核心和基礎仍然是互聯網,是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;第二,其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通訊。互聯網是把一切事物裝入計算機中,而物聯網是把計算機裝入一切事物中。

  RFID標籤(Radio Frequency Identification)即無線射頻識別標籤,屬於智能卡的一種。RFID是一種利用無線射頻進行非接觸雙向通信的識別方式,它在二戰時期出現,70年代開始使用,90年代開始大規模使用。技術已廣泛應用於我們生活的各個領域,如最簡單的門禁卡、公交車乘車卡、校園卡等。RFID技術在零售業的應用中,廣泛認同的一個模式——「未來商店」模式。

  在未來的商店裡,所有的商品都貼有RFID標籤。客戶在商店裡接觸到RFID技術有兩處:所謂的智能貨架與智能收銀台。智能貨架,就是在貨架上裝有RFID標籤掃描器,它能自動提示貨品離架和擺放位置錯誤,解決及時補貨和正確上貨的難題;商店裡不再存在傳統的收銀台,而被一個智能收銀台取代。智能收銀台可以通過一個安裝RFID標籤掃描器的出口處的屏風來實現。顧客的手推車經過該屏風時,車裡面的所有購品瞬間被掃描,同時智能收銀台自動從顧客的信用卡上轉走所有貨物的總費用。這樣使客戶輕鬆結賬,不再需要長時間地在傳統收銀台前排隊等待。

  1. RFID標籤的成本障礙

  從上面的應用模式上可以看到RFID標籤帶給我們更方便、更高效的消費生活。然而,要想實現每一個商品都貼上RFID標籤,還有一段很長的路要走,這裡的瓶頸之一就是RFID標籤的成本相對較高。就目前而言,每枚標籤的成本已跌到l美元以下,達到20~70美分。這對於價格高的產品是無所謂的,但是對於很多諸如牙刷、鉛筆這樣價格低廉的商品來說將被視為一個成本障礙。因此,要全面推廣RFID標籤就應在保證標籤性能的前提下降低標籤的製造成本。

  2. 印刷技術在標籤成本上的優勢

  RFlD標籤主要可分為三大類:無源RFID標籤、半有源RFID標籤和有源RFID標籤。對於零售包裝上的RFID標籤一般都是無源的RFID,它是一種被動的RFID標籤,因為它需要接受閱讀器發出電磁信號,感應出電流,然後發出電磁信號給閱讀器,實現標籤與閱讀器間的信息傳送。這種標籤的結構一般為:基材、芯片和內置天線(線圈)。目前線圈的製造方法有:銅絲繞製法、化學腐蝕法、電鍍法和直接印刷法。這四種方法中值得重點發展的是直接印刷法,因為該方法具有天線的高速印刷、耗材成本低的優點,這樣可以明顯降低RFID標籤的成本。

  3. 導電油墨的推動力

  直接印刷天線的技術中,導電油墨是一個重要的推動力。沒有導電油墨的發展,就沒有印刷技術在RFID標籤製造中的應用。導電油墨由一些易傳導性的粒子、樹脂或更為特殊的原材料組成,如傳導聚合體。導電油墨經印刷到基材上乾燥後,由於導電粒子間的距離變小,自由電子沿外加電場方向移動形成電流,具有良好的導電性能,從而使油墨擔當天線的作用。油墨質量對於提高導電性能,降低油墨消耗是有著重要的意義。一個好的導電油墨配方,要求具有良好的印刷適性,印刷後具有附著力強、電阻率低、固化溫度低、導電性能穩定等特性。

  4. 直接印刷天線技術的研究

  目前,直接印刷天線的方法還處於研究階段。在進行RFID標籤的天線印刷時,由於不同工作頻率的 RFID標籤的天線線圈將對應不同的圈數、線圈厚度和每一圈之間的距離(如:HF波段使用13.56 MHz的芯片,通常它要求線圈圈數為6,厚度約為20μm。UHF波段使用868 MHz和950 MHz的芯片,線圈截面厚度約為4μm。),故所印刷的墨層厚度、每一道線的寬度和乾燥後的圖形輪廓都有嚴格的允差範圍(如:兩次重疊套印的誤差必須在0.1mm之內)。

  在研究使用絲印方式進行直接印刷天線時,得到以下有益的經驗:網孔選用六角形的孔形,這樣有利於導電油墨的徹底轉移;導電油墨選用溶劑型的油墨更佳;創造優良的油墨乾燥條件(如:減小烘箱內的風速,加熱溫度在140℃,加熱時間在30秒到120秒之間),有利於印刷線圈圖形輪廓的精確成形。目前瑞士的一家輪轉網版印刷設備公司已經為智能標籤印刷製造了一條專用的生產線。

  德國斯圖加特媒介大學在研究凹印方式進行直接印刷RFID標籤的試驗中,得到以下有益的結論:最好的製版方式是使用金剛石的電子雕刻方法,分辨率選在5080dpi。這時幾乎沒有鋸齒邊,並且能精確地傳送需要的單元;前端製版所需的圖像文件格式使用位圖格式,這樣圖形信息不易損失;對於網點的結構,需要選用一種特殊的有別於傳統網穴的開放型網穴,如圖二。如果使用傳統的網穴,那麼網穴間的網牆將會把導電油墨分割開,不能形成連貫的通路;開放型的網穴既保留網牆又能輕鬆地解決網牆分割油墨問題。

  印刷技術參與到RFID標籤製造中去,這將是一個非常有益的嘗試。隨著印刷工藝參數研究的不斷深入,導電油墨配方的不斷改良,必將使印刷技術在RFID標籤製造中扮演重要的角色。

  一、油墨的發展回顧

  印刷行業中,油墨的地位是不言而喻的。文字與圖像的呈現完全依靠油墨與承印材料的作用。五顏六色的包裝,醒目的戶外廣告,色彩斑斕的圖書,這些都離不開油墨的功勞。各種不同的印刷工藝對油墨性質的要求也有所不同,這就使油墨的種類不斷細化。同時,隨著印刷行業的發展,油墨已經不僅僅用於呈現圖文了,它還具有防偽、裝飾等作用。各種各樣具有特殊工藝的油墨不斷湧現,使油墨家族變得越來越龐大,其成員也各具特色。近些年來,有一種被稱為電子油墨的種類悄悄出現在油墨行業,並且以其獨特的個性引起人們的廣泛關注,對人類的獲取視覺信息的方式將帶來一定的影響。

  二、電子油墨的技術優勢

  1. 起因 網絡的出現曾一度給傳統的書報帶來了不小的衝擊,在互聯網上,我們可以看新聞,可以讀小說,也可以瀏覽到各種各樣的信息,並且可以根據個人喜好有選擇的看,其方便程度不言而喻。一些人曾擔心我們傳統的紙制的書報將會被網絡所替代,但事實證明,人們的閱讀習慣還是傾向於傳統的閱讀方式,所以紙張和這些圖文的呈現工具——油墨,仍然是不可摒棄的。但現在,人們對於圖書的要求也是要越來越精美,這就在一定程度上增加了書籍的重量,於是書籍也不再單單是休閒的工具,而在一定程度上變成了一種負擔。怎樣才能使傳統的書報變得輕便,易於攜帶且信息量只增不減呢?我們需要對紙張進行改造,而電子油墨正是這一新型材料上呈現圖文的工具。

  2. 結構 電子油墨由美國E-ink公司出品,具有傳統紙質油墨的外觀和電子顯示的能力。結構如圖一,它本身是一種液體,由成百萬的直徑大小約有100μm的微粒膠囊構成(類似於頭髮的粗細),而膠囊則由在有色染料上懸浮著的白色微粒組成,這些白色微粒是關鍵物質,是由氧化鈦研磨而成的小顆粒。這個微粒膠囊夾在兩個極性相反的電場中間。當氧化鈦本身是負電荷而加在上面的電場是正電的時候,它將移向帶有正電的表面。——於是它就可以顯示白色像素了;如果極性相反,則帶負電的氧化鈦顆粒就受到排斥遠離頂層,染色的油墨就顯現出來,這些發出不同顏色的膠囊進行適當的排列組合,就可以印出各種各樣的文字和圖案來,通過控制氧化鈦顆粒在膠囊中的位置可以獲得灰度圖像。只要這張電子紙不損壞,就可以重複使用無數次。

  3. 優勢 與傳統油墨相比,電子油墨的一些優勢十分突出:

  ①適印性強,適用幾乎所有的材料。不管它具有多麼明顯的個性,電子油墨始終是一種油墨,它要具備基本的油墨適性——適印性。它可以印在紡織品、紙張、塑料和別的許多材料。與液晶顯示器不同,電子油墨可以在塑料表面顯示,這使其超薄,富有彈性而不易碎。

  ②邊緣銳化度高,圖像清晰。利用精度較高的設備對電子油墨形成的圖像及靜電複印干粉形成的圖像相比,前者具有更清晰的銳化度,在印刷連續調圖像時,這種優勢更為突出。

  ③耐光性好,不易褪色。與傳統油墨不同,電子油墨中的色素顆粒是封裝在塑膠樹脂中的,能保護色素的化學成分不被氧化或潮濕空氣的影響,在紫外線照射下也不會發生變化。

  ④乾燥迅速。對於傳統油墨來說,油墨在到達承印物之後,會有一個乾燥的過程,對於不同的油墨來說,乾燥的性能也不同,所需時間長短也不固定,對於不同的印刷工藝,要適當的進行進一步的乾燥處理,但電子油墨不需要這樣,電子油墨一旦轉移到承印物上之後,會自動固化,因此可以說是即時乾燥。
除了上述優勢外,它還具有一些自己特有的特點:

  ①亮度高。電子油墨的顯示亮度是LCD液晶顯示器的6倍且其顯示媒體材料厚度上也要比LCD液晶顯示器要薄大約30%左右。從任何一種角度閱讀都不會產生亮度的改變,具有180度視角。對於光線的強弱也沒有十分嚴格的要求,不同強弱的光線其閱讀效果不會發生變化。

  ②電子油墨的能耗低,效果持久,圖像質量穩定。油墨中的塗料顆粒一旦達到一種狀態之後,圖文被形成,切斷電源後,電子油墨構成的圖文仍然可以保留在屏幕上,於是在頁面形成後,可以斷開電源閱讀,並且不需要額外的能源支持。只有在內容改變時才消耗能量,改變一個3inch的字符約需12mj。

  ③這種電子油墨因其成本低廉,可以大面積使用,並且可以常刷常新。目前電子油墨的符號顯示設計,所採用的刷新頻率低於1秒,可能達到的刷新的速度超過每秒60次。

  ④色域廣。類似於傳統油墨的顯色能力,顏色數多。其專色系統的電子油墨將色域拓展到四色基本色所不能達到的色域。根據國際色彩標準進行印刷,通過電子調整色彩的濃度,從而適合不同的印刷需要。彩色的電子油墨顯示工具可以顯示上千種顏色。

  三、電子油墨的應用

  目前,由於電子油墨已經逐漸為人們所熟識,其應用範圍也日漸增大。例如,它可用於捲筒紙印刷,用作無色承印材料的不透明白色塗層,也可用於光澤廣告紙和別的大版式標籤,其固有特點讓其可靈活地顯示,就像在紙張上的顯示一樣,如圖二所示。電子油墨還可以印刷在曲面上,印品的表面還可以彎曲;並且僅僅需要改變內容時才消耗功率。在和PANTONE兼容的Indigo專色系統也有電子油墨的應用。在Indigo的彩色數碼柯式印刷機中,有一個特有的功能組合,印刷機全部採用電子油墨(即Indigo的獨特液體油墨)。電子油墨能達到極小的顆粒(1~2μm),這樣小的微粒使印刷能達更高分辨率和光滑度,銳化的圖像邊緣,形成極薄的圖像層。

  索尼公司與美國的麻省的EInk公司,荷蘭飛利浦和日本的Toppan印刷技術公司聯合研製,推出的Ebook閱讀器Librie,也採用了E-Ink電子油墨技術。其閱讀器的分辨率有800x600dpi,黑白字體的清晰度足以勝過任何LCD液晶顯示屏。

  近日在日本Aichi舉行的EXPO2005展會中,Toppan Printing 展示了其趨於成熟的E-ink電子油墨技術—— 一塊牆壁大小的E-ink顯示屏,如圖三。這塊顯示屏是由272塊獨立的電子墨水面板組成。Toppan Printing的E-ink電子油墨技術類似於Sony LIBRIe電子閱讀器,後者以其細膩平和的顯示效果曾經讓不少人折服。

  到目前為止,對於電子油墨的最新的應用當屬世界第一塊電子紙手錶,如圖四。由E-ink公司與日本愛普生公司等多家機構聯合推出。這款手錶具有易讀、超薄及可彎曲等優點。由於其顯示時不需要背景燈,其固有的穩定性記憶能力使呈像時也不需要能量來維持,因此還具有低耗能的特點。這款手錶預計在2006年將推向市場。

  四、市場展望

  1. 市場潛力。 電子油墨的應用前景充滿希望,吸引了不少商家,美國Hearst公司為此已投資數百萬美元,用來研究開發重複使用的報紙,摩托羅拉公司也希望把它作為無線技術業務的一項外延產品,以色列的Indigo公司推出世界上第一台數字式彩色膠印機E-print 1000時也曾用過稱這為電子油墨的新型專用液色劑。而其創始公司E-Ink公司也在不斷與IBM公司及Lucent Tech-nologies等公司合作,致力於生產電子油墨的顯示器。

  2. 前景展望。 目前,國內的廠家還無法生產電子油墨,在數字印刷領域,這無疑是我們的一項空白,要想使我們的印刷質量能盡快達到國際水平,新技術的研製和開發、新產品的生產和推廣都是我們應該著重努力的方向。由於其價格、使用設備及其它一些客觀條件的限制,短時間內電子油墨在國內的使用不會像傳統油墨那樣普及,但這並不能抹煞它的優勢。對於絕大多數印刷廠來講,這還是一塊未知領域,其極大市場潛力不容忽視。我們追求的是高品質的印品,而電子油墨具有體現印品高質量的能力,相信在不久的將來,電子油墨的應用一定會更加廣泛,國內的印刷廠家也應該抓緊商機,在未來的競爭當中佔有先機。

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