由无粘着剂的导电墨水所制成的无线天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出无粘着剂的导电碳浆，印刷在PET或是纸张纤维基材，作为无线射频识别(RFID)的天线。无粘着剂的添加可大幅提升墨水的导电性，且在超高频频宽的应用中，墨水不需要混入金属，使得射频识别的制作成本大幅降低。此导电碳浆良好的附着性，取决于导电碳材粉料和基材纤维的搭配，并通过辗压以及保护层涂布即可达到使导电碳和纸张紧密结合。
【专利说明】
由无粘着剂的导电墨水所制成的无线天线
技术领域
[0001]本发明是有关一由无粘着剂的导电墨水所制成的无线天线，其导电性可显著被提升，并大幅降低成本。【背景技术】
[0002]在专利文献中，所有的导电性墨水包含至少一种粘着剂，例如聚合物，环氧树脂， 硅氧烷，和树脂基粘着剂。该粘着剂为绝缘体，所以导电材料的数量必须增加，以保持其导电性。因此，墨水成本会提尚。
[0003]适用于天线应用的所有导电性墨水包括金属，用以作为主要的导电材料。金属的使用，不仅具有高成本的缺点，也会造成因金属氧化的有限寿命，复杂的生产过程，及一些无弹性的应用。
[0004]两种适用于无线应用的天线主要制程包括，铜/铝箱蚀刻。此方法需要复杂的程序，如腐蚀剂的高污染化学品，以及需要耐腐蚀基板设置。但其是一种高成本且具高污染废弃物的制程，同时需要用于光刻处理的昂贵设备。另一种为墨水印刷制程，包括网版印刷， 喷墨印刷，凹版印刷等印刷墨水，其具有制程简单，生产快速，及低成本的优势。然而，它的普及性受限于导电墨水的性能不足。因此，缺乏兼具高导电性和稳定性仍然是导电墨水在市场上的主要问题。
[0005]限制天线用于无线应用的性能的关键因素为电波和电流(无线电频率能量的接收和转换)之间的转换效率。以射频识别标签为例，射频识别标签包括天线及1C晶片，读取器会发送电磁波至射频识别标签。在射频识别标签中的天线会转换电磁波进入电流内， 藉以启动该1C晶片。储存在1C晶片中的数据经由天线产生的电磁波被发送回读取器内。 因此，天线的转换效率扮演至关重要的角色。为了获取良好的转换效率，天线需具备高导电性和适当的图案设计。
[0006]在一铜(铝)箱蚀刻方法中，通过本方法所制成的天线具有低电阻、高精确度、性能好的优点，但是蚀刻过程复杂，且需要用于光刻的昂贵设备。因此，成本高，制作时间长、 使用基材限制多(例如耐腐蚀基材)，为蚀刻过程的弱点，且需使用许多高污染的药剂如蚀刻液和清洗液，故制程不环保。网版印刷法是既快速又便宜的方法，可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。然而，由墨水印刷所制成的天线性能普通，其特点在于具弹性，粘着性，且其导电性取决于导电墨水的品质。但高品质的导电墨水通常会造成价格高，而抵销墨水印刷的优点。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。
[0007]由于金属粉末的导电性比块状金属还糟，下列几种方法，可改善导电墨水在学术和工业界的导电性。首先，可提高干燥温度，使金属颗粒重新调整，达到更好的导电性。在此情况下，基板材不限于耐高温类型的基板。第二，减少金属粉末尺寸至奈米等级，以便使金属颗粒可在低温下重新排列。然而，该奈米级金属将会增加成本。金属的附着性也是另一个难题，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粘着剂，但粘着剂多为绝缘体，进而影响墨水的导电性，粘着剂的添加则造成粘着性和电阻率两者难以兼顾。
[0008]—些导电墨水声称仅需使用导电性碳材料，例如碳黑，石墨，碳奈米管，石墨烯。但其电导率无法与金属墨水匹敌，因为这些碳材料具有较低的导电性。此外，粘合添加剂也会应用于此类产品中。
[0009]美国专利公开号20120277360揭示一导电墨水的导电材料组成中至少含有一种高分子粘着剂，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，其表面电阻介于〇? 〇〇1至500ohm/sq之间。
[0010]美国专利公开号20040175515揭示，以片状材料所组成的导电墨水可通过凸版和凹版印刷，印制具高导电性的天线；其也使用15至25重量百分比的高分子及树脂作为粘着剂，导电材料则以金属氧化物，金属颗粒及碳黑为主，片电阻表现则相对较高，在200至 50000ohm/sq 左右。
[0011]美国专利号7017822揭示一导电荷载的树脂基材，用以形成射频识别天线。其导电材料包括碳，石墨，及金属粉末(例如，镍，铜和银)。使用于基材的粘着剂可为环氧树脂粘着剂，或直接铸模至树脂基材上。其片电阻可达5至25ohm/sq之间。[〇〇12]台湾发明专利号1434456揭示一用于制造射频识别天线的喷墨印刷方法。其金属离子，例如，镍，金，和铜溶解在墨水中，且在干燥后可通过无电电镀的方式将金属还原。但此制程太复杂，且基板被限制必须为不织布熔岩纤维纸。
[0013]中国专利公告号CN101921505揭示一种用于射频识别天线的导电墨水，其墨水材料采用银奈米线与银纳米粒子的混合物作为导电材料，并且使用2至10%的环氧树脂。
[0014]中国专利公告号CN103436099揭示一种复合导电墨水，含有片状银粉和石墨烯。 但该银粉及树脂约占20至40%，且具有5至30%的复合物。因此其大部分的组成物仍然为银粉及树脂。
[0015]此外，中国专利公告号CN103436099揭示一石墨烯的导电墨水。该导电材料为石墨烯和类似的石墨，炭黑，乙炔黑等其它的导电碳材等。虽然无任何金属使用于此墨水中， 但其导电性并未被提及，且也未声明其可被应用于天线中。另一方面，树脂粘着剂也占所述组合物在墨水中高达0至70 %的比例。
【发明内容】
[0016]不含粘着剂的导电墨水的粘着力来自于碳薄片的良好成膜力。据报导，具分散力的石墨烯墨水可通过吸气膜过滤，简单地形成一石墨烯薄膜。该石墨烯膜片非常具弹性。这种具优势的成膜力对碳材料而言，非常独特。
[0017]由于金属粉末不具成膜性，利用粘着剂的添加，以达到良好的粘着性无法被避免。 环氧树脂为一般的粘着剂之一，其除了对基板具良好的粘着性外，该环氧树脂亦具有良好的成膜力，以便促进金属粉末之间的联结。其它聚合粘着剂，如橡胶聚合物，也可以通过其成膜性提高金属粉末的粘附力。
[0018]因此，在本发明的关键概念在于使用碳材料同时作为导电材料及粘合剂使用。在导电墨水中不需添加粘着剂，即可显著提高导电性，故可避免金属粉末的使用。通过此一概念，导电墨水的成本可以被大幅降低，而墨水印刷的好处也可被充分实现。
[0019]上述目的可利用本发明由无粘着剂的导电墨水所制成的无线天线方法被实现，其包括下列步骤:
[0020]列印导电墨水至具孔隙的挠性基板上，渗入溶剂至该挠性基板的孔隙内，其中，该导电墨水占导电材料的总固体重量比为90?99.999% (wt% )，且该导电材料包括导电碳粉，据此，一涂布膜与该挠性基板一起形成，且该共膜区域形成于该碳粉及挠性基板之间； 该导电墨水包括至少占总固体重量比为0.0001?10% (wt% )的分散剂；该导电墨水亦包括具有至少一载体的溶剂；
[0021]热干燥该导电墨水，以便形成一无线天线；
[0022]辗压该无线天线，以提高该无线天线的导线密度，其中，一压缩率为天线图案原始厚度的0.5至99% ;
[0023]可选择在天线表面加上一保护层。【附图说明】
[0024]图1A是依据本发明一较佳实施例在纸张中纤维的扫描式电子显微镜图像；
[0025]图1B是依据本发明较佳实施例显示在纸张上的天线剖视图，其中，导电墨水被涂布在该纸张上；
[0026]图1C是依据本发明较佳实施例显示在片状碳材及纸张之间上的共膜区域；
[0027]图2是依据本发明较佳实施例显示具螺旋图案的天线；
[0028]图3A是依据本发明较佳实施例显示一主要天线被印刷至一基材上；
[0029]图3B是依据本发明较佳实施例显示一绝缘层被放置于该主要天线上；
[0030]图3C是依据本发明较佳实施例显示一被印制的天线导线；
[0031]图4是依据本发明较佳实施例显示不同的天线图案与该无粘着剂的导电墨水被印制后的回波损耗状况；
[0032]图5是依据本发明较佳实施例显示从光学显微镜所显示的天线精度图像，该天线喷印有无粘着剂的导电墨水；
[0033]图6是依据本发明较佳实施例显示由无粘着剂的导电墨水所印制成的无线天线外观；
[0034]图7是依据本发明较佳实施例显示该天线可被易于撕除；
[0035]图8是依据本发明较佳实施例显示本发明一无线讯号读取器的读取测试表，其中该天线被印刷为二种类型。【具体实施方式】
[0036]依据本发明一较佳实施例的无粘着剂导电墨水可被印制于一挠性基板上，该挠性基板可为纸张或聚合物膜片，例如聚对苯二甲酸.乙二醇酯(PET)。较佳的是，在该基板内形成有多个孔隙。当墨水被印刷至基板上时，溶剂渗透进入该基板的孔隙中。此优点在于具有绝佳的成膜性，碳薄片/片粉末可以与基板一起形成一共膜。其粘着力更可通过辗压进一步被提升，该辗压将凡得瓦力(van der Waals’force)导入至该基板。依据此一概念， 基板孔隙之间的相关性，碳粉薄片的形状及尺寸对粘着度具决定性的影响。以纸张为例，当在碳粉及基板之间共膜时，图1A显示纸张的纤维扫描式电子显微镜图像(SEM)。图1B显示在纸张上的天线剖视图，其中，导电墨水1被涂布在该纸张2上。参见图1C，其是显示在片状碳材及纸张之间上的共膜区域。
[0037]本发明的导电墨水不需添加任何绝缘的粘着剂，故可降低电阻。同时，与电阻相关的因素包括碳粉涂布厚度，尺寸及其形状，以及涂膜的密度。一般而言，通过增加涂布厚度， 提高涂膜密度，选择具较大直径与厚度的碳粉皆可降低电阻，
[0038]因此，该片状导电碳材的电阻为0.1至2000ohm/sq(电阻率1 X 10-6至 8X l〇-3ohm_m)。而适用于无线天线的片状导电碳材的电阻为0.1至50ohm/sq(电阻率 1 X 10-6 ?2.5 X l〇-4ohm_m) 〇
[0039]本发明最佳的导电材料为具石墨结构的导电碳粉，该碳粉包含石墨烯、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，该碳粉的厚度为1至 10000奈米(nm)，粒径为0.1?100微米(um)，该导电材料占墨水中总固体重量比为90? 99.999% (wt% ) 〇
[0040]分散剂亦包含在该导电墨水中。该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含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，其中该非离子型分散剂包含Poly (sodium 4-styrenesulfonate) (PSS)，3 - [ (3-Cholamidopropyl)dimethyl ammon1]_1-propanesufonate(CHAP S) , 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。该分散剂占总固体重量比为〇.0001?10% (wt% )。
[0041]该导电墨水的溶剂可为一或多个载体。该载体可为纯水，有机或是非有机溶剂。 该适用的载体包括:Methyl_2-pyrrolidone(NMP)，IPA(Isopropyl alcohol)，ethanol， glycerol, ethylene glycol, butanol, propanol, Propylene glycol monomethyl ether (PGME)，Propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA)其中的任一种。
[0042]该无粘着剂的导电墨水的总固体含量占墨水总重量比为2至85% (wt% )。
[0043]而本发明的墨水印刷方式包括网版印刷、凸版印刷、凹版印刷和喷墨印刷其中任一种，藉此，即可制造由无粘着剂的导电墨水所印制的无线天线。在本发明上述方法步骤的一实施例中，若采用网版印刷方式，其网版目数为1〇〇至400目之间。若采用喷墨印刷方式， 其最佳的印刷精准度甚至可达〇.lum的等级。
[0044]而挠性基板上，像是纸张或聚合物膜片，如PET，皆可被使用。在本实施例中的纸张，其基重范围为10至500g/m2、密度为0.5至2.5g/cm3,平均孔径为0.02?500 y m。
[0045]热干燥法为该导电墨水的主要干燥方法。其加热温度范围为30至300°C，温度越高则加热时间越短。在干燥步骤后，天线会被进一步辗压，以便提高无线天线的导电线密度。该辗压比例为天线图案原始厚度的0.5?99%。
[0046]抛光/层迭一保护层可选择性加入至特定天线的表面，以提升该天线性能。而抛光材料可以是聚酯(PET)，聚丙稀(PP)，聚乙稀醇(PVA)，清漆(varnish)，定向聚丙稀 (0PP)，聚氯乙烯(PVC)等。
[0047]该由无粘着剂的导电墨水所印制的天线可应用于无线应用中，包括高频 (HF，13.56MHz)，超高频(800至1000MHz)，微波(2至5GHz)，甚至是更高的频率，如50GHz。
[0048] 在应用上，如图2所示，该用于高频或无晶片射频识别且具螺旋图案的天线需要两层导电层，该两导电层被一绝缘层隔离。其可利用一阵列式多步骤印刷来达到印刷三维 (3D)天线目的，该步骤包括:
[0049]A).于基板上印上主要天线，如图3A所示；
[0050]B).于该主天线的表层再印刷上一绝缘层，如图3B所示；
[0051]C).最后印上天线导线，完成三维结构的天线印刷，如图3C所示。
[0052] 较佳的是，网印或是多通道喷墨印刷可以完成上述印刷程序。
[0053] 请参阅图4,其显示不同的天线图案与该无粘着剂的导电墨水被印制后，测量到的回波损耗状况。它清楚地表明，在不同的频率范围内的信号对应于特定的天线方向图。在此示例中，显著的信号可以同时在UHF和微波频率的无线天线应用中被发现。
[0054]图5及图6显示本发明无粘着剂的导电墨水所印制的天线。本发明无线天线的外观与该铝箱蚀刻的天线并无不同，且导线与晶片的连接点，精准度可达150 ym内不短路。 因此，本发明可直接印制在纸张上，明显简化金属蚀或天线传输的制造过程。此外，如图7 所示，该天线可易于撕除，并可应用于多功能基板上，且降低成本。
[0055] 较佳的是，1C晶片可黏接至具有不含粘着剂的导电墨水所制成的天线。
[0056]如图8所示，其为一无线讯号读取器的读取测试表，其中该天线被印刷成两种类型。一种是直线图案，而另一类为曲线图案。该天线电阻显示于列表中。由此列表可知这两种类型的天线皆可被读取。因此，本申请的无粘着剂的导电墨水所印制的天线可适用于无线应用中。
【主权项】
1.一种由无粘着剂的导电墨水所制成的无线天线方法，其特征在于，包括下列步骤:列印导电墨水至具孔隙的挠性基板上，渗入溶剂至该挠性基板的孔隙内，其中，该导电墨水占导电材料的总固体重量比为90?99.999 % (wt % )，且该导电材料包括导电碳粉，据 此，一涂布膜与该挠性基板一起形成，且该共膜区域形成于该碳粉及挠性基板之间；该导电 墨水包括至少占总固体重量比为0.0001?10% (wt% )的分散剂；该导电墨水亦包括具有 至少一载体的溶剂；热干燥该导电墨水，以便形成一无线天线；辗压该无线天线，以提高该无线天线的导线密度，其中，一压缩率为天线图案原始厚度 的 0.5 至 99% ;可选择在天线表面加上一保护层。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该导电墨水的电阻系与电碳粉涂布厚度， 尺寸及其形状，以及涂膜的密度相关，且该电阻为〇.1至50ohm/Sq(电阻率1X10-6? 2.5X l〇-4ohm_m) 〇3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该碳粉包含石墨烯、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，该碳粉的厚度为1至10000奈米(nm)，粒径为 0.1 ?100 微米(um)。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该分散剂可为离子型分散剂或非离 子型分散剂，该离子型分散剂包含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，其中该非离子型分散剂包含Poly (sodium 4-styrenesulfonate) (PSS)，3 - [ (3-Cholamidopropyl)dimethyl ammon1]_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。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一载体包括: Methyl-2-pyrrolidone (NMP), IPA (Isopropyl alcohol), ethanol, glycerol, ethylene glycol, butanol, propanol, Propylene glycol monomethyl ether(PGME)， Propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA)其中的任一种。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该无粘着剂的导电墨水的总固体含量占墨 水总重量比为2至85% (wt% )。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该保护层可为聚酯(PET)，聚丙烯(PP)，聚乙 稀醇(PVA)，清漆(varnish)，定向聚丙稀(0PP)，聚氯乙稀(PVC)其中的任一种。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该无线天线为一三维天线，且包括于该基板 上印上主要天线，于该主天线的表层再印刷上一绝缘层，并印上天线导线。
【文档编号】H01Q1/38GK105990675SQ201510089218
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月27日
【发明人】赖中平
【申请人】赖中平