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纳米管RFID更好的条形码

2020-08-11 05:52:22

塑料RFID标签将是第一款使用了打印的纳米管晶体管的产品。

无线射频识别(RFID)标签使得缴纳通行费和公共交通费变得轻而易举。但是由硅制成的标签还是太贵,无法替代无处不在的条形码通过远程扫描仍在篮子里的货物那样加快商场结账的速度。

卷轴:如果开发者能将价格降到1美分甚至更低,用滚筒式打印的塑料RFID标签或许可以替代条形码。

廉价的塑料RFID标签可能很快会改变这种情况。韩国顺天的研究人员已经利用一系列工业方法在塑料薄膜上打印了RFID标签:滚筒式打印、喷墨打印和硅橡胶冲压。他们使用了含有不同材料的墨——银、碳纳米管及纳米粒聚合物——用来一层层堆积标签中的成分,如电容和晶体管

负责这项研究的顺天国立大学打印电子工程学教授Gyoujin Cho估计每个标签花费3美分。为了取代条形码,RFID标签应当花费1美分甚至更少。不过Cho表示,如果标签上的所有层都用滚筒式打印堆积,那么这应该是可以实现的。目前的一版能够储存有用数据的原型将在今年晚些时候上市,他说。

新的RFID标签将成为首个使用碳纳米管制成的打印晶体管的产品。十年来,研究人员一直在研发纳米管油墨,但是到目前为止市场上唯一的纳米管电子产品是陈列电极的薄膜。碳纳米管油墨制造商西南纳米科技(SouthWest NanoTechnologies)的里克•强森(Rick Jansen)表示,高质量的、有足够的均衡性和黏性能用于打印的纳米管油墨的生产成本很高。

用纳米管油墨制造晶体管很困难的原因还在于,混合物的三分之二是半导体,三分之一是金属,金属成分使得整个混合物变成了导体。Cho和顺天Paru Corporation的研究人员开发了一个使得纳米管油墨具有半导体特性的简单过程,并获得了专利。他们在溶液中为金属管涂上一层聚合物。“你把它们与特定的聚合物放在一起摇晃,包裹上一层聚合物,然后就不用管它们了。” 莱斯大学化学教授詹姆斯•图尔(James Tour)说。他也参与了新的研发工作。

由此产生的晶体管很大,而且表现不如硅设备好。但是,图尔说,“RFID标签是一种完美的应用,因为成本很低。”

制作能在使用纳米管油墨的柔性显示器中控制像素的晶体管阵列更富有挑战性。“你需要更好的晶体管来配合显示器,”他说。“我们可以用碳纳米管油墨打印小的晶体管,但大量打印并排成一个很好的阵列比较困难。”不过,Cho表示韩国的团队正在研究制作能用纳米管晶体管控制回路的显示器。

用来追踪物体的被动RFID标签主要由两部分组成:一个硅集成电路以及一个通常由固体铜或可印银墨制成的天线。天线线圈从阅读器的射频信号处捕获交流电源,经过整流电路,交流电变成直流电。另一个电路使用该电源产生传回阅读器的信号,传递储存在标签上的信息。

Cho和他的同事们开始用滚筒式程序放置天线线圈、底部的银墨电极层以及之后的绝缘层,钛酸钡纳米聚合物油墨。然后,他们用喷墨打印机放置碳纳米管油墨层,来制作电路晶体管。最后,用硅橡胶冲印制作RFID标签的整流电路所需的电容器和二极管。他们利用含钴的氧化锌纳米线油墨制作二极管的半导体层,用铝粉浆制作上电极。研究人员将他们的工艺发表在3月份的《IEEE 电子器件汇刊》(IEEE Transactions on Electron Devices)上。

完成的标签大小是标准条形码的3倍,而它只能储存1比特的信息,1或者0,因此它只能向阅读器发出是或否的回应。Cho表示,明年64比特的标签就能推出市场。最终的目标是用96比特的标签代替条形码。

“真正的影响在于它们在价格上是否有竞争力,”莱斯大学机械工程和材料科学教授普利凯尔•阿加(Pulickel Ajayan)说,他并没有参与研究,“那是纳米管能发挥作用的原因之一。这是一个滚筒式程序,使得它可以进入市场。”

提高滚筒式打印机的分辨率和精度,就能让更小的标签携带更多的信息,Cho说。但是他们还需要改善电路,以发出更强的功率信号。目前,阅读器只能在10厘米外工作——还不足以用于收银台。

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