RFID antennák előállítása Bevezetés A rádiófrekvenciás azonosítás piaca rohamos növekedésnek indult az elmúlt évek során, előzetes becslések szerint az olcsó passzív tag-ek részesedése az évtized végére eléri a 3,9 milliárd USD-t. Számtalan előnyének köszönhetően, úgy, mint gyors és rugalmas olvashatóság, kis méret, nagy megbízhatóság, írható memória, rövid időn belül teljesen kiszoríthatja a vonalkódos azonosítókat. Az RFID tag-ek a chip által nyújtott többlet szolgáltatásoknak köszönhetően olyan területeken is alkalmazhatóvá válnak, ahol a vonalkódos azonosítók nem. Elterjedés és az árak kapcsolata Jelenleg az RFID azonosítók szélesebb körű elterjedésének legnagyobb korlátja azok magas ára. A címkék teljes költségének nagyobbik részét még mindig a chip teszi ki, ami 30-70%-a a tag teljes bekerülési költségeinek. Az olcsóbb kategóriák felé haladva a chip ára egyre növekvő részét teszi ki az összköltségeknek. A fennmaradó részt az antenna, a hordozó anyag és az összeépítés költsége alkotja. A chip-ek árának csökkenése a közeli jövőben nem várható a folyamatos technológiai fejlesztések ezt nem teszik lehetővé. A következő ábra egy UHF RFID címke felépítését és fontosabb alkotóelemeit szemlélteti. A fenti okokból a megoldást az antenna árának csökkentése jelentheti, a következőkben ennek lehetőségeit vizsgáljuk a gyártási technológiákkal és a felhasznált anyagokkal összefüggésben.
Technológiák és költségek Jelenleg az RFID címkék antennáinak elkészítésére többféle technológiai alternatíva is kínálkozik, ezek mindegyike rendelkezik előnyökkel és hátrányokkal, a következőkben ezeket elemezzük. Az antennarétegek kialakíthatóak vezető, többnyire vörösréz fóliából maratással vagy kivágással, ami a réteg vastagságának következtében alacsony elektromos ellenállást eredményez. Ez azonban csak látszólagos előny, ugyanis az RFID antennák működési frekvenciasávjában (860-960MHz) a vezetőben haladó elektromos áram másként viselkedik, mint az egyenáram. A jelenséget skin effektusnak vagy skin hatásnak nevezik, lényege hogy az elektromosan vezető anyagokban folyó áram a frekvencia növekedésével arányosan a vezető felülete felé tolódik, tehát az áramsűrűség nem egyenletesen oszlik meg a vezetés irányára merőleges metszetben. Az alábbi ábra szemlélteti a jelenséget kőr keresztmetszetű vezető esetében. A skin effektus hatására létrejövő áramsűrűség szerkezete a keresztmetszetben a frekvencián kívül függ a vezető anyagtól és annak fajlagos vezetőképességétől is, erre a későbbiekben visszatérünk.
A következő diagram egy alacsony ellenállású vezetőben létrejövő skin hatást szemlélteti a frekvencia függvényében. Mint látható, az RFID címkék működési frekvenciatartományában (860-960 MHz) a skin mélység 2,8-3 mikrométer. Ebből következik, hogy az antenna vezető rétegének vastagságát a skin mélység egy-kétszerese fölé növelve az antenna ellenállása lényegében nem csökken tovább, mint az a következő ábrán is látható.
Visszatérve az antennaréteg kialakításának módjára, megállapíthatjuk, hogy az elvárt 3-8 mikrométeres vezetőréteg vastagság vörösréz fóliából maratással vagy kivágással egyaránt elkészíthető, viszont mindkét eljárás idő és munkaigényes, az olcsó címkék előállításához célszerű gazdaságosabb módszert választani. A fóliából készült antennákat magasabb áruk ellenére máig is alkalmazzák annak köszönhetően, hogy ellenállóbbak és hosszabb élettartamúak (>10 év) mint a következőkben ismertetésre kerülő olcsóbb társaik. Ilyen eljárással készült címkék találhatók többek között az útlevelekben és személyazonosító igazolványokban. Nyomtatott antennák A megoldást a nyomdatechnikai eljárások jelentik, ezek több fajtáját is alkalmazzák az olcsó UHF RFID tag-ek előállítására. A nyomtatáshoz elektromosan vezető pasztákat alkalmaznak, melyeket röviditve ECA-nak ( electrically conductive adhesives) nevezzük. Az alábbi ábra a leggyakrabban alkalmazott nyomtatási eljárásokat szemlélteti. Egyrészt, mint az elvárható, a fejlettebb nyomdatechnikai eljárások olcsóbb antennákat eredményeznek, másrészt a fejlettebb eljárások segítségével egyenletesebb minőség biztosítható. A nyomtatott vezetékek ellenállása arányos a hordozóra felvitt vezető réteg vastagságával.
Ebben az esetben is érvényesek a fólia antennáknál már említett követelmények, tehát a nyomtatott vezető réteg vastagságának nagyobbnak kell lenni a skin effektus mélységének egy-kétszeresénél. A technológiák vizsgálatához hasonlítsuk össze a nyomtatási sebesség és ár tekintetében egyaránt szélső értékeket képviselő eljárásokat. A szitanyomás több mint 2000 éve ismert technika, lényege, hogy egy sűrű szövésű hálót (szitaszövet) merevítő keretre feszítünk, majd a nyomtatni nem kívánt területeken kitöltjük a festék áthatolását gátló anyaggal (emulzió). A szitaszövetre festéket öntünk, majd a nyomtatandó felületre helyezzük. A szitaszövet felületén átpréseljük a festék egy részét, egy lehúzó gumi (rákel) segítségével. A nyomat felbontása speciális bronz szitaháló alkalmazásával elérheti a 0,04 mm-t. A szitaszövet jellemzésére a mesh számot alkalmazzák, jelentése az 1 coll (2,54 mm) hosszban található szitahuzal kereszteződések száma. A szitanyomás relatíve lassú eljárás, a felvitt rétegek vastagságát nehéz szűk tűrésen belül tartani. Mindezek ellenére egyedi abban a tekintetben, hogy rövid idő alatt (30-60 perc) készíthető ezzel az eljárással laboratóriumi körülmények között nyomószita kis szériák teszteléséhez. A leggyorsabb és egyben leggazdaságosabb nyomtatási technika a mélynyomás (gravure printing). Az eljárás kulcseleme a nyomóhenger, amely egy a felületén megmunkált többnyire fémből készült szerszám. A henger felületébe ismétlődő mintázatokat marnak CNC vezérlésű gravírozó gépek segítségével. A mintázat mélységét változtatva az egy nyomtatási ciklusban felvitt paszta mennyisége széles határok között és rendkívül pontosan beállítható. A következő képen egy mélynyomó henger felületi kiképzése látható.
A szitanyomással összehasonlítva látható, hogy a mélynyomás szerszámköltsége nagyságrendekkel magasabb, a nyomóhenger elkészítése magas szintű gépesítettséget igényel. Ennek ellenére nagy darabszámok (több százezer nyomat) esetén a mélynyomás gazdaságosabb technológia, miután a nyomtatás sebessége 10-60 m/perc, a nyomtatható hordozó szélessége 600-1200 mm. Az RFID antennák pontos nyomtatása érdekében 10 m/perc sebességgel és 1 m hordozó szélességgel, valamint 80x15 mm-es tag mérettel számolva 8330 antenna nyomtatható így percenként. A mélynyomó gép működése alig bonyolultabb, mint a szitanyomás eljárása. A nyomóhenger egy festéktároló tartályba merül, amely esetünkben a vezető pasztát tartalmazza. A henger forgása közben a bemarások telítődnek a pasztával, majd elhaladnak a lehúzó kés (doctor blade) alatt, amely eltávolítja a felesleges anyagot. A már lehúzott mintázat tovább fordulva eléri a hordozó felületet, amelyet egy másik henger nyom az ellentétes irányból, az úgynevezett préshenger (impression roll). A nyomat hordozójaként leggyakrabban 30-100 um vastagságú hő stabilizált PET (polietiléntereftalát) fóliát alkalmaznak.
A leírt folyamatot az alábbi ábra szemlélteti. Elektromosan vezető paszták összetétele A nyomtatott RFID antennákhoz alkalmazott vezető paszták két fő alkotóelemre bonthatók, a vezetőképes töltőanyagra, amely lehet ezüst, réz, nikkel és egy nem vezető polimer gyantára, ami lehet poliészter, poliuretán, epoxi vagy kerámia, azaz olyan diszpergálószerek, amelyek megfelelnek a nyomtatás kritériumainak. A kötőanyagok magas elektromos ellenállása nem kedvező tényező, az antennák ellenállásának növekedése rontja a tag-ek olvashatóságát. A vezető paszták töltőanyagai lehetnek fémek, szén és vezető tulajdonságú polimerek, de máig az ezüst bizonyult a legjobb anyagnak erre a célra. Elektromos vezetőképessége a
legmagasabb (a szupravezetőktől eltekintve) a jelenleg ismert anyagok között és a korábban már tárgyalt skin hatás szempontjából is ideális választás. Az ezüst további kedvező tulajdonsága a kémiai passzivitása, ennek köszönhetően a vele készült nyomat elektromos tulajdonságai hosszú távon is stabilak maradnak. Az ezüst töltőanyagokat előállításuk során mikron méretű pehellyé őrlik, ezután keverik a diszpergáló szerekhez. A paszta eredő elektromos vezetőképességét nem csak az ezüst ellenállása befolyásolja, hanem a perlokáció (átszivárgás) hatékonysága is, vagyis mennyire jó a kontaktus a vezető szemcsék között. A töltőanyagot mechanikus módszerekkel állítják elő, többnyire golyós őrléssel. Az eljárás során előállított ezüst pehely anizotróp morfológiát mutat, ami elősegíti a szükséges perlokációs küszöb elérését, tehát csökkenthető a minimális töltőanyag tartalom az elvárt vezetőképesség megtartása mellett. A pasztákhoz kevert ezüst szemcsék mérete 3 mikron és 30 mikron között változik. A tapasztalatok alapján az ennél nagyobb szemcseméret inhomogénné teszi a vezető paszta fizikai tulajdonságait, míg az
ennél kisebb szemcseméret megnöveli a töltőanyag-diszpergens keverék viszkozitását, ami problémákat okoz a nyomtatási folyamat során. Az alapanyagok ára Az ezüst árát tekintve a középmezőnyben foglal helyet a fizikai, kémiai és elektromos tulajdonságok szempontjából megfelelő töltőanyagok között. Az alábbi táblázatot áttekintve megállapítható, hogy ez közelítőleg 10%-a a legolcsóbb távol keleten gyártott címkék nagykereskedelmi árának (~0,1 USD), ugyanis az elmúlt évek során az egy címkére eső ezüst tömege változatlanul átlagosan mindössze 10,9 mg, ennek ára a jelenlegi árfolyamon 0,011 USD. A fenti táblázatból látható, hogy a 2017-re becsült RFID címke mennyiség (25,79 billió darab!) legyártásához szükséges ezüst tömege 281 kg, ami a világpiacon forgalomban lévő ezüst tömegének elenyésző töredéke, így önmagában nem lesz hatással a jövőben az árfolyam alakulására. A kötőanyagként leggyakrabban alkalmazott polimer gyanták a paszta 25-30 tömegszázalékát teszik ki. Estünkben vizsáljuk a Bisphenol A diglycidyl ether elnevezésű gyantát, gyártója a Dalian CR Science Development Co., Ltd. Az anyag viszkozitása széles
tartományban választható, 700-15000 cps (centipoise) között 11 változatban rendelhető. Miután a diszpergens hozzávetőlegesen a paszta 25 tömegszázalékát teszi ki, kiszámíthatjuk az egy tag-re eső mennyiséget, ami 10,9/3=3,63 mg. A példánkban említett polimer gyanta nagykereskedelmi ára ~2,5 USD/kg, ebből kiszámítható, hogy az egy címkére eső Bisphenol A anyagköltség 0,000009 USD, gyakorlatilag nem érdemes számolni vele. Az antenna gyártásához szükséges PET fólia és papír esetében az anyagköltség szintén elhanyagolható. A fenti ábra egy olcsó UHF RFID címke nagykereskedelmi árának összetevőit ábrázolja az eddigiekben összegyűjtött adatok, valamint becslések alapján. A lehetséges pontatlanságok ellenére a költségek arányaiból látható, hogy az olcsó nyomtatási technológia (mélynyomás) alkalmazása a címkegyártásban elkerülhetetlen. Összegezve megállapíthatjuk, hogy az UHF RFID címkék gyártási költségeinek csökkentése jelenleg csak szűk tartományban lehetséges. Miután a chipek jelentős árcsökkenése a közeli jövőben nem várható, megoldást jelenthet a vezető paszták minőségének javítása, ami a gyártási folyamat kihozatalát javítja. Másrészt a vezető paszták bizonyos fizikai
tulajdonságainak módosítása megkönnyítheti a chip és az antenna közötti fizikai kontaktus kiépítését. A vezető paszták fizikai tulajdonságainak javítása Az ezüst alapú vezető paszták töltőanyagának anizotróp morfológiája az előzőekben már említésre került a vezetőképesség mértékének kapcsán. Az alábbi ábra a nyomtatási eljárás során keletkező vezető réteg kialakulását szemlélteti. A kép felső részén a nyomtatás utáni állapot látható, ekkor a polimer gyanta még tartalmazza a hozzáadott viszkozitást módosító adalékanyagokat. A nyomat h1 magassága nagyobb a végleges állapotnál, az ezüst töltőanyag anizotróp szerkezete ellenére a szemcsék távolságuk miatt kevesebb kontaktust létesítenek. A második fázisban az adalékanyagok távoznak a polimer gyantából, a szemcsék közötti távolság csökken. Ebben a szakaszban a vezetőképesség jelentős javulása mérhető. A továbbiakban a nyomatot hőkezelésnek vetik alá 130 celsius fok hőmérsékleten. Ennek hatására a polimerizáció folyamata felgyorsul, a vezetőképesség tovább emelkedik. A folyamatot két elektronmikroszkópos felvétel segítségével szemléltetjük, az első a nyomtatást követő állapotról készült, a második a szárítás és a hőkezelés után. Jól megfigyelhetőek a különbséget a szemcsék határainak távolságában, ami a folyamat során vezetőképesség megváltozásához vezet.
A paszta vezetőképességét kedvezőtlenül befolyásoló kémiai reakciók közül a legfontosabb az oxidáció. Ez részben az ezüst és a polimer gyanta összekeverését megelőzően, a levegőben található korrozív vegyületek hatására keletkezhet, másrészt a gyanta is tartalmaz minőségétől függően oxidáló szereket. Az ezüst-oxid elektromos vezetőképessége nagyságrendekkel kisebb, mint az ezüstté, így jelentősen rontja a paszta tulajdonságait. Az oxidáció csökkentésére többféle módszert is alkalmazhatunk. A bekeverés előtti oxidáció meggátlásához elegendő az alapanyag jól záró csomagolása, esetleg védőgáz alkalmazása. A bekeverés utáni oxidáció csökkentésére is folynak kísérletek, ezek közül ígéretesnek tűnik az ezüst kezelése halogén elemekkel. A reakció során létrejön a szemcsék felületén egy ezüsthalogenid réteg, amely egyrészt gátolja az oxigén hozzáférését, másrészt félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, miáltal az érintkező felületek vezetőképessége nagyságrendekkel jobb a az ezüst-oxidnál. Az alábbi ábrán egy a vezetőképességet befolyásoló fizikai tényező, a paszta összetétele, pontosabban a polimer gyanta és a töltőanyag arányának valamint a vezetőképességnek az összefüggése látható. Kísérletek folynak a vezetőképesség növelésére a töltőanyag szemcseméretének módosítása által oly módon, hogy a 3-30 mikron nagyságú szemcsékhez 10-30% arányban nanoméretű ezüstöt kevernek.