Reduzierung der Kosten von RFID-Etiketten durch Verwendung von Spezialpapieren als Trägersubstrate

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006

Reduzierung der Kosten von RFID-Etiketten durch Verwendung von Spezialpapieren als Trägersubstrate

Angelika Keck

Inhalt

1 Zusammenfassung 1

2 Abstract 2

3 Ausgangssituation 4

4 Stand der Technik 6

4.1 RFID Systeme 6

4.2 Transponder 7

4.3 Möglichkeiten der Spulenherstellung 11

4.4 Siebdruck 12

5 Untersuchungen und Materialien 14

6 Ergebnisse 18

6.1 Zusammenhänge der Kenngrößen Güte und Resonanzfrequenz 18 6.2 Kenngröße elektrischer Leiterbahnwiderstand und Einflussfaktoren 23 6.3 Zusammenhang der spezifischen Papiereigenschaften mit den Kenngrößen 32

6.4 Kombination von Antennen-Design und Drucktechnik 34

6.5 Anforderungsprofil für gedruckte RFID-Antennen auf Papiersubstraten 36

6.6 Optimierung der Papiere 37

7 Wirtschaftliche Bedeutung der RFID Technologie 39

8 Literaturverzeichnis 40

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1 Zusammenfassung

Thema Reduzierung der Kosten von RFID-Etiketten durch Verwendung von Spezialpapieren als Trägersubstrate.

Ziel des

Projektes Das Ziel dieses Vorhabens besteht darin, die Produktionskosten für RFID- Etiketten erheblich zu reduzieren. Dies wird über die Lösung versucht, Antennen mit leitfähigen Pasten auf Papier zu drucken. Die Projektarbeit beinhaltet deshalb hauptsächlich die Untersuchung verschiedener Papiere auf die Eignung als Trägersubstrat für gedruckte RFID-Antennen in Transponderanwendungen.

Dazu werden RFID-Antennen mittels Siebdruck-Verfahren auf die Papiere aufgedruckt und anschließend bezüglich ihrer Funktionsfähigkeit und Qualität getestet. Mittels Korrelationsanalyse ist ein Zusammenhang zwischen den Einflussbedingungen (Papiereigenschaften) und der Qualität der RFID-Antennen zu prüfen. Nach Möglichkeit ist eine Optimierung der Papiere, z. B. in Form von Oberflächenbeschichtungen, bezüglich positiver Eigenschaften vorzunehmen.

Voraussetzung Im Vorfeld ist dazu die Entwicklung einer optimalen Kombination von Antennen- Design und Variablen (z. B. Siebe, Druckpasten und gedruckte Schichtdicken) im Druckprozess notwendig, um gute und konstante Rahmenbedingungen für das Drucken von RFID-Antennen zu schaffen.

Vorgehensweise Im vorliegenden Bericht werden die Forschungsergebnisse eines Vorhabens dargestellt, dessen Ziel es war, ein Anforderungsprofil für Papiersubstrate für gedruckte RFID-Anwendungen zu erarbeiten. Hierzu wurden acht unterschiedliche Papiere ausgewählt und auf relevante Eigenschaften hin überprüft. Nach Optimierung der Testdruckform wurde das Druckverfahren, hier ein halbautoma- tisches Siebdruckverfahren, optimiert, so dass die gedruckten Antennen bei richtiger Kombination von Verfahren, Paste und Papier eine Qualität aufwiesen, die mit geätzten Antennen erreicht wird.

Druck von RFIDs Beim Druck der RFID Antennen auf Papiersubstrate lieferten zwei der verwende- ten Polymer-Dickfilm-Pasten ähnlich gute Ergebnisse mit einer Reichweite von 48 bzw. 43 cm. Mit der Paste eines weiteren Herstellers konnten nur Reichweiten bis 39 cm erreicht werden, dafür jedoch bereits bei viel geringeren Schichtdicken und höheren Leiterbahnwiderständen. Die als Referenz auf Folie gedruckten Antennen erzielten eine Reichweite von 42 cm.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Einflussfaktoren Mittels einer Korrelationsanalyse wurde ermittelt, dass sowohl der elektrische

Oberflächen- und Durchgangswiderstand eines Papiers als auch die Papier- rauigkeit einen großen Einfluss auf die Qualität von Leiterbahnwiderstand und Reichweite der gedruckten RFID-Antennen ausüben. Zwischen dem Leiterbahn- widerstand und dem elektrischen Oberflächen- und Durchgangswiderstand besteht eine direkte Korrelation. Zwischen dem Widerstand und der Papierrauig- keit ist eine indirekte Korrelation vorhanden. Diese Ergebnisse widerlegen die ursprüngliche Annahme, dass eine hohe Glätte und ein niedriger elektrischer Oberflächenwiderstand des Papiers die Qualität der gedruckten RFID-Antennen positiv beeinflussen soll.

Danksagung Das Forschungsvorhaben PTS-BAY 2005/01 wurde mit finanziellen Mitteln des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Tech- nologie gefördert. Für diese Förderung sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Ein herzliches Dankeschön sei auch allen Projektpartnern gesagt, die zu ständi- ger Diskussion und Unterstützung bereit waren und durch ihre tatkräftige Unter- stützung den Fortschritt des Projektes ermöglicht haben.

2 Abstract

Theme Reducing the costs of RFID labels by using specialty papers as substrates.

Project objective The objective of this project is to reduce considerably the costs of producing RFID labels. An attempt is being made to solve this problem by printing antennas on paper using conductive pastes. The project therefore focused mainly on studying different paper grades to determine whether they can be used as substrates for printed RFID antennas in transponder applications. This involves printing RFID antennas on the papers by a silk screen printing process and subsequently testing it as to its functionality and quality. Correlation analysis is used to determine whether or not there is a relationship between the conditions that influence the process (paper properties) and the quality of the finished RFID antennas. If possible, the positive properties of the papers are to be optimised, e.g. in the form of surface coatings.

Prerequisite Prior to beginning this work, it was necessary to develop an optimum combination of antenna design and variables (e.g. screens, printing pastes and printed layer thicknesses) in the printing process to achieve good and constant general conditions for printing RFID antennas.

Approach This research report presents the research results of a project whose aim it was to work out a requirement profile for paper substrates for printing RFID applications. Eight different papers were chosen and their relevant properties examined.

Once the test printing plate had been optimised, the printing process, in this case a semiautomatic screen printing process, was optimised in such a way that the right combination of process, paste and paper produced printed antennas that had a quality comparable to etched antennas.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Printing RFIDs Two of the polymer thick-film pastes used to print the RFID antennas produced

similarly good results with ranges of 48 and 43 cm. It was possible to achieve much thinner layer thicknesses and greater conductor path resistance values using the paste from another manufacturer, although the range was only 39 cm in this case. The antennas that were printed on films for reference purposes achieved a range of 42 cm.

Contributing

factors Correlation analysis was used to determine that the electrical surface and volume resistivity of a paper and paper roughness have a significant impact on the quality of the conductor path resistance and range of the printed RFID antennas.

A direct correlation exists between the conductor path resistance and the electrical surface and volume resistivity. An indirect correlation exists between resistivity and paper roughness. These results refute the original assumption that high smoothness and a low electrical surface resistivity of the paper supposedly has a positive effect on the quality of the printed RFID antennas.

Acknowledge-

ment Research project PTS-BAY 2005/01 was funded by the Bavarian Ministry of Economic Affairs, Infrastructure, Transport and Technology. We would like to express our warmly gratitude for this funding and support.

I would like to express my sincere thanks to all project partners who readily entered into continual discussion and provided constant assistance and by virtue of their active support made the progress in this project possible.

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3 Ausgangssituation

Einleitung Dem Bereich der gedruckten Elektronik wird laut Analysen einiger Markt- forschungsunternehmen in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum voraus- gesagt. Deutschland gehört mit Japan, Schweden, Großbritannien und den Vereinigten Staaten zu den führenden Industrienationen auf dem Gebiet des Electronic Printing. Die Anwendungsbereiche für das Electronic Printing sind vielfältig, dazu gehören unter anderem die Nahrungsmittelindustrie und der medizinische Bereich. Immer größere Bedeutung gewinnt diese Technologie auch auf dem Gebiet der Fälschungssicherung von Produkten und Schutz vor Ladendiebstählen. [1]

RFID, kurz für Radio Frequency Identification, ist ein Bereich des Electronic Printing, der im Moment ein besonders starkes Wachstum erfährt.

Die Technologie der Radio Frequenz Identifikation, also der Identifikation per Funk, basiert auf einem elektromagnetischen Verfahren. Mit Hilfe elektro- magnetischer Wechselfelder werden Daten berührungslos übertragen, d. h. sie können sowohl gelesen als auch gespeichert werden. Den Datenträger stellt ein sogenannter Transponder dar. [2]

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Auto-ID-Systeme Die RFID-Technik ist in vielen Anwendungsbereichen einsetzbar und bietet

gegenüber den anderen Auto-Identifikationstechniken viele Vorteile, wie nachfolgende Abbildung veranschaulicht:

Abb. 1: Vergleich von Auto-ID-Systemen [3]

Die entscheidenden Vorteile der RFID-Technik sind die hohe Speicherkapazität und das kontaktlose Funktionsprinzip für welches kein Sichtkontakt notwendig ist. Jedoch besitzt die RFID-Technologie im Moment noch einen entscheidenden Nachteil, der bisher ihre flächendeckende Einführung verhindert hat. Die Kosten der RFID-Transponder sinken zwar ständig, liegen aber für viele Anwendungs- bereiche, wie z. B den Einzelhandel immer noch zu hoch.

Bisher wird als Trägersubstrat für gedruckte RFID-Antennen Folie eingesetzt.

Diese Arbeit verfolgt das Ziel, durch die Entwicklung eines kostengünstigeren Trägersubstrats aus Papier, einen Beitrag zu einer weiteren Kostenreduzierung zu liefern.

OCR

Barcode

Biometrie

Chipkarte

RFID

gut

bedingt möglich gut

aufwändig

gut

einfach

unmöglich

starker Einfluss

kein Einfluss

starker Einfluss starker Einfluss starker Einfluss

1-100

k. A.

16-64 k

16-64 k Lesbar von

Maschinen Lesbar von

Personen Datenmenge

in Byte Umfeldbe-

dingungen

Auto-ID

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4 Stand der Technik

4.1 RFID Systeme

Komponenten Ein RFID-System hat grundsätzlich zwei Bestandteile, die Schreib-Lese-Einheit und den Transponder. Der Transponder beinhaltet die gespeicherten Daten und die Schreib-Lese-Einheit dient zum Empfang der Daten, die in der Regel an einem angeschlossenen Computer ausgewertet werden. Das Lesegerät ist ebenfalls für die Übertragung der notwendigen Energie und des Takts zuständig.

[3]:

Abb. 2: Komponenten eines RFID-Systems

Vorteile RFID

zu Barcode Die Vorteile, die die RFID-Technik gegenüber dem Barcode bietet, zeigt die untenstehende Gegenüberstellung. Hier wird der passive Transponder, als am weitesten verbreiteter Vertreter der RFID-Technik mit dem Barcode verglichen.

Darüber hinaus ist der passive Transponder laut Tab. 1 am ehesten geeignet das Barcode-Etikett zu ersetzen:

Barcode Transponder (passiv)

Nicht wiederbeschreibbar Wiederbeschreibbar (>100.000 mal) Sichtkontakt zum Scanner nötig Kein Sichtkontakt nötig

Einfluss von Schmutz Schmutz/Staub hat keinen Einfluss Lesereichweite bis einige Meter Lesereichweiten von 0,1 - >100 Meter Jeweils nur 1 Barcode allein lesbar Mehrere Datensätze gleichzeitig lesbar Daten schreiben dauert einige Sekunden Daten schreiben dauert ca. 100 Nano-Sek.

Daten können manipuliert werden Daten sind nicht direkt zugänglich Kostengünstiger Höhere Kosten (fallen aber stetig) Tab. 1: Vergleich von Barcode und passivem Transponder [3]

Schreib-/

Lesegerät Transponder

Daten Energie Takt

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4.2 Transponder

Aufbau

Transponder Der Transponder, auch Tag genannt, besteht aus einem Mikrochip und einer Antenne.

Der Mikrochip stellt den Datenträger dar, die Antenne dient zur Übertragung der Daten. Die verwendete Frequenz bestimmt das Antennendesign, im Falle des Frequenzbereichs von 13,56 MHz ist dies eine Flachspule:

Abb. 3: gedruckter Transponder

Das Schreib-/Lesegerät besteht aus einer Antenne, einem Hochfrequenzmodul zum Senden und Empfangen der Daten und einer Kontrolleinheit. Das Lesegerät sendet ein magnetisches Feld bestimmter Stärke aus. Wie aus der physikalischen Berechnungsformel der Feldstärke hervorgeht, hängt die Feldstärke von der Anzahl der Windungen der Antenne des Lesegeräts ab. [8]

Merkmale Es existiert eine Vielzahl von Transpondern, die entsprechend ihrer Merkmale, wie in den nachfolgenden Abschnitten beschrieben, unterschieden werden kön- nen.

Die Merkmale des in diesem Projekt eingesetzten Transponders werden zum besseren Verständnis in der folgenden Tabelle vorweggenommen:

Eigenschaft Projekt-Transponder Schreib-/Lesefähigkeit Read-Only-Tag Speichertechnologie EEPROM Frequenz HF-Bereich (13,56 MHz)

Reichweite Remote Coupling System

Energieversorgung Passiv

Datenübertragung Vollduplexverfahren Verwandte Bauform Kontaklose Chipkarten, Smart Label

Spulenherstellung Gedruckte Spule

Verbindungstechnik Gelötet Tab. 2: Eigenschaften Projekt-Transponder

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Schreib-

/Lesefähigkeit Grundsätzlich ist eine Einteilung der RFID-Systeme gemäß der Schreib- /Lesefähigkeit in Low-End- und High-End-Systeme möglich. Zu den Low-End- Systemen gehören die 1-bit-Transponder und die Read-only-Transponder. Das Mittelfeld bilden die beschreibbaren Datenspeicher, dazu gehören die WORM- Transponder (= write once read many) und die Schreib-/Lesespeicher. Die High- End-Systeme stellen die Transponder, die mit einem Mikroprozessor aus- gestattet sind, dar. [8], [9]

Speicher-

technologie Je nach Art und Komplexität des Geräts kann der Speicher für die Daten des Transponders einen ROM- (Read Only Memory), (S)RAM-(Static-Random Access Memory) und einen nicht flüchtigen programmierbaren Speicher beinhalten. Nicht flüchtig bedeutet, dass die gespeicherten Daten auch erhalten bleiben, wenn sich der Transponder für lange Zeit (bis zu 10 Jahre) im Ruhe- stand befindet, also keine Spannungsversorgung vorliegt. Solche Speicher sind EEPROM (electrical erasable programmable read only memory) und FRAM (ferromagnetic random access memory).

Die Speichertechnologien der Mikrochips sind nicht Teil dieser Arbeit, deshalb wird im Folgenden nicht weiter darauf eingegangen.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Frequenzen Für RFID-Systeme gibt es spezielle Frequenzbereiche, die als ISM-Frequenz-

bereiche bezeichnet werden. ISM steht für Industrial, Scientific, Medical. Die Einteilung der verschiedenen Sendefrequenzen der RFID-Systeme erfolgt grundsätzlich in die Bereiche LF-, HF-, UHF und Mikrowellen-Bereich. Die Betriebsfrequenz beschreibt immer die Frequenz des Lesegeräts, in vielen Fällen entspricht sie der Resonanzfrequenz des Transponders.

Wichtig ist, dass in den Ländern unterschiedliche Frequenzen verwendet werden. Im UHF-Bereich wird in Europa eine Frequenz zwischen 865,6 MHz und 867,5 MHz verwendet, in den USA liegt die Frequenz im Bereich zwischen 902 MHz und 928 MHz. [4]

• LF-Bereich (Low Frequency):

Dies ist der Bereich von 30 - 300 kHz, die Lesereichweite der LF-Systeme liegt in etwa bei 10 cm. Der Vorteil dieser Systeme ist die Störunanfälligkeit bezüglich Metallen oder Flüssigkeiten, wodurch sie sich besonders für An- wendungen in der Nähe dieser Elemente eignen. Angewendet werden diese relativ teuren Systeme u. a. in Wegfahrsperren für Autos. [4]

• HF-Bereich (High Frequency):

Der HF-Bereich geht von 3 - 30 MHz und diese Systeme haben ungefähr eine Reichweite von ca. 1 m. Diese Systeme sind kostengünstiger als die LF-Systeme und werden z. B bei der Zugangskontrolle eingesetzt. [4]

• UHF-Bereich (Ultra-High-Frequency):

RFID-Systeme, die in dem Frequenzbereich von 300 MHz - 3 GHz betrieben werden, sind aktive Tags, d.h. sie beinhalten eine Batterie. UHF-Tags sind relativ kostspielig in der Produktion, besitzen aber eine Reichweite von ca. 3 - 10 m. Sie werden unter anderem bei Mautsystemen eingesetzt. [4]

• Mikrowellen-Bereich:

Diese aktiven Tags, im Frequenzbereich über 3 GHz haben eine Reichwei- te bis zu 2 Metern. Diese Systeme bauen auf einer schnellen Lesege- schwindigkeit auf, eignen sich aber nicht für die Anwendung in der Nähe von Metallen und Flüssigkeiten. [4]

Reichweiten Hinsichtlich der Reichweiten von RFID-Systemen ist eine Einteilung in soge- nannte close coupling, remote coupling und long range Systeme möglich:

• Close Coupling

Diese Systeme verfügen nur über eine sehr geringe Reichweite von 0 - 1 cm und können im Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 30 MHz betrieben werden. Sie finden bei höchsten Sicherheitsanforderungen Anwendung, wie z. B in elektronischen Türschließanlagen oder in Chipkarten mit Zahlungs- funktion. [8]

• Remote coupling

Mit diesem System wird eine Reichweite von bis zu 1 m erzielt. Remote coupling-Systeme arbeiten bei Frequenzen zwischen 100 kHz und 135 kHz, 6,75 MHz, 13,56 MHz und 27,125 MHz. [8]

• Long range

Long range-Systeme erzielen Reichweiten von 1 - 10 m. Betrieben werden diese Systeme im UHF- und Mikrowellenbereich. [8]

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Energie-

versorgung Auch hier kann eine grundsätzliche Unterscheidung zwischen den Systemen getroffen werden. Es gibt aktive und passive Transponder:

• Aktive Transponder

Diese besitzen eine eigene Energieversorgung in Form einer Batterie zum Betrieb des Mikrochips. Sie sind deshalb auch in der Bauweise größer als passive Transponder.

• Passive Transponder

Ihnen steht keine eigene Energiequelle zur Verfügung. Passive Transpon- der beziehen die benötigte Energie zum Betrieb des Transponders aus dem elektrischen/magnetischen Feld des Lesegeräts. [8]

Bauformen Es existieren viele unterschiedliche Bauformen für Transponder. Die Bauform ist abhängig vom Zweck und vom Einsatzgebiet des Transponders. Davon ab- hängig ist dessen Größe, Form und Reichweite. Die wichtigsten Bauformen sind Disks und Münzen, Glas- und Plastikgehäuse, Schlüssel und Schlüsselanhän- ger, Uhren, kontaktlose Chipkarten, Smart Label und Coil-on-Chip.

Bei der Coil-on-Chip-Technologie befindet sich die Spule, im Gegensatz zu den anderen Bauformen, auf dem Chip. Dies sind mit sechs Millimeter Durchmesser die kleinsten Transponder. [8]

Nachfolgend wird nur auf die kontaktlosen Chipkarten und die Smart-Label- Technologie im Detail eingegangen, da das Projekt in Anlehnung an diese Systeme durchgeführt wurde.

• Kontaktlose Chipkarten

Die Bauform der kontaktlosen Chipkarte entspricht der Bauform von Kredit- und Telefonkarten (85,72 mm x 54,03 mm x 0,76 mm). Der Transponder wird dabei zwischen vier PVC-Folien einlaminiert. [8]

• Smart Label

Dies bezeichnet eine papierdünne Transponderbauform. Ein Smart Label ist im Wesentlichen meist eine dünne Plastikfolie, auf die eine Transpon- derspule und ein Chip aufgebracht werden. Das Auftragen der Transpon- derspule erfolgt mit Siebdruck oder Ätztechnik.Die Smart Labels sind häufig als Selbstklebeetiketten erhältlich, dazu wird die Folie mit einer Papier- schicht laminiert und auf der Rückseite mit Kleber beschichtet. [8]

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4.3 Möglichkeiten der Spulenherstellung

Wickeln Bei der Wickeltechnik wird der Draht auf einem Wickelwerkzeug aufgewickelt und seine Form mittels so genannten Backlacks fixiert. Anschließend wird der Chip an die Antenne angeschweißt und dieser Verbund auf die Inletfolie aufge- klebt.

Verlegen Als erstes erfolgt bei dieser Technik das Befestigen der Chips auf der Folie. Der Draht für die Spule wird mittels einer Sonotrode, die einen Ultraschallgeber enthält, direkt auf der Folie aufgebracht bzw. verlegt. Durch den Ultraschall wird der Draht an der Verlegestelle stark erwärmt und schmilzt in die Folie ein. [8]

Ätzen Prinzipiell entspricht das Ätzverfahren für die Antennenspulen dem der Leiter- plattentechnik. Auf eine Kunststofffolie wird eine Kupfer- oder Aluminiumfolie auflaminiert, ein lichtempfindlicher Fotolack aufgebracht, dann die Strukturen der Antennenspulen belichtet und entwickelt. Im anschließenden Ätzbad wird das Kupfer an den belichteten Stellen weggeätzt, so dass die Antennenstruktur übrig bleibt. Eine andere Möglichkeit für das Ätzverfahren ist, mittels Siebdruck eine Ätzmaskierung auf die laminierte Kupferschicht aufzubringen. Dieses kosten- günstigere Verfahren geht aber aufgrund der geringeren Kantenschärfe mit Qualitätseinbußen einher. [6]

Drucken Das Drucken der Antennenspule bietet eine Alternative zu den bisher genannten Techniken. Das angewandte Druckverfahren ist in den meisten Fällen Siebdruck, es werden aber auch andere Drucktechniken wie z. B. Offset- oder Tiefdruck verwendet. Im Fall von Antennenspulen für den Frequenzbereich 13,56 MHz eignet sich nur der Siebdruck, da es das einzige Verfahren ist, mit dem die erforderlichen Schichtdicken der Druckfarbe erreicht werden können.

Als Druckfarbe für RFID-Antennen dienen Polymer-Dickfilmpasten (auch Silber- leitpasten genannt). Sie enthalten ein leitfähiges Metall in Pulverform, wie z. B.

Silber oder Graphit. [6], [8]

Da im Rahmen dieses Projektes ausschließlich gedruckte Antennenspulen im Bereich von 13,56 MHz im Siebdruck hergestellt wurden, wird in der nachfolgenden Erklärung zur Drucktechnik nur auf den Siebdruck eingegangen.

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4.4 Siebdruck Prinzip

Abb. 4: Prinzip Siebdruck (Flachbett) [10]

Der Siebdruck ist ein Durchdruckverfahren, er gehört somit auch zu den Schab- lonendruckverfahren. Diese zählen zu den ältesten Druckverfahren. Das Prinzip ist im Vergleich zu anderen Druckverfahren recht einfach. Durch eine Druckform, die aus einem Sieb und einer Schablone besteht, wird mit einem Rakel zügig Farbe gestrichen. Auf den Druckträger, in diesem Fall Folie oder Papier, der sich unter dem Sieb befindet, wird die Druckfarbe aufgetragen und somit das Druck- bild erstellt.

Gewebearten Wie bereits zuvor erwähnt, besteht die Druckform aus einem Sieb und einer darauf aufgebrachten Schablone. Das Sieb fungiert also als Schablonenträger, es wird in einen Siebdruckrahmen eingespannt. Die Zahl der Gewebearten ist vielfältig, nachfolgend wird nur auf die zum Einsatz gekommenen Polyester- und Metallgewebe eingegangen.

Polyestergewebe weisen eine hohe Dehnfestigkeit auf und garantieren damit eine hohe Passergenauigkeit. Die äußerst robusten Metallgewebe aus rostfreiem Stahl bieten eine noch bessere Passergenauigkeit und sind inert gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. Sie werden aber aufgrund hoher Kosten nur für Spezialdruckarbeiten wie z. B. das Drucken von Antennenspulen eingesetzt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Schablonen Die Schablone besteht aus einer Sperrschicht, die die Nichtbildstellen auf dem

Sieb abdeckt. Die Bildstellen werden frei gehalten, bzw. die Kopierschicht bei der Entwicklung an diesen Stellen ausgewaschen, so dass Farbe durch das Sieb hindurchgedrückt werden kann. Es gibt zwei Arten zur Herstellung der Direkt- siebdruckschablonen, zum einen mittels einer Kopierschicht und zum anderen mit einem Direktfilm.

Der Auftrag einer Kopierschicht auf das Sieb, die aus einem flüssigen UV-här- tenden Lack besteht, erfolgt mit einer Beschichtungsrinne oder Beschichtungs- anlage. Zur Erzielung einer größeren Schichtdicke im Druck besteht die Möglich- keit einer mehrmaligen Beschichtung. Nach der Siebbeschichtung erfolgt das Belichten und Entwickeln der Druckvorlage.

Bei der Verwendung eines Direktfilms, auch Transferfilm genannt, wird dieser mit Wasser auf dem Schablonenträger fixiert. Das weitere Verfahren erfolgt wie bei der Verwendung einer Kopierschicht. Für verschiedene Schichtdicken stehen Transferfilme in verschieden Dicken zur Verfügung. [10], [11]

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5 Untersuchungen und Materialien

Papiere

und Folie Da zum Zeitpunkt des Projekt-Beginns noch keine Erfahrungen über die erforderlichen Eigenschaften des Papiers vorhanden waren, wurde eine Auswahl an Druckpapieren getroffen, die ein möglichst breites Spektrum verschiedener Papiersorten (gestrichen, ungestrichen und beschichtet) und Eigenschaften abdeckt.

In der nachfolgenden Tabelle sind alle Papiere und Auswahlkriterien aufgeführt:

Bezeichnung Papiersorte Auswahlkriterium

F1 Polyesterfolie Speziell für RFID-Anwendungen, Referenz zum Papier

M01 Etikettenpapier Einseitig gestrichen, lasertauglich M02 Etikettenpapier Einseitig gestrichen,

nass- und laugenfest M03 Offsetpapier Altpapierhaltig, pigmentiert,

gestrichen

M04 Recycling-Kopierpapier Staubarm, ungestrichen M05 Kopierpapier Standard, ungestrichen M06 Faltschachtelkarton für Laserdruck Gestrichen, sehr glatt M07 Dekorpapier Hoher Füllstoffgehalt M08 Papier mit PE-Beschichtung Barrierewirkung,

geringe Leitfähigkeit M09 Kondensatorpapier Geringe Leitfähigkeit,

niedrige Grammatur M10 Kondensatorpapier Geringe Leitfähigkeit,

niedrige Grammatur M11 Pergaminpapier Dicht, glatt

Tab. 3: Auswahl der Papiersorten

Die grau gekennzeichneten Papiere M09 - M11 konnten im Druck- und Trocken- prozess, aufgrund ihrer geringen flächenbezogenen Masse und der somit schwierigen Handhabung, nicht verwendet werden und werden in der späteren Auswahl nicht mehr berücksichtigt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Druckpasten Leitfähige Pasten enthalten Bestandteile, die elektrischen Strom leiten können,

zum Beispiel Silberpasten und Pasten mit Graphit. Aufgrund des höheren Leitwerts der Silberleitpasten eignen sich diese besser für das Drucken von RFID-Antennen. Technologisch gesehen wären Goldpasten wegen ihres noch höheren Leitwerts besser geeignet. Wirtschaftlich wäre ihr Einsatz bezüglich der RFID-Technik jedoch nicht gerechtfertigt. Aluminium- und Kupferpasten wären preisgünstiger als die Silberleitpasten, können aber wegen ihrer Oxidierbarkeit nicht verdruckt werden.

Für dieses Projekt wurden folgende drei Silberleitpasten ausgewählt:

Silberleitpasten Viskosität Feststoffgehalt Paste 1 35.000 - 50.000 mPa.s 82 - 86 % Paste 2 10.000 - 25.000 mPa.s 80 - 82 % Paste 3 11.000 mPa.s 73,5 - 75,5 % Tab. 4: Eigenschaften der Silberleitpasten

Bestandteile der Silberleitpasten:

• Silberpulver (Silber bildet die leitfähige Substanz in der Druckpaste)

• Polymerharz (Fixiermittel)

• Die Polymerharzbasis ist das Bindemittel in der Leitpaste und verantwortlich für die Filmbildung beim Druckprozess.

• Lösemittel (verdampft bei der Trocknung und sorgt so für die Aushärtung des Druckfarbenfilms)

Alle Druckpasten wurden druckfertig geliefert und verarbeitet.

Die Trocknung der Silberleitpasten erfolgt physikalisch, also durch Verdampfen des Lösemittels.

Barriere-

dispersionen Feuchtigkeit hat einen großen Einfluss auf die Dimensionsstabilität von Papieren.

Laut Expertenberichten beeinflusst die Papierfeuchte auch die Qualität der gedruckten RFID-Antennen negativ. Um diese unerwünschten Eigenschaften zu reduzieren bzw. zu eliminieren sollen für gedruckte RFID-Antennen, sofern es sich beim Trägermaterial um Papier und nicht um eine Folie handelt, speziell beschichtete Papiere verwendet werden. Ziel ist es, Papiere so zu beschichten, dass zum einen eine Barriere gegen die Feuchte im Papier und zum anderen eine Barriere gegen die eindringende Feuchte von Außen geschaffen wird.

Entsprechend der Anforderungen wurden zwei Barrieredispersionen ausgewählt.

Dabei handelte es sich um wässrige Polymerdispersionen.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Papierprüfungen Die folgenden Standardpapierprüfungen wurden durchgeführt:

• Flächenbezogene Masse, Dicke und scheinbare Blattdichte

• Rauigkeit/Glätte

• Oberflächenenergie und Polarität

• Feucht-Dehnung

• Elektrischer Oberflächenwiderstand

An den Papieren mit Barrierebeschichtung wurden außerdem noch das Wasser- absorptionsvermögen (Cobb-Test) und die Wasserdampfdurchlässigkeit geprüft.

Druckversuche In den Druckversuchen, die mit Siebdruck durchgeführt wurden, wurden die verschiedenen Parameter variiert, um letztendlich die optimalen Bedingungen für gedruckte RFID-Antennen für Transponderanwendungen zu ermitteln.

Die gesamten Druckversuche erfolgten unter gleichen räumlichen Bedingungen.

Es wurden nur eine Druckmaschine, die immer vom gleichen Drucker bedient wurde und ein Trockenofen verwendet. Die Drucksiebe und die Beschichtung der Siebe, sowie das Antennendesign wurden in den verschiedenen Druckversuchen variiert.

Gedruckt wurde auf der Druckmaschine Thieme 520 der Firma Thieme GmbH &

Co. KG, Tenningen. Dabei handelt es sich um einen ¾-Automat, der aber für diese Versuche nur als ½-Automat genutzt wurde, d. h. die Druckbögen im Format A4 wurden von Hand eingelegt und wieder entnommen, der Druck- vorgang erfolgte automatisch.

Der Druck erfolgte mit einem geringen Rakeldruck von zwei bar, einer lang- samen Geschwindigkeit des Vorrakels und des Rakels, sowie einem Rakel- anstellwinkel im mittleren Bereich.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Antennen-

design Das grundsätzliche Antennendesign ist abhängig vom Frequenzbereich und wird durch diesen bestimmt. Im Falle von 13,56 MHz hat die Antenne die Form einer Spule. Das Design und die Größe werden gemäß der Norm ISO/IEC 15693 gewählt. Die Antennenspule hat die Maße 76 mm x 45 mm, Linienbreite und Linienabstand werden in den einzelnen Versuchen variiert. Diese Verände- rungen haben einen entscheidenden Einfluss auf die spezifischen Eigenschaften der Antenne.

Folgende Parameter wurden für das Antennendesign berechnet:

• Induktivität

Die Induktivität stellt den entscheidenden Faktor für das Antennen-Design dar. Der Vorgabewert für die Induktivität liegt bei 4,44 µH. Dieser Wert wurde unter Berücksichtigung der nachfolgenden Annahmen berechnet.

• Elektrischer Widerstand der Leiterbahn

Der elektrische Widerstand der Leiterbahn soll möglichst klein sein. Die Vor- gabe für den elektrischen Widerstand liegt bei 10 - 15 Ω.

• Güte

Für eine große Reichweite ist unter anderem eine hohe Güte erforderlich.

Für die Berechnung der Antennenspule wurden folgende Annahmen getroffen:

Resonanzfrequenz: 13,9 MHz Parallel-Kapazität: 29,5 pF Schichtdicke: 25 µm Anzahl der Windungen: 7 bzw. 8 Prüfung der

gedruckten Antennen

Die Qualitätsbeurteilung der gedruckten Antennen erfolgte hinsichtlich Druckqua- lität, Funktionsfähigkeit und Reichweite. Außerdem wurde der Einfluss von Feuchtigkeit bewertet.

Zudem erfolgte an 25 Antennen mit gebondeten Chips ein Alterungstest unter folgenden Bedingungen: Lagerung eine Woche lang im Klimaschrank bei 65 °C und einer relativen Luftfeuchte von 85 % r.F. Anschließend wurde die Funktions- fähigkeit überprüft und die Reichweite gemessen.

Optimierung Zur Umsetzung des Ziels dieses Projekts, die Produktion von gedruckten RFID- Antennen auf Papiersubstraten vor allem kostenseitig zu optimieren, war neben einer Ermittlung der Einflussfaktoren (Papiereigenschaften), die Entwicklung einer optimalen Kombination von Antennen-Design und Druckparametern notwendig. Die Bestimmung dieser Kombination erfolgte durch Ermittlung und Auswertung der Abhängigkeiten der Kenngrößen (elektrischer Widerstand, Resonanzfrequenz und Güte) von zuvor genannten Papiereigenschaften.

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6 Ergebnisse

6.1 Zusammenhänge der Kenngrößen Güte und Resonanzfrequenz

Antennenqualität Die grundlegende Funktionsfähigkeit der gedruckten Antennen war in den meisten Fällen gegeben. Es waren nur wenige Antennen funktionsunfähig. Die Ursache lag in den Kurzschlüssen in der Leiterbahn, die durch Druckunregelmä- ßigkeiten (z. B. Verschmieren der Leiterbahn und Farbbatzen) verursacht wurden.

Auf die Antennenqualität (Höhe der Reichweite) und die weiteren Kenngrößen nehmen vielerlei Faktoren Einfluss. Es besteht ein komplexer Zusammenhang zwischen den Kenngrößen (Leiterbahnwiderstand, Resonanzfrequenz, Güte und Induktivität) sowie zwischen diesen und den Papiereigenschaften. Leiterbahnwi- derstand, Resonanzfrequenz und Induktivität haben Einfluss auf die Güte. Die Resonanzfrequenz ist ihrerseits wieder von der Induktivität abhängig. Die Reich- weite ist wiederum abhängig von der Güte und der Resonanzfrequenz bzw. von der Güte bei Resonanzfrequenz.

Güte Unter den Kenngrößen einer gedruckten Antenne sind neben dem Widerstand, Resonanzfrequenz, Güte und Induktivität zu verstehen. In den Wert der Güte gehen alle anderen Kenngrößen ein. Unter Güte versteht man das Verhältnis von der im Schwingkreis gespeicherten Energie zu der pro Schwingung verbrauchten Energie. Der wesentliche Verlust ergibt sich durch den elektrischen Widerstand der Spule.

Um eine möglichst hohe Reichweite der Transponder zu erzielen, muss die an der Spule abgreifbare Spannung möglichst hoch sein. Es gilt zwei Bedingungen zu erfüllen.

Zum einen ist es sehr wichtig die richtige Resonanzfrequenz zu erreichen und zum anderen kann durch eine hohe Güte (typisch 10 - 50) die bei Resonanz auftretende Spannung erhöht werden. Diese zwei Bedingungen dürfen aber im Sinn der Zielverfolgung nicht getrennt betrachtet werden, da eine hohe Güte nur im Resonanzfall eine hohe Reichweite zur Folge hat. Eine hohe Güte führt bei einer Abweichung des Istwerts der Resonanzfrequenz vom Sollwert zu einer ungenügenden Reichweite.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Resonanz-

frequenz Wichtig ist somit die Betrachtung der abgreifbaren Spannung bei der Soll- Resonanzfrequenz. Zum besseren Verständnis ist dieser Zusammenhang in nachfolgender Abbildung dargestellt:

Wirkung hoher Güten

0 1 2 3 4 5

4 6 8 10 12 14 16 18 20Resonanzfrequenz [MHz]22 24 26 28 30

abgreifbare Spannung [V]

hohe Güte, Resonanzfrequenz

hohe Güte, Abweichung von Resonazfrequenz schlechte Güte

Abb. 5: Vergleich der Güte bei Resonanzfrequenz

Wie aus der Abbildung 5 hervorgeht, stellt die blaue Kurve das optimale Ergebnis einer hohen Güte bei erreichter Resonanzfrequenz von 13,56 MHz dar. Bei der braunen Kurve (hohe Güte) ist die abgreifbare Spannung bei der Sollfrequenz klein. Bei der gelben Kurve stimmt zwar die Resonanz- mit der Sollfrequenz überein, trotzdem ist die abgreifbare Spannung wegen der schlechten Schwing- kreisgüte klein. Die geringere Güte kann allerdings vorteilhaft sein, weil Ferti- gungstoleranzen und auch Verstimmungen durch Umgebungseinflüsse sich dann nicht so kritisch auswirken. Im praktischen Betrieb kann dann manchmal trotz ungenauer Resonanz eine bessere Reichweite als bei Fehl-Resonanz mit hoher Güte erzielt werden.

(21)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Güte und

Reichweite Die Abbildung 6 zeigt die Güte und die Resonanzfrequenz der acht Transponder mit den größten Reichweiten. Alle acht Transponder liegen im Bereich der richtigen Resonanzfrequenz. Die höchsten Güten erreichen die Antennen mit dem Papier M4 als Druckträger (Abb. 6: Nr. 1, 2, 3, 5). Bei etwa gleicher Reso- nanzfrequenz resultiert das wiederum aus den niedrigen elektrischen Widerstän- den der Antennen.

Güte und Resonanzfrequenz

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

1 2 3 4 5 6 7 8

Antennen-Nummer

Güte

13,78 MHz 13,80 MHz 13,82 MHz 13,84 MHz 13,86 MHz 13,88 MHz 13,90 MHz 13,92 MHz

Resonanzfrequenz

Güte Resonanzfrequenz

Abb. 6: Werte der Antennen mit den höchsten Reichweiten

(22)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Resonanz-

frequenz und Antennendesign

Auf die Resonanzfrequenz kann nur durch Änderung des Antennendesigns Einfluss genommen werden, d. h. sie wird vor dem Druckversuch bereits festge- legt. In den Versuchen zeigte sich, dass aufgrund der Abhängigkeit der Induktivi- tät vom Antennen-Design, ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und dem Antennen-Design besteht. Der Richtwert für die Resonanzfrequenz liegt in diesem Fall bei 13,9 MHz. In der Abbildung 7 werden die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Antennen-Designs unter Einbezie- hung der Pasten 1 und 2 sowie eines Stahl- und eines Polyestersiebs betrachtet:

Resonanzfrequenz (Papier M4)

13,00 MHz 13,50 MHz 14,00 MHz 14,50 MHz 15,00 MHz 15,50 MHz

900/300 1000/500 1200/600 1250/250 900/400 Antennendesign

Frequenz

Paste 1, Stahlsieb Paste 2, Stahlsieb Paste 1, Polyester 36 Paste 2, Polyester 36

Abb. 7: Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Antennen-Design

Die Abbildung 7 zeigt, dass mit den zwei Designs 900/300 µm und 900/400 µm die niedrigsten Frequenzen in der Serie und somit hinsichtlich des Vorgabewerts von 13,9 MHz die besten Werte erreicht werden.

Abweichungen in den Resonanzfrequenzen werden zum Teil durch die unterschiedlichen Parallelkapazitäten verursacht, die auf den Schwankungen der Eigenkapazität der Mikrochips beruhen.

(23)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Zusammenhang

der Kenngrößen Zum besseren Verständnis der Auswirkungen auf die Höhe der Reichweite bei einer Veränderung der RFID-Antenne, wird in diesem Abschnitt der Zusam- menhang zwischen den Kenngrößen anhand zweier Beispiele dargestellt:

Durch Verwendung eines gröberen Siebs im Druck erfolgt eine Erhöhung der gedruckten Schichtdicke der RFID-Antenne. Zum einen wird dadurch der Wider- stand der Antenne reduziert und zum anderen wird aufgrund dieser Reduktion des Widerstands die Güte bei gleich bleibender Induktivität erhöht. Die Reso- nanzfrequenz wird dabei nicht beeinflusst und die Reichweite dieser RFID- Antenne wird erhöht.

Wird z.B. bei eingestellter Resonanzfrequenz die Antennen-Geometrie verändert, indem die Leiterbahnbreite von 900 µm auf 1200 µm erhöht wird, ändern sich der Wert der Induktivität und die Höhe des Leiterbahnwiderstands. Beide Werte werden reduziert. Dabei ist zu bemerken, dass sich die Induktivität nicht in dem Umfang wie der Widerstand ändert, welches eine Erhöhung der Güte zur Folge hat. Durch diese Änderung der Induktivität wird ebenfalls eine Erhöhung der Resonanzfrequenz bewirkt. Durch diese Abweichung zur Soll-Resonanzfrequenz entsteht eine Reduzierung der Reichweite, obwohl die Güte ansteigt und der Leiterbahnwiderstand reduziert wird.

(24)

6.2 Kenngröße elektrischer Leiterbahnwiderstand und Einflussfaktoren

Einfluss

Antennen-Design Der elektrische Widerstand ist eine wichtige Größe zur Berechnung der Güte und nimmt somit indirekt Einfluss auf die Reichweite von gedruckten Antennen.

Einfluss auf den elektrischen Leiterbahnwiderstand nimmt unter anderem das Antennen-Design, wie exemplarisch in der folgenden Abbildung 8 dargestellt ist.

Der Widerstand ist abhängig von der Länge und der Breite der Leiterbahn (diese Abhängigkeit geht auch aus der physikalischen Berechnungsformel des elektrischen Widerstands hervor).

Widerstände nach Trocknung Paste 1, Sieb Polyester 61

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0

F1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Muster

Widerstand in [Ω]

Antenne 900/300 Antenne 1000/500 Antenne 1200/600 Antenne 1250/250 Antenne 900/400

Abb. 8: Abhängigkeit der Widerstände vom Antennendesign, Paste 1 Dieser Einfluss konnte nicht durch andere Einflussfaktoren wie z. B. den Einsatz einer anderen Silberleitpaste kompensiert werden. Das lässt darauf schließen, dass die drei eingesetzten Silberleitpasten ungefähr den gleichen Anteil an leitenden Silberpartikeln beinhalten.

(25)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Einfluss Silber-

leitpasten Jedoch sind teilweise gravierende Unterschiede zwischen den Silberleitpasten bei konstanten Bedingungen (Antennen-Design, Trägersubstrat, Siebfeinheit) hinsichtlich des Niveaus der Widerstände zu erkennen (Abbildung 9):

Vergleich Widerstände bei gleichem Antennendesign

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

F1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Muster

Antenne 900/300, Paste 1 Antenne 900/300, Paste 2 Antenne 900/300, Paste 3

Abb. 9: Abhängigkeit der Widerstände vom Papier

Dies kann an der Zusammensetzung der Pasten liegen (z. B. am Bindemittel).

Wahrscheinlicher liegt die Ursache in der jeweiligen Viskosität der Pasten. Im Druckprozess werden aufgrund verschiedener Viskositäten der Farben unterschiedliche Schichtdicken aufgetragen. Bei den drei eingesetzten Pasten liegen unterschiedliche Viskositäten vor, wobei die Paste 1 die größte Viskosität und die Paste 3 die geringste Viskosität besitzt. Die Pasten 1 und 2 liefern vergleichbare Widerstandswerte, wodurch die Vermutung bezüglich der Viskosität der Pasten unterstützt wird, da auch die Viskositätsunterschiede zwischen den Pasten 1 und 2 relativ gering sind.

(26)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Einfluss

Schichtdicke Die Veränderung der Schichtdicke ist ein einfaches Instrument zur Beeinflussung des Widerstands. Je höher die Schichtdicke, desto niedriger ist der Leiterbahn- widerstand und umso höher ist die Leitfähigkeit.

Zu sehen war dies bei Vergleichen zwischen Antennen, die mit dem Stahlsieb VA 101/36 und dem Sieb mit dem Polyestergewebe 36 gedruckt wurden. Beim PE-Sieb wurden generell höhere Schichtdicken übertragen, wodurch niedrigere Widerstandswerte erreicht wurden:

Tab. 5: Vergleich Widerstände (Paste 2)

Wie in Tabelle 5 dargestellt ist, liegen die Widerstände der Antennen, die mit dem Polyestersieb 36 gedruckt wurden mit Werten von 15,7 - 19,2 Ω wesentlich unter den Widerständen der Antennen, bei welchen das Stahlsieb verwendet wurde. Diese Werte liegen in einem Bereich von 20,9 - 27,8 Ω. Die Mittelwerte der Widerstände für diese Darstellung wurden jeweils aus 3 Einzelwerten gebil- det.

Dieser Bezug resultiert aus der Abhängigkeit des Leiterbahnwiderstands von der Querschnittsfläche der Leiterbahn.

Leiterbahnwiderstand [Ω]

Papiersorte Sieb VA 101/36 Sieb Polyester 36

M1 22,5 16,3

M2 22,6 16,9

M3 21,5 15,7

M4 21,6 16,5

M5 20,9 16,0

M6 21,9 15,9

M7 22,7 16,2

M8 27,8 19,2

(27)

Homogenität Des Weiteren spielt die Gleichmäßigkeit der Leiterbahn eine Rolle bezüglich der Schwankungen in den Mittelwerten der Widerstände:

Vergleich der Standardabweichung der Mittelwerte der Widerstände

0,00 4,00 8,00 12,00 16,00

M1 M3 M4

Muster relative Standardabweichung [%]

Kopierschicht Transferfilm Abb. 10: Vergleich der Standardabweichung der Widerstände

Große Vertiefungen oder Erhöhungen in der gedruckten Leiterbahn und damit Schwankungen in der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, haben vermutlich eine Veränderung des Widerstands zur Folge. Begründet ist dies ebenfalls in der Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Querschnittsfläche der Leiterbahn, die sich bei einer ungleichmäßigen Druckschicht ständig ändert und somit den Widerstand vermutlich negativ beeinflusst.

(28)

Drucksieb Die Homogenität der Schichtdicke wird durch das Beschichtungsverfahren des Drucksiebs beeinflusst. Dies zeigt ein Vergleich der folgenden REM-Aufnahmen der Leiterbahnen bei gleichem Sieb und gleicher Paste, aber unterschiedlicher Beschichtungsverfahren des Siebs:

Abb. 11: Kopierschicht

Abb. 12: Transferfilm

Bei der Verwendung einer Kopierschicht entsteht im Druck eine ungleichmäßige- re Schichtdicke. Bei Einsatz eines Transferfilms erscheint die Druckschicht gleichmäßiger und die Schwankungen der Widerstände sind viel kleiner.

(29)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Sieb-

beschichtung Der Unterschied zwischen den zwei Beschichtungsverfahren besteht darin, dass sich bei der konventionellen Beschichtungstechnik die Beschichtung im Sieb befindet und somit durch die Siebstruktur beeinflusst wird. Der Transferfilm wird am Sieb angebracht, er ist somit dem Einfluss des Siebs nicht ausgesetzt und liefert im Druck ein gleichmäßigeres Druckbild.

Zum besseren Verständnis des Einflusses der Beschichtungsverfahren sind nachfolgend zwei REM-Aufnahmen von einem Sieb mit Kopierschicht und einem Sieb mit Transferfilm abgebildet:

Abb. 13: Kopierschicht [10] Abb. 14: Transferfilm [10]

(30)

Trocknung Eine starke Abhängigkeit besteht auch zwischen dem Leiterbahnwiderstand und dem Trocknungszustand der gedruckten Silberleitpaste. Exemplarisch ist dies in der Abbildung 15 dargestellt. Die Widerstände sind vor der Trocknung stark erhöht und sinken während der Trocknung teilweise um mehr als 50 %. Eine ausreichende Trocknung und Aushärtung der gedruckten Antennen ist somit unbedingt zu beachten:

Widerstände der Silberleitpasten vor und nach der Trockung

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0

F1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Muster

Paste 1 nach Druck Paste 1 nach Trocknung

Abb. 15: Widerstandsvergleich bezüglich Trocknung, Paste 1

Dies ist in dem Trocknungsverhalten der Paste begründet. Die Silberleitpaste trocknet physikalisch. Bleiben durch eine unvollständige Trocknung Lösemittel- reste in dem Druckfarbenfilm zurück, wirken diese als nicht leitende Substanzen wie Isolatoren zwischen den Silberplättchen. Dies hat eine Verringerung der Leitfähigkeit und damit eine Erhöhung des Widerstands zur Folge.

Unterstützt wird diese Aussage durch die luftgetrockneten Antennen im Vorver- such. Die Widerstände dieser Antennen waren nach dem Druck stark erhöht.

Durch die Lufttrocknung konnten die Werte immerhin reduziert werden, aber über einen Zeitraum von ca. 4 Monaten konnten dennoch nicht annähernd die Wider- standswerte erreicht werden, die nach der Heißluft-Trocknung bei 130°C vorlie- gen, da sich vermutlich immer noch Lösemittelreste in der gedruckten Leiterbahn befinden.

Optimale

Trocknung Wie sich in den Vorversuchen zur Ermittlung einer ausreichenden Temperatur und Trocknungszeit zeigte, wird eine Temperatur von 130°C benötigt, um ein zufrieden stellendes Ergebnis der Widerstände zu erreichen. Die Trocknungszeit von 15 Minuten ist relativ lang gewählt, stellte sich aber für die zuvor beschriebe- ne vollständige Trocknung als notwendig heraus.

(31)

Papier Die Abhängigkeit des Widerstands vom Papier (Abbildung 16) ist nicht in dem Maße wie z. B bei der Trocknung vorhanden. Dennoch ist sie ein wichtiger Faktor, der die gedruckten RFID-Antennen bei konstanten, optimalen Bedingun- gen positiv oder negativ beeinflussen kann.

Vergleich Widerstände bei gleichem Antennendesign

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0

F1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Muster

Widerstand in [Ω]

Antenne 900/300, Paste 1 Antenne 900/300, Paste 2 Antenne 900/300, Paste 3

Abb. 16: Abhängigkeit der Widerstände vom Papier

Relativ betrachtet zeigen alle drei Pasten ähnliche Wechselwirkungen mit den unterschiedlichen Trägersubstraten (F1 - M8).

(32)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Wechselwirkung Auffällig ist der Zusammenhang zwischen dem Papier M4 und der Paste 1.

Diese Kombination liefert nicht nur in diesem Beispiel die niedrigsten Widerstän- de. Bemerkenswert ist dabei der Effekt der farblichen Veränderung dieser Paste auf dem Papier M4 nach der Trocknung, während auf allen anderen Papieren der Farbton vor und nach der Trocknung unverändert war. Der Farbton ändert sich von grau zu bronzefarben.

Zur Ursachenfindung der Farbänderung des Papiers M4 sollten REM- Aufnahmen der Oberflächen der Paste 1 auf den verschiedenen Trägersubstra- ten dienen:

Abb. 17: REM-Bild Papier M4 Abb. 18: REM-Bild Papier M7

Abb. 19: REM-Bild Papier M1

Erklärungs-

ansatz Die REM-Aufnahmen bei 200-facher Vergrößerung zeigen offensichtlich Unter- schiede der Paste 1 auf den verschiedenen Trägersubstraten (M1, M4, M7). Die Struktur der Oberfläche wirkt bei dem Papier M4 trotz höherer Makrorauigkeit geschlossener als bei M1 und M7.

Auffällig ist, dass das Papier M4 nach PPS und UBM die größte Rauigkeit der geprüften Papiere besitzt und trotz dieser Eigenschaft den gleichmäßigeren Druckfarbenfilm aufweist.

Es besteht somit die Möglichkeit, dass die Papierrauigkeit mit den sehr guten Ergebnissen des Papiers M4 und der Paste 1 und deren Farbänderung nach der Trocknung zusammenhängt. Die Vermutung, dass ein Absinken des Bindemittels der Paste in das Papier die Farbänderung und eine Steigerung der Leitfähigkeit verursacht, konnte nicht bewiesen werden.

(33)

6.3 Zusammenhang der spezifischen Papiereigenschaften mit den Kenngrößen

Korrelations-

analyse Um den Zusammenhang zwischen den spezifischen Papiereigenschaften (Einflussfaktoren) und den Kenngrößen zu überprüfen wurde eine Korrelations- analyse durchgeführt.

Die Korrelationsberechnung wurde bei den Trägersubstraten M1 bis M8 jeweils für die Pasten 1 und 2 vorgenommen.

Korreliert wurden die spezifischen Papiereigenschaften (hellgelb) mit den Ziel- größen Resonanzfrequenz, Induktivität, Reichweite und Widerstand (blau). Die Ergebnisse sind in einer Korrelationsmatrix dargestellt (Tabelle 6 und 7). Die vorhandenen Korrelationen sind farbig dargestellt (signifikante direkte/indirekte Korrelation +/- 1, keine Korrelation = 0).

Paste 1 Elektrische

Kennwerte Rmax Ra Rz PPS OF-

EnergiePolaritätFeucht-

dehnung OF-

Widerstand Durchgangs- Widerstand Induktivität 0,22 0,18 0,23 0,22 -0,27 -0,25 0,59 0,64 -0,25 -0,26 Resonanz-

Frequenz -0,16 -0,04 -0,13 0,01 0,02 0,24 -0,14 -0,05 0,51 0,50 Reichweite 0,32 0,16 0,31 0,00 0,09 -0,25 0,23 0,29 -0,69 -0,69 Widerstand -0,73 -0,57 -0,72 -0,33 -0,20 0,60 -0,23 -0,54 0,84 0,84

Tab. 6: Korrelationsmatrix Paste 1

Die Tabelle 6 zeigt, dass mit 95 %-iger Wahrscheinlichkeit eine sehr gute Korre- lation zwischen dem Oberflächen- und dem elektrischen Durchgangswiderstand mit dem elektrischen Widerstand der Leiterbahn mit je einem Korrelationsfaktor von 0,84 vorhanden ist.

Des Weiteren besteht mit einer 95%-igen Wahrscheinlichkeit eine Korrelation zwischen dem Widerstand der Leiterbahn und den Rauigkeiten Rmax und Rz. Ansonsten sind keine weiteren großen Korrelationen zwischen Einfluss- und Zielgrößen ersichtlich.

Paste 2

Faktoren Rmax Ra Rz PPS OF-

Energie Polarität Feuchtdehnung OF- Wider- stand

Durchgangs- widerstand Induktivität 0,21 0,21 0,21 0,37 -0,46 -0,40 0,64 0,54 -0,19 -0,18 Resonanz-

frequenz -0,45 -0,41 -0,45 -0,30 -0,17 0,35 -0,18 -0,30 0,32 0,32 Reichweite 0,31 0,29 0,31 0,17 0,15 -0,24 -0,13 0,06 -0,21 -0,21 Widerstand -0,74 -0,57 -0,74 -0,16 -0,53 0,40 0,15 -0,32 0,80 0,81

Tab. 7: Korrelationsmatrix Paste 2

Wie aus der Tabelle 7 ersichtlich ist, gibt es bei der Paste 2 ebenfalls, mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 %, eine sehr gute Korrelation zwischen dem elektrischen Oberflächenwiderstand (0,80), dem Durchgangswiderstand (0,81) und dem Widerstand der Leiterbahn.

Des Weiteren besteht mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auch hier eine Korrela- tion zu den Rauigkeiten.

(34)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Korrelationen Es ist festzuhalten, dass die gedruckten Antennen beider Pasten nur Korrelatio-

nen des Widerstands mit den Oberflächen- und Durchgangswiderständen und den Papierrauigkeiten zeigen.

Die Vermutung, dass das Papier M4 aufgrund seiner großen Rauigkeit und der niedrigen Oberflächen- und Durchgangswiderstände sehr gute Leiterbahnwider- standswerte erreichte, wird durch die Ergebnisse der Korrelationsanalyse unter- stützt. Dies steht im Widerspruch zum zuvor dargestellten Ergebnis, dass für einen niedrigen Leiterbahnwiderstand eine möglichst gleichmäßige Querschnitts- fläche vorhanden sein soll. Das lässt vermuten, dass eine Unregelmäßigkeit, die durch ein Sieb bzw. Siebbeschichtung verursacht wird, den Widerstand negativ beeinflusst und sich durch Papierrauigkeiten verursachte Unregelmäßigkeiten positiv auswirken. Die Ursache dafür kann daran liegen, dass bei einem Papier mit großer Rauigkeit ein etwas höherer Farbauftrag stattfindet und so dem Stromfluss eine größere Fläche zur Verfügung steht und die Leiterbahnwider- stände deshalb kleiner werden.

(35)

6.4 Kombination von Antennen-Design und Drucktechnik

Antennen-

Design Die Ermittlung der Bedingungen, die zum Erreichen der geforderten Qualität (große Reichweite) der gedruckten RFID-Antennen führen, nahm einen großen Teil dieser Arbeit in Anspruch.

Dabei ist zum Antennen-Design folgendes zu bemerken: Das Antennen-Design mit dem niedrigsten Widerstand liefert nicht selbstverständlich die größte Reich- weite bzw. liegt im Bereich der Resonanzfrequenz. Die Antenne sollte so gestal- tet werden, dass sie den entsprechenden Anforderungen bezüglich der benötig- ten Induktivität gerecht wird. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Induktivität der gedruckten Antenne etwas höher liegt als der Vorgabewert, um etwaige Differen- zen in der Chipkapazität auszugleichen. Bei einem Antennen-Design mit einem Linienabstand unter 250 µm besteht die Gefahr eines Kurzschlusses, da aufgrund der geringen Kantenschärfe die Abstände im Druck nicht immer korrekt eingehalten werden können (Abbildung 20 und 21):

Abb. 20: Aufnahme Lichtmikroskop zur Bewertung der Kantenschärfe

Abb. 21: REM-Bild der Lücke zwischen zwei Leiterbahnen

Optimales

Design Mit dem Antennen-Design Nr. 1, mit 900/300 µm (Leiterbahnbreite 900 µm, Leiterbahnabstand 300 µm) konnten in diesen Versuchen die besten Ergebnisse, d. h. die größten Reichweiten (48 cm) erreicht werden.

Wie zuvor angesprochen, ist dies nicht das Antennen-Design, mit dem die niedrigsten Widerstände erreicht werden konnten (Antennen-Design Nr. 4, 1250/250 µm).

(36)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Drucktechnik Hinsichtlich der Drucktechnik werden im Folgenden die Leitpasten, der Druck-

prozess und die nachfolgende Trocknung angesprochen.

Mit den Pasten 1 und 2 konnten bei Einsatz des groben Polyestersiebs und des Stahlsiebs sehr gute Ergebnisse bezüglich der notwendigen Schichtdicken von mindestens 25 µm erzielt werden, wobei die Schichtdicken bei dem groben Polyestersieb höher liegen (Abbildung 22).

Im ersten und zweiten Druckversuch wurden, wie die beiden oberen REM Aufnahmen in Abbildung 22 zeigen, Schichtdicken im Bereich von 7 bis 15 µm erreicht. Um die Vorgabe von mindestens 25 µm zu erfüllen, erfolgte im dritten Druckversuch eine Optimierung hinsichtlich der Höhe der Schichtdicke. Die Umsetzung der Schichtdickenerhöhung im Druck erfolgte durch den Einsatz verschiedener Siebe und der Verwendung einer anderen Beschichtungstechnik.

Auf diese Weise konnten im dritten Druckversuch enorme Schichtdicken bis zu 40 µm (Abbildung 22 untere Aufnahmen) erreicht werden:

Abb. 22: REM Aufnahmen der Schichtdicken mit feinem und groben Sieb Anforderungen Beim Druckvorgang ist auf die Erreichung dieser benötigten Schichtdicken zu

achten. Die hohen Schichtdicken von über 25 µm haben sich in diesen Versu- chen bewährt und bei ausreichender Trocknung gute Ergebnisse bezüglich niedriger Leiterbahnwiderstände erzielt. Neben den hohen Schichtdicken sind eine optimale Trocknung und Aushärtung der Pasten erforderlich. Es ist vorteilhaft, für den Druckvorgang hinsichtlich der Siebbeschichtung einen Transferfilm zu wählen, um gleichmäßigere Druckfarbenschichten zu erzielen.

(37)

6.5 Anforderungsprofil für gedruckte RFID-Antennen auf Papiersubstraten

Leiterbahn-

widerstand Im Rahmen der Versuche wurde festgestellt, dass der Leiterbahnwiderstand die einzige Größe der Kennwerte ist, die maßgeblich direkt durch das Trägersubstrat und den Druckprozess beeinflusst werden kann. Deshalb zielt die Erstellung des Anforderungsprofils für gedruckte RFID-Antennen auf die Optimierung der Widerstände unter bestmöglichen Bedingungen ab. Unter diesen Bedingungen ist die optimale Kombination von Antennen-Design und Drucktechnik zu verstehen, die im vorherigen Abschnitt beschrieben ist.

Unter Berücksichtigung dieser Voraussetzungen ist für die jeweilige Anwendung ein Papier zu wählen, das den Widerstand positiv oder zumindest nicht negativ beeinflusst. Gemäß der Korrelationsanalyse haben die folgenden Papiereigen- schaften eine positive Wirkung auf den Widerstand.

Oberflächen- und Durchgangs- widerstand

Zwischen dem Leiterbahnwiderstand und dem elektrischen Oberflächen- und Durchgangswiderstand ist eine direkte Korrelation vorhanden. Das bedeutet, dass sich ein niedriger Oberflächen- und Durchgangswiderstand positiv auf den Widerstand und somit auf die Güte und die Reichweite der gedruckten RFID- Antennen auswirkt.

Papierrauigkeit Zu Beginn des Projektes wurde angenommen, dass eine sehr glatte Oberfläche die Qualität der gedruckten Antennen begünstigt.

Hinsichtlich der Papierrauigkeit konnte jedoch mittels Korrelationsanalyse gezeigt werden, dass eine hohe Papierglätte nicht erforderlich ist. Die Ergebnisse dieser Analyse lassen sogar darauf schließen, dass die Qualität der gedruckten RFID- Antennen durch eine hohe Papierrauigkeit gesteigert werden kann.

Das Papier M4, das den niedrigsten Oberflächen- und Durchgangswiderstand und die größte Papierrauigkeit der ausgewählten Papiere zeigt, erzielte bei konstanten Rahmenbedingungen die besten Ergebnisse.

(38)

6.6 Optimierung der Papiere

Barriere-

beschichtung Mit den eingesetzten Marktpapieren M1-M8 wurden hinsichtlich der Reichweiten der Transponder gute Ergebnisse erzielt (Papiersubstrat: 48 cm, Folie: 42 cm).

Eine Entwicklung eines Spezialpapiers war somit nicht notwendig. Es wurde jedoch eine Optimierung der Papiere hinsichtlich einer Barriere gegen Wasser und Wasserdampf durchgeführt.

Die Transponder, die als Trägersubstrat Papiere mit Barrieredispersion beinhalten, erreichten durchaus akzeptable Reichweiten, die zum Teil größer sind als die Transponder mit dem Rohpapier (Abbildung 23):

Reichweite Papiere mit Barrierebeschichtung (Paste 2, Antenne 900/400 µm)

38 38,5 39 39,5 40 40,5 41

M1 M4

Muster

Reichweiten [cm] Rohpapier

Barriere 1 Barriere 2

Abb. 23: Reichweitenvergleich der Papiere mit Barrierebeschichtung Da dieser Vergleich auf jeweils nur einem einzigen Transponder beruht, kann nicht grundsätzlich von einer positiven Wirkung der Barrierebeschichtung auf die Reichweite ausgegangen werden. Es ist jedoch daraus zu schließen, dass die Barrierebeschichtungen keinen großen negativen Einfluss auf die Reichweiten haben. Für umfassendere Aussagen fehlen leider die Ergebnisse.

Der Auftrag der Barrieredispersion bringt neben der Barrierewirkung vermutlich auch eine Erhöhung der Dimensionsstabilität mit sich. Dies setzt aber eine beidseitige Barrierebeschichtung voraus. Bei einer Verwendung als Klebetikett ist eine rückseitige Barriere-Beschichtung selbstverständlich nicht nötig.

(39)

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de Juli 2006 Klima-

beständigkeit Bei der Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Transponder nach vorhergehen- dem Aufenthalt in einem Klima mit 83 % r. F. und 23°C konnte festgestellt werden, dass alle Transponder die Funktionsfähigkeit beibehielten.

Dabei erhöhten sich aber die Widerstände und die Reichweiten verschlechterten sich. Da die Barrieredispersion diesem Verhalten nicht entgegenwirken konnte, ist daraus zu schließen, dass dies nicht im Zusammenhang mit der eindringen- den Feuchtigkeit in das Papier steht. Diese Vermutung wird durch die gleichen Ergebnisse des Transponders auf Folie unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass für diese Widerstandserhöhung eine Beeinflussung der gedruckten Leiter- bahn oder des Mikrochips durch die Feuchtigkeit verantwortlich ist. Nach einer Akklimatisierung von mehr als 24 Stunden steigen die Reichweiten wieder geringfügig an, der Ausgangswert wird aber nicht mehr erreicht. Es ist darauf zu schließen, dass durch die Akklimatisierung, die Feuchtigkeit aus der Leiterbahn wieder entweicht und die Leitfähigkeit auf diese Weise wieder verbessert wird.

Abschließend kann zu den Optimierungsversuchen hinsichtlich einer Barrierebe- schichtung der Papiere gesagt werden, dass der Einsatz nicht zwingend notwendig aber doch grundsätzlich sinnvoll ist, um das Papier vor Wasser- und Feuch- tigkeitseinfluss zu schützen und somit einen definierten, dimensionsstabilen Untergrund für die gedruckten Antennen zu gewährleisten und einen Einfluss der Papierrestfeuchte auszuschließen. Dabei muss aber berücksichtigt werden, dass noch keine Aussagen und Ergebnisse über die Höhe des Einflusses der Papier- restfeuchte bestehen.

Ein Schutz des Transponders vor äußerer Feuchtigkeit besteht nicht und ist falls notwendig in einem weiteren Arbeitsgang, z. B. durch Laminieren durchzuführen.