Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Inteligentní obalová fólie

Článek se zabývá laboratorními experimenty s cílem vyvinout tag RFID s anténou využívající vodivé tištěné materiály a plastovou fólii. Výzkumné a vývojové aktivity se soustřeďují na nalezení vhodného materiálu a technologie pro vytvoření čipu RFID na fólii. Článek popisuje aktivity laboratoře ILAB RFID od počáteční fáze k prvním vzorkům tagů RFID. Výsledný motiv antény může být snadno modifikován, aby byly významně rozšířeny možnosti využití techniky RFID v praxi. To umožňuje vytvářet tagy RFID v podstatě pro jakýkoliv případ použití.   

Our article deals with laboratory experiments that lead to the development of an RFID tag with antenna made by applying conductive printing material on the plastic foil. Research and experimental activities are focused also on finding a suitable material and techno­logy for the application of RFID chip on the foil. The article describes activities from the initial idea to the first working sample of RFID tag made in ILAB RFID. The resulting tag antenna pattern can be easily modified to expand the application potential of RFID technology significantly. That allows creating RFID tag for almost any application. 

1. Motivace výzkumu

Dosavadní obaly jsou nedokonalé. Zákazníci chtějí znát o kupovaných výrobcích stále více informací, k čemuž je nutí mimo jiné i nedávné aféry týkající se metanolu v lihovinách, koňského masa v hovězích produktech, nekvalitních potravin z dovozu či potravin nečitelně označených a s nejasným původem. Problematika obalů se netýká pouze oblasti potravinářství. Balicí stroje jsou významným prvkem každé výrobní linky a využívané obaly plní jak ochrannou a estetickou, tak i informační funkci.

Chtějí-li výrobci využít RFID, mají dvě možnosti: opatřit současné obaly etiketami RFID nebo vytvořit obal výrobku s využitím chytré fólie, která již identifikátor RFID obsahuje uvnitř svých jednotlivých vrstev. V prvním případě mohou etikety zakrývat důležité informace a narušovat vzhled produktu. Nalepení etiket je spojeno s dodatečnými náklady na pořízení aplikátorů a zapisovacích zařízení a na školení zaměstnanců k využití těchto zařízení. V druhém případě čip RFID nenarušuje vizuální vjem z obalu a nic podstatného nezakrývá.

V současné době je technika RFID stále ještě poměrně nákladná a není vhodné ji použít na výrobky s malou tržní hodnotou. Toto brání většímu rozšíření RFID na trhu spotřebního zboží. Součástí snažení výzkumníků z ILAB RFID je zajistit snížení nákladů na výrobu antény tagu a umožnit relativně snadné vytvoření antény „na míru“ dané úloze.

V současné době se většinou počítá s tím, že se tag v podobě etikety nalepí na daný objekt. Naproti tomu ILAB RFID se spolu se společností INVOS, spol. s r. o., která disponuje vybavením i know-how v oblasti vícevrstvých fólií, snaží, aby tag RFID byl již z výroby integrální součástí výrobku, a to buď pevně zapuštěn mezi vrstvami jeho obalu tvořeného vícevrstvou fólií, nebo ve výrobku samotném. Umístěním tištěného tagu mezi vrstvy transparentní fólie potisknuté klasickým inkoustem bude zabezpečeno jeho dokonalé skrytí. Z minulosti i současnosti je známo několik projektů zabývajících se tištěnými tagy RFID, avšak podstatná část těchto projektů širokého použití v praxi nedosáhla zejména pro problémy s tiskem samotného čipu. V současné době se daří vyrábět jedno- až čtyřbitové čipy (obr. 1), což však potřebám identifikace produktů nedostačuje. Projekt ILAB RFID se proto zaměřil na snadnou a masovou výrobu tagů RFID kombinací klasického čipu (96 až 512 bitů) a tištěné antény. Lze očekávat, že snahy o vytvoření tagu s tištěnou anténou připojenou ke klasickému čipu budou úspěšnější než snahy jiných laboratoří. Jedním z důvodů je i účinná spolupráce s průmyslovým partnerem zabývajícím se výrobou fóliových výrobků. 

2. Potenciální zákazníci a jejich potřeby

Prvním úkolem laboratoře bylo určit budoucí majoritní uživatele jí vyvíjené techniky. Na základě zkušeností expertního řešitelského týmu byla určena cílová skupina potenciálních odběratelů, jako jsou potravinářské společnosti, těžební společnosti, státní instituce s režimem evidence dokumentů, bezpečnostní složky, strojírenský průmysl (zejména automobilový), společnosti zabývající se logistikou a přepravou obecně, zásilkové společnosti (UPC, Česká pošta, PPL), letiště – obchody duty free, a další společnosti využívající obalové materiály.

2.1 Okrajové podmínky

Dalším krokem bylo podrobnější zamyšlení nad využitím v jednotlivých oblastech a stanovení klíčových okrajových podmínek, jako jsou čtecí vzdálenost, kapacita paměti, odolnost proti fyzikálním vlivům atd.

Moderovanou diskusí s odborníky z praxe výzkumníci dospěli k názoru, že pro převážnou většinu případů použití této chytré fólie postačí čtecí vzdálenost 1 až 2 m. Čtecí vzdálenost je v oblasti RFID ovlivněna mnoha faktory, z nichž nejdůležitější je volba přenosové frekvence.

Pro zajištění požadované čtecí vzdálenosti se odborníci ILAB RFID rozhodli pro pásmo UHF. Toto frekvenční pásmo bylo vybráno také pro poměrně hojné rozšíření pasivních systémů UHF RFID v logistických centrech a významných kontrolních uzlech logistických řetězců. Pro zákazníky, kteří už využívají techniku UHF RFID, nebude finančně náročné začít používat nové, chytré obalové fólie.

Dalším parametrem ovlivňujícím čtecí vzdálenost je i velikost antény tagu. Při vývoji tagu je nutné brát v potaz okrajovou podmínku čtecí vzdálenosti 1 až 2 m a navrhnout dostatečně velkou anténu. Počítá se také s návrhem několika tvarů antény, které umožní volbu optimální konfigurace pro tu či onu implementaci chytré fólie s možností dosahovat čtecí vzdálenosti až 6 m.  

2.2 Fyzikální odolnost

Výsledný tag RFID musí být podle přání budoucích uživatelů voděodolný a otěruvzdorný. Většina uživatelů počítá s využitím chytré fólie pro balení výrobků, jež jsou následně dopravovány složitým logistickým řetězcem, jsou přepravovány, agregovány či disagregovány, a to často za pomoci automatizovaných manipulačních zařízení. Při manipulaci s výrobky s použitím robotických paží či při přepravě na pásových dopravnících jsou na materiál obalu výrobku kladeny daleko větší požadavky než při ručním zacházení. Obaly tvořené chytrou fólií tak musí zajistit nejen jednoznačnou identifikaci jednice produkce, ale také trvanlivost identifikátoru nejméně po celou dobu životního cyklu identifikovaného objektu. V praxi by tedy bylo ideální zajistit ochranu tištěného identifikátoru překrytím další vrstvou fólie nebo jiného krycího materiálu – ochranného laku, krycí fólie apod. 

3. Metody připojení čipu

Jelikož se výzkumníci ILAB RFID v rámci projektu nesnažili tiskovou metodou vyrobit čip samotný, ale pouze jeho anténu, bylo nutné již vyrobené čipy k vytvářeným anténám spolehlivě připojit. Přestože je možné vytvořit kombinaci čip – anténa – nosná fólie (inlay) použitím přímého upevnění základní sestavy čipu k anténě, je to pro požadavek velké přesnosti (rozměry kontaktů přibližně 0,05 mm) a čistých výrobních procesů nevhodná metoda. Sestava (laborace) čipu RFID s kontakty typu die straps, které jsou větší (přibližně 5 × 5 mm), umožňuje čip umístit s menší přesností (obr. 2). Pro tuto technologii je preferováno izotropní vodivé lepidlo, které je vodivé ve všech směrech stejně. Na rozdíl od anizotropního lepidla není během jeho tvrdnutí v procesu osazování tagů vyžadován tlak. Tyto materiály nejsou vhodné pro přímé upevnění holých čipů na anté­nu (vzhledem k velké pravděpodobnosti zkratu mezi kontakty), ale jsou nejvhodnější pro zvolený postup rychlé montáže čipu s die straps na anténu. 

4. Materiály použité pro anténu

Tiskový materiál pro tisk antény RFID je možné získat v zásadě dvěma způsoby – koupit jej nebo vyrobit. Vyrobit ho lze např. smícháním laku a nanočástic či mikročástic vodivého materiálu. Základní panel materiálů (v podobě prachu s určitou velikostí částic), s nímž lze zkoušet vodivost laku, se skládá z materiálů jako ferosilikáty, měď, bronz, cín, mosaz, stříbro (vysoká cena) a grafit (malá odolnost proti otěru).

Pro úvodní experimenty bylo rozhodnuto použít jednoduchý a snadno realizovatelný tvar dipólové antény. Experimentálně vytvořený tag RFID se vždy skládal z čipu opatřeného dodatečně vytvořenou anténou z elektrovodivého materiálu. Prvních uspokojivých výsledků bylo dosaženo s použitím elektrovodivého laku na bázi stříbra a pojiva na bázi pryskyřice (obr. 3 nahoře). Tento prvotní model tagu dosahoval při výkonu čtečky 2 W čtecí vzdálenosti 4 m, což několikrát přesahuje plánovanou minimální čtecí vzdálenost. Avšak přítomnost křehké pryskyřice jako hlavní složky zářezu v materiálu po zaschnutí způsobovala malou soudržnost antény.

Dále bylo testováno použití alternativních materiálů. Mimo jiné byl použit i lak s postříbřenými měděnými mikročástečkami a zářezem v podobě hydrofilní suspenze, který byl po zaschnutí omyvatelný vo­dou a vykazoval dobrou otěruvzdornost a odolnost proti namáhání v tahu (obr. 3 uprostřed).

Zajímavé byly rovněž experimenty s polyanilinem (obr. 3 dole), který však nedosahoval dostatečné vodivosti v zamýšleném směru, aby se jím výzkumníci hlouběji zabývali. 

5. Směr budoucího výzkumu

Testy jednoznačně prokázaly, že vytvoření antény metodou tisku k čipům RFID je možné a také technologie jejich prostého nanášení je použitelná. V budoucnu se výzkumníci z ILAB RFID budou zejména zabývat dalšími materiály a rozvíjet vy­užití těch, u kterých byl již nyní zaznamenán úspěch. V dnešních dnech zároveň pracují na návrhu postupu hromadné výroby antén automatizovanými tiskovými metodami. 

Literatura:

[1] MAXWELL, J. C.: A Treatise on Electricity and Magnetism. 3rd ed., vol. 2. Oxford, Clarendon, 1892, pp. 68–73.

[2] BALANIS, C. A.: Antenna theory: analysis and design. 2nd ed. New York, Wiley, 1997, 941 s., ISBN 04-715-9268-4.

[3] LEHPAMER, H.: RFID design principles. Boston, Artech House, 2008, 293 s., ISBN 978-1-59693-194-7.

 

Ing. Filip Beneš, Ph.D., Ing. Jiří Švub, doc. Dr. Ing. Vladimír Kebo, Ing. Michal Řepka, Ph.D., ILAB RFID, Institut ekonomiky a systémů řízení, HGF, VŠB-TU Ostrava

 

Lektoroval: Vladislav Zvelebil, Codeware spol. s r. o.

Obr. 1. Jednobitový tag RFID vyrobený společností PARU Korea

Obr. 2. Čip RFID v provedení die straps

Obr. 3. Shora dolů: anténa z elektrovodivého laku na opravu plošných spojů, anténa s částečkami mědi pokovenými stříbrem a anténa z polyanilinu