印刷電子在智能物流包裝中的應用

李昭 馬克欣 雷志穎 張耀藝 耿宇航 王偉

[摘要]在分析印刷電子、智能包裝特點的基礎上，結合印刷電子在智能物流包裝相關領域的應用實例，闡述印刷電子在智能物流包裝中的應用路徑、應用方向、應用優勢等，并對印刷電子在智能物流包裝中的應用趨勢做了展望，以期為印刷電子的應用拓寬思路，為智能物流包裝的發展提供啟示。

[關鍵詞]智能物流;物流包裝;印刷電子

[中圖分類號]F252.13;F253.9[文獻標識碼]A[文章編號]1005-152X（2021）12-0123-04

Application of Printed Electronics in Intelligent Logistics Packaging

LI Zhao，MA Kexin，LEI Zhiying，ZHANGYaoyi，GENG Yuhang，WANG Wei

（Henan University of Science & Technology，Luoyang 471023，China）

Abstract：Based on an analysis of the characteristics of printed electronics and intelligent packaging，combined with the application of printed electronics in the field of intelligent logistics packaging，this paper expounded the path and direction of application，and advantages of printed electronics in intelligent logistics packaging，and projected the trend of its application，which would broaden the ideas for the application of printed electronics，and provide enlightenment for the development of intelligent logistics packaging.

Keywords：intelligent logistics;logistics packaging;printed electronics

0引言

傳統包裝具備的容納、運輸、保護、傳遞商品信息等基本功能已日漸無法滿足互聯網信息時代人們的需求，新的包裝需求被不斷提出，尤其體現在智能元素的融入，如感知、互動、信息可視化等，因此包裝需要不斷創新發展。近年來，印刷電子技術迅速崛起，其具有柔性化、大面積、低成本、綠色化的特點，與智能包裝的發展理念不謀而合。目前雖然印刷電子的研究成果不斷出現，但其應用轉化仍不容樂觀。本文以印刷電子在智能物流包裝中的應用為研究對象，分析其應用現況、特點、趨勢，以期為印刷電子的應用提供新思路，為智能物流包裝的發展提供啟示。

1印刷電子及智能物流包裝概述

1.1印刷電子

1.1.1印刷電子的特點。印刷電子就是“印刷+電子”，采用印刷的方式制造電子器件和電路。傳統的電路芯片和電路板的制作需要經過復雜的光刻、顯影、刻蝕等步驟加工制成，本質是一種減材過程，而印刷電子是以印刷的方式將功能材料以圖案化的形式沉淀到基底表面，然后通過燒結將墨水燒結成固體材料，是一種增材過程[1]。因此印刷電子優勢明顯：（1）省略刻蝕步驟不產生廢液，印刷沒有高溫過程，降低成本，對環境友好;（2）不依賴于基底材料性質，可以實現柔性化，借助印刷技術可以大面積批量化生產。印刷電子技術非常符合現代包裝工業中綠色、智能一體化的發展重點，具有在包裝中推廣的基礎。

1.1.2印刷電子系統組成。印刷電子制造主要涉及基底材料、功能性導電油墨、印刷工藝、印刷設備四個方面，其中印刷工藝與印刷設備可根據實際需求采用現有的印刷工藝與設備，印刷電子在智能物流包裝應用的關鍵技術問題集中在基底材料和功能油墨的選擇。

（1）基底材料。由于印刷電子本身的性質，電子墨水可以被顯示在大多數材料上，對基底材料沒有特殊的要求，如硅片、玻璃、有機高分子材料、箔片、紙張等?？筛鶕a品的性質選擇柔性化、低成本、耐溫性好的基底材料，基底材料大多具有獨特的柔性和延展性，可適應高效、大面積、低成本的制造工藝。對于包裝而言，基底材料一般為瓦楞紙、單張紙、塑料薄膜等柔性化材料或玻璃、金屬等剛性材料，均可直接作為印刷電子的基底材料。

（2）功能性導電油墨。功能性導電油墨是印刷電子的核心，印刷電子是在傳統的印刷方式的基礎上，將傳統的油墨替換成具有導電性能的特殊油墨，從而使印刷出來的電路既具有色彩學的特性，又有電學特性[2]。功能性導電油墨需要導電性能良好，物理化學性質穩定，價格低廉，儲存方便，且具有良好的印刷適性[3]。目前制備功能導電油墨的原料主要有金屬材料、有機材料和無機非金屬材料，研究熱點主要集中在金屬納米材料和無機非金屬材料。金屬納米導電油墨有Cu系、Ag系、Au系、Al系等，其中Ag系導電油墨性價比較高，目前較為常用;無機非金屬材料導電油墨主要有離子型油墨、碳類導電型油墨等，其中石墨烯導電墨水發展前景廣闊[4]。

1.2智能物流包裝

智能物流包裝是指在包裝、商品或商品-包裝組合中有集成化元件或固有特性，利用該元件或特性可將符合特定要求的智能成分賦予商品包裝的功能中，或體現于商品本身的使用中[5]。智能物流包裝可分為三類：結構智能物流包裝、信息型智能物流包裝、功能材料型智能物流包裝，印刷電子主要應用于信息型智能物流包裝中。信息型智能物流包裝主要是利用電子信息、物理、通信等技術，在包裝外部或表面增加條形碼、二維碼、RFID標簽、傳感器等，通過信息和通信技術顯示、展現、傳達相關的包裝信息，并借助包裝信息數據管理系統實現產品存儲、運送、銷售、回收等全過程管理[6]。

目前制約信息型智能物流包裝發展的原因有制造成本、環境感知、信息交互等方面的問題。以傳統的RFID系統為例，RFID電子標簽分為有源電子標簽和無源電子標簽，有源電子標簽使用卡內電池的能量，識別距離較長，但是壽命有限并且價格較高。無源電子標簽不含電池，利用閱讀器發射的電磁波的能量，具有重量輕、體積小、壽命長、較便宜等優點，但是發射距離受限制，且所需閱讀器發射功率大[7]。而印刷電子的出現可以解決此類問題，利用小面積、柔性化的印刷電池充當電源降低電子標簽的成本，提高電子標簽的讀取精度、識別范圍和靈敏度。同時，通過絲網印刷或噴墨印刷的電子印刷方式代替產生大量廢液、過程復雜的蝕刻天線方式，可使電子標簽成本進一步降低，實現低碳環保[8]。

2印刷電子在智能物流包裝中的應用

2.1物流包裝裝潢設計

將印刷電子應用于包裝裝潢設計，可以改變包裝傳統設計思路，將靜態設計提升為動態設計。以柔性OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機發光二極管）為例，OLED顯示技術具有自發光、耗電低、反應速度高等優點，印刷電子可利用噴墨印刷技術制造OLED顯示器件的有機功能層，將紅綠藍三種顏色溶液打印到指定子像素中，其定位精度、打印精度、重復精度均很高，可以滿足OLED印刷的需求[9]。OLED技術在包裝設計中目前主要與壓敏傳感器結合應用在瓶裝啤酒和飲料中，如德國公司Inuru生產出了使用OLED技術的自照明標簽，當觸摸、移動或接近傳感器激活這些標簽時，標簽就會發光。其他印刷電子在包裝設計中的應用見表1[10]。

上述印刷電子在包裝設計應用中均需電源，可由印刷電子制作的印刷電池來實現。印刷電池將導電油墨印刷到基底材料上，以構成正負極與電路，獲取一種可以儲存電能的電池，可以集成到智能標簽、OLED、微型傳感器、RFID上作為供電源。

2.2運輸狀態監控

運輸狀態監控主要使用傳感器。傳感器的存在使物品擁有了感官，有了感知身邊信息并傳遞信息的能力。印刷電子技術可使傳感器更易實現柔性化，同時具有微小化、低成本、綠色環保、適合大批量生產使用的特點。目前柔性溫度傳感器、柔性壓力傳感器、彎曲傳感器是柔性傳感器的典型產品。Bruno，等[11]提出一種基于PET基底的壓力傳感器，通過檢測基底電阻的變化，感知外界壓力的變化情況，可用于監測包裝運輸過程中壓力變化，防止包裝出現損壞。Mutreja，等[12]分離和純化了抗外膜抗原的抗體，用于構建檢測傷寒沙門氏菌的生物傳感器，將抗體與嵌入在商用絲網印刷碳電極上的石墨烯-氧化石墨烯層相連接，可用于果蔬傷寒沙門氏菌檢測即病菌檢測。印刷電子在運輸狀態監控中的其他應用見表2[13]。

2.3物流管理

物流管理主要指RFID系統，RFID系統是一種非接觸式的自動識別系統，其工作原理是通過射頻無線信號自動識別目標對象，并獲取相關數據。射頻識別系統用電子標簽來標識物體，電子標簽通過無線電波與讀寫器進行數據交換，讀寫器可將主機的讀寫命令傳送到電子標簽，再把電子標簽返回的數據傳送到主機，主機的數據交換與管理系統負責完成電子標簽數據信息的存儲、管理和控制。RFID系統具有存儲量大、讀取距離遠、高效、可靠等優勢。因此只要在商品包裝上植入RFID標簽，通過信息感應就能實現數據傳輸，不需要人工可自動記錄入庫和出庫信息。英國的Marks & Spencer服裝類包裝的商品標識大量使用了RFID技術。Talkin things智能包裝系統利用RFID、NFC、智能手機之間的交互，顯示產品信息、安全警告、過期日期、劑量監測。RFID系統的實施基本載體為RFID標簽，其用量巨大，成本相對也較高，而印刷電子可通過自身優點充分降低RFID標簽的成本，促進智能物流管理系統的推廣應用。

2.4應用前景

印刷電子作為一個新興電子制造技術領域，各種相關技術還在不斷完善和創新。除了要提升印刷電子在現有智能物流包裝領域的應用水平外，還需要不斷拓寬新的領域[14]。其中印刷電子在智能物流包裝中最有可能率先廣泛應用于食品生鮮智能保鮮包裝、醫藥智能物流包裝、包裝智能交互設計三個領域。

（1）食品生鮮智能保鮮包裝。運輸距離跨度大，環境中濕度、溫度等都對食品新鮮度造成影響，因此食品生鮮物流包裝可利用印刷紙電池、生物傳感器、溫濕度傳感器和RFID標簽等，實時監控產品的狀態，實現產品溯源追蹤。

（2）醫藥智能物流包裝。某些特定的醫藥運輸需要特定的溫度，因此會利用溫度傳感器實時監控包裝的溫度，反饋給運輸人員，在溫度異常時發生報警。針對此類標簽，印刷電子可以提高其環境感知靈敏度以及信息傳遞速度的能力。

（3）包裝智能交互設計。通過OLED屏幕可以將包裝設計從靜態層面提升到更聯動的動態層面，帶給客戶更好的交互式體驗。系列化、聯動性的包裝能夠抓住用戶的眼球，促進商品銷售，降低企業宣傳成本。同時可以與消費者手機相關聯，將產品信息轉化為聲音信息，方便殘疾人士和高齡人群獲取信息。

3印刷電子面臨的問題

印刷電子作為一個新的領域，為傳統印刷行業帶來新的機遇，也為智能物流包裝注入新的活力，但印刷電子也面臨一些問題，如打印精度低于傳統的集成電路加工，多層印刷受套印精度影響，功能性油墨的印刷適性問題，導電粒子尺寸影響噴墨打印效果，燒結溫度的影響等。因此印刷電子產業化方面還有大量的技術開發工作要做，而智能物流包裝正好可以作為切入點。隨著“物聯網+”的不斷發展，“萬物互聯”已成為必然趨勢，將“物”連入“網”的基礎是成千上萬的終端傳感器、識別器等，而當今電子產業的產能很難滿足“萬物互聯”的需求，這其中巨大的產能缺口就是印刷電子在智能物流包裝中的廣闊市場。

4結語

低成本、柔性化、綠色化印刷電子的出現為綠色智能物流包裝的發展帶來機遇，對整個包裝行業也起到巨大的推動作用。將印刷電子產物與智能物流包裝結合，落實印刷電子的產業化應用，促使包裝不斷發展革新，使包裝趨于智能化、人性化、實用化，豐富智能物流包裝在產品溯源、食品安全、智能及冷鏈物流、防偽驗證等方面的應用，可有效形成印刷電子-智能物流包裝產業鏈的整合，實現智能物流包裝更好更快的發展。

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