印刷电子在智能物流包装中的应用

李昭 马克欣 雷志颖 张耀艺 耿宇航 王伟

[摘要]在分析印刷电子、智能包装特点的基础上，结合印刷电子在智能物流包装相关领域的应用实例，阐述印刷电子在智能物流包装中的应用路径、应用方向、应用优势等，并对印刷电子在智能物流包装中的应用趋势做了展望，以期为印刷电子的应用拓宽思路，为智能物流包装的发展提供启示。

[关键词]智能物流;物流包装;印刷电子

[中图分类号]F252.13;F253.9[文献标识码]A[文章编号]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

傳统包装具备的容纳、运输、保护、传递商品信息等基本功能已日渐无法满足互联网信息时代人们的需求，新的包装需求被不断提出，尤其体现在智能元素的融入，如感知、互动、信息可视化等，因此包装需要不断创新发展。近年来，印刷电子技术迅速崛起，其具有柔性化、大面积、低成本、绿色化的特点，与智能包装的发展理念不谋而合。目前虽然印刷电子的研究成果不断出现，但其应用转化仍不容乐观。本文以印刷电子在智能物流包装中的应用为研究对象，分析其应用现况、特点、趋势，以期为印刷电子的应用提供新思路，为智能物流包装的发展提供启示。

1印刷电子及智能物流包装概述

1.1印刷电子

1.1.1印刷电子的特点。印刷电子就是“印刷+电子”，采用印刷的方式制造电子器件和电路。传统的电路芯片和电路板的制作需要经过复杂的光刻、显影、刻蚀等步骤加工制成，本质是一种减材过程，而印刷电子是以印刷的方式将功能材料以图案化的形式沉淀到基底表面，然后通过烧结将墨水烧结成固体材料，是一种增材过程[1]。因此印刷电子优势明显：（1）省略刻蚀步骤不产生废液，印刷没有高温过程，降低成本，对环境友好;（2）不依赖于基底材料性质，可以实现柔性化，借助印刷技术可以大面积批量化生产。印刷电子技术非常符合现代包装工业中绿色、智能一体化的发展重点，具有在包装中推广的基础。

1.1.2印刷电子系统组成。印刷电子制造主要涉及基底材料、功能性导电油墨、印刷工艺、印刷设备四个方面，其中印刷工艺与印刷设备可根据实际需求采用现有的印刷工艺与设备，印刷电子在智能物流包装应用的关键技术问题集中在基底材料和功能油墨的选择。

（1）基底材料。由于印刷电子本身的性质，电子墨水可以被显示在大多数材料上，对基底材料没有特殊的要求，如硅片、玻璃、有机高分子材料、箔片、纸张等。可根据产品的性质选择柔性化、低成本、耐温性好的基底材料，基底材料大多具有独特的柔性和延展性，可适应高效、大面积、低成本的制造工艺。对于包装而言，基底材料一般为瓦楞纸、单张纸、塑料薄膜等柔性化材料或玻璃、金属等刚性材料，均可直接作为印刷电子的基底材料。

（2）功能性导电油墨。功能性导电油墨是印刷电子的核心，印刷电子是在传统的印刷方式的基础上，将传统的油墨替换成具有导电性能的特殊油墨，从而使印刷出来的电路既具有色彩学的特性，又有电学特性[2]。功能性导电油墨需要导电性能良好，物理化学性质稳定，价格低廉，储存方便，且具有良好的印刷适性[3]。目前制备功能导电油墨的原料主要有金属材料、有机材料和无机非金属材料，研究热点主要集中在金属纳米材料和无机非金属材料。金属纳米导电油墨有Cu系、Ag系、Au系、Al系等，其中Ag系导电油墨性价比较高，目前较为常用;无机非金属材料导电油墨主要有离子型油墨、碳类导电型油墨等，其中石墨烯导电墨水发展前景广阔[4]。

1.2智能物流包装

智能物流包装是指在包装、商品或商品-包装组合中有集成化元件或固有特性，利用该元件或特性可将符合特定要求的智能成分赋予商品包装的功能中，或体现于商品本身的使用中[5]。智能物流包装可分为三类：结构智能物流包装、信息型智能物流包装、功能材料型智能物流包装，印刷电子主要应用于信息型智能物流包装中。信息型智能物流包装主要是利用电子信息、物理、通信等技术，在包装外部或表面增加条形码、二维码、RFID标签、传感器等，通过信息和通信技术显示、展现、传达相关的包装信息，并借助包装信息数据管理系统实现产品存储、运送、销售、回收等全过程管理[6]。

目前制约信息型智能物流包装发展的原因有制造成本、环境感知、信息交互等方面的问题。以传统的RFID系统为例，RFID电子标签分为有源电子标签和无源电子标签，有源电子标签使用卡内电池的能量，识别距离较长，但是寿命有限并且价格较高。无源电子标签不含电池，利用阅读器发射的电磁波的能量，具有重量轻、体积小、寿命长、较便宜等优点，但是发射距离受限制，且所需阅读器发射功率大[7]。而印刷电子的出现可以解决此类问题，利用小面积、柔性化的印刷电池充当电源降低电子标签的成本，提高电子标签的读取精度、识别范围和灵敏度。同时，通过丝网印刷或喷墨印刷的电子印刷方式代替产生大量废液、过程复杂的蚀刻天线方式，可使电子标签成本进一步降低，实现低碳环保[8]。

2印刷电子在智能物流包装中的应用

2.1物流包装装潢设计

将印刷电子应用于包装装潢设计，可以改变包装传统设计思路，将静态设计提升为动态设计。以柔性OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）为例，OLED显示技术具有自发光、耗电低、反应速度高等优点，印刷电子可利用喷墨印刷技术制造OLED显示器件的有机功能层，将红绿蓝三种颜色溶液打印到指定子像素中，其定位精度、打印精度、重复精度均很高，可以满足OLED印刷的需求[9]。OLED技術在包装设计中目前主要与压敏传感器结合应用在瓶装啤酒和饮料中，如德国公司Inuru生产出了使用OLED技术的自照明标签，当触摸、移动或接近传感器激活这些标签时，标签就会发光。其他印刷电子在包装设计中的应用见表1[10]。

上述印刷电子在包装设计应用中均需电源，可由印刷电子制作的印刷电池来实现。印刷电池将导电油墨印刷到基底材料上，以构成正负极与电路，获取一种可以储存电能的电池，可以集成到智能标签、OLED、微型传感器、RFID上作为供电源。

2.2运输状态监控

运输状态监控主要使用传感器。传感器的存在使物品拥有了感官，有了感知身边信息并传递信息的能力。印刷电子技术可使传感器更易实现柔性化，同时具有微小化、低成本、绿色环保、适合大批量生产使用的特点。目前柔性温度传感器、柔性压力传感器、弯曲传感器是柔性传感器的典型产品。Bruno，等[11]提出一种基于PET基底的压力传感器，通过检测基底电阻的变化，感知外界压力的变化情况，可用于监测包装运输过程中压力变化，防止包装出现损坏。Mutreja，等[12]分离和纯化了抗外膜抗原的抗体，用于构建检测伤寒沙门氏菌的生物传感器，将抗体与嵌入在商用丝网印刷碳电极上的石墨烯-氧化石墨烯层相连接，可用于果蔬伤寒沙门氏菌检测即病菌检测。印刷电子在运输状态监控中的其他应用见表2[13]。

2.3物流管理

物流管理主要指RFID系统，RFID系统是一种非接触式的自动识别系统，其工作原理是通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。射频识别系统用电子标签来标识物体，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把电子标签返回的数据传送到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成电子标签数据信息的存储、管理和控制。RFID系统具有存储量大、读取距离远、高效、可靠等优势。因此只要在商品包装上植入RFID标签，通过信息感应就能实现数据传输，不需要人工可自动记录入库和出库信息。英国的Marks & Spencer服装类包装的商品标识大量使用了RFID技术。Talkin things智能包装系统利用RFID、NFC、智能手机之间的交互，显示产品信息、安全警告、过期日期、剂量监测。RFID系统的实施基本载体为RFID标签，其用量巨大，成本相对也较高，而印刷电子可通过自身优点充分降低RFID标签的成本，促进智能物流管理系统的推广应用。

2.4应用前景

印刷电子作为一个新兴电子制造技术领域，各种相关技术还在不断完善和创新。除了要提升印刷电子在现有智能物流包装领域的应用水平外，还需要不断拓宽新的领域[14]。其中印刷电子在智能物流包装中最有可能率先广泛应用于食品生鲜智能保鲜包装、医药智能物流包装、包装智能交互设计三个领域。

（1）食品生鲜智能保鲜包装。运输距离跨度大，环境中湿度、温度等都对食品新鲜度造成影响，因此食品生鲜物流包装可利用印刷纸电池、生物传感器、温湿度传感器和RFID标签等，实时监控产品的状态，实现产品溯源追踪。

（2）医药智能物流包装。某些特定的医药运输需要特定的温度，因此会利用温度传感器实时监控包装的温度，反馈给运输人员，在温度异常时发生报警。针对此类标签，印刷电子可以提高其环境感知灵敏度以及信息传递速度的能力。

（3）包装智能交互设计。通过OLED屏幕可以将包装设计从静态层面提升到更联动的动态层面，带给客户更好的交互式体验。系列化、联动性的包装能够抓住用户的眼球，促进商品销售，降低企业宣传成本。同时可以与消费者手机相关联，将产品信息转化为声音信息，方便残疾人士和高龄人群获取信息。

3印刷电子面临的问题

印刷电子作为一个新的领域，为传统印刷行业带来新的机遇，也为智能物流包装注入新的活力，但印刷电子也面临一些问题，如打印精度低于传统的集成电路加工，多层印刷受套印精度影响，功能性油墨的印刷适性问题，导电粒子尺寸影响喷墨打印效果，烧结温度的影响等。因此印刷电子产业化方面还有大量的技术开发工作要做，而智能物流包装正好可以作为切入点。随着“物联网+”的不断发展，“万物互联”已成为必然趋势，将“物”连入“网”的基础是成千上万的终端传感器、识别器等，而当今电子产业的产能很难满足“万物互联”的需求，这其中巨大的产能缺口就是印刷电子在智能物流包装中的广阔市场。

4结语

低成本、柔性化、绿色化印刷电子的出现为绿色智能物流包装的发展带来机遇，对整个包装行业也起到巨大的推动作用。将印刷电子产物与智能物流包装结合，落实印刷电子的产业化应用，促使包装不断发展革新，使包装趋于智能化、人性化、实用化，丰富智能物流包装在产品溯源、食品安全、智能及冷链物流、防伪验证等方面的应用，可有效形成印刷电子-智能物流包装产业链的整合，实现智能物流包装更好更快的发展。

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