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喷墨打印技术在量子点防伪标签上的应用

发布时间:2020-12-25
发布人:RUIDU

随着科学技术的发展,对于防伪技术的要求也越来越高。一种理想的防伪技术应该是廉价的、无损的、不可复制的,以及便于鉴定和大批量生产的。虽然产业界已经开发了多种防伪技术,但能满足上述要求的技术却很少。福州大学的《喷墨打印具有人工智能认证不可复制的荧光量子点防伪标签》(该研究成果发表于《Nature Communication》)报告了一种非破坏性、可喷墨打印、人工智能(AI)可解码和不可复制的安全防伪标签。

文中应用了喷墨打印技术来制备荧光量子点,其中墨滴三相接触线上的随机钉扎点是防伪标签成功打印的关键。在溶剂蒸发时,三相接触线被钉扎在钉点周围,墨水液滴中的量子点就附着在里面,形成不可复制的(PUF)花状图案。量子点具有优异的光电特性,其图案化在发光显示,荧光标记和智能传感领域具有广阔的应用前景。

量子点薄膜形貌最终决定了其光电器件应用,福州大学研究团队采用MicroFab公司研发的Jetlab®Ⅱ高精度喷墨打印设备,并配合采用直径30μm的打印喷头制作出微米级量子点发光图案,创新性地在基板表面构建有随机分布的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微纳米颗粒,作为喷墨打印输运过程中的聚集钉扎点,强化微米级墨滴蒸发流动以及量子点组装过程中的差异性,形成不可复制的“花状”发光图案;成功应用于低成本、可柔性化、自然条件下隐蔽、具有多重防伪和商业化价值的不可复制的全彩荧光防伪标签。该团队还提出了一种方便可靠的基于人工智能的验证方法,能够快速辨别出具有不同清晰度、亮度、旋转、放大等不同参数的,且具隐蔽性的、不可复制的花状发光图案。

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▲ 图1 通过喷墨打印(inkjet)制备花状图案防伪标签的示意图

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▲ 图2 光学特性表征示意图。a.荧光光谱; b.量子点(QD)墨水在375nm波长激发下RGB荧光衰减测试;c. ITO玻璃基材喷墨打印前后RGB荧光透射光谱;d-i红光、绿光、蓝光激发下的荧光图案,图中尺寸在cm级别,是肉眼可见的,且容易被复制的。

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▲ 图3 不可复制的防伪标签示意图。a-c 分别为红,绿,蓝组成的由喷墨打印制备的”FZU”荧光图案;d-f:局部放大图像(比例尺为500μm), g-i:进一步放大图像(比例尺为100μm)。”FZU”图案在宏观尺度上是相同的,但在微光尺度上是完全不同,即每个量子点的图案都是唯一的。

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▲ 图4 深度学习解码机制。a.验证识别过程示意图:1:产品的图像捕获和数据库生成;2:人工智能学习, 3:消费者使用他们的智能手机捕获产品的图像, 4:由人工智能图像识别和比较5:验证结果反馈给消费者。b-g  6个单点模式安全标签库, h-m 来自b图的(称为真正的产品)具有不同的亮度,清晰度、旋转角度、放大倍以及上述混合因素的6个图像,n-s  6个不在数据库中的荧光图像数(称为假冒产品)。t, u通过深度学习的认证方式识别标签(h1-h6)和(i1-i6)的识别率。标签(g1-g6)、(h1-h6)和(i1-i6)分别对应于图(b-g)、(h-m)和(n-s)中的标签。从蓝色到红色的颜色刻度表示与标签相匹配的捕获图片的分数值(范围从0到100%)。

总而言之,本文展示了一种非破坏性、可喷墨打印、智能手机可读、人工智能可解码、不可复制的荧光防伪标签。以II-VI半导体核壳量子点为模型墨水,通过喷墨打印技术制备出由红、绿、蓝发射阵列组成的各种二维图案的防伪标签。其中采用随机排列的PMMA纳米粒子对打印基材进行表面改性是PUF标签成功制备的关键。印刷基板上的聚合物纳米粒子作为墨滴三相接触线的随机钉扎点,形成物理上不可复制的花状斑点图案。这种不确定的形成模式保证了安全标签的不可复制性。利用RGB发射核壳量子点,可以生成全彩防伪标签,这在以后的生产中可以得到大规模的应用。


参考文献:Yang Liu, Fei Han, Fushan Li, et al. Inkjet-printed unclonable quantum dot fluorescent anti-counterfeiting labels with artificial intelligence authentication[J]. Nature Communication, 2019, 10: 2019

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