Drukken van elektronica? (Deel 1)

Fons Put
27 november 2023
Eye-Opener, Tips

De slogan van het afgelopen VIGC-Congres “transform, empower, succeed” indachtig, verleggen we de blik richting nieuwe toepassingen in print. Hiervoor bezocht VIGC de “TechBlick”-conferentie in Berlijn. Hier verzamelde letterlijk de hele Westerse wereld om de polsslag van het printen en drukken met functionele inkten voor elektronica-toepassingen te voelen. Klassiek denken we bij elektronica aan computerchips en harde printplaten, op de Techblick-conferentie staat de slogan “Reshaped” centraal: innovatie met nieuwe materialen en druktechnieken om elektronische toepassingen efficiënter en duurzamer te produceren.

Fig. 1. Volle zalen op de Techblick-conferentie waar onder toeziend oog van organisator Dr. Khasha Ghaffarzadeh (uiterst rechts op het podium) deelnemers van de volledige Westerse wereld aanwezig waren.

Het speelveld van nieuwe aankomende (print) technologieën voor elektronica is gekenmerkt door volgende factoren:

Hybride producten. Dit betekent dat in een eerste stap met functionele inkten een basis wordt gedrukt waarna in een volgende productiestap klassieke elektronica-componenten (computerchips, LED’s…) worden toegevoegd.

Sterke innovatie in materialen en productiemethodes. Om functionele (stroom geleidende) inkten aan te brengen staat zowel conventionele (zeefdruk, flexo, gravure) als nieuw ontwikkelde druk-technologieën ter beschikking. Ook is er een groeiend aantal nieuwe inkten en substraten beschikbaar om mee aan te slag gaan.

Breed toepassingsbereik. Commerciële toepassingen met deze nieuwe printprocessen zijn overal terug te vinden: verpakkingen & labels, auto, textiel, medisch, logistiek, verlichting, zonnepanelen, verwarming, IoT…In al deze sectoren wordt gezocht naar succesvolle implementaties.

Aandacht voor duurzaamheid. Klassieke elektronica-productie is gebaseerd op etsprocessen, met een grote belasting op het milieu als gevolg. Drukken met functionele inkten kan deze milieubelasting aanzienlijk verminderen.

Bekijken we in dit eerste deel de eerste 2 kenmerken meer in detail:

Hybride producten

Een goede illustratie van dit hybride concept is een RFID-inlay, zoals we die in slimme labels aantreffen (o.a. Decatlon): op een plastic substraat is met geleiden inkt een antennestructuur gedrukt waarop achteraf een harde computerchip is aangebracht. Het eindproduct is een combinatie van het beste van twee verschillende werelden: de lage kost en duurzaam karakter van printen en de hoge elektrische prestaties van de harde computerchip. Het aanbrengen van chip is momenteel een tijdrovende vertragende processtap: een robot neemt de chip op (“pick”) en bevestigt deze op de juiste positie op de geprinte antenne (“place”).

Fig. 2. Een voorbeeld van een hybride product: RFID-inlays.

Een ander voorbeeld van het hybride concept zijn luxe-verpakkingen en Retail-displays waarin lichteffecten zijn geïntegreerd. Op de gedrukte geleiders moeten in volgende processtappen LED’s en batterijvoeding aangebracht worden.

Fig. 3. Links een schematische voorstelling van de componenten van eenvoudig LED-lichtcircuit(bron: VIGC Masterclass “slimme verpakkingen & labels”): geleiders, LED’s en batterijvoeding. Rechts de uitwerking tot een hybride printproduct (bron: https://www.tracxon.tech/).

Het Holst Printing Center uit Eindhoven is op zoek gegaan naar nieuwe methodes om dit hybride concept efficiënter uit te voeren. Het resultaat van hun research is een digitale printtechnologie om de componenten veel sneller en nauwkeuriger op je geprinte geleiders te krijgen (https://holstcentre.com/expertise/materials-technologies/laser-assisted-high-throughput-microcomponent-assembly/)

Sterke innovatie in materialen en productiemethodes

Kris Erickson, Research Manager Materials Development bij META (moederbedrijf achter Facebook, Whatsapp…) gaf een overzicht van verschillende druktechnieken om functionele inkten op een substraat te krijgen: naast conventionele druktechnieken (gravure, zeefdruk, flexo en inkjet), klinken volgende methodes je waarschijnlijker minder bekend: aerosol, electrohydrodynamic jetting, piezo-valve jetting, laser direct write en laser induced forward transfer, …

Fig. 4. Schematische voorstelling van een aantal druktechnieken om geleidende inkten aan te brengen.

Elk van deze conventionele en nieuwe methodes om te printen heeft zijn eigen resolutiebereik: In zeefdruk kan vandaag 20 micron-lijnen drukken (500 lijnen/cm).

Fig. 5. Doorsnede van een lijn zilverinkt, gedrukt in zeefdruk met zilverinkt. In zeefdruk kan men momenteel gaan tot lijndiktes van 20 micron (bron: https://www.nature.com/articles/s41598-021-83275-0#Fig1)

“Direct write” is eigenlijk de simpelste vorm van printen. Via één nozzle wordt een inktspoor rechtstreeks op een substraat aangebracht (a.h.w. als een stylo die over papier beweegt). Een voorbeeld van een direct-write printer is de XTPL Delta printer (https://xtpl.com/product/delta-printing-system/). Je kan hiermee een lijnen van 13 micron printen, zeer nauwkeurig maar ook zeer traag (dus louter voor prototyping doeleinden).

Fig. 6. Een drukresultaat met Nano-zilverinkt op een XTPL Delta printer.

“Electrohydrodynamic Inkjet” is een afgeleide van “direct write” – printen. Verschil met klassieke inkjet is dat de diameter van de inktdruppel aanzienlijk kleiner kan zijn dan de diameter van de nozzle-opening. In tegenstelling tot een bewegend drop-on-demand piezo-element, wordt de inktdruppel via een elektrisch veld uit de nozzle getrokken. Hierdoor worden lijndiktes kleiner dan 1 micron mogelijk.

Fig. 7. In Electrohydrodynamic Inkjet wordt de inktdruppel (links) door een elektrisch veld uit mekaar getrokken, waardoor je een veel smallere inktbaan kan printen dan de diameter van de nozzle (bron: https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/ntrev-2021-0073/html).

Fig. 8. Via Electrohydrodynamic Inkjet kan je conductieve lijnen kleiner dan 1 micron printen

Aerosol Jet is nog een andere variant: hierbij wordt eerst het te printen materiaal omgevormd tot druppels in een gas (aerosol). Dit aerosol-mengsel wordt dan via een gasvormig tussenmedium op het substraat aangebracht.

Fig. 9. Een gefocuste aerosol-straal van 15micron diameter verlaat de nozzle.
(https://optomec.com/wp-content/uploads/2014/04/Optomec_NEOTECH_DDMC_3D_Aerosol_Jet_Printing.pdf)

High Precision Capillary Printing (HPCAP) is gebaseerd op de capillaire eigenschap van vloeistoffen. De printkop is een resonerende (snel op -en neer bewegend) pipet die opereert op enkele nanometers van het substraat. De diameter van de pipet-printkop kan variëren van 50micron tot 0,5 micron (500 nanometer). Inside-information: Deze printer kan je reeds in Vlaanderen terugvinden!

Fig. 10. Bij het printen van zilverinkten printen met High Precision Capillary Printing is een tussenruimte van 0.5 micron mogelijk (https://hummink.com/).

Ook inzake materialen (inkten, substraten, folies, …) is het innovatie troef. Een greep uit het aanbod:

SARALON (https://www.saralon.com/en/) is een spin-off van de Chemnitz University met een uitgebreide portfolio van functionele inkten. Bij de eenmaking van Duitsland is er sterk geïnvesteerd in voormalig Oost-Duitsland (Chemnitz noemde daarvoor Karl-Marx-Stadt). Hierbij werd gefocust op het drukken met functionele inkten voor elektronica- toepassingen. Voor het drukken van gedrukte batterijen volgen ze een interessant concept: met hun functionele inkten worden de batterijen gedrukt, behalve de elektrolyt (medium waarin de ionen zich bewegen). Op dit moment heeft de (nog niet afgewerkte) batterij een onbeperkte houdbaarheidsdatum. Pas na toevoeging van de elektrolyt (gekende sandwichmethode: elektrolyt-inkt aanbrengen en substraat dubbel pooien) start de houdbaarheidsdatum van ongeveer twee jaar.

Ze zijn ook één van de weinige aanbieders van Electro luminescente inkten. Je kan hiermee grote lichtgevende oppervlakken zeefdrukken die wel een vrij hoge spanning van 70V nodig hebben om licht uit te stralen. Het (helaas) ter ziele gegane Lumoza uit Hasselt was gespecialiseerd in drukwerk met deze inkten.

Fig. 11. De inktset om batterijen te zeefdrukken volgens het “sandwich”-concept (toeplooien).

C3Nano (https://c3nano.com/) levert transparante conductieve folies voor gebruik in veelheid aan toepassingen: aanraakschakelaars, verwarming, OLED-displays, verlichting, afschermen straling, smart ramen, E-paper, displays en zonnepanelen. Als kwaliteitscriterium wordt de elektrische weerstand van de folie opgemeten (4-punts weerstandsmeting).

Fig. 12 (video). Weerstandsmeting van een conductieve folie.

Elektronicaproducent Panasonic heeft zich eveneens op nieuwe materialen gestort: in hun BEYOLEX-reeks zit nu o.a. rekbare plasticfolie

Fig. 13 (video). Demonstratie van rekbare folie met daarop een gedrukte NFC-antenne met LED’s.

Conclusies deel 1

Het is werkelijk indrukwekkend te zien hoe de elektronicasector aan de slag is met nieuwe materialen en druktechnieken. Hierbij passeren zowel roll-to-roll als laagvolumetoepassingen de revue. Het is evenwel af te wachten welke toepassingen uiteindelijk tot commercieel succes leiden. In onze december nieuwsbrief publiceren we deel 2: hierin bespreken we een aantal commerciële toepassingen en gaan we dieper in op het duurzaamheidsaspect van de nieuwe ontwikkelingen.

De Techblick-conferentie wordt volgend jaar ook in de States georganiseerd.