Drukken van elektronica? (Deel 2)

Fons Put
12 december 2023
Eye-Opener, Tips

In onze november nieuwsbrief kon je kennismaken met de “TechBlick”-conferentie in Berlijn, verzamelplek waar je zowat iedereen kon terugvinden die zich bezighoudt met het drukken van elektronica. In het eerste deel besproken we het ‘hybride’-aspect van gedrukte elektronica en de innovaties in print-technologieën en materialen. In dit tweede deel zoeken we een antwoord op volgende vragen:

Wat is er al beschikbaar op de markt?
Hoe staat het met de duurzaamheid van deze nieuwe toepassingen?

Beschikbare commerciële toepassingen

Op de “TechBlick”-beurs valt vooral het brede toepassingsbereik van de nieuwe print-toepassingen op: verpakkingen & labels, auto, textiel, medisch, logistiek, verlichting, zonnepanelen, verwarming, IoT…In al deze sectoren wordt gezocht naar succesvolle implementaties, een thematisch overzicht:

Verpakkingen & labels

Witte technology is een label -en securityprinter met een businessunit ‘Industrial printing’. Hierin is er een cleanroom ter beschikking voor de productie van gedrukte elektronica.

Fig. 1. In de bedrijfsvoorstelling van *Witte technology* krijg je een goed beeld wat het drukken van elektronica inhoudt (https://vimeo.com/857507125).

In hun productportfolio vinden we o.a. Easyscheck (https://easycheck-by-edding.com/) en ‘Scape X stickers’ terug (https://youtu.be/6WaOUZW8X7g). Beide printproducten zijn gebaseerd op dezelfde technologie: door een transparantie geleidende toplaag op het label te drukken kan je deze laten communiceren met de touchscreen van je smartphone. Via een app kan dan informatie uitgewisseld worden (voorbeeld authenticiteit, klantenkorting, enz.).

Fig. 2. Easycheck: printen van een geleidende transparante toplaag om het label of kaart interactief te maken.

Vermelden we ook hun interessante eigen printsample (zie de bedrijfsvideo) met gedrukte-elektronica-toepassingen.

Fig. 3. De gedrukte demonstrator van *Witte technology* met toepassingen uit hun drukkerij.

Medisch

Innovatieve printtoepassingen kunnen wel degelijk een maatschappelijk verschil maken. Professor Ana Claudia Arias van de University of California Berkeley tekende met grote voorsprong voor de top-keynote op deze TechBlick-conferentie. Ze nam ons mee in een geweldig verhaal dat uitdraaide op een win/win voor universitair onderzoek, industrie en consument (in dit geval patiënt). Startpunt zijn MRI-scanners in ziekenhuizen: patiënten krijgen hier een vrij zware harde plaat op hun lichaam om een kwalitatieve MRI-scan te maken. De vorm van die plaat is gebaseerd op de 1,80m grote man, dus een nachtmerrie voor vrouwen, kinderen en baby’s. Printen met geleidende inkt op een (lichtgewicht) flexibel substraat leidde tot een sterk verbeterd en gepersonaliseerd product, tot grote tevredenheid van de patiënt. Er zijn tranen van geluk gevloeid tijdens de product-trials! Kind-patiënten werden met de oude technologie onder narcose gebracht om tot bruikbare MRI-scans te komen (stilliggen!). Het gepersonaliseerde (lichtgewicht) print product maakte dit overbodig. Het onderzoek leidde tot de oprichting van de firma inkspace (https://www.inkspaceimaging.com/). Het product heeft intussen FDA-goedkeuring gekregen en is o.a. door Siemens gevalideerd (dat 70% van de markt van MRI-scanners in handen heeft), hetgeen interessant toekomstperspectieven biedt. In deze moeilijke geopolitieke tijden, waar de focus te vaak op vernietiging ligt, een ware verademing dat onze Westerse wereld in staat is tot dergelijke ontwikkelingen!

Fig. 4. Professor Ana Claudia Arias van de University of California Berkeley bracht met voorsprong de beste keynote op Techblick: hoe print een maatschappelijk verschil kan maken.

Auto

Ignacio Cadenas, Senior Engineer Exterior Lighting bij Volvo Cars, ziet een grote toekomst bij het gebruik van print in de productie van auto’s. In een auto zit o.a. meer dan 2 km elektrische bekabeling, hier liggen dus grote kansen voor vereenvoudiging met gedrukte geleiders.

Hiernaast staan gedrukte OLED’s en Touch-sensoren hoog op lijst voor nieuwe vormen van interieurdesign. Het Duitse PolyIC (https://www.polyic.com/), een samenwerking tussen Kurz (finishing, labeling, decoratie…) en Siemens, zet met hun ‘Touch sensing’-folie sterk in op deze trend. De folie wordt gemaakt in een roll-to-roll drukproces door een fijn lijnpatroon te drukken met geleidende inkten.

Fig. 5. De ‘Touch sensing’-folie van PolyIC verwerkt in een auto-interieur.

Textiel

Het Vlaamse Quad Industries (https://www.quad-ind.com/nl/) heeft een lange historiek in zeefdruk met functionele inkten. Hierbij is nu ook expertise opgebouwd in het drukken met geleidende inkten op textiel.

Fig. 6. Nieuwe producten bij Quad Industries: handschoen met geïntegreerde verwarming.

Ook bij traditionele borduurmachines zijn er opties voor integratie van elektronica. Zo biedt 3E-Smart Solutions (https://3esmartsolutions.de/) borduurgaren aan waarin reeds geleiders met kleine LED’s zijn verwerkt. Hiermee kan je op industriële wijze lichteffecten toevoegen aan textielproducten. Dit nieuwe materiaal is intussen ook toegevoegd aan de materiaal box voor de VIGC-masterclass ‘slimme verpakkingen & labels’ (URL toevoegen) en kan je dus zelf eens ervaren in onze masterclass!

Fig. 7. Integratie van licht in borduurgaren (https://3esmartsolutions.de/)

Internet of Things

IoT staat voor een geconnecteerde wereld van slimme objecten. Het stijgend aantal RFID-labels is hiervan een goed voorbeeld. “Ambient IoT” is een alternatieve labeltechnologie van

Williot (https://www.wiliot.com/). Grootse verschil met RFID is dat de nodige energie om met het label te communiceren volledig komt door aanwezige straling in de omgeving (o.a. WIFI) op te slorpen. Bij RFID wordt deze energie geleverd door de RFID-scanner of smartphone (NFC). Je krijgt hierdoor batterij loze labels die continue kunnen communiceren. Grootste onderscheid met RFID, is dat er geen aparte lezers (RFID-scanners) nodig zijn om te communiceren met het label.

Fig. 8. Steve Statler – Chief Marketing Officer bij Williot maakt de vergelijking tussen RFID en “Ambient IoT”, hamvraag is: hoe betaalbaar triljoenen objecten laten communiceren?

Sensors

Ook grote volumes lage-kost geprinte sensoren passen in dit IoT-landschap. Het Duitse Innovation Labs (https://www.innovationlab.de/gedruckte-elektronik/) is een samenwerking tussen Duitse universiteiten en industriële partners (o.a. Heidelberg en BASF). Op een Gallus-labelpers wordt nu roll-to-roll een sensor-folie gedrukt voor o.a. toepassingen binnen de Retail. De folie registreert gewicht, waarmee winkelgedrag en goederenverbruik op POS-displays kan worden geregistreerd Toekomstig voordeel kan zijn dat de technologie geen privacy-issues heeft (anoniem in tegenstelling tot camera-detectie).

Fig. 9. Maak je POS-display slimmer via druksensoren (https://proteussmartdisplay.com/

Henkel heeft een breed aanbod inkten voor allerhande sensor-applicaties (https://www.henkel-adhesives.com/be/en/services/industrial-services/printed-electronics-services.html). Samen met de Vlaamse partner Quad Industries (https://www.quad-ind.com/nl/) is er een ‘sensor xperience kit’ beschikbaar waarmee je kan experimenteren met 4 types geprinte sensoren.

Fig. 10. De beleving box van Quad Industries – Henkel met vier verschillende geprinte sensoren, je kan deze bestellen via https://print-your-electronics-with-loctite.com/SENSOR-INKXPERIENCE-KIT

Belangrijk verschil met RFID is dat gedrukte sensoren een batterij nodig hebben. Hiervoor zijn er aanbieders van flexibele batterijen (zeefdruk) om mee in een slim label te integreren.

Fig.11. Flexibele batterij voor gebruik in slimme labels (**https://www.printed.energy/**)

Licht & Display

Op de beursvloer had ik een interessant gesprek met Dr. Ito Manabu, Manager van het Technical Research Institute van Toppan Inc (https://www.holdings.toppan.com/en/). Toppan is een voorbeeld van een getransformeerde drukkerij: wereldwijd 55.000 werknemers en naast grafische activiteiten ook actief met het drukken van functionele inkten in flexo. Op de voorbij VIGC-masterclass ‘slimme labels & verpakkingen’ stelde Toppan hun papier-gebaseerde NFC-tag voor (https://www.holdings.toppan.com/en/news/2023/01/newsrelease230123.html). In zijn huidig project onderzoekt Dr. Ito Manabu de markt van plooibare displays, zoals je die aantreft in openklappende smartphones. Hun technologie doorstaat hier probleemloos 1 miljoen vouwcycli!

Sinovia (https://www.sinoviatech.com/) gebruikt flexo om lichtgevende oppervlakken & displays te drukken. Startpunt is een conductieve film (anode) waarop je dan in flexo de kathode drukt om zo tot een werkend display te komen (vorm van patterning). Op deze wijze krijg je displays op een resolutie van 100micron (= 100 lijnen/cm, tekst nauwkeurigheid). In hun cleanroom in California wordt gedraaid tegen 50 m/min (20% van de maximumsnelheid). Met een uitgekiende combinatie van anilox-volumes en inktformulatie tracht men de gedrukte oppervlakken zo vlak mogelijk te krijgen voor een egale lichteffecten.

Fig. 12. In flexo gedrukte rol display-structuren (https://www.sinoviatech.com/)

Zonnepanelen (OPV’s)

In de transitie naar een CO₂-neutrale industrie investeert Europa in technologie om zonnepanelen roll-to-toll te printen (https://www.flex2energy.eu/). In het Griekse Thessaloniki is hiervoor een pilootlijn gebouwd met als belangrijke partner het Duitse Coatema (https://www.coatema.de/en/), te volgen.

Fig. 13. Mogelijke toekomst van de landbouw in Vlaanderen: gebruik van lage kost gedrukte zonnepanelen in serres.

Duurzaamheid

De voordelen van print

Innovatie gaat vandaag hand-in-hand met duurzaamheid en hier komt het additieve karakter van print op de voorgrond. Klassieke elektronica-productie is gebaseerd op etsprocessen met bijhorende milieubelasting (restproducten) als gevolg. Additieve productie kan deze aanzienlijk verminderen. Cijfers hierrond werden gegeven door Ollie Smeenk, medeoprichter van het Nederlandse Sodaq (https://sodaq.com/), producent van een slim label voor logistiek. Hij vergeleek het energieverbruik, CO₂-emissie en materiaalverbruik van een aantal klassieke producenten van elektronica (Printed Circuit Board) met de print-gebaseerde aanpak van Tracxon (https://www.tracxon.tech/)

Fig. 14. Hoe duurzaam is de productie van elektronica? Vergelijkend cijfermateriaal van Sodaq (https://sodaq.com/).

Zweden is een grote papierproducent, ook hier zie je initiatieven om papier en elektronica te verenigen. Op een papiermachine ontwikkelde de Zweedse onderzoeksorganisatie ‘digital cellusolecenter’ (https://digitalcellulosecenter.se/) papier dat stroom dat geleiden.

Fig. 15. Papier dat stroom kan geleiden, jammer natuurlijk dat het zwart is!

The warming company (https://www.warmingsurfaces.com/) is een spin-off van het Finse onderzoekscentrum VTT. Vaak ontstaan uit militaire onderzoeksprojecten interessante burgertoepassingen. ‘Oorlog – misleidende systemen’ zijn hiervan een illustratie. Doel van deze systemen is om nep-artillerie en andere militaire attributen zo natuurgetrouw mogelijk na te bootsen om de vijand te verleiden deze nepdoelen te beschieten met dure raketten. VTT ontwikkelde hiervoor een gepatenteerd proces om warmtefolies te produceren. Aangebracht op de nepdoelen misleidt deze folie de warmtezoekende (infrarood) sensoren van raketten van de tegenpartij. De afgeleide burgertoepassing is beschikbaar onder de naam ‘Halia’ (Fins voor ‘knuffel’), hiermee hoopt men een aanzienlijke energiebesparing in Europa te kunne bewerkstelligen.

Fig. 16. De warmtefolie van The warming company

Alan Wu, CEO van Smooth & Sharp Corporation (https://sns.com.tw/), een Taiwaneese leverancier van RFID-producten, pakte uit met duurzaamheidscijfers van RFID-tags:

30 miljard RFID-antennes staat gelijk met 3,300,000 Kg of 45 km² plastiek afval (gebaseerd op 50um PET, gemiddeld 650 antennes per m²).
30 miljard RFID-antennes chemisch etsen staat gelijk met een consumptie van 10,000,000 ton zuiver water.

Smooth & Sharp Corporation heeft intussen een gravure-drukproces geoptimaliseerd om tegen 30 m/min composteerbare RFID-antennes op papier te produceren.

Fig. 17. Gravure voor het drukken van RFID-antennes op papier (Smooth & Sharp Corporation)

Conclusies

Inzake beschikbare commerciële toepassingen werd het begrip ‘hockeystick-curve’ veelvuldig op de TechBlick-beursvloer gehanteerd (https://en.wikipedia.org/wiki/Hockey_stick_graph). Geprojecteerd op gedrukte elektronica betekent dit veelvuldige product lanceringen en activiteit in het vlakke eerste deel van de stick: er is nog veel inspanning nodig om tot sterk stijgende omzet te komen. De verwachting is dat een aantal van de initiatieven op korte termijn in het sterk stijgende deel van de ‘hockeystick-curve’ gaan terechtkomen. Gezien de sterke progressie in materiaalontwikkeling en finetunen van drukprocessen lijkt me dit een valabele gedachtegang. Duurzaamheid kan kunnen deze processen een extra boost geven: de ‘oude’ ets-gebaseerde technologie is niet-duurzaam en elke omslag richting print geeft hier onmiddellijk een belangrijk voordeel.