TECHBLICK – deel 1: Inkten voor ‘printed electronics’

Eind oktober verzamelde de “printed electronics” – community op de Techblick-conferentie in Berlijn (https://www.techblick.com/electronicsreshaped) om de nieuwe generatie functionele printproducten tentoon te stellen. Het tempo waarmee hier nieuwe innovaties in inkten, printtechnologie en applicaties gepresenteerd worden, blijft verbazen. In deze nieuwsbrief lichten we maandelijks een aantal interessante ontwikkelingen verder toe. Als eerste gaan we dieper in op nieuwe functionele inkten om gedrukte elektronica mee te produceren.

Vloeibaar metaal

Een goed startpunt is deel twee van de populaire Hollywoodfilm ‘The Terminator’: Hierin blijkt de kwaadaardige opponent van Arnold Schwarzenegger te bestaan uit een soort vloeibaar metaal.

In blogs over ‘visual effects’ (https://vfxblog.com/2016/07/03/t2-is-25-robert-skotaks-liquid-metal-effects/) vind je terug dat men hiervoor het zware metaal kwik heeft gebruikt. We herkennen kwik als een vloeibare stof (smeltpunt ligt op min 39 °C!) dat als metaal elektrische stroom kan geleiden. Het is dan ook de logica zelf dat ontwikkelaars van conductieve inkten zeer geïnteresseerd zijn in vloeibare metalen voor printed electronics-toepassingen. Wel niet te vergeten dat kwik een zeer toxisch materiaal is (in de ‘visual effects’-blog zie je hoe men hier mee geworsteld heeft bij Terminator 2), kwik zal nooit een kandidaat zijn om inkt mee aan te maken.

Beter vertrekpunt zijn minder toxische metalen met een laag smeltpunt, zoals Gallium en Indium. In een samenstelling met tin, verkrijg je een metaal met smeltpunt van -19° C (dus vloeibaar in standaard toepassingen) en met ook goede elektrische eigenschappen.

Fig. 2. Mahmoed Tavakoli van de Universiteit van Coimbra(Portugal) kan U alles vertellen over vloeibare metalen.

De uitdaging nu is hoe je vloeibaar metaal kan omvormen tot een bruikbare inkt. Een oplossing is gevonden door geluidsgolven door het vloeibare metaal te sturen. Hierdoor wordt de vloeibare massa omgevormd tot superfijne bolletjes (enkele nanometer groot!) in een fijne (geoxideerde) schaal.

Fig. 3. De bolletjes vloeibaar metaal, gecapteerd in een omhulsel, zijn slechts enkele nanometer groot.

Resultaat is een inkt die je op kamertemperatuur kan verwerken, en die je geweldig kan uitrekken zonder nadelig effect op de elektrische prestaties. Dergelijke inkt is vandaag de dag reeds beschikbaar voor zeefdruk. Specificaties zijn terug te vinden bij ELMNT (https://www.ues.com/hubfs/170220233_ELMNT_STSL_TechSheet-2.pdf).

Fig. 4. Inkt op basis van vloeibaar metaal.

Niet geheel onverwacht zijn de eerste toepassingen van deze inkt in defensie te vinden, met als voorbeeld de verwarmde handschoen.

Fig. 5. Een militair moet in alle weersomstandigheden zijn werk kunnen doen: liquid metal -inkt op textiel als verwarmingselement (bron: https://bluehalo.com/)

Zelf uithardende UV-inkt

Nieuw aanwezig op de conferentie is het bedrijf Speedpox (https://www.speedpox.com/).  Speedpox heeft een nieuwe verfrissende kijk op het uitharden van UV-inkten. In onze grafische productie doen we dit door de UV-bedrukking onder een LED-UV lamp te laten passeren.  De Speedpox-inkten bevatten reactieve harsen die maken dat ze slechts minimaal energie nodig hebben om uit te harden. Er is zelf een mate van zelfuitharding mogelijk: als er UV-licht valt op het begin van de geprinte geleider, dan start dit een reactie die de volledige inktbaan uithardt, Magic!

Fig. 6. Speedpox UV-inkt: je start lokaal de uitharding met UV-licht waarna het volledige inktoppervlak zichzelf uithardt.

Status zilverinkten

Zilverinkt voor zeefdruk is mainstream technologie. Voor inktfabrikanten is dit een zeer competitieve markt, met uitdagende prijszetting vanuit het verre Oosten. Het is bemoedigend dat ondanks deze zware concurrentie, Agfa met zijn conductieve inkten op de conferentie aanwezig is. Opdracht is dat de zilverinkt uit het verre Oosten wordt verkocht tegen de productiekost hier in Europa, een situatie die niet kan blijven duren.

Verder zie je ook specifieke ontwikkelde zilverinkten: het Franse VFP Ink Technologies (https://vfp-ink-technologies.com/) biedt een conductieve zilverinkt aan voor de flexodruk. Nagase ChemteX Amercia (https://nagasechemtex.com/) heeft een zilverinkt ontwikkeld voor op textiel. Henkel heeft dan weer een specifieke zilverinkt voor PAD-printing op de markt: LOCTITE ECI 1203 E&C (https://www.mouser.com/datasheet/2/773/LOCTITE_ECI_1203_EC_en_GL-3434401.pdf?srsltid=AfmBOorTynGiV53DMnT0y8rlV-Z174pPVca9JTF1NJf5ifjAQkbM6dvV).

Fig. 7. Flexibele zilverinkt gedrukt in een sinusvorm voor gebruik op uitrekbaar textiel (Nagase ChemteX America).

What’s next?

Naast deze nieuwe commercieel beschikbare inkten zie dat onderzoeksinstituten bestaande technologie zoals zilvervlokken als basis voor inkt verder optimaliseren. Zo hebben de Technische Hochschule Ingolstadt en National Research Council Canada zich gestort op de ontwikkeling van moleculaire inkten. Deze inkten hebben de eigenschap dat ze geen partikels of vlokken meer bevatten: de geleidende partikels worden op moleculair niveau gecreëerd. Volgende maand bekijken we de vooruitgang in productieapparatuur: welke vernieuwingen vinden we terug in druktechnologie voor printed electronics?