Paperonics

Fons Put
22 juni 2021
Druktechnieken, Eye-Opener, Technologie

Verpakkingen & labels hebben op korte tijd een stevige evolutie doorgemaakt: meer aandacht voor verpakkingslogistiek (track & trace) door stijgende online-aankopen, integratie van veiligheidskenmerken om namaak te bestrijden worden en toevoeging van info om de verpakking geschikt te maken voor automatische sorteerprocessen in recyclageketens.

Ook in het Europese Cornet-project ‘Paperonics’ werd gezocht naar de mogelijkheden om lage-kost sensoren in verpakkingsmaterialen te integreren. Het project staat onder leiding van Prof. dr. ir. Wim Deferme en Prof. dr. ir. Mieke Buntinx van de universiteit van Hasselt. Samen met partners uit Duitsland (Fraunhofer, Technische Universität Chemnitz, Papiertechnische stiftung-Institut für Zellstoff und Papier), het Vlaamse elektronica-onderzoekscentrum IMEC en met ook VIGC, is de geschiktheid van verschillende papiersoorten, inkten en druktechnieken voor het additief produceren van geleiders onderzocht. Het drukken van geleiders vereist natuurlijk andere kwaliteitscriteria in vergelijking met grafisch drukwerk. Daar bij klassiek grafisch drukwerk de focus op kleur, rasters, leesbarheid, enz., ligt, is dit bij de gedrukte elektrische geleider een goed (gesloten) geleiding pad. Hoe beter de geleiding, hoe lager de weerstand energie-efficiënter de geleider is. Bij het ontwerp van een elektronische toepassing is het een afwegen van materiaalkost (goud-zilver-koper) versus prestaties.

Fig. Druk & print voor grafische en elektronische toepassingen (uit het VIGC-lerend netwerk ‘ printed electronics’).

RFID/NFC

Een interessante toepassing binnen het project is het drukken van de antenne van een RFID-tag. RFID (Radio-frequency identification) wordt op grote schaal toegepast in de logistiek. Het basisconcept bestaat uit een antenne die gekoppeld is aan een elektronische chip. De chip bevat logistieke gegevens (voorbeeld: product code) die via de antenne (radiocommunicatie) uitgewisseld kunnen worden. Bij RFID is een aparte lezer vereist om op dergelijke manier gegevens uit te wisselen. NFC (Near-Field Communication) is een variant waarbij de radiocommunicatie op korte afstand (enkele cm) verloopt, maar vereist geen aparte lezer. Elke recente smartphone heeft ingebouwde voorzieningen om via NFC te communiceren. In ‘smart packaging’ vinden we RFID/NFC-toepassingen o.a. terug in de vorm van ‘smart labels’ met Decathlon als een typevoorbeeld.

Topologie

In een eerste stap van het onderzoek is de topologie van een aantal papieroppervlakken zeer gedetailleerd bestudeerd. Hierbij werden de verschillende oppervlakken microscopisch in kaart gebracht.

Fig. Bij een 200X vergroting zijn de verschillen in oppervlaktestructuur tussen een niet-gecoat (links) en gecoat papieroppervlak (rechts) duidelijk.

Fig. Bij 10.000X-vergrotingen kan je ook de eigenschappen van verschillende coatings in detail zien.

Door een natte chemische coating aan te brengen kan de oppervlaktestructuur van het papier aanzienlijk vlakker worden gemaakt. Leegtes tussen papiervezels worden opgevuld en de microscopische ruwheid kan sterk worden verbeterd. Een glad papieroppervlak is een eerste belangrijk kwaliteitscriterium om er later inkt met bijvoorbeeld zilverdeeltjes op aan te brengen.

RFID-Antenne

In een tweede stap werd op een selectie papiersoorten een RFID-antenne gedrukt. Om tot een functionerend RFID-label te komen dient boven op de gedrukte antenne een RFID-chip te worden bevestigd (gelijmd).

Fig. Voorbeelden van antenne-designs voor RFID.

Om de geschiktheid van de combinatie papier/inkt/druktechniek te beoordelen, worden volgende criteria gebruikt:

Hoe goed kan de gedrukte antenne stroom geleiden (weerstand)? En bijkomend, hoe groot is het spoeleffect (inductantie) van de antenne?
Hoe goed is de antenne in staat is om gestandaardiseerde radiosignalen te ontvangen en uit te sturen (standaard RFID-frequentie = 13.56 MHz)?
Hoe goed lukt het om de informatie uit de bevestigde RFID-chip uit te lezen?

Voor 4 verschillende druktechnieken werd in de eerste plaats onderzocht hoe goed ze stroom kunnen geleiden. Doelstelling is een oppervlakteweerstand van 30mΩ/square.

Aerosol Jet printing

Aerosol Jet printing kan je beschouwen als een afgeleid printconcept van inkjet. In het onderzoek werd een Optomec AJ 300 aerosol Jet printer gebruikt. De op deze manier geprinte antennes werden verder gedurende 2 uur gesinterd op 120°C voor een betere geleiding (gesinterde metaalpartikels vormen een beter onderling contact!).

Resultaat: een oppervlakteweerstand: ~24 mΩ/square/20μm dus mooi in bereik van het doel van 30 mΩ/square.

Fig. De werking van Aerosol Jet printing: In de tank wordt een gas en inkt tot aerosol gemixt (fijne druppeltjes inkt, zwevend in het gas). De aerosol wordt naar een nozzle (2) geleid waar de inktdruppels neerslaan op het (bewegende) substraat (3). Bron: Sirris.

Zeefdruk (roll-to-toll)

Zeefdruk is vandaag met voorsprong de meest toegepaste druktechniek voor additieve geprinte elektronica. Op een roll-to-roll zeefdrukinstallatie werden meerdere inkt/substraatcombinaties uitgetest. Met een opdraagvolume van 26 ml/m2 werden oppervlakteweerstanden van 5.6 tot 20.6 mΩ/square behaald, dus mooi binnen de vereiste specificaties.

Fig. Roll-to-roll zeefdruk voor het drukken RFID-antennes

Wel zijn er een aantal kanttekeningen te maken: bij snelheden tot 0.01 m/s loopt de inkttemperatuur te hoog op en niet alle papier-inktcombinaties werkten even goed: bij een aantal combinaties is er een slechte aanname met onderbrekingen in het elektrisch pad als gevolg.

Fig. Inkt-substraat interactie: slechte inktaanname verhoogt de kans op onderbrekingen in het geleidend pad.

Offset

In het VIGC-labo werden op een IGT Orange proofer afdrukken gemaakt met de geleidende offsetinkt van MatePrincs (OCAG-001). In een vorige nieuwsbrief kon je hier al de eerste resultaten bekijken. De afdrukken werden gemaakt in labo-omstandigheden zonder geforceerde warme-lucht droging of sintering.

Om voldoende geleidbaarheid te halen diende verschillende inktlagen nat-in-nat over mekaar gedrukt te worden. Bij een 4-lagen structuur werden volgende scores behaald:

Smart-gecoat papier voor Printed Electronics: 2930 mΩ/square.
Inkjet-gecoat papier: 5020 mΩ/square.
Offset-gecoat papier: 125.120 mΩ/square.

Dus algemeen te hoge weerstandwaarden waarbij er grote verschillen tussen de papiersoorten te zien zijn: op offset-gecoat papier is de weerstand 50X hoger dan op het ‘smart’ – papier.

Rotogravure

Deze druktechniek vertrekt van een laser-gegraveerde cilinder met daarop de antenne-patronen. Bij de opbouw van de geleider banen van de antenne wordt op de graveercilinder een patroon gebruikt. In het onderzoek werden 6 verschillende patronen uitgetest.

Fig. De verschillende gebruikte structuren bij het graveren van de cilinder.

Fig. Een graveercilinder met RFID-antennes.

De graveercilinder werd afgedrukt op zowel papier als een PET-folie.

Papier: 45-64 mΩ/square.
PET-folie: 48-66 mΩ/square.

De bereikte waardes zitten dus licht boven de doelwaarde van 30 mΩ/square, maar na het aanbrengen van de RFID-chip functioneerden alle gedrukte antennes met de kleine honingraat en ruitstructuur.

Flexo

Op een flexo-pers met verschillende druktorens werden eveneens afdrukken gemaakt op papier en PET, waarbij één, twee -en drielagen geleiders werden afgedrukt. Geforceerde droging of sintering (minuten op temperaturen boven 120°C) is praktisch niet uitvoerbaar op de pers.

1 laag inkt: 360-900 mΩ/square.
2 lagen inkt: 350-700 mΩ/square.
3 lagen inkt: 230-330 mΩ/square.

Voor één reeks afdrukken werd het drukresultaat over een warme wals geleid (calendering). Dit verbeterde de geleiding tot 140 mΩ/square.

Fig.; flexo drukresultaat met 2 lagen inkt.

Voor het flexo-drukresultaat kwam als belangrijkste conclusies naar boven:

Het belang van een juiste inktformulering om voldoende laagdikte en goede inktaanname te bereiken
In het ontwerp moeten een aantal specifieke regels gevolgd worden.
- De geleiders zo breed maken als mogelijk (om de geleiding te verbeteren)
- 200 micron is de ondergrens voor de breedte van een geleider (nog fijner zou de werking compromitteren)
- Tussen 2 geleiders minimaal 200 micron ruimte laten

Conclusies

We gaan richting een ‘slimme’ wereld waarbij aan verpakkingen & labels bijkomende eisen gesteld worden. Hierbij ligt de uitdaging op hoe kosten-efficiënt nieuwe verpakkingseigenschappen aan het drukproces kunnen worden toegevoegd. Wat duidelijk wordt uit de experimenten met verschillende druktechnieken, papiersoorten en inkten is dat er nieuw kennisdomein dient opgebouwd te worden voor succesvolle implementatie. Het product wordt complexer: de juiste materialen dienen geselecteerd te worden, nieuwe types kwaliteitscontrole zijn nodig.

Professor Wim Deferme van de UHasselt zal een presentatie geven over Paperonics in het lopende lerend netwerk ‘printed electronics’. Voor vragen over dit onderwerp kan je contact opnemen met Fons Put of deelnemen aan één van de VIGC-activiteiten rond dit thema.