Print als ultieme productietechnologie

Fons Put
21 December 2020
Eye-Opener

We kunnen grafische productie omschrijven als het vermogen om met grote nauwkeurigheid dunne inktlagen aan te brengen op een veelheid aan substraten. In ons dagelijks leven zien we de resultaten: kleurrijke verpakkingen, labels, banners, folders, kranten en magazines. Andere industrieën ontdekken intussen ook de kracht van additief produceren: lage kost, efficiënt gebruik van materiaal én duurzaam. Mooi voorbeeld hier zijn de printed circuit boards (PCB’s), die we terugvinden in onze laptops en smartphones. Klassiek gemaakt door koperen geleiders te etsen op een rigide epoxy plaat. Door het etsen te vervangen door printen met geleidende inkten op folies daalt de productiekost aanzienlijk, en wordt het milieu aanzienlijk minder belast met chemische restproducten.

Fig. 1. Op productronica 2019, de leidende beurs voor Printed Circuit productie, kon je nog volop ‘old-style’ productiemiddel en terugvinden: KODAK met films om etsmaskers aan te maken, BARCO ETS (nu UCAMCO) met filmbelichters. Beide technologieën zijn intussen bijna volledig verdwenen uit grafische productie.

Net zoals grafische bedrijven vroeger investeerden in overgangstechnologie, o.a. door grootformaat scanners om films te digitaliseren, zie je in de PCB-sector hetzelfde gebeuren. Inkjet-printers worden ingezet om de fimbelichter te elimineren door rechtstreeks op de etsplaat te printen. Het einddoel blijft echter op termijn het vervuilende etsen te vervangen door rechtstreeks te printen met geleidende inkt.

Fig. Met Inkjet wordt rechtstreeks op de etslaag geprint.

Functioneel printen

Met het printen van geleidende en functionele inkten kan geld verdiend worden. IDTechEx, de sectororganisatie voor gedrukte elektronica, geeft aan welke industriële sectoren actief zijn: OLED-beeldschermen, In-mold elektronica, gedrukte flexibele sensoren.

Fig. Een snapshot van de omzet van flexibele elektronicaproducten.

Een ge-etste koperen geleider vervangen door een geprinte versie toont de uitdagingen bij dit type drukwerk: de geprinte inktlaag moet voldoende dik zijn om voldoende elektrische stroom te kunnen geleiden, er mag nergens een onderbreking in zitten, er mag geen oxidatie optreden…

Fig. Met een inktstift met zilverdeeltjes kan je reeds een werkende geleider tekenen (links). Professioneel wordt dit gezeefdrukte zilverinkt op folie (rechts). Deze bedrukte folie vormt de basis van een slimme farmaceutische verpakking.

Materialen

Door fijne metaaldeeltjes aan de inkt toe te voegen, kan deze elektrische stroom geleiden. Hoe fijner de metaaldeeltjes, hoe beter de geleiding: inkt met nano-deeltjes (<200nm) geleidt beter, maar is ook duurder dan inkt met grotere micron-vlokken. Ook het type metaal bepaalt prestaties en kostprijs: zilver kost meer dan koper of Aluminium, maar geleidt beter en verliest bovendien zijn geleidende eigenschappen niet door oxidatie. Zilverinkten zijn standard en kunnen geformuleerd worden voor zeefdruk, flexo en inkjet.

Hiernaast zijn er ook geleidende inkten op polymeerbasis. AGFA is de patenthouder van PEDOT:PSS, een transparant, goed geleidend polymeer dat ook in inktvorm beschikbaar is.

Fig. AGFA’s ORGACON conductieve polymeer-inkt. Hiermee worden onder meer capacitieve aanraakschakelaars geprint (https://www.quad-ind.com/user-interfaces/capacitive-touch/).

Naast de inkt is een geschikt geselecteerd substraat even belangrijk. Een zilverinkt afdrukken op niet-gecoat papier is zinloos. Het ruwe oppervlak van niet-gecoat papier leidt tot onderbrekingen met niet-geleiding als gevolg. Substraten om geleidende inkten op te drukken dienen zeer glad te zijn, stabiel onder invloed van temperatuur en goede weerstand te bevatten tegen solventen. Veelgebruikte substraten zijn kunststoffen zoals PET, PEN en hitte gestabiliseerd polyester (Melinex, Mylar). Desalniettemin is er Europees onderzoek om toepassingen op papier -en kartonsubstraten verder te onderzoeken. Het ‘Paperonics’-team van de universiteit Hasselt (waarvan onlangs ook hun geprinte infraroodsensor de krantenkoppen haalde) verricht hier samen met o.a. IMEC en buitenlandse partners baanbrekend werk.

Drukken

De uitdagingen om werkende elektrische ‘devices’ te printen verschillen niet geweldig veel met grafische bedrukking: nauwe registratie en voldoende resolutie om fijne (meerlaags) lijnstructuren te drukken, genoeg inkt kunnen aanbrengen voor voldoende geleiding, het uitharden en drogen van de natte inktlaag binnen materiaaltoleranties.

Zeefdruk is de dominante druktechnologie om geleidende inkten te drukken. Het proces is simpel, robuust, met voldoende laagdikte. In combinatie met een fijne metalen zeef en laserbelichting kunnen fijne lijnstructuren (50 micron) gezeefdrukt worden. Gravure, flexo en zelfs offset is mogelijk, maar het is vooral inkjet dat naast zeefdruk ingezet wordt om gedrukte elektronica te produceren.

Fig. Zeefdruk (boven) en inkjet (onder) om geleidende inkten aan te brengen.

De geleidbaarheid van de geprinte geleider kan trouwens achteraf aanzienlijk verbeterd worden door de inktlaag te sinteren. Door deze op te warmen in een oven of via een lichtbombardement (photonic sintering) vergroot het contactoppervlak van de metaaldeeltjes en wordt de geleiding beter.

Fig. Een ‘sintering’- nabewerkingstap verbetert de geleidbaarheid van de inktlaag.

Toepassingen

Functionele printproducten zijn op diverse markten terug te vinden. In de portfolio’s van de grotere chemische producent Henkel zit bijvoorbeeld geprinte warmtefolie. Dit is een gezeefdrukte folie met geprinte geleiders en warmteweerstand voor gebruik in o.a. vloer -en autozetelverwarming.

Ook in de labelmarkt zijn afgelopen jaar zeer mooie concepten terug te vinden. Indrukwekkend is zonder meer de lichtgevende labels van het Duitse INURU. Het printconcept bestaat uit in inkjet geprinte OLED’s, met een geïntegreerde flexibele batterij en aanraakschakelaar, volledig flexibel uitgevoerd. Coca-Cola gebruikte dit concept voor een speciale Star Wars-serie.

Fig. Lichtgevende elementen op een label (bron: INURU, https://www.inuru.com/)

Het Poolse Talkin’ Things duikt steeds vaker op in de slimme labelmarkt met o.a. een samenwerking met Verstraete In mould labels. Hun meest recente doorbraak is zijn geprinte NFC/RFID-tags waarbij ze een goedkopere werkwijze hebben ontwikkeld om de datachip op de geprinte antenne aan te brengen. De kost om een Retail product geconnecteerd te maken ligt hierbij nu op $0.03. Deze labels openen de deur naar logistieke opvolging, product authenticiteit, automatische kassa check-out en nieuwe vormen van consumentenbeleving.

Fig. De $0.03 RFID/NFC-tags van Talkin Things om verpakkingen te connecteren in een Internet-of-Things omgeving (IoT).

Als laatste vermelden we het Vlaamse Quad Industries, dat een lange traditie heeft in het maken van men-machine interfaces. Als experten in het zeefdrukken met conductieve inkten werd hun samenwerking met byteflies beloond op de laatste LOPEC-beurs. Een geprinte sensor om vitale levensfuncties te monitoren en typevoorbeeld hoe print en technologie in deze tijden een meerwaarde kan zijn.