Gedrukte elektronica op papier

Gedrukte elektronische componenten op papier kunnen een rol kunnen spelen in een slimme omgeving voor productie, detailhandel en logistiek.

De verpakkingsmarkt in Europa en de elektronica-industrie zijn volop in beweging. Geminiaturiseerde en goedkope elektronische etiketten kunnen transport en logistiek bewaken of vervalsingsbestendige informatie verstrekken over de oorsprong en authenticiteit van producten.

De maatschappelijke verplichting om het klimaat te beschermen en hulpbronnen te sparen, heeft geresulteerd in strengere richtlijnen en wetten over de componenten die nog zijn toegestaan (REACH, RoHS) en heeft het gebruik van kunststof verpakkingen gereguleerd (EU Packaging Ordinance). Het zoeken naar milieuvriendelijker en economischer alternatieven wordt steeds belangrijker voor de economie.

Functionele materialen

Papier wordt gemaakt van hernieuwbare grondstoffen, is gemakkelijk recyclebaar en biologisch afbreekbaar als het dienovereenkomstig wordt verwerkt. Maar tot nu toe heeft papier nauwelijks een rol gespeeld als dragermateriaal voor elektronische apparaten, omdat papier niet te combineren is met klassieke elektronicaproductie.

Een Europees consortium met elf partners uit Duitsland, Frankrijk, Finland, Oostenrijk en Portugal werkte drie jaar in het Supersmart-onderzoeksproject om gedrukte elektronica op papier te brengen. Ze hebben schaalbare technologische processen ontwikkeld die ook massaproductie mogelijk maken. Met de technologie kunnen elektronische schakelingen en displays direct op papier worden geprint.

Een van de grootste obstakels was dat functionele, bedrukbare materialen duur zijn en alleen in kleine prototypesyntheses leverbaar zijn. Bovendien voldoen ze vaak niet aan de eisen voor een constante kwaliteit. Supersmart hechtte bijzonder belang aan de industriële opschaling van functionele materialen en de ontwikkeling van nauwkeurige procesprotocollen voor kwaliteitsborging.

Naast het functionele papier zelf deed Supersmart onderzoek aan piëzo-polymeren, ferro-elektrische nanodeeltjes, elektrochrome materialen, metaaloxide-halfgeleiders voor drukinkten en barrièrecoatings voor papier. In het onderzoek werden labels verwerkt in zowel roll-to-roll als sheet-to-sheet-processen. Zelfs de noodzakelijke polarisatie van de piëzo-elektrische materialen werd opgeschaald op een geautomatiseerd polarisatiesysteem, zodat piëzo-sensoren ook in grote hoeveelheden op een tijdbesparende manier kunnen worden geassembleerd. Met pick-and-place-technologieën werden extra micro-elektronische componenten zoals batterijen of chips voor communicatie op de papieren substraten geïntegreerd.

Klimaat en milieu

In een Life Cycle Assessment (LCA) werd ook beoordeeld hoe hulpbronnen besparende elektronica op papier is gedrukt en waar er verbeterpotentieel is. Het vervangen van organische of anorganische substraten door papier vereenvoudigt latere recycling en vermindert de hoeveelheid afval, zowel tijdens de productie als aan het einde van de levensduur van het product. Drukprocessen gebruiken minder energie en hulpbronnen dan conventionele halfgeleiderprocessen, en het ontwerp is vereenvoudigd met betrekking tot latere recycling.

Op papier gebaseerde sensoren en labels zijn aantrekkelijk voor tal van toepassingen. Ze kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd in verpakkingen en alledaagse voorwerpen. Een anti-namaaketiket voor gevoelige of dure goederen kan fabrikanten en consumenten helpen beschermen tegen fraude. Een grote schokdetectie die in de verpakking is geïntegreerd, zorgt voor transportbescherming en de traceerbaarheid van gebeurtenissen.

Ook kunnen gedrukte elementen worden gebruikt als beveiligingskenmerken en betrouwbaar en tegen lage kosten digitale meerwaarde toevoegen aan eenvoudige producten. Maar ook geheel nieuwe toepassingsgebieden zijn denkbaar, bijvoorbeeld in filtertechnologie of in het onderwijs.

Projectcoördinator was het Franse chemieconcern Arkema. Aan het project werd onder meer deelgenomen door het Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC), het Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, VTT Research (SF) en de universiteiten van Lissabon en Bordeaux.

Foto: K. Selsam, Fraunhofer ISC