Niezbędnym elementem konstrukcyjnym każdego urządzenia elektronicznego, które na co dzień użytkujemy, jest płytka obwodu drukowanego. Stanowiąc trzon całej konstrukcji determinuje jego działanie i możliwość osiągania pożądanych parametrów technicznych. Według raportów IDTechEx wzbudzający wiele emocji rynek elektroniki drukowanej będzie rozwijał się dynamicznie między innymi za sprawą dużej liczby producentów wyświetlaczy OLED, smartfonów, tabletów oraz rosnącej popularności elektroniki noszonej.
Brytyjska firma badawcza IDTechEx zwraca uwagę na najbardziej ekscytujące nowinki technologiczne w sektorze drukowanej elektroniki. Innowacje obejmują zaawansowane technicznie materiały, nowatorskie metodologie produkcyjne i zaskaku- jące zastosowania – od wyświetlaczy po przenośne urządzenia do monitorowania funkcji życiowych.
Firma IDTechEx, która od 1999 roku dostarcza niezależne raporty na temat przełomowych technologii, wskazuje sektory przemysłu najbardziej aktywne w poszukiwaniu i praktycznym wykorzystywaniu rozwiązań z zakresu drukowanej elektroniki. Zespoły badawcze podkreślają też wyzwania, jakim muszą sprostać specjaliści sięgający po tego typu nowinki.
Materiały
Dodając cząsteczki metalu do atramentu, możemy uzyskać efekt przewodzenia prądu elektrycznego – im drobniejsze cząstki, tym lepsze przewodzenie. Atrament z nanocząsteczkami mniejszymi niż 200 nm uzyskuje najlepsze rezultaty, ale jest też droższy niż atrament z mikronowymi płatkami metalu. Rodzaj użytego metalu decyduje w tym przypadku o wydajności i cenie produktu: srebro kosztuje więcej niż miedź lub aluminium, ale lepiej przewodzi prąd, a ponadto nie traci swoich właściwości przez utlenianie. Atramenty srebrne są standardem i mogą być stosowane w sitodruku, we fleksografii i w druku cyfrowym. Warto wspomnieć o przewodzących atramentach na bazie polimerów i firmie Agfa, która jest właścicielem patentu PEDOT: PSS, przezroczystego polimeru o wysokiej konduktancji, dostępnego w formie atramentu.
Oprócz atramentu równie ważne jest odpowiednio dobrane podłoże. Drukowanie srebrnym tuszem na tradycyjnym papierze niepowlekanym nie sprawdza się – chropowata powierzchnia niepowlekanego papieru prowadzi do nieciągłości, które skutkują zakłóceniem przewodzenia. Podłoża pod atramenty przewodzące muszą być bardzo gładkie, odporne na działanie temperatury i muszą posiadać wysoką odporność na rozpuszczalniki. Są to istotne kryteria decydujące o efektach procesu suszenia.
Powszechnie stosowanymi podłożami są tworzywa sztuczne takie jak PET, PEN i stabilizowany termicznie poliester (Melinex, Mylar). Trwają europejskie badania mające na celu dalsze testy zastosowań na podłożach papierowych i kartonowych. Zespół „Paperonics” z Uniwersytetu w Hasselt (którego drukowany czujnik podczerwieni również niedawno trafił na pierwsze strony gazet) prowadzi pionierskie prace, wspólnie z IMEC i partnerami zagranicznymi.
Postępy w materiałach OLED
Dominującym trendem technologicznym jest pojawienie się nowej klasy materiałów, które wydają się być zwiastunami niższych kosztów, wyższej wydajności i szerszej gamy kolorów. Znane jako materiały o opóźnionej fluorescencji (TADF), aktywowane trypletami, reprezentują całkowicie nowe podejście w wytwarzaniu światła. Emitery pomarańczowe, oparte na materiałach opracowanych przez japońską firmę Kyulux, zostały już skomercjalizowane dla małych wyświetlaczy, a kolejne mają pojawić się w 2021 roku.
Opracowany przez amerykańską firmę Molecular Glasses innowacyjny materiał zwiększa rozpuszczalność domieszek fluorescencyjnych, fosforyzujących oraz TADF, zachowując jednocześnie zdolność przenoszenia ładunku elektrycznego. Osiąga się to tworząc podłoże z szerokiego zakresu różnych struktur chemicznych znanych jako mieszanina izomeryczna. Dzięki temu można uniknąć krystalizacji materiału macierzystego, a emisyjne cząsteczki domieszek są bardziej równomiernie rozproszone, co zapobiega agregacji. To z kolei zmniejsza interakcję między ładunkami poprawiając wydajność luminescencyjną.
Elastyczny silikon
Szczególnie ekscytującym osiągnięciem technicznym są w pełni elastyczne, cienkie, krzemowe układy scalone (IC). Możliwości obsługi kojarzone z układami scalonymi do montażu na elastycznych/zakrzywionych podłożach (np. Bluetooth) umożliwiają stosowanie szerokiego zakresu nowatorskich formatów. Elastyczne układy scalone są wytwarzane przez zeszlifowanie konwencjonalnej matrycy silikonowej do grubości 3 mm przed zamknięciem jej w poliimidach (polimerach powstałych w wyniku polimeryzacji imidów) i mogą mieć promień gięcia zaledwie 1 mm.
Elastycznie montowane komponenty są kluczowymi elementami pojawiającego się trendu produkcyjnego znanego jako „Elastyczna elektronika hybrydowa” (FHE). FHE stara się rozwiązać niektóre z problemów nieodłącznie związanych z drukowaną elektroniką, łącząc zamontowane komponenty takie jak elastyczne układy scalone z wydrukowanymi ścieżkami przewodzącymi na elastycznym podłożu.
Chociaż przewiduje się, że najbardziej obiecującymi zastosowaniami będą elektronika przenośna i inteligentne opakowania, FHE można wykorzystać w wielu sektorach.
Żelowe alternatywy
Istnieją też innowacyjne alternatywy dla atramentów przewodzących. Zamiast łączyć płatki srebra ze spoiwami elastomerowymi, firma Liquid Wire stosuje żel metaliczny na bazie stopu galowo-indowego, który jest płynny w temperaturze pokojowej. Ten rozciągliwy przewodnik nie odkształca się po wielokrotnym rozciąganiu. Ponadto, jako żel, pozwala uniknąć trudności w mocowaniu sztywnych elementów o różnych właściwościach termicznych i mechanicznych do
rozciągliwego podłoża polimerowego.
Obwody są zbudowane przez osadzenie metalowego żelu w ułożonych w stos arkuszach z matrycowym TPU. Żel Liquid Wire i związana z nim technologia mocowania komponentów są wykorzystywane w przenośnych urządzeniach do monitorowania sygnałów elektrycznych pochodzących z wnętrza ciała. Elektronika przenośna jest szybko rozwijającą się dziedziną, mającą zastosowanie w opiece zdrowotnej, fizykoterapii i branży fitness.
Druk
Wyzwania związane z drukowaniem elektroniki nie różnią się zbytnio od drukowania poligraficznego; nadal pozostają istotne takie kwestie jak: niezbędna do drukowania drobnych (wielowarstwowych) struktur liniowych rozdzielczość, możliwość nałożenia wystarczającej ilości atramentu, utwardzania i suszenia mokrej warstwy atramentu czy tolerancje materiałowe.
W branży drukowanej elektroniki dominującą technologię druku stanowi sitodruk. Proces jest prosty, materiał wytrzymały, a warstwy podłoża są wystarczająco grube. W połączeniu z drobnym metalowym ekranem i naświetleniem laserowym można drukować metodą sitodruku cienkie linie (50 µ). Technologie grawerowania, fleksografii, a nawet offsetu również są możliwe do zastosowania, ale nie tak powszechne. Do produkcji elektroniki drukowanej oprócz sitodruku używa się głównie drukarek atra- mentowych. Warstwa nadrukowanego atramentu musi być wystarczająco gruba, aby przewodzić prąd elektryczny, nie może być żadnych przerw, nie może też dojść do utleniania.
Aplikacje
Przykładów praktycznego, komercyjnego zastosowania druku funkcjonalnego możemy szukać na różnych rynkach. W portfolio firmy Henkel, jednego z liderów branży chemicznej, znajdziemy zadrukowaną folię termiczną z nadrukowanymi przewodnikami do stosowania m.in. przy ogrzewaniu podłóg i foteli samochodowych.
Podobne koncepcje można znaleźć na rynku etykiet. Świecące etykiety autorstwa mającej polskie korzenie firmy Inuru bez wątpienia robią wrażenie. Koncepcja drukowania zakłada integrację z elastyczną baterią i przełącznikiem dotykowym. Koncern Coca-Cola wykorzystał pomysł twórców Inuru w swoich napojach ze specjalnej serii „Gwiezdne wojny”.
Marcin Ratajczak, jeden z założycieli firmy, tak opisuje koncept: Stworzyliśmy tusze, których można użyć w normalnej drukarce. Drukując jedną warstwę na drugiej na końcu otrzymujemy OLED, który świeci, jeśli podłączymy go do źródła zasilania. Tak naprawdę taki druk nie różni się od druku na drukarce cyfrowej typu inkjet, którą wielu z nas ma w domu lub w biurze. Najpierw drukuje się jeden tusz. Gdy ten wyschnie, drukuje się na nim drugi i kolejne. Na szczęście nasze tusze schną bardzo szybko. Tusze składają się z rozpuszczalników oraz materiałów stałych. Dziś drukujemy na materiale typu PET lub na szkle. Patrząc na OLED pod mikroskopem, widoczne jest, że składa się on z wielu warstw na siebie nałożonych, podobnie do kanapki. Cała magia polega na tym, żeby te warstwy tak dobrać, aby można było jedną na drugiej drukować. W 2019 roku zdobyliśmy Światową Nagrodę Opakowaniową (World Packaging Award) za pierwsze świecące etykiety dla Coca-Coli oraz zrealizowaliśmy dla nich pierwszą serię produktów.
Warto wspomnieć o polskim start-upie Talkin'Things, który coraz częściej pojawia się na rynku inteligentnych etykiet. Najnowszym produktem, uznanym za przełomowy, są drukowane znaczniki NFC/RFID. Innowacyjne, interaktywne etykiety, pozwalające na komunikację z konsumentem otwierają drzwi do nowych logistycznych działań, nowoczesnych kampanii reklamowych i nowych doświadczeń.
Innym przykładem aplikacji drukowanej elektroniki jest flamandzka firma Quad Industries, która ma długą tradycję w tworzeniu interfejsów człowiek-maszyna. Drukowany czujnik do monitorowania ważnych funkcji życiowych to typowy przykład tego, jak druk i technologia mogą w tych czasach tworzyć wartość dodaną dla użytkownika.
Wpływ COVID-19 na drukowaną i elastyczną elektronikę
W 2020 roku wiele firm skupiło się na dostarczaniu rozwiązań, które pomagają w walce z pandemią COVID-19. Urządzenia do zdalnego monitorowania pacjenta, takie jak elektroniczne plastry na skórę, cieszą się dużym zainteresowaniem. Możliwość kontrolowania temperatury i innych parametrów w ten sposób eliminuje konieczność kontaktu bezpośredniego z pracownikami służby zdrowia. Atrament przewodzący jest używany w przypadku testowania czujników jako część systemu wykrywania różnych infekcji, w tym COVID-19.
W innych obszarach materiały takie jak nano-miedź (nanokoloid miedzi) wykorzystuje się ze względu na ich właściwości antywirusowe – na przykład na powierzchniach takich jak klamki drzwi. Aby utrzymać dystans społeczny, w sklepach detalicznych stosowane są czujniki ostrzegające kupujących o zbyt małym dystansie.
Mimo pandemii rok 2020 to ciekawy czas dla branży elektroniki drukowanej, szczególnie dla elastycznej elektroniki hybrydowej. Według IDTechEx możemy się spodziewać, że technologia tego typu będzie coraz częściej wykorzystywana w otaczającym nas świecie. Znajdziemy ją w produktach komercyjnych, w tym w inteligentnych opakowaniach, urządzeniach do noszenia, we wnętrzach samochodów i dobrach konsumpcyjnych.
Opracowanie: BZ
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
