Kabelek z drukarki

Rynek drukowanej i elastycznej elektroniki osiągnie do 2025 r. wartość ponad 73 miliardy dolarów.

Większość drukarzy i osób związanych z branżą przyznaje, że do niedawna jeszcze mieli ograniczone pojęcie o drukowanej elektronice. Była to dla nich przysłowiowa czarna magia, z którą jednak należało się zmierzyć, biorąc pod uwagę potencjał tego segmentu druku.

Drukowana elektronika to nowy sposób wytwarzania elektroniki z wykorzystaniem starej metody produkcji w połączeniu z nowymi materiałami. Przewiduje się, że będzie szeroko stosowana we wszystkich rodzajach aplikacji, ale obecnie wciąż jest w fazie rozwoju i nie znalazł jeszcze swojego miejsca na rynku. Warto wziąć pod uwagę różne aspekty tego segmentu druku. Pytania, które należy sobie postawić obejmują również kwestie środowiskowe, jaką jest możliwość ponownego użycia, recykling i utylizacja elektroniki, gdy stanie się ona odpadem. Obawy budzi także stosowanie nanomateriałów.

Definicja drukowanej elektroniki

Drukowana elektronika jest wszechstronnym określeniem metody drukowania stosowanej do tworzenia urządzeń elektronicznych poprzez drukowanie na różnych podłożach. Pierwotnie drukowana elektronika związana była z elektroniką organiczną i tworzywami sztucznymi. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na urządzenia przenośne i cieńszą elektronikę, drukowane elementy elektroniczne są wykorzystywane do tworzenia elastycznych klawiatur, anten, elektronicznych łatek na skórę i innych. Technologia elektroniki drukowanej ewoluowała z biegiem czasu, a teraz drukarki atramentowe są w stanie drukować obwody elektryczne stosunkowo niedrogo i szybko. Krótko mówiąc, drukowana elektronika jest obecnie jedną z najszybciej rozwijających się technologii i staje się nieoceniona dla wielu branż, w tym dla służby zdrowia, lotnictwa, mediów i transportu.

Aplikacje elektroniki drukowanej

Drukowana elektronika jest wykorzystywana w coraz to większej liczbie produktów, ponieważ ta technologia nadal się rozwija. Obecnie z jej pomocą tworzone są elastyczne ekrany, inteligentne etykiety i opakowania, interaktywne książki i plakaty, a nawet tapicerka. W miarę jak substraty stają się cieńsze, materiały drukowane stają się lżejsze i wystarczająco elastyczne, aby można je było zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi.

Jednym z przykładów zastosowania elektroniki drukowanej są karty kredytowe.

Zalety drukowanej elektroniki

Drukowana elektronika stała się bezpieczna, elastyczna i ekonomiczna, co sprawia, że jest atrakcyjna dla wielu branż. Obwody drukowane mogą obniżyć koszty i ograniczenia techniczne związane zwykle z produkcją masową elektroniki. Toruje drogę do produkcji urządzeń, które wcześniej ludzie uważali za niemożliwe. Na przykład firmy pracują nad wykorzystaniem drukowanej elektroniki do identyfikacji banknotów, kart kredytowych, dokumentów prawnych i innych przedmiotów z unikalnymi drukowanymi podpisami. Inną branżą korzystającą z postępów w elektronice drukowanej jest fotowoltaika. Drukowana elektronika może znacząco zmienić projekty energii słonecznej dzięki tańszej elektronice polimerowej. Przed tą technologią stoi jednak wiele wyzwań. Firmy i naukowcy nadal opracowują najlepsze atramenty przewodzące do elektroniki drukowanej i dążą do znalezienia materiałów o optymalnych właściwościach. Inne wyzwania związane z drukowaną elektroniką wynikają z faktu, że procesy są niezwykle nowe, dlatego metoda prób i błędów ma kluczowe znaczenie dla sukcesu.

Do czego?

Drukowane elementy elektroniczne pomagają w upiększaniu codziennych przedmiotów. Od anten i czujników po wyświetlacze i baterie drukowane - drukowane elementy elektroniczne są zintegrowane z papierem, folią z tworzywa sztucznego, tkaniną, metalami i przedmiotami drukowanymi w 3D. Drukowana elektronika otwiera wiele możliwości dla zastosowań urządzeń elektronicznych i wpływa na szereg branż, w tym opiekę zdrowotną, lotnictwo, media i transport. Jak widać rośnie popularność tego segmentu druku, co związane jest ze wzrostem możliwości oferowanych przez elektronikę do druku. Obecnie widoczna jest w druku swoista moda na produkcję „coraz cieńszych” produktów, takie jak elastyczne ekrany, urządzenia do roll-upów, inteligentne opakowania, interaktywne książki, cyfrowe ramki do zdjęć. Wszystkie te produkty zbudowane są z elementów elektronicznych, które mogą zostać wydrukowane. Co ważne, są one nie tylko coraz cieńsze, ale też coraz bezpieczniejsze. Pojawiają się bowiem coraz to nowe procesy, które zastępują tradycyjne metody produkcji.

Drukowana elektronika to nowa technologia, która umożliwia drukowanie materiałów przetwarzalnych (organicznych, nieorganicznych i hybrydowych) oraz urządzeń elektronicznych, takich jak źródła zasilania, biosensory i wyświetlacze, dla różnych rodzajów zastosowań.

Więcej możliwości

Opcja tworzenia i wykorzystywania organicznych polimerów na nowo zdefiniowała wiele standardów określających procesy, w ramach których powstają urządzenia do produktów na rynek energii, takich jak wspomniane panele fotowoltaiczne. Co istotne, technologie druku, takie jakie druk fleksograficzny, atramentowy i wklęsłodrukowy, można stosować z przewodzącymi napięcie elastycznymi materiałami polimerowymi nowej generacji. Twórcy mają teraz większy wybór w zakresie podłoża i konstrukcji. Jeszcze do niedawna byli ograniczeni wąskim asortymentem materiałów i koniecznością dopasowania materiału półprzewodnikowego oraz bloku konstrukcyjnego. Nowsze elastyczne podłoża często można teraz dopasować do specyficznych i ukierunkowanych wymagań produktu, takich jak cienkie, czy też zakrzywione powierzchnie. Ultra cienkie materiały, a także materiały nowej generacji, które w przeciwieństwie do tradycyjnych półprzewodników nie opierają się już na drutach tworzących obwody, są często drukowane przy użyciu atramentów przewodzących prąd i mogą być dyskretnie zintegrowane w taki sposób, by zajmować jak najmniej powierzchni. Dzięki temu nadają się do produktów przeciwdziałających podrabianiu czy też tak zwanym opakowań inteligentnych.

Ciągły rozwój

Dynamika drukowania elektroniki i procesów z nią związanych przeszła w ostatnich latach kilka zmian, a obecnie zajmuje jedno z najważniejszych miejsc w rankingu głównych technik druku. Na przykład, elementy stanowiące części konstrukcji muszą być funkcjonalne technicznie, a także atrakcyjne wizualnie. Ponadto pod uwagę należy wziąć również stabilność wymiarów, m.in. pod względem długości i szerokości obrazu, co jest ważne np. w przypadku elastycznych obwodów i przełączników membranowych. W tym przypadku techniką druku wartą uwagi z pewnością będzie fleksografia, gdyż jest procesem ekonomicznym i oferuje doskonałe możliwości rozdzielczości druku.

Tak, ale razem

Kontrolowanie zmiennych procesowych, opracowywanie nowych produktów i określanie, co będzie działać, a co nie wymaga pracy wielu specjalistów od druku elektroniki. Muszą oni bowiem nie tylko znać się na procesach czysto technologicznych, ale i stricte opakowaniach czy grafice, bowiem wiele problemów dotyczy produkcji, problemów ze zgodnością i osadzaniem tuszu na produkcie, co swoją drogą ma niezwykle duże znaczenie, gdyż finalna powłoka tuszu jest decydująca w przypadku cienkich lub dyskretnych i dokładnych warstwach. Grubość warstwy tuszu nie jest jednak wyłącznie zmartwieniem dla specjalisty od druku elektroniki. Przetwórcy opakowań i inni również wiedzą, że ostatecznie grubość druku przekłada się na gęstość kolorów. Właściwości, takie jak przepuszczanie światła muszą być spójne i powtarzalne od partii do partii. Kolor musi być zatem sprecyzowany, ponieważ przezroczyste właściwości tuszu przenoszą światło w określonym zakresie tolerancji.

Inżynierowie MIT pracują obecnie z nowym rodzajem elektroniki drukowanej, która obejmuje skomplikowany proces drukowania i technikę stemplowania umożliwiającą drukowanie tranzystorów wystarczająco małych, aby kontrolować pojedyncze piksele w wyświetlaczach o wysokiej rozdzielczości i ekranach dotykowych.

Metoda prób i błędów

Konieczne jest zacieśnienie współpracy między drukarnią, działami R&D, dostawcami materiałów eksploatacyjnych i klientami. Powinna ona obejmować fazę testową, ocenę,  monitorowanie i eksperymenty, zwłaszcza gdy produkty są w początkowym okresie rozwoju. Wiele zmiennych wpływa na wydajność i efekt końcowy, obejmują one między innymi: charakterystykę tuszu, czas schnięcia, dopasowanie koloru, stopień dokładności druku, odpady materiałowe, długość i szerokość obrazu. Kontrola jakości, narzędzia do opracowywania produktów i systemy, które umożliwiają użytkownikom dopasowanie kolorów są niezwykle przydane i powinny być wzięte pod uwagę, tak samo jak trwałość, elastyczność, odporność chemiczna, odporność na ścieranie oraz ocena przydatności różnych elementów procesu i materiałów.

Przykład dla innych

Jednym z przedsiębiorstw specjalizującym się w tym konkretnym segmencie druku jest RK Print założony na początku lat sześćdziesiątych. Ta rodzinna firma z ponad 60-letnim doświadczeniem oferuje klientom szeroki zakres opcji powlekania i laminowania, technologie drukowania, a także szereg opcji suszenia/utwardzania. Technologie RK Print Coat Instruments lub urządzenia FlexiProof 100, FlexiProof UV i LED UV, są stosowane do szerokiej gamy kontroli jakości i procesów rozwoju produktu związanych z produkcją i zastosowaniem farb fleksograficznych. Urządzenia te opierają się na zminiaturyzowanym systemie utwardzania UV, który pozwala na płynne drukowanie i utwardzanie. Wersja LED jest idealna do zastosowań wrażliwych na ciepło. FlexiProof jest mniejszą, ale równie efektywną pod względem komponentów wersja konwencjonalnej maszymy fleksograficznej do tworzenia próbek. Ta nagradzana koncepcja może zostać wykorzystana do przeprowadzenia prób produktów bez konieczności uruchamiania całej lini produkcyjnej. Oszczędza to materiały, przyspiesza wydajność i pomaga zidentyfikować problemy z maszyną, zanim zaczną generować kosztowne problemy. Pozwala ona na szybkie dopasowywanie kolorów, dzięki czemu próbki natychmiast można dostarczyć klientowi do zatwierdzenia i podpisania.

Od 2004 r. sprzęt VCM jest instalowany w wielu miejscach na całym świecie, gdzie drukuje się elektronikę

Próbki na zamówienie

Maszyna VCM, czyli wszechstronna maszyna do konwersji (The Versatile Converting Machine) jest projektowana na zamówienie i optymalizowana pod kątem specyficznych wymagań każdego procesu. Od 2004 r. sprzęt VCM jest instalowany w wielu miejscach na całym świecie, gdzie drukuje się elektronikę. Urządzenia te są odpowiednie do prowadzenia badań i rozwoju oraz do celów pilotażowych i produkcyjnych. Są użyteczne w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych. Oprócz elektronicznych aplikacji do druku są też atrakcyjne pod względem bezpieczeństwa, do obrazowania ukrytego, diagnostyki medycznej, do produkcji półprzewodników polimerowych i do folii odbijających promieniowanie UV oraz do innych wymagających zastosowań. Ich solidna konstrukcja umożliwia pracę z wykorzystaniem szerszych i cięższych podłoży, a jednocześnie pozwala na znaczną elastyczność w zakresie rozbudowy lub modyfikacji systemu w miarę zmian w rozwoju lub aplikacji. Jest to szczególnie ważne w szybko rozwijających się sektorach rozwoju produktów, takich jak elektronika.

Podsumowanie

Reasumując, zalety drukowanej elektroniki obejmują niską cenę, atrakcyjny i elastyczny kształt, łatwość produkcji i integracji. Umożliwia ona również rozwój niekonwencjonalnych funkcjonalnych urządzeń elektronicznych, w tym elastycznych wyświetlaczy, inteligentnych etykiet, animowanych plakatów, odzieży aktywnej i innych

wyzwań związanych z drukowaną elektroniką.