Matija MRAOVIĆ 1, 2 , Tea TOPLIŠEK 1 , Anton PLETERŠEK 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ 30 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane d.d., Sora Matt 90 g/m 2 TISKANA ELEKTRONIKA, OSNOVA EMBALAŽE PRIHODNOSTI PRINTED ELEcTRONIc S, BASIS FOR FUTURE PAckAGING IZVLE^EK Podro~je tiskane elektronike je interdisciplinarno podro~je, ki je mo~no povezano s konceptom pametne embalaže. Z njim omogo~imo sledljivost in zanesljivost izdelka skozi celotno zgodovino, to je od proizvodnje, transporta in skladi{~enja, do kon~nega prevzema izdelka, kot tudi spremljanje mehanskih in kemijskih vplivov iz okolja na embalažo oziroma njeno vsebino. Zaradi neprekinjene, popolnoma avtomatizirane masovne proizvodnje elektronike s postopki tiskanja (globoki tisk, fleksotisk, ofsetni tisk, sitotisk) in premazovanja na upogljive podlage z na~inom neprekinjenega tiska z zvitka na zvitek (angl. reel to reel – R2R) in z minimalnimi posegi v sedanje proizvodne procese, predstavlja tiskana elektronika najve~ji potencial za papirno in kartonsko embalažo. Klju~ne besede: tiskana elektronika, prevodno ~rnilo, pametna embalaža, elektri~ni senzor, vlaga, temperatura, plin, RFID, NFC. ABSTRACT Printed electronics is a multidisciplinary field that is closely connected with the concept of smart packaging. Beside traceability and reliability of the products throughout the history, i.e. from production, transport and storage to final delivery it can also track the various parameters in the surrounding environment that can effects packaging or the product inside the package. Printed electronics shows the biggest potential in paper and board packaging due to continuous, automatic massive production of printed electronics (rotogravure, flexo, offset and screen printing) and coating to flexible substrates in reel-to-reel technology and minimal interference into production process. Key words: printed electronics, conductive ink, smart packaging, electric sensor, humidity, temperature, gas, RFID, NFC. 1 UVOD V TISKANO ELEKTRONIKO Tiskana elektronika (angl. printed electronics) predstavlja novo revolucijo na podro~ju izdelave in na~rtovanja elektronike, omogo~a drasti~no nižanje cen in poenostavitev izdelave elektri~nih vezij in komponent. Z razvojem prevodnih, polprevodnih in neprevodnih ~rnil je elektronske sisteme možno izdelati z uporabo tiskarskih tehnik in orodij. Lo~imo tri stopnje tehnologije: wafersko, tiskano in hibridno (slika 1) �1�. Waferska stopnja se od klasi~ne tehnologije izdelave polprevodni{kih integriranih vezij in mikroelektronike (vakuumsko oslojevanje, fotolitografija, jedkanje) razlikuje le v uporabljenih podlagah (polimerni filmi in steklo namesto silicija). Prednost waferske stopnje je visoka lo~ljivost, medtem ko zaradi visoke cene in nezdružljivosti z masovno proizvodnjo, ki omogo~a visokohitrostni tisk bodisi s pole na polo (angl. sheet-to-sheet) ali z zvitka na zvitek, ni primerna za papirno in kartonsko embalažo. Tiskana stopnja predstavlja neprekinjeno, popolnoma avtomatizirano masovno proizvodnjo elektronike s postopki tiskanja (globoki tisk, fleksotisk, ofsetni tisk, sitotisk) in premazovanja na upogljive podlage (plasti~na folija, papir) s tiskom na tiskarskih rotacijah. Slabost tiskane stopnje je slab{a lo~ljivost v primerjavi z wafersko stopnjo, prednost pa njena cena. Zaradi masovne proizvodnje elektronskih komponent in naprav so potrebne ve~je koli~ine surovin, nujno pa je tudi povpra{evanje po izdelkih. Hibridna stopnja je presek obeh stopenj, ki za podlago uporablja le upogljive, fleksibilne materiale. Tiskani elektroniki ceno dolo~ajo prevodna ~rnila. Danes se najve~ uporablja ~rnilo s srebrovimi nanodelci, ki omogo~a dobro prevodnost, uporabno je v vseh tiskarskih tehnikah, zelo preprosto za su{enje (infrarde~e ali vro~ zrak) in, kar je najbolj pomembno, nanodelci v ~rnilu ne oksidirajo. Poznamo tudi ~rnilo na zlati osnovi, ki je dražje, in cenej{o alternativo, ~rnilo z bakrenimi nanodelci, ki pa zahteva lasersko ali stroboskopsko fotosu{enje, ki je zelo dovzetno za oksidacijo. Poleg omenjenih so na trgu tudi ~rnila na ogljikovi osnovi in razli~na polimerna ~rnila (prevodna, polprevodna in dielektri~na), ki so namenjena posebnim tiskarskim tehnikam. Vodilni podjetji na podro~ju ~rnil za namene tiska elektronike sta DuPont in SunChemical �2, 3�. Velik izziv trenutno predstavlja stik med natisnjenimi prevodnimi vezicami in Slika 1: Stopnje tiskane elektronike: (a) waferska, (b) tiskana in (c) hibridna stopnja �1� Figure 1: Levels of printed electronics technology: (a) wafer, (b) printed and (c) hybrid �1� Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane d.d., Sora Matt 90 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ 31 diskretnimi elektronskimi elementi. Razvoj je usmerjen v prevodna lepila (epoksi) in prevodne samolepilne folije, kot tudi na vro~i tisk slojev, namenjenih stiku s ~ipom, na katere je pozneje možno ro~no spajkati elemente. Tiskana elektronika danes zajema fotovoltaiko, upogljive displeje, OLED osvetlitev, elektronske komponente in naprave ter integrirane pametne sisteme (razli~ni elektri~ni senzorji z RFID podporo). Do leta 2014 se pri~akuje, da bodo pametne sisteme sestavljali matrika senzorjev, napreden tiskan spominski modul, izbolj{ane tiskane baterije in komponente za brezži~no interakcijo. 2 PAMETNA EMBALAŽA Koncept pametne embalaže uvr{~amo v hibridno stopnjo zaradi ~ipa za RFID komunikacijo in tiskanih elementov. Glavna funkcija embalaže je varovanje izdelka, nosi pa lahko tudi navodila za uporabo in informacije o izdelku ali pa služi kot reklama. Pametni sistem, integriran v embalažo, je uporaben, ~e ne kar nujen. Nudi zanesljivost, sledljivost, identifikacijo, spremljanje življenjske dobe, ponarejanje, nepoobla{~eno odpiranje in drugo. Zaradi visoke cene je tak{na embalaža {e vedno precej neuspe{na. S tiskano elektroniko, njeno masovno proizvodnjo, novimi in cenej{imi materiali in procesi pa se odpirajo nove možnosti izdelave in uporabe pametne embalaže. Pametna embalaža je privla~na tudi zaradi možnosti brezži~ne komunikacije. Z vgrajenim RFID sistemom je možno avtomatizirano pre{tevanje artiklov ali spremljanje fizikalnih in kemi~nih parametrov na daljavo. Trenutno so tak{ni sistemi sestavljeni iz tiskane antene in/ali tiskanega senzorja in klasi~nega ~ipa, ki omogo~a polno RFID komunikacijo. Primer tak{nega ~ipa je mikroprocesor, SL–900A IC za pametne zna~ke, slovenskega proizvajalca IDS, d. o. o. iz Ljubljane �4�. Gre za sodoben mikroprocesor, ki poleg preproste uporabe RFID komunikacijskega protokola omogo~a tudi priklop senzorjev in izvajanje napredne programske kode po meri �5�. Obstajajo tudi tako imenovani chip-less RFID tag-i ali zna~ke, ki so v celoti natisnjeni. Medtem ko je RFID zanimiv za industrijo, velike sisteme (veleblagovnice) in skladi{~a, je za navadnega potro{nika zanimiva nova tehnologija, imenovana NFC (angl. near field communication), ki v osnovi temelji na RFID standardu in predstavlja nadgradnjo za pametne telefone in naprave. Omogo~a brezkontaktno komunikacijo kratkega dosega med aktivnimi napravami in komunikacijo s pasivnimi napravami, ki se napajajo iz radijskega signala aktivne naprave. 3 TISKANI SENZORJI Z uporabo prevodnih ~rnil in ustreznimi tiskarskimi tehnikami se elektronske elemente že lahko natisne na papir �6�, karton, plasti~no folijo �7� in druge upogljive podlage, kar je raz{irilo in pocenilo podro~je pametne embalaže. Razviti so že senzorji za vlago, temperaturo in plin. Vlaga in voda povzro~ata veliko {kodo v industriji, gradbeni{tvu in logistiki, klju~nega pomena pa sta tudi za papirno in kartonsko embalažo, zato je spremljanje le-te nujno potrebno. Danes poznamo veliko razli~nih na~inov zaznavanja vlage: (i) mehanski higrometer, (ii) kemi~ni senzor, (iii) SAW (angl. surface acoustic wave) senzor in (iv) elektri~ni senzor, ki meri spremembo impedance (kompleksne upornosti) elektri~nega elementa zaradi spremembe vlage. Ta element je lahko upor ali kondenzator. Uporovna tipala temeljijo na spremembi elektri~ne upornosti zaradi higroskopnosti sestavnega materiala. Njihov odziv je logaritemski, kar otežuje interpretacijo signala, pri nizkih vrednostih relativne vlažnosti pa se slabo odzivajo. Prednost je v preprostosti in nižji ceni izdelave. Kapacitivna tipala temeljijo na dejstvu, da se zaradi spremembe vlage mediju spremeni dielektri~na konstanta (ε), kar se zazna kot sprememba kapacitivnosti. Kapacitivni senzorji vlage imajo linearni odziv, uporabni pa so na celotnem obmo~ju relativne vlažnosti. Postavitev in izdelava senzorja sta odvisni od namena. Senzor je lahko postavljen v notranjih plasteh kartonaste embalaže, kjer meri vsebnost vlage v samem kartonu, lahko pa na zunanji strani, kjer meri relativno vlažnost v okolju. Unander in Nilsson predlagata izvedbo z obliko glavnika (angl. comb sensor) (slika 2), ki je standardna in jo je mogo~e zaslediti tudi v literaturi �8�. Senzor je izdelan s prevodnim ~rnilom v tehniki sitotiska (angl. screen printing). Med njim in podlago je nanesena plast dielektri~ne barve, ki pa za papir in karton ni nujna, in sicer zaradi izjemno visoke volumske in povr{inske upornosti papirja (1014 Ω – 1016 Ω) �9�. Unander in Nilsson sta za merjenje kapacitivnosti izbrala metodo praznjenja kondenzatorja. Princip merjenja vsebnosti vlage v podlagi temelji na spremembi upornosti podlage in posledi~no spremembi ~asovne konstante kondenzatorja oziroma sklopa kondenzatorjev, ki ga tvorijo kapacitivnosti med prevodnimi deli, tiskanimi s prevodnim ~rnilom (elektrode), dielektrikom, podlago in zrakom. Za podlago sta vzela valoviti karton in ugotovila, da se z ve~anjem vsebnosti vlage ve~a prevodnost podlage, posledica katere je vi{ja izmerjena kapacitivnost. Relativno vlažnost sta v komori vi{ala od 50 % do 90 % in nazaj. Opazna je histereza, saj izdelki iz celuloze hitreje absorbirajo vlago, kot pa jo oddajajo. Unander in Nilsson sta za podlago uporabila tudi dielektrik (na primer plasti~no folijo) in merila relativno vlago v zraku. Bistvena razlika med njima je v merjeni veli~ini, saj slednja meri upornost med prsti glavnika in ne kapacitivnosti, senzor pa je uporaben v obmo~ju nad 50 % relativne vlažnosti. Courbat in skupina s politehni{ke fakultete iz Lozane so se ukvarjali s senzorji, tiskanimi z digitalno, kaplji~no (angl. ink-jet) tehnologijo, za podlago pa so uporabili papir �6�. Iz njihovega dela lahko zaklju~imo, da sta tiskarski postopek in proces su{enja prevodnega ~rnila zelo kompleksna, saj je odzivnost celotnega elektronskega sistema odvisna prav od navedenih postopkov. Njihovi senzorji so namenjeni spremljanju relativne vlage v okolici (slika 3). Za eksperiment so natisnili dva kondenzatorja v obliki glavnika na papir, prilagojen za tisk elektronike s kaplji~no tehnologijo tiska in meritev izvajali diferencialno. Referen~ni senzor so premazali s celuloznim-acetat-butiratom (CAB), ki je bil zaradi lo~enosti od okolja ob~utljiv le na vlažnost podlage. Z diferencialno ΣΔ kapacitivno v digitalno konverzijo so nato od{teli prispevek Slika 2: Primer tiskanega kapacitivnega senzorja z obliko glavnika �8� Figure 2: Printed capacitive sensor in the comb form �8� RAZISKAVE IN RAZVOJ 32 Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane d.d., Sora Matt 90 g/m 2 referen~nega senzorja oziroma napako zaradi podlage �10�. S tem so izbolj{ali selektivnost in linearnost odziva. Temperaturni senzorji so realizirani v obliki prevodnih linij (slika 4). Z uravnavanjem {irine in dolžine linije, debeline nanosa in ~asa su{enja prevodnega ~rnila se lahko doseže želeno obmo~je upornosti �6�. Sprememba upornosti prevodne barve proizvajalca SunChemical v odvisnosti od postopka su{enja je prikazana v preglednici 1. Upornost natisnjene in posu{ene uporovne linije je odvisna tudi od trenutne temperature okolice. V literaturi je mogo~e zaslediti tudi TCR 0,0011 °C-1 �5�. Slika 3: Odziv senzorja v odvisnosti od R. V. za senzor vsebnosti vlage. ( )–testliner, ( )–kraftliner �8� Figure 3: Sensor for moisture content. Sensor response vs. relative humidity ( )–testliner, ( )–kraftliner �8� Slika 4: Kapacitivni tipali in temperaturno tipalo natisnjeni na papirju �6� Figure 4: Capacitive and temperature sensors printed on paper �6� Slika 5: Signali in postopna obdelava, prikaz lu{~enja razli~nih informacij z obdelavo signalov �10� Figure 5: Signal processing steps �10� Oprea in sodelavci so za zaznavanje plina (n-propanol, etanol) uporabili kombinacijo dveh senzorjev za vlago in temperaturni senzor (slika 5) �10�, pri ~emer so senzorja za vlago premazali z ustreznima polimeroma (PEUT – polieteruretan, PDMS – polidimetilsiloksan). Z umerjanjem in obdelavo signalov so dosegli iskani odziv. Preglednica 1: Upornost prevodne barve SunChemical CRSN2442 Conductive Silver �11� Table 1: Resistance of the conductive paint SunChemical CRSN2442 Conductive Silver �11� Sušenje �mOhm / � �μΩ•cm� 40°C / 15 min. 17 43 90°C / 2 min. 32 80 120°C / 2 min. 17 43 120°C / 10 min. 11 28 150°C / 30 min. 10 25 Precej bolj dovr{ena od zgoraj navedene metode je uporaba nanocevk, kot aktivni del senzorja. Nanocevke imajo zaradi votlosti veliko povr{ino, odlikujeta jih visoka ob~utljivost in hitra odzivnost pri zaznavanju plinov. Zaradi vezanja molekul razli~nih plinov se cevkam spreminja prevodnost, kar se da preprosto meriti. Poznamo enoslojne ogljikove nanocevke, ki so zaradi odli~ne elektri~ne prevodnosti vodilni material pri izdelavi prozornih prevodnih filmov. Z iznajdbo ~rnila za kaplji~ni tisk je omogo~eno tiskanje enoslojnih ogljikovih nanocevk �12� direktno na podlago, zato je tehnologija postala privla~na tako pri senzorjih kot tudi na drugih podro~jih. Pri kaplji~nem tiskanju je pomembna priprava ~rnila, saj lahko dolge ogljikove strukture zama{ijo {obo tiskalnika. Yun in skupina iz Koreje so komercialno ~rnilo 30 minut centrifugirali in nekoliko razred~ili, da so se izognili ma{enju {obe. Nujen je tudi nadzor nad velikostjo kapljic in ~asa potovanja kapljic do podlage. Yun poro~a o 3-odstotni spremembi upornosti pri izpostavljenosti 100 ppb želenega plina v ~asu 10 minut in do 9-odstotni spremembi pri termi~no obdelanem senzorju �13�. Tak{na ob~utljivost je nedosegljiva za tiskane senzorje, ki so premazani s polimerom. Zaradi zapletenosti postopka in tudi visoke cene so senzorji z nanocevkami uporabni le v zahtevnih aplikacijah. 4 ZAKLJU^EK Ve~ kot o~itno smo pri~a nastajanju dobe tiskane elektronike in razvoju na vseh podro~jih znanosti in tehnologije, ki so s tem povezani. Koncept pametne embalaže tukaj ne zaostaja, lahko bi se celo reklo, da narekuje razvoj naprednej{ih in vedno cenej{ih tipal. Vendar so skoraj vse tehnologije, razen dobi~konosnih OLED displejev in do neke mere upogljivih fotovoltai~nih celic, talke svoje visoke cene. Sploh je to odlo~ilni dejavnik pri embalaži, kjer tudi razlika v nekaj centih pomeni Papir za notranjost revije PAPIR je prispevala papirnica Gori~ane d.d., Sora Matt 90 g/m 2 RAZISKAVE IN RAZVOJ 33 5 VIRI �1� Organic and Printed Electronics 4th Edition, OE-A, 2011. �2� www.mcm.dupont.com, DuPont Microcircuit Materials, avgust 2012. �3� http://www.printedelectronicsnow.com/ articles/2012/04/the-conductive-ink-market, september 2012. �4� www.ids.si/prod4_IDS-SL900A.htm, avgust 2012. �5� PLETERŠEK, A., SOK, M., TRONTELJ, J. Monitoring, control and diagnostics using RFID infrastructure. J. med. syst., 2012, str. 1–7. �6� COURBAT, J., KIM, Y . B., BRIAND, D. in DE ROOIJ, N.F . Inkjet printing on paper for the realization of humidity and temperature sensors, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS), 16th International, 2011, str. 1356–1359. �7� SUBRAMANIAN, V., CHANG, J. B., MOLESA, S. E., VOLKMAN, S. K. in REDINGER, D. R. Printed transistors and passive components for low-cost electronics applications, International Symposium on VLSI Technology, Systems, and Applications, 2006. �8� UNANDER, T. in NILSSON, H.-E. Characterization of Printed Moisture Sensors in Packaging Surveillance Applications, IEEE Sensors Journal, August, 2009, vol. 9, št. 8, str. 922–928. �9� RUTAR, V. The effect of electrical properties on printing quality and runnability, COST E 32, Workshop, april 2005. �10� OPREA, A., BARSAN, N., WEIMAR, U., COURBAT, J., BRIAND, D., in DE ROOIJ, N.F . Integrated Temperature, Humidity and Gas Sensors on Flexible Substrates for Low- Power Applications, Sensors, IEEE, 2007, str. 158–161. �11� SunChemical, CRSN2442 Conductive Silver, september 2011. �12� Hanwha Nanotech, HANOS ASP-100F , avgust 2012. �13� YUN, J.-H. Fabrication of Carbon Nanotube Sensor Device by Inkjet Printing, Proceedings of the 3 rd IEEE Int. Conf. on Nano/ Micro Engineered and Molecular Systems January 6–9, Sanya, China, 2008. 1,2 dr., In{titut za celulozo in papir Ljubljana 3 dr., UL, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana življenje ali smrt, ne glede na prednosti, ki jih novost ponuja. Prihodnost bo pestra in dela na tem podro~ju je zelo veliko. Tiskana elektronika je izrazito multidisciplinarno podro~je, ki v glavnem ~rpa iz elektrotehnike, kemije in tiskarstva. Za kompetentno udejstvovanje je nujna skupina strokovnjakov iz vseh treh glavnih strok. V ~asu finan~ne krize in var~evalnih ukrepov je {e toliko bolj privla~na zaradi majhnega za~etnega vložka, primerjano s klasi~nimi obrati za izdelavo integriranih vezij in elektronskih naprav. Podjetje DIMAS d.o.o. zastopa vodilnega svetovnega proizvajalca sistemov za centralno mazanje strojev in naprav podjetje SKF, ki je v zadnjih letih prevzelo nem{ko podjetje WILLY VOGEL, finsko podjetje SAFEMATIC, argentinsko podjetje CIRVAL in ameri{ki LINCOLN. DIMAS, d.o.o. Se{kova cesta 20, 1215 Medvode Tel:+ 386 (0)1 3617 240 � Fax:+ 386 (0)1 3617 245 E-mail: info�dimas.si � www.dimas.si Vsa ta podjetja so specializirana izklju~no za mazalne sisteme, integrirana v SKF pa predstavljajo eno izmed SKF petih platform: Mazalni sistemi. Dejavnost podjetja DIMAS d.o.o.: • Izbira in izvedba najbolj{ih tehni~nih re{itev na podro~ju mazanja razli~nih proizvodnih in obdelovalnih strojev, transportnih linij, verig, jeklenih vrvi, gradbene in kmetijske mehanizacije in ostalih naprav. • [e posebej smo usposobljeni za projektiranje, izvedbe, zagone in vzdrževanje vseh vrst mazalnih sistemov v papirni{tvu. • Sodelujemo z vsemi slovenskimi papirnicami, prevzemamo in izvajamo ve~je in velike projekte na klju~ tudi izven Slovenije (Nem~ija, Avstrija, Hrva{ka).