CORNET project: PAPERONICS (R-9285)

DOEL Geprinte elektronica zal zich verder ontwikkelen tot een megatrend voor de verpakkings-, voedings- en farmaceutische industrie, omdat het toegang geeft tot andere megatrends zoals internet of things (IoT), consumenteninteractie via mobiele telefoons, traceerbaarheid en veiligheid in online retail door bewaking van opslag- en transportomstandigheden, etc. Kmo's zijn zeer geïnteresseerd in deze groeiende markt, maar staan voor grote uitdagingen want het onderzoekslandschap en de potentiële kmo-toeleveringsindustrie voor geprinte elektronica is gefragmenteerd. Daarnaast zijn vele technologieën op zichzelf staande oplossingen, die bovendien vaak erg duur zijn. Daarom heeft PAPERONICS 6 onderzoeksinstellingen en 34 bedrijven actief in het domein van papier, etiketten, karton, inkt en printtechnologie, sensoren, RFID tags, scavenger- en encapsulatietechnologie, softwaretoepassingen (apps, sociale media), cloudoplossingen & design, én eindgebruikers van verpakkingen samen gebracht, met als doel innovatie te stimuleren door onderlinge samenwerking. PAPERONICS beoogde de ontwikkeling van een platform voor slimme systemen op basis van bestaande technologieën zoals bv. temperatuur-, vocht- of druksensoren (eventueel geprint), lichtgevende applicaties, RFID tags, dataverwerking met interne data transfer en externe communicatie, geprinte batterijen of organische zonnecellen als energiebron, actuatoren en encapsulatiematerialen en -processen. De projectpartners wilden aantonen dat de integratie van geselecteerde componenten op papiergebaseerde substraten kan leiden tot slimme toepassingen op etiketten en verpakkingen. PAPERONICS wilde het ontwerp en de productie van enkele intelligente toepassingen demonstreren, zoals: 1) een product dat kan interageren met de klant, 2) een anti-counterfeiting tag en 3) een temperatuurlogger. Papier is gekozen als substraat omdat het recyclebaar, temperatuur-stabiel, stijf en printbaar is en ook geschikt voor efficiënte roll-to-roll-processen. Bovendien bieden papier en karton de mogelijkheid om goedkope, innovatieve toepassingen te creëren als intelligent verpakkingsconcept. Gezien elektronische componenten zoals zonnecellen, geprinte circuits, antennes, OLEDs, moeten beschermd worden tegen waterdamp en zuurstof, kwam ook de ontwikkeling van encapsulatiematerialen aan bod. Bedoeling was om de encapsulatie in lucht te laten gebeuren in plaats van in stikstof/argon handschoenkasten, zodat de verwerkingskosten kunnen reduceren. Ook werd aandacht besteed aan integreerbare energiebronnen om sensoren, componenten en displays op papier te activeren. Tenslotte heeft PAPERONICS gestreefd naar duurzame oplossingen, vanaf de start bij de keuze van de materialen tot en met het onderzoek naar de recycleerbaarheid van de uiteindelijke demonstratoren. AANPAK PAPERONICS EN BELANGRIJKSTE UITDAGINGEN Het doel van PAPERONICS was om de huidige mogelijkheden van printed electronics op fiber-based substraten te demonstreren en deze vervolgens te combineren met andere (voorlopig niet printbare) elektrische componenten voor de ontwikkeling van smart packaging toepassingen. Een eerste uitdaging was de selectie van de papieren substraten uit de 76 stalen die door de industriële partners ter beschikking werden gesteld. Alle substraten werden gescreend voor wat betreft hun oppervlakteruwheid en luchtdoorlaatbaarheid omdat deze eigenschappen bepalend zijn voor de uiteindelijke geleidbaarheid van de geprinte functionele inkt. Vervolgens werden 2 nanozilverinkten (o.a. van partner AGFA) gezeefdrukt op alle substraten. Een 3 e nanozilverinkt werd getest voor aerosol jet printen. Op basis van de gemeten papiereigenschappen, de thermische stabiliteit van de papieren substraten (na curing van de inkt) en de sheet resistance van de functionele inkt, en nog enkele visuele en mechanische eigenschappen werden 13 papiersubstraten geselecteerd voor verder onderzoek zoals een verdere morfologische studie (FIVV) en recycleerbaarheid (PTS). Verschillende printtechnologieën beschikbaar bij de onderzoekspartners IMO-IMOMEC van UHasselt, AML van KU Leuven en PM van Technische Universiteit Chemnitz en bij verschillende industriële partners waaronder LabelTech, Chiyoda en VIGC werden ingezet (o.a. zeefdruk, aerosol jet printen, offset, rotogravure en flexodruk) om te onderzoeken welke inkten en printtechnieken compatibel waren met de fiber-based substraten. Vervolgens werden substraten en inkten geselecteerd voor de ontwikkeling van 3 demonstratoren. De eerste demonstrator is een customer relationship packaging waarin een geprinte antenna (IMO- IMOMEC) gecombineerd wordt met een thin film IGZO microchip (van imec) tot een RFID label (werkend op 13.56 Hz) dat geïntegreerd kan worden in duurzame, herbruikbare kartonnen dozen. Deze demo werd ontwikkeld door de onderzoekspartners in nauwe samenwerking met FETRA, die papier aanleverde; AGFA en Henkel die de functionele inkt aanleverden; Roartis, die zorgde voor het geleidende adhesive dat QUAD Industries gebruikte om de antenna en microchip te connecteren op het smart label. Vervolgens werd dit smart label geïntegreerd in een intelligente verpakking. Een bevraging leverde ideeën op in de richting van track- en trace applicaties, productauthenticatie en interactie met de consument. Een masterstudent IW: verpakkingstechnologie ontwierp en ontwikkelde een duurzame, herbruikbare, en opvouwbare slimme kartonnen doos met RFID label die kan gebruikt worden voor 3rd party e-logistic bedrijven. Een student IW: elektronica-ICT ontwikkelde in nauwe samenwerking met partner I4CRM de nodige software tools om de status van de box op elk moment in de logistieke cyclus te kunnen opvolgen. Een 2 e masterstudent ontwikkelde een slimme box met RFID label als garantieverpakking voor dure producten. Het karton en het op maat maken van de prototypes voor beide toepassingen werd verzorgd door partner ROPAK. De kwaliteit van de kartontypes en de stabiliteit van de verschillende dozen, werd geëvalueerd in de labo's van MPR&S IMO-IMOMEC, om te onderzoeken of de finale doos een bepaalde distributiecyclus meerdere malen kan doorstaan. Voor de 2 e demonstrator werd de ontwikkeling van een anti-tampering packaging beoogd. Hier werd een geprinte breakage sensor gecombineerd met een organische zonnecel, electrochrome display en een supercap (voor extra energieopslag). Ook dit smart label werd geïntegreerd in een kartonnen doos, die 'genuine' toont op de display zolang de sensor niet gebroken wordt. Bij openen van de doos, wordt de stroom in het label onderbroken en verdwijnt de tekst in de display. Voor deze elektronische componenten is bescherming tegen zuurstof en waterdamp vereist, daarom werd bij de ontwikkeling van deze demo ook een encapsulatiestrategie onderzocht door coaten van het papier met een SiOx barrière laag en incorporatie van actieve zuurstof en water absorbers. Deze demo werd vnl. ontwikkeld door de Duitse partners in samenwerking met Grünperga, AGFA, Felix Schoeller group, Saralon en Koehler Paper group. De 3e, en meest complexe demonstrator beoogde een temperatuur threshold indicator met een geprinte temperatuursensor én geprinte antenna op papier die vervolgens onderling en met een IGZO RFID microchip (van imec) geconnecteerd wordt. Het principe van het printen van een temperatuurgevoelige sensor werd gesimuleerd in de vorm van een pH-gevoelig diffusielabel. Het idee is om 6 lagen van functionele inkten met verschillende eigenschappen over mekaar te printen: zilver print voor connectie met de antenna, emeraldine base coating (base die van zichzelf niet geleidend is), 2 PET lagen, een nanocapsule met zuur (dat bij vrijzetting door een trigger (bv. temperatuursverandering) de emeraldine base omzet in een semi-geleidend zout en tenslotte een barrière film. Dit concept werd in PAPERONICS onderzocht met hulp van een student Chemical engineering van de universiteit van Sao Paulo en een masterstudent IW: Chemie. Het proof-of-concept werd in de loop van het project vnl. door de Vlaamse partners, verder uitgewerkt met 3 printtechnologieën, nl. zeefdruk en ultrasoon spraycoaten (IMO-IMOMEC) en aerosol jet printing (AML) en na connecteren met de microchip (imec) gevalideerd. LESSONS LEARNED De bedrijven werden in de gebruikersgroepvergaderingen geüpdatet over de nieuwe projectresultaten, de uitdagingen en de oplossingen die door de 6 onderzoeksinstellingen werden samengebracht. Verschillende bedrijven werkten ook actief mee aan de resultaten. Zo werden 3 alternatieve printtechnologieën bij de partners getest; flexodruk bij LabelTech, rotogravure printing bij Chiyoda en offset printing bij VIGC. Inkten werden aangeleverd door AGFA en Henkel en conductive adhesives door ROARTIS. Fiber-based substraten werden aangeleverd door FETRA, DS Smith, Smurfit Kappa, ELEP, Bumaga, Felix Schoeller group, Koehler paper group en Grünperga. De integratie werd verzorgd door TACON en QUAD en voor de ontwikkeling van de demonstratoren werd beroep gedaan op de expertise van ROPAK en i4CRM. Bedrijven als AB Inbev, Orakel en Etheclo inspireerden voor het uitwerken van bepaalde toepassingen. De toepassingen in de vorm van diverse smart packaging applicaties kunnen bedrijven aanzetten om na te denken over eventueel andere applicaties met behulp van printed electronics. Verder zette de samenwerking voor het ontwikkelen van de demonstratoren de bedrijven aan om nieuwe netwerken en connecties op te zetten om in de toekomst samen nieuwe ontwikkelingen te verwezenlijken gerelateerd aan of ontsproten uit het PAPERONICS project. Vooral bedrijven in de papierindustrie zijn hopelijk geïnspireerd dat papier als substraat ook kan toegepast worden in printed electronics en hebben hopelijk de weg gevonden naar bedrijven die slimme oplossingen hiervoor kunnen aanbieden. Een bijkomend aspect dat voor de 3 demo's werd bestudeerd door partner PTS is 'recycleerbaarheid'. Feit of smart packaging geschikt is voor recycling hangt in principe af van: 1) de beschikbaarheid van sorteer- en recyclage-infrastructuur; 2) de mogelijkheid om de verpakking uit een bepaalde afvalstroom te sorteren en om de (elektronische) componenten af te scheiden; en tenslotte 3) of specifieke componenten of bepaalde chemische stoffen gebruik na recyclage kunnen verhinderen. De testen die werden uitgevoerd tonen aan dat het recycleren van geprinte antennes een recyclaat oplevert met visuele onzuiverheden. Bij gecoat papier is dit negatief effect nog sterker aanwezig. Indien een slimme kartonnen verpakking via de algemene stroom gerecycleerd wordt, zou dit wellicht weinig effect hebben omwille van de lage verhouding van elektronische componenten (bv. RFID tag) versus de hoeveelheid fiber-based materiaal van de kartonnen doos. Maar de regelgeving omtrent kartonnen verpakkingen en elektronica zal nauwgezet moeten opgevolgd worden. SAMENVATTING VAN DE ONTWIKKELDE DEMONSTRATOREN EN DE DAARBIJ HORENDE DISSEMINATIE DEMO 1: reusable box for e-logistics De belangrijkste resultaten bekomen voor demo 1 "de customer relationship smart packaging met toepassing in 3rd party e-logistics" zijn neergeschreven in een manuscript dat klaar is voor submissie in een wetenschappelijk journal. In een proceeding en presentatie op IAPRI 2021 worden de bekomen resultaten gepresenteerd. Een manuscript i.v.m. de bruikbaarheid van screen printing en aerosol jet® printing technologie voor het printen van HF antennas is reeds gepubliceerd (IMO/IMOMEC, AML, imec). Een manuscript i.v.m. de functionaliteit van de thin-film RFID microchip (imec) is ook klaar voor submissie. DEMO 2: anti-tampering packaging De resultaten bekomen in het kader van de ontwikkeling van de anti-tampering packaging zullen ook gepubliceerd worden door de Duitse partners. Het gaat hierbij naast de ontwikkeling van de smart applicatie ook over de barrière coating en de recycling. DEMO 3: temperature indicator Het onderzoek i.v.m. een temperatuurgevoelig diffusielabel loopt nog verder, maar ook hier wordt verwacht om de bekomen resultaten binnen aanzienbare tijd publiek te kunnen maken. Enkele bedrijven gaven aan dat zo'n temperature threshold sensor geïntegreerd in de verpakking voor hen heel interessant is en er wordt momenteel gewerkt aan het samenstellen van een consortium van bedrijven en kennisinstellingen voor een mogelijk opvolgtraject. Alle PAPERONICS projectresultaten werden finaal gebundeld in een handige booklet die geprint werd door partner Reynders Label Printing. Mede dankzij onze partners ESMA, FETRA en VIGC zullen de resultaten van PAPERONICS de brede doelgroep bereiken.

Trefwoorden:Geprinte elektronica, Verpakkingsinnovatie en -optimalisatie

Disciplines:Functionalisering van materialen, Materiaalverwerking

Project type:Samenwerkingsproject