La stampa elettronica offre importanti opportunità di sviluppo, di collaborazioni e di nuovi mercati. Qualità e stabilità della stampa sono elementi fondamentali per questa tecnologia. Infatti, la domanda globale di imballaggi smart dotati di dispositivi elettronici stampati è attualmente in espansione e si prevede che raggiungerà un fatturato di 1,45 miliardi di dollari nel corso di un decennio con 14,5 miliardi di unità prodotte.
Siamo ormai abituati a convivere con prodotti di alta tecnologia, sempre più innovativi, che riguardano le nostre attività quotidiane nel lavoro e nel tempo libero, ma sovente non ci rendiamo conto di come essi siano stati realizzati. È il caso, per esempio, dei nuovi schermi televisivi di grandi dimensioni ultrasottili e flessibili ottenuti con l’impiego di diodi emettitori di luce di natura organica Oled (Organic Light Emitting Diods), o degli imballi con superficie esterna a effetto tridimensionale mediante l’applicazione di una speciale lente di Fresnel su uno strato metallizzato. In entrambi i casi, protagonista del processo tecnologico è la stampa, o meglio, una stampa innovativa che combina le tecniche tradizionali con sistemi avanzati in uso in campo elettronico e nel packaging.
Il Professor Ulrich Moosheimer, docente presso la facoltà di Scienze Applicate all’Università di Monaco, ha trattato ampiamente questo interessante argomento rilevando che la «Printing Electronics» è una tecnologia emergente che trova già ampia applicazione in campo automobilistico, medicale, tessile, nell’illuminazione, nei mega-schermi, nei display di smartphone e tablet ed è destinata a svilupparsi anche nel packaging. Secondo le previsioni della Printed and Organic Association (OE-A), si tratta di un mercato in continua crescita, nel quale gli stampatori di imballaggi possono inserirsi per dare valore aggiunto alle confezioni e ampliare la gamma delle loro attività produttive.
Il gruppo di laureati e studenti diretto dal Prof. Moosheimer è stato premiato con lo OE-A-Demonstrator Awards 2013 per il progetto «Smart Objects». Il campo di lavoro del gruppo è la combinazione di componenti elettronici convenzionali e stampati e si basa su linee conduttive in argento o rame stampate su carta o su film sintetici; successivamente, i componenti elettronici SMD (Surface Mounting Device) vengono collegati alle linee conduttive ed è quindi possibile integrare display elettrocromici e display elettroluminescenti o batterie prodotte con lo stesso sistema di stampa delle linee conduttive. La roadmap per la stampa di prodotti elettronici costituisce la principale attività della OE-A e si basa sul lavoro di oltre 250 esperti membri dell’associazione. La sesta edizione ha registrato i notevoli progressi del comparto e classificato in cinque segmenti i campi applicativi in cui operare: generazione di luce negli Oled, pannelli fotovoltaici organici (OPV), display flessibili, componenti attivi e passivi e batterie stampate, sistemi intelligenti integrati (ISS) tra cui gli oggetti smart (Rfid, sensori e tessuti smart)
Mentre i fabbricanti di semiconduttori elettronici tradizionali usano abitualmente costose tecnologie fotolitografiche in ambiente sotto vuoto ad alta temperatura, le tecnologie di stampa convenzionali hanno la capacità di produrre componenti elettronici stampati di grande formato in grandi volumi con l’impiego di una gamma di inchiostri speciali su un’ampia varietà di supporti. L’applicazione di processi di stampa convenzionali, offset, flexo, rotocalco e stampa digitale, sta rivoluzionando la produzione di strumenti e dispositivi elettronici con notevole riduzione dei costi.
Analogamente a quanto avviene nella stampa di libri e cataloghi o di codici a barre, le tecnologie di stampa possono essere utilizzate per depositare materiali funzionali (inchiostri conduttivi) per numerose applicazioni elettroniche come Rfid, transistor, display, membrane, micro-electro-mechanical systems (Mems), LED e smart packaging.
L’applicazione di componenti elettronici stampati sugli imballi e, in particolare, sugli imballi intelligenti, non è ancora una pratica diffusa, tuttavia l’impiego di tecnologie di elettrocromia, elettroluminescenza e Oled apre grandi prospettive per accrescere l’interesse nei confronti degli degli imballi e i costi aggiuntivi dovuti al loro impiego sono facilmente sopportabili nel caso di confezioni di prodotti di lusso, cosmetici e dolciari di prezzo elevato.
Sensori elettronici stampati incorporati in display per punti vendita
La società americana WestRock, produttrice di imballaggi in cartone, insieme alla T+ink, che si occupa di inchiostri conduttivi, ha introdotto la prima soluzione di display promozionale che incorpora sensori elettronici stampati su scaffalature intelligenti per il punto vendita in grado di fornire informazioni in tempo reale sulla disponibilità effettiva di vari prodotti. Ciò è stato possibile grazie alla collaborazione con la società Intel, di fama mondiale nel campo dell’innovazione computerizzata. Un’applicazione funzionale al sistema è rappresentata dalle etichette elettroniche sugli scaffali utili anche per velocizzare le promozioni a prezzo scontato di prodotti in esaurimento. Questa tecnologia è già disponibile negli USA e sarà divulgata in tutto il mondo entro la fine del 2016. Craig Gunckler, vice presidente di WestRock ha dichiarato: «siamo ora in grado di offrire ai nostri clienti una soluzione di display che incorpora una tecnologia economica per rilevare le scorte di magazzino e migliorare il servizio agli acquirenti di prodotti di largo consumo come detersivi, bevande, alimentari ecc.». Un ulteriore passo avanti in questo campo è rappresentato dalle «video etichette» costituite da un display TV in materiale plastico ultra sottile contenente una batteria di carta come sorgente energetica; l’idea è in fase sperimentale e l’ostacolo da superare è costituito dal prezzo ancora troppo elevato, intorno a 2 dollari.
Notevole interesse economico e scientifico
Il segmento degli Olae (Organic Large Area Electronics) è stato identificato dall’Unione Europea come settore chiave per il futuro: la produzione di massa con il sistema «Roll-to-Roll» presenta un costo accessibile e un buon margine di profitto. Tale metodo usa un rotolo di supporto flessibile (metallo o plastica) di notevole lunghezza. Il patterning è normalmente realizzato con una stampante inkjet. Alcune aziende stanno lavorando su questo approccio; General Electric, per esempio, si è dedicata alla stampa Roll-to-Roll fin dal 2003; una delle sfide affrontate è stata l’incapsulazione; per ottenere ciò hanno sviluppato una «Ultra High Barrier» flessibile (utilizzando una deposizione chimica di vapori al plasma) che offre un’eccellente trasparenza e buona adesione. La grande precisione e stabilità di processo nella fabbricazione dei dispositivi ne garantisce la funzionalità e favorisce lo sviluppo di nuovi materiali stampabili per nuove applicazioni.
Ovviamente, il passaggio dai sistemi tradizionali alla stampa elettronica richiede un cambiamento di approccio da parte degli operatori; infatti la stampa grafica è «tollerante» dato che gli occhi compensano gli errori e carta e inchiostri sono mediamente economici; per contro, la stampa di dispositivi elettronici non ammette errori: se una linea è interrotta non conduce corrente e gli inchiostri hanno costi elevati e reologie complesse
Sotto questo aspetto la stampa flexo è vincente dato che i cliché a rilievo permettono la definizione di una linea continua invece di una serie di punti come nel caso dell’inkjet. Produzioni sperimentali presso il Welsh Centre for Printing and Coating della Swansea University hanno permesso di ottenere microcircuiti conduttivi mediante inchiostri a nanonoparticelle di argento con superficie uniforme e liscia. Inoltre, aumentando il volume dell’anilox le tracce aumentano poco in larghezza, ma molto in altezza con un sensibile miglioramento della conduttanza elettrica.
Oltre alle applicazioni della stampa per l’elettronica, per esempio nella produzione di transistor a effetto di campo con struttura multistrato, sono in forte sviluppo le applicazioni per biosensori con stampa di anticorpi: gli anticorpi sono selettivi e reagiscono solamente a uno specifico antigene (ormoni, batteri, virus…); è quindi possibile impiegare inchiostri contenenti anticorpi e sviluppare una diagnostica di basso costo per diagnosi precoce e identificazione di efficienti sistemi di cura e per test di gravidanza. Gli anticorpi stampati costituiscono anche un ottimo sistema anticontraffazione mediante la loro integrazione nel packaging, per esempio nelle confezioni di medicinali.
Gli addetti ai lavori e i media di riferimento segnalano da tempo l’avanzata delle tecnologie di stampa nei processi produttivi di componenti e prodotti dell’industria elettronica, tra cui i dispositivi «thin film» per applicazioni elettroniche e biomediche (Rfid, Oled flessibili, bio-sensori, fotovoltaici ecc.). Si tratta di strutture multistrato costituite da sottili film di materiali speciali che interagiscono creando il dispositivo. La gamma dei materiali funzionali stampabili è in continuo sviluppo; l’unico requisito richiesto è la dispersione in un fluido. Essi comprendono composti organici e inorganici: materiali conduttori e semiconduttori come i metalli e i polimeri organici, materiali elettro-ottici (fosfori e LEP), materiali biologici, tra cui DNA, proteine, anticorpi, cellule, collagene, gelatine ecc.
Qualche utile informazione sugli OLED
Un Oled è un semiconduttore solido ottenuto da un sottile film di materiale organico (a base carbonica) che emette luce quando si applica una corrente elettrica: hanno una struttura simile a quella dei LED (diodi emettitori di luce inorganici), ma gli Oled (diodi organici) sono adatti per illuminare piccoli diplay, schermi TV e pannelli sottili. Quando si applica la corrente elettrica agli Oled, si genera un flusso di elettroni dal catodo all’anodo; in altre parole, il catodo spinge gli elettroni nello strato emettitore, mentre il catodo rimuove gli elettroni dallo strato conduttivo creando dei «buchi» in tale strato. I «nuovi» elettroni nello strato emettitore si combinano con i buchi nello strato conduttivo e creano elettroni eccitati (excitons). Questo processo libera fotoni e quindi genera luce. Differenti tipi di materiali emittenti possono essere usati per cambiare il colore della luce, mentre l’intensità luminosa dipende dalla quantità di corrente applicata. Importanti ricerche sono in corso per creare materiali e strutture più efficienti; alcuni progetti di Oled usano solo due strati, ma altri ne impiegano più di cinque. Dal punto di vista dei materiali, ci sono compromessi tra saturazione del colore, durata ed efficienza, ma anche aspetti economici e facilità di uso in produzione.
Nel confronto con i Led, gli Oled sono molto più semplici come struttura: si tratta di una tecnologia di emissione che non richiede retroilluminazione e filtri colorati; da questa architettura di base derivano i numerosi vantaggi degli Oled:
-basso consumo energetico,
-rapido tempo di risposta,
-miglior contrasto immagine (100.000:1),
-maggiore velocità di reazione ai segnali elettrici (mille volte più veloce dei cristalli liquidi).
Una variante degli Oled è Amoled (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode) una tecnologia display impiegata nei dispositivi mobili e nei televisori. Oled descrive uno specifico tipo di tecnologia a film sottili in cui sono presenti componenti organici da materiali elettroluminescenti, mentre Active Matrix si riferisce alla tecnologia riguardante i pixel. Dal 2008 la tecnologia Amoled è impiegata nella produzione di telefoni portatili e fotocamere/videocamere digitali e continua a progredire in applicazioni di bassa potenza, costo contenuto e grandi formati.
