“No pack”: le nuove frontiere della flexo

Scritto da il 17 dicembre 2012 in Label&Pack, MERCATI & AZIENDE, TECNICHE - 1 Commento

La flexo non convenzionale: Davide Deganello della Swansea University nel Regno Unito ha esposto al Flexo Day 2012, i vantaggi della stampa flessografica per applicazioni diverse dalle tradizionali.  Il Welsh Centre for Printing and Coating (WCPC) è un centro di ricerca avanzata con estese dotazioni per ricerca di base e avanzata per la prototipazione e lo sviluppo della stampa industriale.

Laboratori presso la WCPC

La ricerca di base al WCPC  si occupa della fisica della stampa industriale e lo sviluppo di nuovi inchiostri; la ricerca applicata si occupa dello sviluppo di nuove applicazioni elettroniche e biomediche tramite la stampa flessografica.
Il recente sviluppo di nuovi materiali stampabili apre nuove prospettive per la stampa industriale e in particolare dispositivi “thin film” per applicazioni elettroniche e biomediche; le RFID per etichette e packaging, i sistemi di illuminazione con pellicole trasparenti flessibili, bio-sensori, elementi fotovoltaici stampati ne sono solo alcuni esempi. C’è un mercato nuovo, ma già avviato in alcuni Paesi, ma che dà ancora buone prospettive di crescita per aziende ben organizzate.

Dispositivi “thin film”

Sono strutture multistrato costituite da sottili film di materiali speciali, che interagiscono creando il dispositivo. Un esempio è rappresentato dalle OLED (Organic Light Emitting Diode) in cui la luce viene prodotta da uno strato diodo elettroluminescente, costituito da polimeri organici in sandwich tra due strati conduttivi, di cui uno trasparente.
Perché conviene usare la stampa flexo per creare tali dispositivi?

Procedimento di produzione di una OLED

Innanzi tutto per l’economicità della stampa flexo che si è dimostrata un’ottima alternativa alla stampa mediante “deposizione di silice” CVD (Chemical Vapour Deposition) un procedimento di elevata qualità usato nell’industria dei semiconduttori, ma che richiede elevati investimenti e ha una bassa produttività.
I materiali funzionali stampabili con la flexo rappresentano oggi una vasta gamma e sono in continuo sviluppo.
Sono composti organici e inorganici, materiali conduttori e semiconduttori quali metalli, polimeri organici o materiali elettro-ottici quali fosfori, LEP (Light Emitting Polymer), o biologici come DNA, proteine, anticorpi, cellule, collagene, gelatina. Il tutto porta a nuove applicazioni elettroniche e biomediche e c’è un notevole interesse economico, finanziario, scientifico intorno a questi materiali.
Il settore OLAE (Organic Large Area Electronics) è stato identificato dall’Unione Europea come un comparto chiave per il futuro dell’industria; un’area chiave per il futuro di dispositivi stampati è rappresentata dai roll-to-roll (R2R) che permettono una produzione di massa a costo accessibile e con un buon margine di profitto.
Precisione e stabilità di processo nella fabbricazione dei dispositivi ne garantisce la funzionalità per lo sviluppo di nuovi materiali stampabili con nuove funzioni e nuove applicazioni.
Il processo di stampa flexo si dimostra particolarmente valido per queste applicazioni in virtù degli inchiostri adattabili e flessibili e dell’ottima capacità produttiva, consentendo notevoli risparmi rispetto alle tecnologie tradizionali di microincisione a base silicio.
«Ma occorre tenere presente − ha precisato Deganello − che la stampa grafica è “tollerante”: gli occhi ad esempio compensano gli errori e gli stampatori si affidano spesso all’esperienza piuttosto che alla strumentazione. La stampa di dispositivi elettronici invece cambia le “carte in tavola” perché qui è richiesta una precisione assoluta (se una linea è interrotta non conduce corrente) e la stabilità di processo diventa cruciale

La flexo è in vantaggio

Processi di stampa a confronto

Tecnologie e processi di stampa devono quindi essere sviluppati e ottimizzati per questo tipo di applicazione. La flessografia presenta tali vantaggi che vale la pena affrontare le tecnologie di controllo richieste per queste applicazioni. Gli inchiostri per flessografia sono adattabili e flessibili, esiste una vasta gamma di viscosità; in più la stampa flexo può lavorare con inchiostri contenenti particelle e fibre fino a 10-20 μm.
Il processo flessografico ha una ottima capacità produttiva ed è veloce e flessibile.

La T-flex 508 la macchina a quattro colori della Timsons che lavora presso il WCPC

Presso il WCPC si lavora con macchine flessografiche, una stampante da banco per prove IGT F1 e per la produzione, una Timsons T-flex 508 con 4 unità e dotata di strumentazione per garantire unottimo controllo. Le macchine industriali offrono la stabilità meccanica necessaria per una stampa di precisione.  Le macchine flessografiche Timsons sono commercializzate in Italia da EasyDOT di Vercelli.
La flessografia può essere utilizzata per la fabbricazione di micro-circuiti conduttivi per lo sviluppo di luci OLED di ampia superficie su supporto flessibile.

Ricerca e fondi UE

La ricerca in WCPC fa parte del progetto integrato FP7 “Fast2Light” cui partecipano 14 partner, con fondi UE per lo sviluppo di collaborazioni e capacità competitive di industrie e istituzioni europee.

Produzione dei dispositivi multistrato

Ma per la realizzazione a stampa di OLED c’è il problema di avere un’emissione di luce omogenea su una ampia superficie. L’OLED necessita di uno strato trasparente con bassissima resistenza elettrica e materiali trasparenti. Conduttori come l’ITO (ossido di stagno-indio) sono costosi e presentano una limitata conduttanza. La soluzione è stata quella di integrare micro-circuiti altamente conduttivi con un sottile strato conduttivo e trasparente. Si tratta di circuiti molto sottili “invisibili” all’occhio, che richiedono continuità e regolarità delle tracce conduttive che sono quindi gli elementi critici del prodotto dove non sono permesse interruzioni ed è necessaria un’alta risoluzione. La serigrafia può risolvere il problema, ma è lenta e costosa. Inkjet e stampa offset hanno il problema della discontinuità del retino.

Il controllo dello spessore delle tracce stampate in flessografia

La flessografia si è dimostrata adatta perché le matrici a rilievo permettono la definizione di una linea continua, anziché una serie di punti.
Al WCPC si è lavorato sulle matrici per migliorare risoluzione e resistenza all’aggressione chimica. Si sono così potuti stampare microcircuiti con una stampa continua su macchina industriale (la Timsons) e con un accurato controllo delle distanze tra i rulli. L’inchiostro utilizzato è conduttivo in quanto contiene nanoparticelle di argento (questo inchiostro è disponibile anche su scala industriale).
Si è stampato su un supporto di film PET (polestere) rivestito con PEDOT:PSS (un polimero ad alta conduttività (400 Ωm) costituito da due ionomeri). La velocità è stata di 5 m/min, stampati con la Timson T-Flex 508, cui è seguito un trattamento termico a 130°C per 10 minuti. Il risultato sono dei microcircuiti conduttivi in argento stampati con eccellente regolarità con una larghezza della linea (SD) di 70 ± 2 μm a bassa resistenza: 3 Ωm a 7% di area ricoperta.
I circuiti stampati presentano una superficie liscia con sezione trasversale a mezzaluna, senza scalini ai bordi e senza “orecchie” tipiche della flexo.
L’applicazione è ideale per dispositivi multistrato con possibilità di rivestimenti successivi (overcoating).
Il controllo dello spessore delle tracce conduttive è permesso dall’anilox che controlla il volume d’inchiostro depositato: aumentando il volume delle celle anilox, le tracce aumentano poco in larghezza, ma molto in altezza migliorando la conduttanza elettrica.
La stampa flexo si è quindi dimostrata come un processo ideale per microcircuiti conduttivi ad alta risoluzione, regolarità su superfici con bassa rugosità e un processo veloce ed economico.
C’è da sottolineare che l’inchiostro necessita di un trattamento termico speciale per garantire una conducibilità ottimale: 130 °C per 10 minuti con una velocità di 100 m/min e un forno lungo 1000 m non è economicamente accettabile, per cui si è trovata una soluzione mediante un trattamento termico con radiazioni NIR (Near Infrared Radiation). I test sperimentali dimostrano che con nuove lampade con precisa emissione in NIR, il trattamento termico dell’argento è  possibile in 2 secondi e il supporto PET trasparente non si riscalda o danneggia, mentre il PET non trasparente trattato con IR convenzionali si danneggia.

Stampa di RFID

Per la stampa degli OLED di ampia superficie su supporto flessibile tutti gli strati richiesti possono essere stampati.
«Perché allora, si chiede il professor Deganello, questa non è una realtà?»

I pannelli fotovoltaici sono una delle applicazioni possibili con la stampa flexo

Ci sono ovviamente dei problemi tipici della stampa da superare: ad esempio l’umidità “uccide” i polimeri organici e i grandi pannelli flessibili costano cari e hanno limitate capacità.
Una soluzione consiste negli OLED su vetro, che costituiscono una tecnologia alternativa per l’illuminazione mediante elettroluminescenza a fosfori. Questa è già una realtà commerciale. Il sistema funziona come un condensatore: la corrente alternata, ad alto voltaggio ed alta frequenza, eccita i fosfori. E qui c’è il primo vantaggio poiché i voltaggi superiori a 100V sono pericolosi per cui bisognerebbe limitare l’intensità della luce prodotta limitandone l’applicabilità.
Una nuova soluzione consiste nell’impiego di micro LED stampabili. Questi sono LED microscopici che vengono depositati tra due strati di materiale conduttore. È una tecnologia proprietaria di Nth Degree Tech, che combina tecnologia al “silicio” (deposizione di vapori di Si) con la stampa elettronica.

Micro LED stampabili

Questo consente di utilizzare corrente continua a basso voltaggio e tra le applicazioni attualmente in sviluppo ci sono le etichette RFID (radio frequency identification) permettendo una rapida produzione e la diretta integrazione nel packaging per applicazioni di massa.
Altri esempi di applicazioni attualmente in sviluppo, per l’eletronica ci sono i transistor a effetto di campo: una struttura multistrato creata con la stampa flessografica in cui i semiconduttori sono nanotubi di carbonio, che sono più lenti del “silicio” ma adatti per la loro logica semplice e facilmente integrabili.

Biomedicina e anticontraffazione

Altra nuova applicazione è lo sviluppo di biosensori con la stampa flexo di anticorpi. Poiché questi sono selettivi, reagiscono solamente a uno specifico antigene (ormoni, batteri, virus…) e sono utilizzati in campo biomedicale per lo sviluppo di una diagnostica di basso costo per diagnosi precoce e identificazione di efficienti sistemi di cura e per i test veloci di gravidanza. È possibile una fabbricazione su larga scala di anticorpi mediante la flessografia, grazie allo sviluppo di inchiostri contenti anticorpi. Questa applicazione richiede una analisi di compatibilità di resine e additivi e lo sviluppo di un suporto adatto, ad esempio facendo uso di rivestimenti che garantiscano una migliore adesione degli anticorpi su film plastici convenzionali (PET).
Test di stampa eseguiti sulla stampante da banco IGT F1 dimostrano che anticorpi stampati reagiscono all’antigene producendo un segnale chiaro e marcato. Gli anticorpi stampati sono “in sé” invisibili e diventano visibili solo quando reagiscono con un antigene compatibile e “visibile”. Quindi questo è un ottimo sistema anticontraffazione e la stampa flessografica avrà ottimi sviluppi in questo mercato: gli anticorpi sono altamente selettivi e personalizzabili; è possibile l’integrazione di anticorpi nel packaging; sono facili da testare (basta una goccia di antigene sulla confezione) e sono ideali nelle confezioni di prodotti medicinali.

Conclusioni

Concludendo, Davide Deganello ha sottolineato come la stampa elettronica offra già oggi importanti opportunità di sviluppo, di collaborazioni e di nuovi mercati. I requisiti sono che la qualità e stabilità della stampa è fondamentale, ma la flessografia eseguita con il massimo della qualità è una tecnologia che si è dimostrata importante se non persino risolutiva per questo sviluppo.
La flessibilità e l’elevata risoluzione sono la chiave per il suo successo nelle applicazioni elettroniche e biomediche e nell’integrazione con il mondo del packaging.

1 Commento on "“No pack”: le nuove frontiere della flexo"

  1. seo Leighton Buzzard 19 agosto 2014 alle 06:21 · Rispondi

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