Forscher der Universität Grenoble Alpes haben eine Methode entwickelt, um die Elektronik in einem Near Field Communication (NFC) 13,56 MHz RFID-Tag zu drucken, wobei Metalltinten auf PowerCoat-Papier verwendet werden. Das System wurde mit zwei Druckverfahren und drei Sinterverfahren für leitfähige Tinte getestet, um die Schleifenantenne des Etiketts zu erzeugen. Die Arbeit wurde mit dem Forscher Mohamed Saadaoui von der Ecole des Mines de Saint-Etienne, Centre de Microélectronique de Provence, in Gardanne durchgeführt.
Die Forschung wurde als Doktorarbeit für Victor Thénot, gesponsert von der Papierfirma Arjowiggins, mit PowerCoat, einer Arjowiggins-Marke von Papierprodukten für den Druck elektronischer Schaltungen, durchgeführt.
Das Projekt mit dem Titel "Drucken und selektives Sintern von Metallfarben auf Papier; Optimierung der elektrischen Eigenschaften von RFID-HF-Loops für die industrielle Produktion" nutzt ein glattes Papiersubstrat, das speziell für gedruckte Wahlen entwickelt wurde. Thénots Verteidigung der Doktorarbeit fand im Juli 2017 statt und wird nun in Form eines Papiers veröffentlicht.
Die meisten NFC-Tags und andere passive RFID-Tags bestehen aus geätzten Kupfer- oder Aluminiumantennen und einem Chip, der auf Polyimid-Substrate oder PET-, PEN- oder PVC-Material aufgebracht ist. Wenn die Elektronik gedruckt wird, wird dies typischerweise unter Verwendung von leitfähigen Tinten auf einem Kunststoffsubstrat erreicht. Die Forscher aus Grenoble Alpes stellen jedoch fest, dass sowohl die gedruckten als auch die nicht gedruckten Versionen der Etiketten mit dem Kunststoffsubstrat einen signifikanten CO2-Fußabdruck aufweisen.
Die Gruppe suchte nach einer Möglichkeit, eine erneuerbare Lösung anzubieten, erklärt Denis Curtil, ein Forschungsingenieur an der Universität von Grenoble Alpes, mit gedruckten RFID-Tags auf Papier, die eine gute Leistungsrate bieten. Sie entwarfen das druckbare Tag-System, um Etikettenherstellern eine Papieralternative zu Kunststoffmaterialien zu bieten, die in RFID-Tags typischerweise wiederverwertet werden.
Zellulosefasern, die in Papier enthalten sind, dienen nach Angaben der Forscher als das am häufigsten vorkommende Polymer auf der Erde und stellen eine erneuerbare Quelle dar, die als Substrat für gedruckte Elektronik dienen kann. "Das Substrat ist Papier, diese Ressource ist biobasiert, erneuerbar und recycelbar", sagt Nadège Reverdy-Bruas, Dozentin an der Universität Grenoble Alpes und Projektleiterin. "Ein weiterer Vorteil sind die niedrigen Kosten im Vergleich zu anderen Substraten für gedruckte Elektronik."
Die Forscher in Grenoble Alpes benötigten das Papier, um während der Verarbeitung einer Erwärmung von bis zu 180 Grad Celsius standzuhalten. Das Team verwendete einen Sinterprozess nach dem Auftragen von Tinte, um das Tintenmaterial auf dem Papier leitfähig zu machen, ohne dass Wärme über 180 Grad erforderlich war. Die Forscher verwendeten zwei Verfahren zum Drucken der Tags - Siebdruck und Flexographie - und erstellten jeweils eine NFC-Antennenschleife mit einem Muster mit vier Windungen. Anschließend maßen sie die geometrischen Farbeigenschaften des Etiketts wie Dicke und testeten die elektrische Leistung.
Im Fall des Siebdruckens wurde die Antenne auf PowerCoat-Papier unter Verwendung eines DEK Horizon 03i-Druckers von ASM SMT Solutions mit einem Polyestermaschensieb gedruckt. Die resultierenden Tags, so Reverdy-Bruas, erwiesen sich hinsichtlich der elektrischen Leistung als die höchste Qualität für Mikropartikeltinten.
Das flexographische Roll-to-Roll-Verfahren bestand aus einem Raster-gravierten Zylinder mit einer flüssigen Tinte. Bei diesem Verfahren wurde die Tinte auf eine Druckplatte (Photopolymer im Relief) und dann auf das Papiersubstrat übertragen. "Einer der Vorteile dieses Verfahrens", sagt Curtil, "ist, dass es für die Verpackung und Etikettierung auf Papier und Kunststoffen weit verbreitet ist."
Die Flexo-Version bestand aus einer Rolle-zu-Rolle-Maschine mit einer 30 Zentimeter breiten Rolle und zwei Heißlufttrocknern sowie Infrarot- und Adphos-NIR-Treibern mit einer Geschwindigkeit von 8 Metern pro Minute. Die Qualität für diese Methode war jedoch die niedrigste der drei. Das Endergebnis, das in Bezug auf die elektrische Leistung gefunden wurde, war etwas niedriger als das Siebdrucken unter Verwendung von Mikropartikeln.
Das Sintern habe auf dem Papier gut funktioniert, stellten die Forscher fest. Die NFC-Tags reagierten nicht auf die Abfrage bei der Empfindlichkeit eines chemisch geätzten Tags; Dennoch, so Curtil, funktioniere es immer noch gut genug, um die meisten NFC-Anwendungen zu ermöglichen, in denen ein Tag über den eingebauten NFC-Leser eines Smartphones gelesen werden würde.
Mit dieser NFC-Druckmethode auf Papier, so Reverdy-Bruas, wären die resultierenden Etiketten nicht nur billiger und erneuerbarer als Plastikversionen, sondern könnten auch leichter in Papierprodukte eingebaut werden. "Es wird jetzt möglich, die Intelligenz in allen gedruckten Medien zu integrieren", sagt sie.
