I ricercatori dell'Università di Grenoble Alpes hanno sviluppato un metodo per stampare l'elettronica in un tag RFID Near Field Communication (NFC) 13,56 MHz, utilizzando inchiostri a base di metallo su carta PowerCoat. Il sistema è stato testato con due metodi di stampa e tre metodi di sinterizzazione per l'inchiostro conduttivo per creare l'antenna del loop del tag. Il lavoro è stato condotto con il ricercatore Mohamed Saadaoui, dell'Ecole des Mines de Saint-Etienne, Centre de Microélectronique de Provence, a Gardanne.

La ricerca è stata condotta come tesi di dottorato per Victor Thénot, sponsorizzato dalla società cartaria Arjowiggins, utilizzando PowerCoat, un marchio di prodotti di carta Arjowiggins progettato per la stampa di circuiti elettronici.

Il progetto, intitolato "Stampa e sinterizzazione selettiva di inchiostri su metallo a base di carta, ottimizzazione delle proprietà elettriche degli anelli RFID-HF per la produzione industriale", sfrutta un substrato di carta liscia progettato specificamente per le elezioni stampate. La difesa della tesi di dottorato di Thénot si è tenuta a luglio 2017 e ora viene rilasciata sotto forma di un documento.

La maggior parte dei tag NFC e di altri tag RFID passivi è costituita da antenne di rame o alluminio incise e un chip applicato a substrati di poliimmide o materiale PET, PEN o PVC. In alternativa, se l'elettronica viene stampata, di solito viene eseguita utilizzando inchiostri conduttivi su un substrato di plastica. Tuttavia, i ricercatori di Grenoble Alpes notano che sia le versioni stampate che quelle non stampate dei tag, con il substrato di plastica, hanno un'impronta di carbonio significativa.

Il gruppo ha cercato di trovare un modo per fornire una soluzione rinnovabile, spiega Denis Curtil, un ingegnere di ricerca presso l'Università di Grenoble Alpes, con etichette RFID stampate su carta, che hanno offerto un buon tasso di rendimento. Hanno progettato il sistema di tag stampabile per offrire ai tag maker un'alternativa cartacea ai materiali plastici non riciclabili più comunemente utilizzati nei tag RFID, afferma.

Le fibre di cellulosa presenti nella carta sono il polimero più abbondante sulla Terra, affermano i ricercatori, e forniscono una fonte rinnovabile che può fungere da substrato per l'elettronica stampata. "Il substrato è carta, questa risorsa è bio-based, rinnovabile e riciclabile", afferma Nadège Reverdy-Bruas, professore associato presso l'Università di Grenoble Alpes e supervisore del progetto. "Un altro vantaggio è il suo basso costo rispetto ad altri substrati dedicati all'elettronica stampata."

I ricercatori di Grenoble Alpes hanno avuto bisogno della carta per sopportare il riscaldamento fino a 180 gradi Celsius durante la lavorazione. Il team ha utilizzato un processo di sinterizzazione seguendo l'applicazione dell'inchiostro per rendere il materiale dell'inchiostro sulla carta conduttivo, senza richiedere calore superiore a 180 gradi. I ricercatori hanno utilizzato due processi per la stampa di tag-screen printing e flexography, creando in ciascun caso un loop di antenna NFC con un pattern a quattro giri. Hanno quindi misurato le proprietà geometriche dell'inchiostro dell'etichetta, come lo spessore, e testato le prestazioni elettriche.

Nel caso della stampa serigrafica, l'antenna è stata stampata su carta PowerCoat utilizzando una stampante ASM SMT Solutions DEK Horizon 03i con schermo in rete di poliestere. I tag risultanti, afferma Reverdy-Bruas, si sono dimostrati la più alta qualità per gli inchiostri micro-particellari, in termini di prestazioni elettriche.

Il processo flessografico roll-to-roll consisteva in un cilindro inciso all'anilox con inchiostro fluido. In questo metodo, l'inchiostro è stato trasferito su una lastra di stampa (fotopolimero in rilievo) e quindi sul substrato di carta. "Uno dei vantaggi di questo processo", afferma Curtil, "è che è ampiamente utilizzato per il confezionamento e l'etichettatura su carta e plastica".

La versione per la flessografia consisteva in una macchina da bobina a bobina con bobina da 30 centimetri di larghezza e due essiccatori ad aria calda, oltre a driver a infrarossi e Adphos-NIR alla velocità di 8 metri al minuto. La qualità di questo metodo era tuttavia la più bassa delle tre. Il risultato finale, in termini di prestazioni elettriche, era in qualche modo inferiore alla serigrafia che utilizzava microparticelle.

La sinterizzazione ha funzionato bene sulla carta, i ricercatori hanno determinato. I tag NFC non rispondevano all'interrogazione alla sensibilità di un tag inciso chimicamente; tuttavia, afferma Curtil, ha comunque funzionato abbastanza bene da consentire la maggior parte delle applicazioni NFC in cui un tag sarebbe stato letto tramite il lettore NFC integrato nello smartphone.

Con questo metodo di stampa NFC su carta, afferma Reverdy-Bruas, i tag risultanti non solo sarebbero meno costosi e più rinnovabili rispetto alle versioni in plastica, ma potrebbero anche essere integrati più facilmente in prodotti cartacei. "Diventa ora possibile integrare l'intelligenza in tutti i media stampati", afferma.