Onderzoekers van de Universiteit van Grenoble Alpes hebben een methode ontwikkeld voor het printen van de elektronica in een Near Field Communication (NFC) 13,56 MHz RFID-tag, met behulp van metaalinkten op PowerCoat-papier. Het systeem is getest met twee afdrukmethoden en drie sintermethoden voor geleidende inkt om de lusantenne van het label te maken. Het werk werd uitgevoerd met onderzoeker Mohamed Saadaoui, van de Ecole des Mines de Saint-Etienne, Centre de Microélectronique de Provence, in Gardanne.

Het onderzoek werd uitgevoerd als een proefschrift voor Victor Thénot, gesponsord door papierbedrijf Arjowiggins, met PowerCoat, een Arjowiggins merk van papierproducten die zijn ontworpen voor het bedrukken van elektronische schakelingen.

Het project, getiteld "Afdrukken en selectief sinteren van op metaal gebaseerde inkten op papier; Optimalisatie van elektrische eigenschappen van RFID-HF-lussen voor industriële productie", maakt gebruik van een gladde papiersubstraat dat speciaal is ontworpen voor gedrukte verkiezingen. Thénot's proefschrift verdediging vond plaats in juli 2017 en wordt nu vrijgegeven in de vorm van een paper.

De meeste NFC-tags en andere passieve RFID-tags zijn gemaakt van geëtste koper- of aluminiumantennes en een chip die op polyimidesubstraten of PET-, PEN- of PVC-materiaal wordt aangebracht. Als alternatief, als de elektronica wordt afgedrukt, wordt dat meestal bereikt met geleidende inkt op een substraat van kunststof. De onderzoekers van Grenoble Alpes merken echter op dat zowel de gedrukte als de niet-gedrukte versies van tags, met het plastic substraat, een aanzienlijke ecologische voetafdruk hebben.

De groep zocht naar een manier om een ​​hernieuwbare oplossing te bieden, legt Denis Curtil, een onderzoeksingenieur aan de universiteit van Grenoble Alpes, uit met gedrukte RFID-tags op papier, die een goede prestatiegraad bieden. Ze hebben het afdrukbare labelsysteem ontworpen om labelmakers een papieren alternatief te bieden voor plastic, niet-recycleerbare materialen die vaker worden gebruikt in RFID-tags, zegt hij.

Cellulosevezels die op papier aanwezig zijn, dienen als het meest voorkomende polymeer op aarde, zeggen de onderzoekers, en bieden een hernieuwbare bron die als substraat voor gedrukte elektronica kan dienen. "Aangezien het substraat papier is, is dit middel op biobased, hernieuwbaar en recyclebaar", zegt Nadège Reverdy-Bruas, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Grenoble Alpes en de supervisor van het project. "Een ander voordeel is de lage kosten in vergelijking met andere substraten gewijd aan gedrukte elektronica."

De onderzoekers van Grenoble Alpes hadden het papier nodig om tijdens de verwerking bestand te zijn tegen verwarming tot 180 graden Celsius. Het team gebruikte een sinterproces na het aanbrengen van inkt om het inktmateriaal op het papier geleidend te maken, zonder dat er meer dan 180 graden warmte nodig was. Onderzoekers gebruikten twee processen voor het afdrukken van de tags - schermafdrukken en flexografie - waarbij telkens een NFC-antennelus met een patroon met vier windingen werd gemaakt. Vervolgens hebben ze de geometrische eigenschappen van de tag, zoals de dikte, gemeten en de elektrische prestaties getest.

In het geval van zeefdruk werd de antenne afgedrukt op PowerCoat-papier met behulp van een ASM SMT Solutions DEK Horizon 03i-printer met een polyester zeef. De resulterende tags, zegt Reverdy-Bruas, bleken de hoogste kwaliteit te zijn voor micro-deeltjesinkten, in termen van elektrische prestaties.

Het flexografische rol-naar-rol-proces bestond uit een cilinder met anilox gegraveerde inkt en een vloeibare inkt. Bij deze methode werd de inkt overgebracht op een drukplaat (fotopolymeer in reliëf) en vervolgens op het papiersubstraat. "Een van de voordelen van dit proces," zegt Curtil, "is dat het veel wordt gebruikt voor het verpakken en labelen op papier en plastic."

De flexografieversie bestond uit een haspelspoelmachine met een 30 centimeter brede haspel en twee heteluchtdrogers, evenals infrarood- en Adphos-NIR-stuurprogramma's met een snelheid van 8 meter per minuut. De kwaliteit voor deze methode was echter de laagste van de drie. Het eindresultaat, de gevonden in termen van elektrische prestaties, was iets lager dan zeefdrukken met behulp van microdeeltjes.

Sinteren werkte goed op het papier, bepaalden de onderzoekers. De NFC-tags reageerden niet op ondervraging op de gevoeligheid van een chemisch geëtst label; Curtil zegt echter dat het nog steeds goed genoeg werkte om de meeste NFC-toepassingen mogelijk te maken waarin een tag kan worden gelezen via de ingebouwde NFC-lezer van een smartphone.

Met deze NFC-afdrukmethode op papier, zegt Reverdy-Bruas, zouden de resulterende tags niet alleen minder duur en duurzamer zijn dan plastic versies, maar ook gemakkelijker in papieren producten kunnen worden ingebouwd. "Het wordt nu mogelijk om intelligentie te integreren in alle gedrukte media", zegt ze.