Titel
CORNET project: PAPERONICS (Onderzoek)
Abstract
DOEL
Geprinte elektronica zal zich verder ontwikkelen tot een megatrend voor de verpakkings-, voedings- en
farmaceutische industrie, omdat het toegang geeft tot andere megatrends zoals internet of things (IoT),
consumenteninteractie via mobiele telefoons, traceerbaarheid en veiligheid in online retail door
bewaking van opslag- en transportomstandigheden, etc. Kmo's zijn zeer geïnteresseerd in deze
groeiende markt, maar staan voor grote uitdagingen want het onderzoekslandschap en de potentiële
kmo-toeleveringsindustrie voor geprinte elektronica is gefragmenteerd. Daarnaast zijn vele
technologieën op zichzelf staande oplossingen, die bovendien vaak erg duur zijn.
Daarom heeft PAPERONICS 6 onderzoeksinstellingen en 34 bedrijven actief in het domein van papier,
etiketten, karton, inkt en printtechnologie, sensoren, RFID tags, scavenger- en encapsulatietechnologie,
softwaretoepassingen (apps, sociale media), cloudoplossingen & design, én eindgebruikers van
verpakkingen samen gebracht, met als doel innovatie te stimuleren door onderlinge samenwerking.
PAPERONICS beoogde de ontwikkeling van een platform voor slimme systemen op basis van
bestaande technologieën zoals bv. temperatuur-, vocht- of druksensoren (eventueel geprint),
lichtgevende applicaties, RFID tags, dataverwerking met interne data transfer en externe communicatie,
geprinte batterijen of organische zonnecellen als energiebron, actuatoren en encapsulatiematerialen en
-processen. De projectpartners wilden aantonen dat de integratie van geselecteerde componenten op
papiergebaseerde substraten kan leiden tot slimme toepassingen op etiketten en verpakkingen.
PAPERONICS wilde het ontwerp en de productie van enkele intelligente toepassingen demonstreren,
zoals: 1) een product dat kan interageren met de klant, 2) een anti-counterfeiting tag en 3) een
temperatuurlogger. Papier is gekozen als substraat omdat het recyclebaar, temperatuur-stabiel, stijf en
printbaar is en ook geschikt voor efficiënte roll-to-roll-processen. Bovendien bieden papier en karton de
mogelijkheid om goedkope, innovatieve toepassingen te creëren als intelligent verpakkingsconcept.
Gezien elektronische componenten zoals zonnecellen, geprinte circuits, antennes, OLEDs, moeten
beschermd worden tegen waterdamp en zuurstof, kwam ook de ontwikkeling van
encapsulatiematerialen aan bod. Bedoeling was om de encapsulatie in lucht te laten gebeuren in plaats
van in stikstof/argon handschoenkasten, zodat de verwerkingskosten kunnen reduceren. Ook werd
aandacht besteed aan integreerbare energiebronnen om sensoren, componenten en displays op papier
te activeren. Tenslotte heeft PAPERONICS gestreefd naar duurzame oplossingen, vanaf de start bij de
keuze van de materialen tot en met het onderzoek naar de recycleerbaarheid van de uiteindelijke
demonstratoren.
AANPAK PAPERONICS EN BELANGRIJKSTE UITDAGINGEN
Het doel van PAPERONICS was om de huidige mogelijkheden van printed electronics op fiber-based
substraten te demonstreren en deze vervolgens te combineren met andere (voorlopig niet printbare)
elektrische componenten voor de ontwikkeling van smart packaging toepassingen.
Een eerste uitdaging was de selectie van de papieren substraten uit de 76 stalen die door de industriële
partners ter beschikking werden gesteld. Alle substraten werden gescreend voor wat betreft hun
oppervlakteruwheid en luchtdoorlaatbaarheid omdat deze eigenschappen bepalend zijn voor de
uiteindelijke geleidbaarheid van de geprinte functionele inkt. Vervolgens werden 2 nanozilverinkten (o.a.
van partner AGFA) gezeefdrukt op alle substraten. Een 3 e nanozilverinkt werd getest voor aerosol jet
printen. Op basis van de gemeten papiereigenschappen, de thermische stabiliteit van de papieren
substraten (na curing van de inkt) en de sheet resistance van de functionele inkt, en nog enkele visuele
en mechanische eigenschappen werden 13 papiersubstraten geselecteerd voor verder onderzoek zoals
een verdere morfologische studie (FIVV) en recycleerbaarheid (PTS).
Verschillende printtechnologieën beschikbaar bij de onderzoekspartners IMO-IMOMEC van UHasselt,
AML van KU Leuven en PM van Technische Universiteit Chemnitz en bij verschillende industriële
partners waaronder LabelTech, Chiyoda en VIGC werden ingezet (o.a. zeefdruk, aerosol jet printen,
offset, rotogravure en flexodruk) om te onderzoeken welke inkten en printtechnieken compatibel waren
met de fiber-based substraten.
Vervolgens werden substraten en inkten geselecteerd voor de ontwikkeling van 3 demonstratoren.
De eerste demonstrator is een customer relationship packaging waarin een geprinte antenna (IMO-
IMOMEC) gecombineerd wordt met een thin film IGZO microchip (van imec) tot een RFID label
(werkend op 13.56 Hz) dat geïntegreerd kan worden in duurzame, herbruikbare kartonnen dozen. Deze
demo werd ontwikkeld door de onderzoekspartners in nauwe samenwerking met FETRA, die papier
aanleverde; AGFA en Henkel die de functionele inkt aanleverden; Roartis, die zorgde voor het
geleidende adhesive dat QUAD Industries gebruikte om de antenna en microchip te connecteren op het
smart label. Vervolgens werd dit smart label geïntegreerd in een intelligente verpakking. Een bevraging
leverde ideeën op in de richting van track- en trace applicaties, productauthenticatie en interactie met
de consument. Een masterstudent IW: verpakkingstechnologie ontwierp en ontwikkelde een duurzame,
herbruikbare, en opvouwbare slimme kartonnen doos met RFID label die kan gebruikt worden voor 3rd
party e-logistic bedrijven. Een student IW: elektronica-ICT ontwikkelde in nauwe samenwerking met
partner I4CRM de nodige software tools om de status van de box op elk moment in de logistieke cyclus
te kunnen opvolgen. Een 2 e masterstudent ontwikkelde een slimme box met RFID label als
garantieverpakking voor dure producten. Het karton en het op maat maken van de prototypes voor
beide toepassingen werd verzorgd door partner ROPAK. De kwaliteit van de kartontypes en de
stabiliteit van de verschillende dozen, werd geëvalueerd in de labo's van MPR&S IMO-IMOMEC, om te
onderzoeken of de finale doos een bepaalde distributiecyclus meerdere malen kan doorstaan.
Voor de 2 e demonstrator werd de ontwikkeling van een anti-tampering packaging beoogd. Hier werd
een geprinte breakage sensor gecombineerd met een organische zonnecel, electrochrome display en
een supercap (voor extra energieopslag). Ook dit smart label werd geïntegreerd in een kartonnen doos,
die 'genuine' toont op de display zolang de sensor niet gebroken wordt. Bij openen van de doos, wordt
de stroom in het label onderbroken en verdwijnt de tekst in de display. Voor deze elektronische
componenten is bescherming tegen zuurstof en waterdamp vereist, daarom werd bij de ontwikkeling
van deze demo ook een encapsulatiestrategie onderzocht door coaten van het papier met een SiOx
barrière laag en incorporatie van actieve zuurstof en water absorbers. Deze demo werd vnl. ontwikkeld
door de Duitse partners in samenwerking met Grünperga, AGFA, Felix Schoeller group, Saralon en
Koehler Paper group.
De 3e, en meest complexe demonstrator beoogde een temperatuur threshold indicator met een
geprinte temperatuursensor én geprinte antenna op papier die vervolgens onderling en met een IGZO
RFID microchip (van imec) geconnecteerd wordt. Het principe van het printen van een
temperatuurgevoelige sensor werd gesimuleerd in de vorm van een pH-gevoelig diffusielabel. Het idee
is om 6 lagen van functionele inkten met verschillende eigenschappen over mekaar te printen: zilver
print voor connectie met de antenna, emeraldine base coating (base die van zichzelf niet geleidend is),
2 PET lagen, een nanocapsule met zuur (dat bij vrijzetting door een trigger (bv.
temperatuursverandering) de emeraldine base omzet in een semi-geleidend zout en tenslotte een
barrière film. Dit concept werd in PAPERONICS onderzocht met hulp van een student Chemical
engineering van de universiteit van Sao Paulo en een masterstudent IW: Chemie. Het proof-of-concept
werd in de loop van het project vnl. door de Vlaamse partners, verder uitgewerkt met 3
printtechnologieën, nl. zeefdruk en ultrasoon spraycoaten (IMO-IMOMEC) en aerosol jet printing (AML)
en na connecteren met de microchip (imec) gevalideerd.
LESSONS LEARNED
De bedrijven werden in de gebruikersgroepvergaderingen geüpdatet over de nieuwe projectresultaten,
de uitdagingen en de oplossingen die door de 6 onderzoeksinstellingen werden samengebracht.
Verschillende bedrijven werkten ook actief mee aan de resultaten. Zo werden 3 alternatieve
printtechnologieën bij de partners getest; flexodruk bij LabelTech, rotogravure printing bij Chiyoda en
offset printing bij VIGC. Inkten werden aangeleverd door AGFA en Henkel en conductive adhesives
door ROARTIS. Fiber-based substraten werden aangeleverd door FETRA, DS Smith, Smurfit Kappa,
ELEP, Bumaga, Felix Schoeller group, Koehler paper group en Grünperga. De integratie werd
verzorgd door TACON en QUAD en voor de ontwikkeling van de demonstratoren werd beroep gedaan
op de expertise van ROPAK en i4CRM. Bedrijven als AB Inbev, Orakel en Etheclo inspireerden voor
het uitwerken van bepaalde toepassingen.
De toepassingen in de vorm van diverse smart packaging applicaties kunnen bedrijven aanzetten om
na te denken over eventueel andere applicaties met behulp van printed electronics. Verder zette de
samenwerking voor het ontwikkelen van de demonstratoren de bedrijven aan om nieuwe netwerken en
connecties op te zetten om in de toekomst samen nieuwe ontwikkelingen te verwezenlijken gerelateerd
aan of ontsproten uit het PAPERONICS project. Vooral bedrijven in de papierindustrie zijn hopelijk
geïnspireerd dat papier als substraat ook kan toegepast worden in printed electronics en hebben
hopelijk de weg gevonden naar bedrijven die slimme oplossingen hiervoor kunnen aanbieden.
Een bijkomend aspect dat voor de 3 demo's werd bestudeerd door partner PTS is 'recycleerbaarheid'.
Feit of smart packaging geschikt is voor recycling hangt in principe af van: 1) de beschikbaarheid van
sorteer- en recyclage-infrastructuur; 2) de mogelijkheid om de verpakking uit een bepaalde afvalstroom
te sorteren en om de (elektronische) componenten af te scheiden; en tenslotte 3) of specifieke
componenten of bepaalde chemische stoffen gebruik na recyclage kunnen verhinderen. De testen die
werden uitgevoerd tonen aan dat het recycleren van geprinte antennes een recyclaat oplevert met
visuele onzuiverheden. Bij gecoat papier is dit negatief effect nog sterker aanwezig. Indien een slimme
kartonnen verpakking via de algemene stroom gerecycleerd wordt, zou dit wellicht weinig effect hebben
omwille van de lage verhouding van elektronische componenten (bv. RFID tag) versus de hoeveelheid
fiber-based materiaal van de kartonnen doos. Maar de regelgeving omtrent kartonnen verpakkingen en
elektronica zal nauwgezet moeten opgevolgd worden.
SAMENVATTING VAN DE ONTWIKKELDE DEMONSTRATOREN EN DE DAARBIJ HORENDE DISSEMINATIE
DEMO 1: reusable box for e-logistics
De belangrijkste resultaten bekomen voor demo 1 "de customer relationship smart packaging met
toepassing in 3rd party e-logistics" zijn neergeschreven in een manuscript dat klaar is voor submissie in
een wetenschappelijk journal. In een proceeding en presentatie op IAPRI 2021 worden de bekomen
resultaten gepresenteerd.
Een manuscript i.v.m. de bruikbaarheid van screen printing en aerosol jet® printing technologie voor
het printen van HF antennas is reeds gepubliceerd (IMO/IMOMEC, AML, imec).
Een manuscript i.v.m. de functionaliteit van de thin-film RFID microchip (imec) is ook klaar voor
submissie.
DEMO 2: anti-tampering packaging
De resultaten bekomen in het kader van de ontwikkeling van de anti-tampering packaging zullen ook
gepubliceerd worden door de Duitse partners. Het gaat hierbij naast de ontwikkeling van de smart
applicatie ook over de barrière coating en de recycling.
DEMO 3: temperature indicator
Het onderzoek i.v.m. een temperatuurgevoelig diffusielabel loopt nog verder, maar ook hier wordt
verwacht om de bekomen resultaten binnen aanzienbare tijd publiek te kunnen maken. Enkele
bedrijven gaven aan dat zo'n temperature threshold sensor geïntegreerd in de verpakking voor hen
heel interessant is en er wordt momenteel gewerkt aan het samenstellen van een consortium van
bedrijven en kennisinstellingen voor een mogelijk opvolgtraject.
Alle PAPERONICS projectresultaten werden finaal gebundeld in een handige booklet die geprint werd
door partner Reynders Label Printing. Mede dankzij onze partners ESMA, FETRA en VIGC zullen de
resultaten van PAPERONICS de brede doelgroep bereiken.
Periode
01 januari 2019 - 31 maart 2021