Terwijl 3D printing nauwelijks aan een opmars is begonnen, staat er al een nieuwe revolutie te trappelen in de kinderschoenen. Printed Electronics gaat de verpakkingswereld ingrijpend veranderen. De nieuwe technologie geeft de communicatiefunctie van verpakkingen een nieuwe dimensie, waardoor product en verpakking één worden.

Behalve ze beschermen, hanteerbaar maken en beveiligen gaan verpakkingen ook dynamisch communiceren over de producten die ze bevatten. Denk aan voedselverpakkingen die bijhouden wat de temperatuur of houdbaarheid van het verpakte product is, of aan medicijndoosjes die een signaal afgeven als het tijd is voor uw volgende pilletje. De voedselversheid kan worden aangeduid met behulp van veranderende kleuren op de verpakking, de timing voor medicijngebruik gaat gepaard met een alarmtoon. In beide gevallen is die functie op de verpakking gedrukt of geprint, met behulp van polymere elektronica die in inktvorm met behulp van offset en digitale printmethoden op de verpakking kunnen worden overgebracht. Dat is Printed Electronics (PE), de revolutie in een notedop.

Aan de basis van deze printtechniek ligt polymere elektronica: plastics die stroom kunnen geleiden. Polymeren (“plastics”) kennen we vooral als isolator (denk aan stroomdraad) of als materiaal voor de vervaardiging van de behuizing van mechanische onderdelen, omdat ze geen stroom geleiden. Maar er zijn ook polymeren die juist wèl stroom kunnen geleiden. Met materiaal dat bestaat uit die geleidende  polymeren en kleinere organische en chemische deeltjes kunnen elektronische componenten en circuits worden gemaakt. Dus kan het informatie verwerken en doorgeven, reden waarom we het gaan terugvinden in consumentenelektronica, zonnepanelen, LED-verlichting, systemen voor de  verkeersveiligheid en medische apparatuur om maar een paar van de vele toepassingen te noemen. Het zal echter niet alleen de productie, werking en samenstelling van die apparatuur zelf veranderen, maar ook de omgeving van die apparatuur.

Thermometer in stickervorm

Zo wordt het ook mogelijk om verpakkingen van alledaagse producten interactiever te laten communiceren, door informatie over de inhoud bij te houden en zelf te presenteren aan de gebruiker. Een relatief eenvoudige toepassing is de thermometer in stickervorm, die als pleister op het lichaam kan worden geplakt. In combinatie met apparatuur zoals smartphones kunnen verpakkingen ook foto’s, films, boeken en ander entertainment in zich dragen of online verbindingen tot stand brengen.

Polymeren als ‘inkt’
Opeens ligt er dus een nieuwe wereld aan de voeten van productontwikkelaars, die zo veel meer ontwerpvrijheid hebben en aan die van fabrikanten, voor wie de productiemethoden gaan veranderen. Tegelijkertijd verkneukelen marketeers zich over de mogelijkheden voor nieuwe product/verpakkingscombinaties en kunnen consumenten zich opmaken voor een dialoog met het product. Want printed electronics gaat verder dan de radiografische communicatie die we kennen via zogenaamde RFID-chips (Radio Frequency Identification). Door de komst van de smart phones ontwikkelen die chips zich met behulp van polymere elektronica tot de brengers van muziek en films en andere interactieve media. Zo ontwikkelde het Zweedse bedrijf Sign Trace het concept Near Field Communications (NFC), dat staat voor slimme, interactieve chips die al bij de productie in, op of aan verpakkingen en producten kunnen worden toegevoegd. Het werkt eraan met kartonproducent Iggesund, een van de partners van BührmannUbbens en Proost en Brandt.

Door de vele beloften van polymere elektronica zijn wereldwijd tal van grote bedrijven halsoverkop allianties aangegaan om in samenwerking met technologische laboratoria deze revolutie zo goed mogelijk te benutten. In de grafische industrie heeft dat al tot opmerkelijke resultaten geleid. Door in gangbare druktechnieken zoals offset en inkjet met geleidende polymeren als ‘inkt’ te werken, kunnen elektronische circuits op grote schaal gedrukt worden op allerlei flexibele dragers, van kunststof en folie tot papier en karton. Het Duitse Heidelberg wist dat na drie jaar onderzoek in samenwerking met chemieconcern BASF en de Technische Universiteit van Darmstadt al mogelijk te maken. Gezamenlijk werken zij nu aan een project om dit in de komende twee jaar op industriële schaal uit te rollen. De verwachtingen zijn hooggespannen, want wat printed electronics voor producenten  aantrekkelijk maakt is dat het goedkoop te produceren is, met behulp van robuuste apparatuur. Bovendien doorstaat het gemakkelijk grafische nabewerkingen zoals lamineren en omdat het kan worden toegevoegd aan papier en karton – waarover al heel veel kennis bestaat – is het afbreukrisico klein. Het is een kwestie van tijd dat deze technologie de logistieke processen in bedrijven drastisch zal beïnvloeden.

Goedkope labels
We staan dus aan de vooravond van massale toepassingen en printed electronics zal zijn waarde bewijzen in tal van sectoren, van logistiek tot de zorg en van de bloemenveiling tot de supermarkt. Werden tot nu toe bijvoorbeeld de hoogte- en temperatuurmeters separaat in luchtvrachtzendingen verstopt om te controleren of de vracht echt wel door de lucht is vervoerd (en welke temperaturen het heeft doorstaan), met printed electronics kan de verpakking die informatie zelf opslaan en afgeven. Ook kan de fraudegevoeligheid van documenten als rijbewijzen,  paspoorten, identiteitspapieren, reis- en waardedocumenten worden verminderd door elektronische functionaliteit te integreren met het product.

Daarnaast lonken behalve voor de industrie ook enorme voordelen voor de shoppende consument en retailbedrijven. Die kunnen goedkope elektronische labels integreren in verpakkingen en op enige afstand aflezen. Radiografische labels hoeven namelijk geen zichtcontact te hebben met een leesapparaat zoals barcodescanners, zodat met één klik alle informatie over de hele volgeladen winkelwagen kan worden opgeroepen. De economische betekenis van al die tijdwinst is nauwelijks te bevatten, maar dat het het leven van de cassière gaat veranderen staat wel vast.

Paspoort met toegevoegde functionaliteit door het aanbrengen van elektronische circuits van geleidende polymeren als extra drukgang in het productieproces te integreren.

Briljante blunder
Aan de basis van polymere elektronica ligt een fout in het laboratorium van de Japanse onderzoeker Hideki Shirakawa. Die ontdekte in 1977 per ongeluk een methode om de kunststof polyacetyleen als folie te synthetiseren. Door een fout in het voorschrift gebruikte een medewerker duizend keer de normale hoeveelheid katalysator bij de bereiding. In plaats van de onhandelbare, plakkerige, zwarte stof die de reactie normaal gesproken oplevert, ontstond een glanzende zwarte folie.

Hideki Shirakawa, won de Nobel Prijs voor Scheikunde in 2000

De Amerikaanse natuurkundigen Alan Heeger en Alan MacDiarmid slaagden erin om op basis van Shirakawa’s foutje een folie van polyacetyleen te produceren die uitstekend stroom geleidt.

De eenvoud van de blunder in 1977 staat in schril contrast met het wetenschappelijke niveau van het wereldwijde onderzoek naar polymere elektronica anno nu. Met als resultaat voor ons de meedenkende verpakking en voor Heeger, MacDiarmid en Shirakawa (in 2000) de Nobelprijs voor Chemie.

(opgetekend uit het Casebook Polymere Elektronica van TNO, een informatieve en inspirerende uitgave over de ontwikkeling en toepassing van polymere elektronica in tientallen sectoren. De uitgave is hier gratis te downloaden).
Dit artikel is eerder verschenen in de Koerier (voorheen: de Papierkoerier) het relatiemagazine van Proost en Brandt | BührmannUbbens | Velpa.

door Frank van Eijk