Projekti / Programi
Novi materiali za tiskane senzorje in indikatorje ter njihova integracija v pametne tiskovine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T001 |
Tehnološke vede |
Elektronika in elektriška tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
kromogeni materiali, fotokatalistko aktivne snovi, indikatorski materiali, mikrokapsuliranje, večfunkcionalne tiskarske barve, tiskani indikatorji, tiskani senzorji, kapacitivni senzorji, uporovni senzorji, tiskana elektronika, pametne tiskovine
Raziskovalci (15)
Organizacije (7)
Povzetek
Pametne tiskovine so izdelek grafične tehnologije, ki bo ostal tudi pri popolni uvedbi informacijskih tehnologij. Gre za sintezo tiskane elektronike, indikatorskih materialov in ustreznega grafičnega oblikovanja. Raznolikost in unikatnost pametnih tiskovin je pogojena s tiskano elektroniko in indikatorskimi materiali, pomemben faktor pa igra ponovljivo in nadzorovano spreminjanje lastnosti indikatorskih materialov glede na zunanje dejavnike. Sprememba barve, ki kaže vpliv zunanjih dejavnikov na artikel, mora biti jasno vidna in enostavno razpoznavna. Drugi faktor, ki pogojuje pametne tiskovine, je tiskana elektronika. Tiskani senzorji električno zaznavajo prisotnost zunanjih dejavnikov kar omogoča komunikacijo z elektronskimi aparaturami, kromogeni materiali pa praviloma niso udeleženi. Aktivni preplet indikatorskih materialov, tiskane elektronike in ustreznega grafičnega oblikovanja je nov izdelek z visoko dodano vrednostjo – pametna tiskovina.
Med kromogenimi indikatorskimi materiali prevladujejo organski in mešani kompoziti. Njihove lastnosti so odvisne od večjega števila zunanjih dejavnikov hkrati, na primer od temperature, UV obsevanja in pH okolice. Da bi en zunanji dejavnik prevladal in da bi bili njegovi efekti ponovljivi v danem območju, bomo razvili nove indikatorske materiale in/ali izboljšati obstoječe. Nekatere od njih bomo uporabili za tiskane indikatorje, ki s spremembo barve beležijo temperaturo, termično preteklost ali UV obsevanje.
Da bi bili indikatorski materiali uporabni tudi v drugih aplikacijah in da bi jim povečali trajnost, jih bomo mikrokapsulirali. Upoštevali bomo zahtevano prožnost polimerne stene mikrokapsul, neprepustnost za jedrni material, optimalno debelino stene, ustrezno svetlobno prepustnost ter mehansko in termično obstojnost. Modifikacija polimerne stene in materiala zanjo ponuja možnost dodatnih funkcij. Take mikrokapsule so t. i. funkcionalni pigmenti, ki skupaj z ustrezno tiskarsko osnovo dajejo večfunkcionalne tiskarske barve. Take tiskarske barve bomo uporabili za potrebe tiskanih senzorjev in/ali za kombinacijo z njimi.
Tiskana elektronika omogoča izdelavo bistveno večjih senzorjev kot klasične mikroelektronske tehnologije. Primeri so uporovni senzorji, ki merijo absorpcijo analita preko spremembe upornosti, in kapacitivni senzorji, ki to zaznavajo preko spremembe dielektrične konstante senzorske plasti. Te spremembe bomo nadzorovali tudi s funkcionalnimi tiskarskimi barvami, kar bo omogočilo vidno zaznavo električnih sprememb v senzorski plasti. Raziskati nameravamo tudi možnosti tiska 3D prostostoječih struktur, na primer elektro-termični aktuator. Ker so za dobro delovanje takih elementov potrebne velike dimenzije, daje možnost tiska nekaj prednosti pred mikroelektromehansko izvedbo.
S kombinacijo indikatorskih materialov, večfunkcionalnih tiskarskih barv in tiskane elektronike s posebnimi metodami zaščitnega tiska bomo pripravili senzorje in indikatorje, ki bodo omogočili pripravo različnih pametnih tiskovin, zaščitili embalažo pred ponarejanjem, nudili potrošnikom dodatne in enostavno razpoznavne informacije o izdelkih ter omogočili preprosto elektronsko komunikacijo. Pričakujemo, da bomo v okviru predlaganega projekta odprli poti za nove ideje na področju kombinacije tiskane elektronike z indikatorskimi materiali in funkcionalnimi efekti grafičnega oblikovanja.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave združujejo znanja različnih področij za učinkovite aplikacije na pametnih tiskovinah oz. na pametni embalaži (termin »pametna embalaža« se je širše uveljavil v času trajanja tega projekta. Predlagane raziskave so kreirale tudi nova znanja na področjih grafične tehnologije, medicine, znanosti o materialih, fotokemije, spektroskopije, optike, itd. Pomembna znanstvena spoznanja smo prispevali na področju (a) znanosti o kompozitnih materialih, (b) mikrokapsuliranja, (c) funkcionalnih tiskarskih barv in (d) tiskane elektronike. (a) V organskih kompozitih smo najpogosteje uporabljani proton donor (razvijalec) Bisfenol A uspešno nadomestili z nenevarnim. Z uporabo spektroskopskih analiz smo preko informacij na molekularnem nivoju ugotovili najugodnejše razmerje sestavin, ki daje popolno reverzibilnost, največje možno obarvanje in popolno razbarvanje. Pokazali smo, da so termične lastnosti TC kompozitov razmeroma močno odvisne od stopnje hidratacije neposredno po sintezi. Zaznali smo tudi razmeroma široka temperaturna področja, v katerih ne veljajo do sedaj splošno privzeti mehanizmi termokromizma. Rezultat projekta v sklopu mešanih kompozitov pomeni razvoj novih pametnih materialov, ki lahko služijo kot indikatorji in dozimetri uspešnosti UV-sušenja ali izpostave sončni in/ali UV svetlobi umetnih svetil. Indikatorji in dozimetri UV sevanja, ki jih natisnemo v obliki pametnih nalepk, so primerni za uporabo na embalaži ali kakem drugem mestu, sporočajo informacijo o izpostavljenosti UV sevanju. Obstoj takih enostavnih pripomočkov lahko bistveno izboljša testiranje UV-sušilnih enot, ki so sestavni del proizvodnih linij za tisk ali premazovanje izdelkov, primarno dermatološko preventivo, pa tudi kakovost izdelkov, ki so občutljivi na UV sevanje. (b) Pokazalo se je, da mikrokapsuliranje pomembno vpliva na termokromni efekt, s čimer smo uspeli dodatno utrditi hipotezo, da fazne spremembe niso direktno povezane s spremembo barve TC kompozita. (c) Tiskarske barve, ki vsebujejo mikrokapsulirane tekoče kristale, odbijajo svetlobo z izrazito kotno odvisnostjo, kar najverjetneje kaže na urejanje molekul tekočega kristala s kiral-nematsko strukturo znotraj mikrokapsul. Pripravili smo tiskarske barve, ki imajo termokromni in fluorescenčni efekt in pokazali, da sta pojava konkurenčna. (d) Na področju tiskane elektronike smo raziskali nekaj problemov tiska večplastnih struktur, ki vsebujejo plasti z različnimi načini sušenja; efekt je zelo izrazit, če tiskarske barve za posamezno plast vsebujejo tudi topila. Raziskali smo tudi vpliv stopnje polimerizacije senzorske plasti na delovanje kapacitivnega senzorja hlapnih substanc, natisnjenega s sitotiskom.
Pomen za razvoj Slovenije
Na projekti smo uspešno sodelovali raziskovalci iz javnih raziskovalnih zavodov in iz univerze z raziskovalci iz gospodarstva z namenom kreiranja in prenosa najsodobnejših znanstvenih spoznanj v gospodarstvo. Skupno delo je omogočilo raziskovalcem ideje za nove raziskave in preverjanje rezultatov v aplikacijah in v praksi. Sestava projektne skupine je omogočila učinkovit prenos znanja in s tem posredno tudi vpliva na družbo kot celoto. Raziskave materialov za pametno embalažo so pomembne zlasti na področju zaščite potrošnika (npr. varna hrana), kar ima velik pomen za družbo kot celoto. Ta vidik smo pokazali s temperaturnimi indikatorji in materiali za indikatorje UV sevanja. Veliko dela je bilo opravljenega v sodelovanju z raziskovalci iz tujine (raziskovani skupini iz Češke in Hrvaške), kar pomeni, da se je projektna skupina aktivno vključila v mednarodne tokove. Izredno pomembna je tudi vzgoja kadrov. V obdobju trajanja projekta sta bili izvedeni 2 diplomski deli (Sara Golobič- 1. bolonjska stopnja, Simona Slak po pred-bolonjskem sistemu), po ena diploma prve (Petra Drnovšek) in druge bolonjske stopnje (Miha Golob) pa sta tik pred zagovorom. En doktorat je bi, zaključen v Sloveniji (Maša Horvat) in en v Češki (Ondrej Panak), trije pa so v zaključni fazi (Andreja Pondelak, Kristina Bašnec in Maja Jakovljević). Ti podatki kažejo, da je projekt pomembno prispeval k vzgoji najvišje izobraženih kadrov za potrebe gospodarstva in znanosti. Za raziskovalno sfero je to dejstvo zelo pomembno, saj s tako izobraženimi kadri lažje skrbi za neprestano dviganje tehnološke in inovativne ravni našega gospodarstva. Ocenjujemo, da so raziskave na projektu postavile osnovo za kvalitativni preskok kemijske in tiskarske industrije v inovativni razred z visoko dodano vrednostjo na področju pametnih materialov za tiskarstvo in pametnih tiskovin oz. pametne embalaže. Pričakujemo, da bo neposredne rezultate raziskav mogoče zaznati tudi v širšem gospodarskem prostoru.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
