Autor: dr inż. Jerzy Szałapak

Elektronika drukowana jest technologią umożliwiającą wytwarzanie układów elektronicznych za pomocą technik i procesów znanych z klasycznej poligrafii. Dzięki temu możliwe jest nie tylko obniżenie kosztów produkcji, lecz także jej znaczące przyspieszenie, jak również projektowanie układów, których nie dałoby się wytworzyć w klasycznej elektronice opartej na sztywnych podłożach. Są to argumenty kluczowe w zmieniającym się świecie, w którym komunikacja bezprzewodowa staje się stałym elementem kolejnych aspektów naszego życia: od medycyny (jednorazowe, biodegradowalne elektrody, inteligentne opatrunki), przez przemysł tekstylny (wkładki monitorujące nacisk stopy, ubrania umożliwiające analizę parametrów biologicznych podczas uprawiania sportu), aż po przemysł opakowaniowy (czujniki naruszenia opakowania, czujniki temperatury).  

Tak szerokie wykorzystanie wymaga dostosowania zarówno drukowalnych kompozytów przewodzących i past dielektrycznych umożliwiających wytwarzanie mniej lub bardziej skomplikowanych układów, jak i samych technik druku oraz metod utwardzania drukowanych warstw. Istotnym elementem jest również uwzględnienie pełnego cyklu życia produktu, włącznie z jego końcowym etapem – a więc utylizacją lub recyklingiem.  

W niniejszym artykule, będącym kontynuacją opublikowanego w WDP 1/2026 artykułu „Elektronika drukowana a branża opakowań”, skupię się na specyfice kompozytów do wytwarzania warstw przewodzących, technikach stosowanych już w skali przemysłowej lub będących blisko takiego zastosowania, a także na ich wpływie na środowisko. 

Kompozyty przewodzące w elektronice drukowanej 

Sercem elektroniki drukowanej, kluczowym dla jej funkcjonowania, są kompozyty przewodzące. Materiały te umożliwiają wytwarzanie drukowanych ścieżek przewodzących oraz pól kontaktowych przypominających te znane z klasycznej elektroniki. Jednakże o ile tam przewodnikiem jest najczęściej lite metaliczne połączenie (np. miedź na laminacie PCB), w elektronice drukowanej funkcję tę pełnią warstwy kompozytowe nanoszone metodami poligraficznymi. Kompozyty te składają się zazwyczaj z osnowy – czyli matrycy polimerowej pełniącej funkcję spoiwa, odpowiadającej za drukowalność oraz stanowiącej nośnik procesowy – oraz z kluczowego tutaj wypełniacza, czyli pełniącego rolę fazy funkcjonalnej materiału przewodzącego prąd lub ciepło. Fazą funkcjonalną zazwyczaj są mikro- lub nanocząstki metali, ze szczególnym uwzględnieniem srebra, oraz węgla – tutaj prym wiodą grafen, nanorurki węglowe oraz sadza techniczna (ang. carbon black), choć w niektórych zastosowaniach można spotkać również grafit. Odpowiedni dobór tych składników, a także proporcja wypełniacza do osnowy warunkują właściwości elektryczne nadrukowanej struktury, jak również jej właściwości mechaniczne oraz kompatybilność z procesem druku. 

Z punktu widzenia przewodności elektrycznej kompozytu kluczową kwestią jest przekroczenie progu perkolacji. Progiem perkolacji nazywamy „minimalną zawartość fazy funkcjonalnej wymaganą do stworzenia ciągłej ścieżki przewodzącej w kompozycie”. W praktyce oznacza to powstawanie ciągłej sieci połączeń pomiędzy losowo rozmieszczonymi cząstkami wypełniacza w warstwie pomiędzy dwoma mierzonymi punktami. Samo jego przekroczenie nie zapewnia jednak maksymalnej przewodności materiału – stosowane w elektronice drukowanej warstwy charakteryzują się wypełnieniem procentowym znacznie powyżej progu perkolacji. Wraz ze wzrostem zawartości materiału przewodzącego w kompozycie wzrost przewodności elektrycznej postępuje lawinowo. Należy jednak pamiętać, że znaczna ilość fazy funkcjonalnej negatywnie wpływa na właściwości fizykochemiczne kompozytu. [1] 

Na drugim biegunie wymogów związanych z właściwościami kompozytów znajdują się właściwości mechaniczne materiału oraz jego drukowalność. Te parametry są przede wszystkim pochodną zawartości polimeru w warstwie – im więcej polimeru, a więc im mniej wypełniacza przewodzącego, tym lepsze właściwości fizykochemiczne. A w elektronice drukowanej właściwości fizykochemiczne są bardzo istotne. W elektronice jednorazowej czy w inteligentnych opakowaniach kluczowe są drukowalność, adhezja, odporność na zginanie (zazwyczaj w liczbie co najmniej kilkudziesięciu cykli) oraz odporność na czynniki środowiskowe, np. światło UV. W przypadku elektroniki tekstylnej układy muszą wytrzymywać nawet dziesiątki tysięcy zgięć, rozciągnięć, mięcia, a także wykazać się odpornością na detergenty. Zwiększenie zawartości odpowiednio dobranej matrycy polimerowej poprawia właściwości całego kompozytu, a co za tym idzie całego układu. Jednocześnie materiał ten – przed utwardzeniem – musi pozwalać na naniesienie wybraną techniką drukarską. [2] 

Formulacja i utrwalanie past przewodzących 

Oprócz składu samego kompozytu istotne znaczenie ma również formulacja pasty przewodzącej, która decyduje o lepkości materiału, jego drukowalności oraz sposobie utrwalania warstwy. Obejmuje ona rozpuszczalnik, dodatki (m. in. dyspergatory, środki zwilżające) oraz mechanizm utrwalania warstwy. W praktyce stosuje się trzy podstawowe typy past przewodzących: rozpuszczalnikowe, wodne oraz utwardzane promieniowaniem UV. 

W elektronice drukowanej najczęściej stosowane są pasty rozpuszczalnikowe. Materiały te są już teraz doskonale znane w poligrafii, dzięki czemu nie ma problemu z kompatybilnością z takimi technikami jak choćby sitodruk czy fleksografia. Charakteryzują się dobrą zwilżalnością podłoża oraz kontrolą lepkości, a przy odpowiednim doborze komponentów nadrukowane warstwy są odporne na wiele czynników środowiskowych, co jest kluczowe szczególnie w zastosowaniach e-tekstylnych. Ich główną wadą są metody utwardzania, wymagające często nawet 15-minutowego grzania w suszarkach komorowych lub za pomocą promienników IR. Jednocześnie materiały te są uznawane za potencjalnie szkodliwe dla środowiska na etapie produkcji lub utylizacji.  

Dominujące w poligrafii pasty utwardzane światłem UV są z kolei znacznie rzadziej stosowane w elektronice drukowanej. Jedna z głównych zalet, jaką jest szybkie utwardzanie warstwy, w tym wypadku nie spełnia w pełni swojej funkcji. Ze względu na konieczność dodania znacznej objętościowo ilości fazy funkcjonalnej, światłu trudniej jest usieciować strukturę między cząstkami, przez co właściwości mechaniczne są wyraźnie gorsze niż w przypadku past poligraficznych. Dodatkowo, samo sieciowanie utrudnia przewodnictwo materiału i ogranicza mobilność cząstek przewodzących. Problemem może być też samo osiągnięcie wysokiej przewodności – najlepiej przewodzące kompozyty zazwyczaj bazują na rozpuszczalnikach. Dodatkowo należy również uwzględnić negatywny wpływ tego typu materiałów na środowisko. [1] 

W kontekście środowiskowym coraz więcej prac badawczych dotyczy past wodnych. Pozwalają one na ograniczenie emisji lotnych związków organicznych, a także ułatwiają integrację elektroniki drukowanej z procesami wytwarzania opakowań na bazie papieru czy kartonu. Głównym problemem jest ich formulacja, przede wszystkim ze względu na tendencję cząstek przewodzących do aglomeracji czy sedymentacji oraz trudniejszą kontrolę procesu suszenia. W efekcie, pod kątem osiąganej przewodności elektrycznej czy stabilności procesu wytwarzania warstw, ustępują one pastom rozpuszczalnikowym. Dlatego pasty wodne – choć intensywnie rozwijane w pracach badawczych – wciąż są używane w przemyśle w ograniczonym stopniu.  

Kompozyty biodegradowalne i recyklingowalne 

W odniesieniu do elektroniki drukowanej jedno- lub kilkukrotnego użytku, będącej podstawą m. in. inteligentnych opakowań, szczególnego znaczenia nabierają kwestie środowiskowe. Krótki cykl życia takich układów otworzył zupełnie nową grupę kompozytów przewodzących – kompozyty na bazie biodegradowalnych polimerów, uwzględniające gospodarkę obiegu zamkniętego.  

Wykorzystanie jako osnowy takich polimerów jak pochodne celulozy, chitozan czy polimery skrobiowe pozwala na redukcję negatywnego wpływu na środowisko. Degradują one w odpowiednich warunkach kompostowania przemysłowego, pozostawiając fazę funkcjonalną oraz ewentualnie zamontowane chipy. Same polimery jednak charakteryzują się gorszymi parametrami mechanicznymi, co w znaczący sposób wpływa na niezawodność takich struktur. Dyskusyjna pozostaje także stabilność takich past, jednak w doniesieniach literaturowych pojawiają się materiały, których adhezja czy odporność na zginanie są zbliżone do kompozytów na bazie past rozpuszczalnikowych.  

W przypadku stosowania biodegradowalnych polimerów w połączeniu z wypełniaczami węglowymi otrzymujemy kompozyty o niższej przewodności elektrycznej niż w przypadku wykorzystania metali, jednakże wystarczające do wytworzenia jednorazowych elektrod EKG czy niektórych czujników do inteligentnych opakowań. Większość typów węgla jest uznawana za stosunkowo nieszkodliwą dla środowiska (np. grafit czy carbon black), natomiast w przypadku materiałów nanostrukturalnych, takich jak grafen czy nanorurki węglowe, ich długoterminowy wpływ na środowisko jest wciąż przedmiotem badań. W związku z tym po degradacji podłoża i warstwy nadrukowanej takie materiały nie wymagają późniejszego odzysku. [3] 

Fot. Nadruk wzoru testowego past węglowych na bazie etylocelulozy 

Stosując wypełniacze metaliczne, taki odzysk jest wskazany. Wiele zespołów naukowych pracuje aktualnie nad metodami odzysku wypełniaczy metalicznych (w tym szczególnie często stosowanego jako faza funkcjonalna srebra) z tego typu układów. Na skalę laboratoryjną naukowcy z holenderskiego Delft University of Technology pokazali, że po degradacji układu możliwe jest odzyskanie dołączonych chipów. Podejmowane są również próby odsiewania samego srebra, jednak wciąż brakuje rozwiązania możliwego do zastosowania na skalę przemysłową. [4] 

Techniki druku i skalowanie produkcji 

Kiedy mówimy o wykorzystaniu technik drukarskich do wytwarzania elektroniki, kluczowe jest zwrócenie uwagi na różnice między klasyczną poligrafią a elektroniką drukowaną. Trudności w wytwarzaniu warstw przewodzących leżą gdzie indziej. W poligrafii myśli się kropkami – oko ludzkie jest oszukiwane i małe punkty wydają się tworzyć jeden, ciągły obraz. Gdy zależy nam na przewodności, nie możemy pozwolić sobie na jakąkolwiek nieciągłość warstwy. Musi być ona spójna, bez żadnych przerw, gdyż nawet przerwa o wielkości rzędu dziesiątek nanometrów może spowodować, że cały układ przestanie poprawnie funkcjonować. Z tego względu proces druku musi uwzględniać wiele zmiennych, od temperatury w trakcie druku oraz parametrów utwardzania, przez parametry reologiczne i lepkość, po warunki środowiskowe. Już na etapie wytwarzania kompozytu konieczne jest zachowanie balansu między drukowalnością, właściwościami mechanicznymi a przewodnością. Natomiast przygotowanej już pasty nie można modyfikować w czasie procesu druku, gdyż w efekcie uzyskamy zupełnie inne parametry niż oczekiwane. Z tego też względu problemem jest skalowanie procesu – materiały przygotowywane pod kątem stanowisk laboratoryjnych inaczej zachowują się na maszynach przemysłowych, gdzie jednorazowy proces wymaga kilku kilogramów pasty, a nie kilkudziesięciu gramów.  

Dlatego właśnie wciąż najchętniej stosowaną techniką do wytwarzania elektroniki drukowanej jest sitodruk arkuszowy. Umożliwia on nanoszenie relatywnie grubych warstw, od kilku do nawet kilkudziesięciu mikrometrów. Jest to szczególnie istotne, gdy zależy nam na uzyskaniu możliwie niskiej rezystancji wzoru. Dodatkowo technika ta umożliwia stosowanie past o wysokiej lepkości, a więc możliwe jest przygotowanie kompozytu o wysokiej zawartości przewodzącej fazy funkcjonalnej. Najmniejsze struktury w tej technologii mają zazwyczaj ok. 100 µm, jednak na poziomie laboratoryjnym możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości nawet około 30 µm. Co ważne, skalowanie tej technologii jest relatywnie łatwe, gdyż nie ma potrzeby zmiany parametrów reologicznych past przy przejściu na urządzenia przemysłowe. [1] 

Oprócz sitodruku rozwijane są również takie techniki jak fleksografia czy rotograwiura. Fleksografia umożliwia nanoszenie cieńszych warstw materiału przy wysokich prędkościach produkcji i relatywnie niskim koszcie przygotowania form drukowych. Rozdzielczość jest zazwyczaj nieco lepsza niż w sitodruku, natomiast grubość pojedynczej warstwy może wynosić nawet poniżej 1 µm. Rotograwiura pozwala na uzyskanie podobnej grubości warstw przewodzących przy wyższej rozdzielczości, a także większej powtarzalności procesu. Ograniczeniem jednak są wyższe koszty przygotowania cylindrów drukowych. W obu wypadkach kluczowe jest odpowiednie przygotowanie farb przewodzących, które muszą być znacznie rzadsze od past sitodrukowych. Z tego powodu skalowanie jest znacznie trudniejsze, szczególnie że jednorazowy test na maszynie wielkoformatowej wymaga kilku kilogramów pasty, często zawierającej nawet 70% srebra. Należy tu jednak wspomnieć, że pojawiają się już na rynku urządzenia takich firm, jak NSM Schäfli, które takie skalowanie ułatwiają przez dostarczanie urządzeń do druku pilotażowego, doskonale imitujących druk elektroniki na większą skalę. [5]    

 Fot. Struktury NFC drukowane w technice fleksografii 

Konieczne jest również wspomnienie o bezkontaktowym druku – w przypadku elektroniki drukowanej wykorzystywany jest druk atramentowy (inkjet printing) oraz aerozolowy (aerosol jet printing). Obie technologie są dotąd wykorzystywane głównie w skali laboratoryjnej, natomiast ze względu na wysoką rozdzielczość (nawet około 20 µm dla inkjet oraz około 10 µm dla aerosol jet printing) oraz możliwość nanoszenia bardzo cienkich warstw, często o grubości poniżej jednego mikrometra, można zauważyć ich dynamiczny rozwój w odniesieniu do wytwarzania struktur do zastosowań medycznych. [6] 

Ostateczny wybór techniki druku zależy więc nie tylko od wymaganej rozdzielczości czy grubości warstwy, ale także od właściwości stosowanego kompozytu oraz możliwości skalowania procesu do warunków przemysłowych.  

Podsumowanie 

Rozwój elektroniki drukowanej odbywa się dziś na styku elektroniki, mechaniki, technologii materiałowych oraz znanych z poligrafii technik druku. Same procesy nanoszenia warstw są zazwyczaj doskonale znane z przemysłu drukarskiego, jednak kluczowym wyzwaniem okazuje się zazwyczaj przygotowanie kompozytów przewodzących o odpowiednich właściwościach elektrycznych, mechanicznych i reologicznych, a także dostosowanie ich do procesów utwardzania warstw kompatybilnych z techniką nanoszenia. Równie istotne co optymalizacja materiałów i procesu, jest ich skalowanie do stabilnej produkcji przemysłowej.  

Jednocześnie nie można zapominać, że rozwój elektroniki drukowanej, a szczególnie elektroniki jednorazowego użytku, powiązany jest z wymaganiami środowiskowymi. W zastosowaniach takich jak inteligentne opakowania czy jednorazowe czujniki do zastosowań medycznych szczególnie istotne jest projektowanie układów z uwzględnieniem całego cyklu życia produktu. Oznacza to konieczność poszukiwania materiałów o ograniczonym wpływie na środowisko przy możliwie niewielkim pogorszeniu parametrów użytkowych. W tym kontekście, rozwój nowych kompozytów przewodzących oraz technologii ich przetwarzania pozostaje jednym z kluczowych kierunków badań i wdrożeń przemysłowych.