Miniaturyzacja układów scalonych i postęp dokonujący się w elektronice drukowanej są źródłem postępu w wielu dziedzinach przemysłu, również w przemyśle opakowaniowym. Źródłem informacji o praktycznych zastosowaniach nowoczesnej techniki w produkcji opakowań są jednak przede wszystkim zachodnie media i portale internetowe. Tymczasem prace nad opakowaniami inteligentnymi i aktywnymi toczą się również w Polsce, o czym rozmawiam z prof. dr hab. inż. Małgorzatą Jakubowską, kierowniczką Wydziału Mechatroniki PW oraz mgr. inż. Grzegorzem Wróblewskim, pracownikiem tego Wydziału.
Spotykamy się na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, by rozmawiać o opakowaniach inteligentnych. Zajmujecie się tutaj problematyką elektroniki drukowanej, której potencjał dla opakowalnictwa jest udowodniony, choć ciągle jeszcze niezbyt doceniany.
Małgorzata Jakubowska: Elektronika drukowana i elastyczna znajduje wiele zastosowań, przede wszystkim w produkcji sensorów do badania otoczenia (wykorzystywanych także w opakowaniach), jak również biosensorów do zastosowań medycznych. Poza tym zgłębiamy technologię grafenu oraz druku kompozytów z nanorurek węglowych, które można wykorzystać m.in. do produkcji czujników siły, elektrod do EKG, elektrod transparentnych, bioczujników, kabli do przesyłania sygnałów elektrycznych, a nawet czujników stosowanych w ubraniach.
Grzegorz Wróblewski: Znajdują one praktyczne zastosowanie, np. jeden z pracowników naszego Zakładu wydrukował układ elektroniczny do wkładek do butów, który może monitorować siłę nacisku stopy i tym samym dostarczać ważnych informacji dla ortopedów badających wady postawy. Z kolei we współpracy z Polską Wytwórnią Papierów Wartościowych SA stworzyliśmy projekt zabezpieczeń dla dokumentów w postaci wyświetlaczy zintegrowanych w banknotach oraz kartach kredytowych, na których pojawiał się znak autentyczności.
M.J.: Za chwilę zyskamy dodatkowe narzędzia badawcze, bowiem jesteśmy w przededniu wprowadzenia się do Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT) przy ulicy Poleczki. Wkrótce powinno tam zacząć działać nowe laboratorium elektroniki drukowanej. Dotychczas bardzo trudno było nam symulować warunki panujące w przedsiębiorstwach produkujących np. opakowania. Teraz będzie to dużo prostsze dzięki instalacji urządzeń bliższych realnym warunkom, które umożliwią nam badanie naszych układów pod kątem niezawodności i odporności na czynniki zewnętrzne. Na razie poddajemy je głównie próbom mechanicznym: zginaniu, rozciąganiu itd.
G.W.: Staramy się też o urządzenia do hermetyzacji, czyli zabezpieczenia materiałów drukowanych przed niekorzystnym wpływem środowiska, np. wilgocią, za pomocą specjalnych powłok. Jest to szczególnie istotne w przypadku opakowań, bowiem większość dostępnych na rynku farb do druku elektroniki nie spełnia norm dla opakowań pod względem trwałości.
Choć informujemy o tym na łamach naszego miesięcznika od lat, dla uściślenia przypomnijmy, czym są opakowania inteligentne i opakowania aktywne? Mimo często zamiennego stosowania obu pojęć nie dotyczą bowiem dokładnie tego samego.
G.W.: Opakowania inteligentne to takie, które – przykładowo – sygnalizują stan produktu umieszczonego w opakowaniu oraz rejestrują warunki jego przechowywania i pozwalają na ich odczyt. Ponadto mają swój unikalny identyfikator oraz mogą się komunikować np. radiowo z otoczeniem. Opakowania aktywne zaś to takie, które powodują zmiany w zapakowanej żywności i wpływają na przedłużenie okresu trwałości.
Odnoszę wrażenie, że mimo dość częstej obecności tematyki inteligentnych i aktywnych opakowań w mediach, skala ich praktycznego wykorzystania jest nadal mocno ograniczona. Czy coś się w tym zakresie dzieje? Jak to wygląda w naszym kraju?
M.J.: Trochę się dzieje, choć pozostajemy głównie na etapie badań i rozwoju. W Polsce tą problematyką zajmuje się Instytut Badawczy Opakowań COBRO, jest również Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie, które moim zdaniem notuje znakomite osiągnięcia.
Także nasz Zakład na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej ma swój udział w badaniach, choć akurat opakowania nie stanowią głównego obszaru jego działalności, bowiem koncentrujemy się na projektowaniu czujników i wytwarzaniu elementów elektronicznych metodami drukarskimi. Jednym z ich praktycznych zastosowań mogą być właśnie opakowania inteligentne.
G.W.: Powiedzmy szczerze: nawet w krajach wysokorozwiniętych opakowania inteligentne i aktywne stanowią nadal ewenement, bo nie jestem w stanie przypomnieć sobie produktu, który byłby pakowany w nie na skalę masową. Dotyczy to także Japonii, dominującej pod względem rozwoju technologicznego, w której nie spotkałem się z takimi opakowaniami.
Z czego to wynika?
G.W.: Głównym powodem jest cena. I to nie elektroniki drukowanej, bo jej wytworzenie kosztuje tyle, co podłoże, na którym powstaje, tylko fizycznych układów scalonych niezbędnych do przekazywania informacji drogą radiową. Zastosowanie chipów zwiększa koszty nawet 5-krotnie, a nie możemy na razie zastąpić ich wersjami drukowanymi ze względu na rozdzielczość druku nieosiągalną w warunkach przemysłowych. Istnieją już wprawdzie praktyczne próby druku takich chipów do układów RFID (osiągnięcia na tym polu ma choćby IMEC), jednak twórcy nie mogą jeszcze zagwarantować ich niezawodności.
Dlatego z reguły wygląda to tak: drukujemy elementy elektroniczne i wmontowujemy w nie układy scalone z krzemu, które są wystarczająco małe i są w pełni operacyjne, ale niestety także kosztowne. A to jest zapora nie do pokonania w przypadku większości produktów wytwarzanych na masową skalę, zwłaszcza spożywczych. No chyba że mówimy o artykułach z najwyższej półki, takich jak wołowina Kobe albo japońskie tuńczyki, które osiągają niebotyczne ceny.
M.J.: Dlatego wydaje się, że najprędzej takie opakowania upowszechnią się nie w segmencie spożywczym, ale farmaceutycznym. Ich stosowanie uzasadniają nie tylko wysoka cena leków specjalistycznych, ale również kwestie bezpieczeństwa pacjenta; opakowania inteligentne mogą bowiem informować lekarzy, czy pacjent zażył lek we właściwym momencie i w odpowiedniej dawce. A przykładowo w transporcie krwi odnotują, czy tkanka była przechowywana w warunkach chłodniczych w całym łańcuchu dostaw. To samo dotyczy innych wartościowych produktów, które tracą swoje pożądane własności, jeśli są źle przechowywane.
Czy drukowana elektronika to jedyne rozwiązanie, które można stosować do produkcji opakowań inteligentnych albo aktywnych?
M.J.: Ma kilka zalet: jest relatywnie tania, do jej produkcji nie potrzebujemy specjalnych warunków produkcyjnych (tak jak w przypadku konwencjonalnej elektroniki) i można ją drukować w zasadzie tak samo jak gazety czy etykiety, w dodatku na takich samych podłożach papierowych lub foliowych. Nie musimy też zmieniać parku maszynowego; po odpowiednim przezbrojeniu konwencjonalne maszyny drukujące (sitodrukowe, cyfrowe albo fleksograficzne) można wykorzystać do produkcji prostych układów elektronicznych.
Tańszym rozwiązaniem, które może sprawdzić się w określonych warunkach, jest produkcja tzw. biernych elementów elektronicznych, które testowaliśmy także na Politechnice. W opakowaniach umieszczamy wówczas drukowany układ elektroniczny, który zmienia swoje własności pod wpływem narażenia, czyli niepożądanych zmian w otoczeniu. To rozwiązanie jednorazowe, które informuje odbiorcę z odpowiednim czytnikiem o wystąpieniu np. zbyt wysokiej temperatury w trakcie transportu. Nie wymaga ono źródeł zasilania, bowiem zapis zdarzenia odbywa się na drodze fizycznej, a odczytu dokonujemy stykowo. Pod względem kosztów takie rozwiązanie jest najatrakcyjniejsze, jednak wartość informacyjna jest ograniczona, bo wiedząc, że norma została przekroczona, nie mamy danych, kiedy to nastąpiło.
G.W.: Swoją istotą działania przypomina trochę metale, które w warunkach zbyt wysokiej temperatury trwale się odkształcają. Jak wspomniała pani profesor, nie wymagają żadnej aktywnej elektroniki ani źródeł zasilania. A ten drugi czynnik jest kluczowy w przypadku komercjalizacji opakowań inteligentnych, bowiem jego zastosowanie bardzo podraża koszt opakowania. Zasilanie jest niezbędne w przypadku wykorzystania mikroprocesora, który przetwarza dane, bo do tego celu potrzebuje on energii, a to oznacza konieczność dodania baterii.
To dlatego obecnie najczęściej stosuje się tzw. układy pasywne, czyli takie, które są zasilane tylko w momencie odczytu. Przykładem mogą być metody bezprzewodowej komunikacji między czytnikiem i etykietą, czyli RFID (Radio-Frequency Identification) oraz NFC (Near Field Communication).
Co jednak ciekawe, również metoda RFID – która jest na rynku najdłużej – oraz młodsza od niej NFC także nie są wdrażane w oczekiwanym tempie. Przyczyna jest znowu ta sama: wysoka cena. Kosztują nie tylko bramki czy ręczne skanery RFID (bo to droga, ale jednorazowa inwestycja), lecz przede wszystkim chipy RFID umieszczane na opakowaniach. Choć wydatek rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu eurocentów na pojedynczy chip wydaje się akceptowalny, to jego stosowanie w przypadku masowych produktów w nieznacznie wyższej cenie już niekoniecznie.
M.J.: Tak naprawdę stosowaniem technologii inteligentnych opakowań zainteresowani są głównie producenci. Nie zależy na nich ani dostawcom (bo mogłyby wyjść na jaw niedociągnięcia w transporcie), ani sklepom (to samo w przypadku magazynowania), ani nawet klientom, bo dla większości z nich bardziej liczy się niska cena niż gwarancja jakości.
Dziękuję za rozmowę.
Z Małgorzatą Jakubowską i Grzegorzem Wróblewskim rozmawiał TK
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
