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NUOVE TECNOLOGIE E MATERIALI PER DISPOSITIVI INTELLIGENTI PORTATILI

25/07/2019
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Elettronica stampata, dispositivi intelligenti indossabili e adesivi per la pelle.

Luciano Mantovani, Segretario CEI SC 309A

Gabriele Sala, Membro CEI SC 309A

L’elettronica stampata (Printed Electronics – PE) è una tecnica destinata a rivoluzionare l’industria elettronica tradizionale. Essa infatti è basata su un processo innovativo che permette la produzione di dispositivi utilizzando un processo addizionale, mettendo cioè materiali funzionali su materiali di base di varia natura in alternativa al solito supporto in silicio.

La PE rappresenta indubbiamente un promettente percorso alternativo per realizzare prodotti in una condizione ambientale sicura e, senza tralasciare affidabilità e prestazioni, permette la produzione di dispositivi elettronici con costi inferiori rispetto all’elettronica convenzionale, trovando applicazione nel campo del consumer, delle telecomunicazioni, dell’automotive, della sensoristica e medicale.

Regole e normative per la PE

La Printed Electronics offre quindi molti benefici e, oltre ai costi contenuti, la possibilità di stampare con diverse tecniche e con forme insolite su supporti che vanno dalla plastica alla carta e ai tessuti.

Questi processi presentano un minor numero di passaggi di fabbricazione, eliminando la necessità di incisioni chimiche o di altra natura utilizzate nei processi sottrattivi; l’impatto ambientale è ridotto e vengono accorciati i tempi per la preparazione della documentazione.

Con il diffondersi di questa tecnologia gli Enti Normatori (IEC, IPC1 e JPCA2) hanno costituito i relativi Comitati e Gruppi di Lavoro per operare su progetti e documenti alla base di una standardizzazione condivisa; in particolare IEC, nel 2011, ha costituito il Comitato Tecnico TC 119, affidandone la Segreteria alla Corea, Paese tra i principali promotori di questa innovazione. In contemporanea, IPC e JPCA hanno pubblicato il primo standard operativo per l’industria PE IPC/JPCA 4921 “Requirements for printed electronics – Base materials (Substrates)” che ha definito i termini usati e stabilito i requisiti di base per cinque categorie di materiali di substrati utilizzati oggi in PE: ceramica, organici, metallo, vetro, tessuti e altri.

La disponibilità di questo standard fornisce un linguaggio comune per i progettisti, fornitori di materiali e produttori di attrezzature e di apparati.

Nel luglio 2012, IPC ha pubblicato la norma IPC/JPCA- 4591 “Requirements for printed electronics functional conductive materials”, in cui si impostano i criteri operativi per una vasta gamma di materiali conduttivi stampabili su substrati; questa seconda norma integra la precedente IPC/ JPCA-4921 e insieme formano la base normativa per questo innovativo settore. Nel giugno del 2013 IPC/JPCA hanno pubblicato il nuovo documento IPC/JPCA-2291 “Design Guidelines for Printed Electronics”, mentre il TC 119 IEC, con la regia del Korean National Committee, nel luglio 2013, ha elaborato un documento dal titolo “Standardization roadmap for printed electronics”.

Dalla ricerca al design industriale e ai prodotti commerciali

Questa nuova tecnologia si sta diffondendo in tutti i settori. In molti persiste ancora una fase di ricerca o di sviluppo, tuttavia sempre più prodotti vengono implementati grazie alla PE, in particolare nei settori automotive, elettronica di consumo e farmaceutica, nonché nella confezione di etichette a supporto della tracciabilità delle merci.

Attualmente l’industria dell’elettronica stampata copre cinque aree principali:

  • illuminazione, compresi prodotti OLED ed EL (elettroluminescenza);
  • organico PV (fotovoltaico organico);
  • display flessibili;
  • elettronica e componenti tra cui RFID, memorie, batterie ed altri;
  • ISS (sistemi intelligenti integrati) che includono sensori come MEMS (Micro Electromechanical System) e Wearable Smart Device (dispositivi intelligenti indossabili).

Il Comitato 119, essendo un Comitato di tipo trasversale, interagisce per i settori di sua competenza con gli specifici Comitati IEC di prodotto che trattano i cinque settori sopra menzionati, in Italia le attività relative al lavoro di normalizzazione sono di competenza del CEI SC 309A.

In Figura 1 è schematizzata la struttura organizzativa dell’IEC TC 119 con i suoi Gruppi di Lavoro (WG).

Figura 1 – Struttura organizzativa dell’IEC TC 119 “Printed Electronics” e dei suoi Gruppi di Lavoro

Wearable Smart Device – WSD

Tra le molte applicazioni della PE, una in particolare è al centro di molte attenzioni: viene chiamata “elettronica indossabile” e, come implica il suo nome, i dispositivi prodotti vengono applicati ad indumenti o a contatto diretto con il corpo umano, come ad esempio occhiali, orologi o bracciali.

Ne consegue che, a causa della conformazione del corpo umano, questa nuova tecnologia richiede una varietà di caratteristiche e di funzionalità nuove e uniche, spesso non necessarie alle applicazioni più tradizionali, essa si evolve rapidamente e non esistono ancora metodi consolidati per una sua ponderata valutazione.

I WSD sono dispositivi intelligenti portatili che fanno parte di applicazioni elettroniche di nuova concezione, dotati di flessibilità, resistenza, elasticità e biocompatibilità, hanno come principale funzione l’acquisizione di dati vitali o movimenti del corpo umano per trasferirli, in autonomia, ad altri sistemi o reti, per analisi e valutazioni di tipo medico o statistico, è quindi ovvio che l’industria stia sviluppando nuovi materiali e nuovi processi di produzione per un mercato ricco di potenzialità.

Come già accennato, in commercio esistono già bracciali, auricolari, orologi e tessuti, ragion per cui secondo il TC 119, visti gli innumerevoli vantaggi di prestazioni che questa tecnologia può portare, è indispensabile una urgente attività di standardizzazione combinata per materiali, processi, attrezzature e componenti, considerando, necessariamente, caratteristiche quali la riduzione di peso, il risparmio energetico, i display ad alta definizione, il design sostenibile (confezionamento incluso), la performance e la sicurezza dei prodotti.

I requisiti WSD sono impegnativi: miniaturizzazione, spessore ridotto, alto grado di prestazioni, adattabilità alle superfici cutanee umane e biocompatibilità, sono tra i problemi più significativi da affrontare; inoltre le nuove tecnologie 3D, i materiali per grandi deformazioni, i circuiti elettronici estensibili richiedono processi di produzione particolari per la loro realizzazione.

Questo è un campo della PE molto promettente, e la relativa normazione dovrà tenere conto di tutte quelle applicazioni esistenti, già di competenza dei TC dell’IEC o delle molte altre organizzazioni del settore normativo, che prevedono apparecchiature indossabili o a contatto con il corpo umano con requisiti di sicurezza e criteri di prestazione.

Vediamo quindi quali sono gli elementi tecnici fondamentali ed i corrispondenti Technical Committee che si occupano della standardizzazione esistente:

a. Dimensioni contenute e leggerezza

I dispositivi compatti e leggeri sono classificati nelle seguenti aree:

  • componenti discreti di competenza dei TC 40, TC 47 e TC 51 di IEC;
  • imballaggio elettronico 3D e ad alta densità sono argomenti trattati da IEC/TC 91, IPC, JPCA e SEMI3;
  • sistemi compatti di competenza del TC 100 di IEC.

b. Consumo di energia

Le tecnologie di alimentazione dei piccoli dispositivi elettronici sono suddivise in due settori:

  • batterie piccole e sottili;
  • alimentazione e ricarica non a contatto (interfacce wireless).

La standardizzazione delle batterie è coperta da IEC/ TC 21 e da WPC (Wireless Power Consortium).

c. Display flessibili ad alta definizione

Quando i display vengono utilizzati per i WSD sono necessarie:

  • alta risoluzione;
  • possibilità di stare vicino all’occhio;
  • display flessibile.

La standardizzazione per i dispositivi di visualizzazione è gestita da IEC/TC 100.

d. Progettazione 3D

Per ottenere una flessibilità adeguata, sono necessarie le seguenti specifiche:

  • elevata possibilità di flessione;
  • stampaggio e cablaggio 3D;
  • capacità di deformazione;
  • spessore ultra sottile.

La standardizzazione dei circuiti stampati flessibili è seguita da IEC/TC 91, IPC e JPCA, mentre è ancora indeterminata riguardo la tecnologia MID (Molded Interconnect Device) che utilizza stampanti 3D per la formazione di circuiti elettronici e dispositivi di interconnessione.

La standardizzazione degli adesivi è coperta da ISO/TC61/ SC11/WG5 (adesivi polimerici), tuttavia la tecnologia per le patch contenenti dispositivi elettronici a contatto della pelle umana non è inclusa

e. Conformità ambientale

Esistono numerose attività di normazione per la conformità ambientale:

  • la compatibilità elettromagnetica (EMC) è argomento di competenza di IEC/TC 77;
  • la resistenza meteo, intesa come resistenza agli agenti atmosferici delle parti stampate, è trattata da ISO/ TC42 WG5;
  • la resistenza all’acqua e le proprietà impermeabili sono coperte da IEC/TC 70;
  • la resistenza dei tessuti al fluido corporeo (sudore, sangue, ecc.) è seguita da ISO/TC 38;
  • inquinamento ambientale,  3R  (Riduzione,  Riu tilizzo e Riciclo),  LCA  (Life  Cycle  Assessment)  sono argomenti trattati da IEC/TC 111.

In tutte queste attività di normazione, laddove non vengano utilizzate applicazioni elettroniche convenzionali, si deve creare un coordinamento efficace ed attento.

f. Sicurezza

La sicurezza per WSD è necessaria da diversi punti di vista:

  • sicurezza elettrica;
  • esposizione alle onde elettromagnetiche, SAR (frequenza di assorbimento specifico);
  • elettricità statica;
  • esposizione alla luce ottica e ultravioletta;
  • sicurezza biologia della pelle;
  • sicurezza in genere.

La sicurezza dell’esposizione elettrica, ottica e ultravioletta è un requisito comune per dispositivi elettronici in generale. Questi parametri sono coperti da IEC/TC 106 e CISPR4 mentre l’elettricità statica è argomento dell’IEC/TC 101.

La sicurezza biologica della pelle e la sicurezza in generale sono soggette agli standard già applicati in campo medico, mentre dal punto di vista elettrico ci sono competenze di IEC/TC 62, ISO/TC 194, ISO/TC 210 e IEC/TC 106, anche se le norme esistenti non sempre ricoprono tutte le specificità delle tecnologie WSD

Skin Patch

Tra le applicazioni più interessanti ci sono le Skin Patch elettroniche che, collegate solitamente al cor- po con un adesivo, sono i dispositivi elettronici indossabili per eccellenza: dispongono di componenti elettronici, inclusi sensori e attuatori con elaborazione appropriata, immagazzinamento di energia e comunicazioni. Assieme all’abbigliamento intelligente e ai dispositivi impiantabili, rappresentano uno dei mezzi più diretti per monitorare l’utente con le più moderne tecnologie.

L’ultimo report di ricerche di mercato di IDTechEx Research Electronic Skin Patches (con una copertura in 26 aree di applicazione, oltre 85 società pro- duttrici, 95 diversi “case study”), offre il panorama più completo per questa area di prodotti emergenti e rivela, per i cerotti elettronici (skin patch), una previsione di entrate annue di oltre 10 miliardi di dollari entro il 2023 e circa 15 miliardi di dollari entro il 2028 (Figura 2). Il caso delle patch per la pelle deve essere visto anche in relazione alle capacità di altri dispositivi indossabili, dopotutto, perché utilizzare un adesivo potenzialmente scomodo nell’applicazione quando una cinghia o un fermaglio sugli abiti potrebbe essere più pratico?


Figura 2 – Evoluzione negli anni del mercato delle Skin Patches

In primo luogo, le skin patch offrono una scelta molto più ampia in termini di posizionamento del dispositivo e ciòè particolarmente rilevante quando il sensore richiede una posizione vicina ad una certa parte del corpo, ad esempio, nella parte superiore del torace per rilevare i battiti cardiaci o intorno alla testa per monitorare le concussioni celebrali.

In secondo luogo, una patch consente un mezzo più coerente e meno invasivo per il contatto tra il dispositivo e il corpo offrendo una valida interfaccia elettrica per le letture dei parametri ricercati; vantaggi  particolarmente rilevanti nei due maggiori settori applicativi: monitoraggio cardiovascolare e gestione del diabete.

Consentono diversi livelli di monitoraggio ambulatoriale ed evitano ai pazienti a rischio i pericoli associati alla permanenza in regime di degenza, fornendo una maggiore qualità dei dati che possono essere raggiunti da altri dispositivi come ad esempio uno smart-watch.

Nel monitoraggio cardiovascolare, i dispositivi di telemetria cardiaca (MCT) possono essere utilizzati contemporaneamente all’ECR dinamico Holter e nella gestione del diabete, la ricerca dell’auto-monitoraggio continuo del glucosio nel sangue attraverso strisce reattive, applicate al corpo umano, sta guidando un movimento di innovazione particolarmente importante.

Conclusioni

Secondo l’International Data Corporation – IDC (primaria società di ricerche di mercato in ambito IT e innovazione digitale.) i dispositivi indossabili, con funzionalità elettroniche, più popolari sono i braccialetti, gli orologi o gli occhiali che, in base alle attuali nuove tendenze, si prevede diventeranno più completi e multifunzionali con l’integrazione delle skin patch, spaziando dalla salute al fitness e alla comunicazione di una varietà di dati ancora impensabili, e la loro produzione raddoppierà entro il 2021, in quanto il loro tasso di crescita annuale è valutato nell’ordine del 18,4%.

I nuovi dispositivi indossabili non sostituiranno necessariamente i “wearable” di oggi, ma potranno affiancarsi ai prodotti di normale utilizzo, ad esempio gli apparecchi acustici tradizionali vedranno la nascita di “smart eawer”, o cuffie wireless, che includeranno, oltre all’aumento della capacità uditive, il monitoraggio delle attività fisiche, della salute o delle prestazioni atletiche nel caso di applicazioni nel mondo dello sport.

Infine va considerato che l’ingresso in questo mercato dei marchi leader, dall’high-tech all’abbigliamento, insieme all’esclusività della loro clientela e rete di distribuzione, contribuirà a guidare la crescita di questi prodotti anche se continuerà ad esistere l’educazione più conservatrice dei consumatori circa la loro utilità, ovviamente fintanto che i costi non saranno alla portata di tutti.


1 IPC = Association Connecting Electronics Industries.

2 JPCA = Japan Electronics Packaging and Circuits Association.

3 Abbreviazione di SEMI Conductors, o SEMI Foundation, è un’associazione americana di industrial standard che oltre alla compilazione di norme si occupa anche dell’insegnamento.

4 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, fondato nel 1934 studia le interferenze elettromagnetiche.

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