Laminados flexíveis com malha metálica dão origem a telas sensíveis ao toque
Modernos dispositivos domésticos e para comunicação, ou mesmo aplicações automotivas, cada vez mais são controlados por meio de telas capacitivas sensíveis ao toque ou superfícies de comutação sensíveis ao contato. Um novo conceito, usando filmes de plástico transparentes e com alta condutividade elétrica, está permitindo o surgimento de numerosos produtos inteligentes.
Katrin Riethus e Henning Rost
Data: 20/08/2016
Edição: PI Agosto 2016 - Ano 18 - No 216
Compartilhe:Substratos transparentes eletricamente e condutores são a base para diversos produtos como, por exemplo, telas usadas no interior dos automóveis ou ainda telas sensíveis ao contato. Neste caso são frequentemente usados vidros revestidos, como também filmes plásticos com revestimentos especiais. Portanto, esses filmes precisam apresentar alta transparência óptica dentro do espectro visível, bem como um nível de condutividade elétrica o mais alto possível. Também se deseja que esses filmes sejam flexíveis e mecanicamente robustos, apesar de incorporarem revestimento. Filmes revestidos com óxido de índio dopado com estanho (Indium-Tin-Oxide, ITO) são empregados atualmente nas aplicações descritas acima, embora elas sabidamente imponham desafios técnicos. Esses filmes são revestidos sob vácuo com o óxido de índio dopado com estanho e, em seguida, laboriosamente estruturados usando pro,turados usando prodisponíveiscessos de ataque químico. Além disso, filmes com esse tipo de revestimento apresentam baixa estabilidade mecânica em razão da fragilidade do óxido de índio dopado com estanho, restringindo a sua aplicação em superfícies amplas ou dobradas.
Filmes flexíveis, disponíveistransparentes e com alta condutividade elétrica em bobinas (fotos fornecidas pela PolyIC)
Um ponto adicional a ser considerado, e que não pode ser desprezado, é o fato de as reservas de índio atualmente conhecidas (70% delas localizadas na Ásia) serem suficientes para apenas algumas poucas décadas de consumo, considerando que o nível atual de produção se mantenha constante (1). O índio é obtido quase exclusivamente como um subproduto da produção de chumbo ou zinco. Por outro lado, já é possível prever que determinadas tecnologias provocarão forte crescimento da demanda por índio no futuro.
Já ficou claro que essas necessidades requererão o desenvolvimento massivo de dispendiosos processos de reciclagem ou a busca por alternativas atraentes que não usem o índio.
Tais alternativas já se encontram disponíveis no mercado. A PolyIC GmbH & Co. KG, de Fürth, Alemanha, oferece filmes plásticos flexíveis, transparentes e com alta condutividade elétrica, sob a marca comercial PolyTC, os quais são produzidos por meio de um eficiente processo rolo a rolo. Originalmente esses filmes foram desenvolvidos como material-base para uso na plataforma de tecnologia de eletrônica impressa. Sobre esses filmes podem ser aplicados eletrodos, trilhas condutoras e elementos condutores, e com alta resolução. Desde então esses filmes encontraram aplicação em, por exemplo, etiquetas impressas para identificação por radiofrequência (RFID) (2) , equipamentos fotovoltaicos orgânicos, objetos inteligentes (smart objects)(3) e dispositivos de memória. Estes filmes ainda podem ser usados de forma muito adequada em campos de aplicação totalmente diferentes, como em dispositivos de controle no interior de automóveis, telas, elementos para aquecimento finos e transparentes(4). Uma vantagem particular neste caso é o fato da flexibilidade desse tipo de filme permitir seu uso também em produtos com superfícies amplas e flexionadas.
Fig.1 – Sensores sensíveis a múltiplos contatos à base de filme plástico com alta condutividade elétrica
O processo de fabricação rolo a rolo dos filmes PolyTC permite a confecção de estruturas com alta resolução óptica na forma de uma malha (ou grade) de metal, a qual é introduzida no filme de poliéster (PET) (5). O tamanho da estrutura da malha mal é distinguido a olho nu. A transparência óptica e a condutividade elétrica podem ser controladas de acordo com os requisitos específicos da aplicação, por meio do grau de cobertura do material eletricamente condutor. Para tanto, camadas ultrafinas de metal são introduzidas num layout individual ao longo de todo o comprimento e largura do substrato. Naturalmente, conforme o desejo do cliente, o padrão produzido também pode ser visível.
Substrato de plástico como camada-base
A grande vantagem dos substratos de plástico em comparação com a base de vidro está no fato de que os filmes de plástico, além de sua transparência, alta flexibilidade e robustez mecânica, também podem ser bobinados e, consequentemente, utilizados em processos de impressão rolo a rolo. Os filmes de PET aqui mencionados, com espessura da ordem de 50 mícrons, são muito flexíveis e apresentam superfície muito lisa, alta transparência, possibilidade de serem impressos e também se encontram disponíveis em versões resistentes ao calor, as quais, consequentemente, apresentam baixa contração.
Fig. 2 – Vistas lateral e superior de uma tela capacitiva sensível ao contato (emissor e receptor em cada lado do filme). À esquerda: perturbação das linhas de campo causadas por um dedo próximo; à direita, design especial em forma de tabuleiro de gamão
Sensores feitos com filmes contendo malhas metálicas
A malha metálica usada na tecnologia PolyTC é constituída de prata ou cobre. Por esse motivo, ela apresenta alta condutividade elétrica natural, ou seja, sua resistência é essencialmente menor do que a observada no óxido de índio dopado com estanho. Isso possibilita sua utilização em dispositivos eletrônicos complexos, garantindo a transmissão de sinais com baixa perda. Além disso, esses metais nobres apresentam uma série de vantagens em razão de sua estabilidade química, tais como alta resistência contra diversos agentes químicos, umidade e também a influência do calor. Por conta desse espectro global de propriedades, também se pode sugerir o uso dos filmes de PolyTC em diversos elementos de sensores (telas capacitivas sensíveis ao toque e sensores de teclas ou teclas sensíveis ao toque) como alternativa aos filmes revestidos com o óxido de índio dopado com estanho (figura 1).
Uma tela capacitiva sensível ao toque contém um arranjo especial de sensores isolados. Neste caso há uma camada condutora entre duas estruturas, ambas na forma de um padrão condutor (principalmente tiras ou losangos finos). As estruturas são mantidas eletricamente isoladas uma da outra de forma que, em última análise, se tem um condensador. A primeira estrutura do condensador serve como receptor, enquanto o outro plano assume a tarefa do emissor.
Fig. 3 –Telefone celular inteligente com sensor feito à base deplásticos com alta condutividade elétrica filmes
Por meio da alteração da capacidade elétrica, na forma de uma perturbação das linhas de campo do condensador – por exemplo, causada pela aproximação de um dedo humano –, pode-se determinar as coordenadas do correspondente ponto de contato que interagem com um controlador conectado externamente, como ocorre ao se utilizar um celular inteligente ou um tablet. Portanto, surge a possibilidade de que ambas as estruturas se encontrem sobre um plano, ou seja, sobre o substrato de plástico. Além disso, a estrutura eletricamente condutora pode se localizar sobre as faces frontal e posterior do substrato de plástico. Dessa forma se torna possível o reconhecimento de gestos como, por exemplo, o deslizamento de um dedo sobre a superfície e o contato simultâneo com múltiplos dedos (multi-contato).
Conforme já foi mencionado, a malha de metal do PolyTC apresenta resistividade superficial significativamente baixa em comparação com os materiais convencionalmente usados nos sensores. Ou seja, a condutividade nos condutores é essencialmente maior do que ocorre nos sensores feitos com óxido de índio dopado com estanho.
Esse fato permite criar características de produto totalmente novas. Essa condutividade elétrica substancialmente maior permite que cada campo isolado do sensor (ou seja, a menor unidade, ou mesmo célula única) corresponda a um sensor capacitivo de toque que apresenta um tempo de carregamento “T” muito curto. Esse parâmetro pode ser calculado por intermédio da fórmula
Fig. 4 – Demonstração de um console central automotivo, o qual incorpora um painel de controle flexionado com sensores sensíveis ao contato construído com um novo tipo de filmes de plástico com alta condutividade elétrica
onde “R” é a resistência e “C” a capacitância. Enquanto o tempo de carregamento T relativo aos sensores feitos com óxido de índio dopado com estanho é da ordem de milissegundos, no caso do PolyTC, em razão de sua menor resistividade elétrica, os tempos de carregamento situamse na faixa dos microssegundos. Isso possui um efeito considerável sobre a taxa de varredura, a qual é determinada pelo carregamento e descarregamento das células únicas isoladas usadas num sensor sensível ao toque. A alta condutividade influencia de forma positiva a velocidade de leitura do sensor, bem como a relação entre sinal e ruído e, dessa forma, a qualidade da leitura dos sinais.
Agora, a princípio, é possível o emprego das trilhas condutoras de metal também em sensores maiores do que 7 polegadas, o que dificilmente era possível nos sensores à base de óxido de índio dopado com estanho, devido à sua resistência elétrica significativamente mais alta – neste caso, a perda na condução elétrica ao longo das trilhas dispostas através da grande superfície era simplesmente alta demais.
No decorrer do aperfeiçoamento dos filmes PolyTC constatou-se o uso bem-sucedido de sensores capacitivos dispostos em uma única camada e com múltiplas funcionalidades sensíveis ao toque em controladores padronizados. Ou seja, coordenadas ‘x’ e ‘y’ relativas a múltiplos dedos podem ser simultaneamente geradas usando uma única malha metálica condutora (ver figura 1). Esse é um gesto de controle muito conhecido que é normalmente usado em celulares inteligentes e tablets (por exemplo, na expansão de fotos e deslizamentos sobre a tela) (figura 3). A maior vantagem é o fato dos sensores para telas capacitivassensíveis ao contato serem com-patíveis com quase todos os con-troles comumente usados.
Fig. 5 – O rótulo no interior do molde é introduzido na metade à direita do molde
Fig. 6 – O filme com decoração no molde, proveniente de uma bobina é preso na metade esquerda do molde e lá posicionado de forma precisa; a seguir é injetada resina fundida entre o rótulo e o filme decorado
Possibilidade de design
A flexibilidade mecânica dos filmes PolyTC apresenta diversas vantagens. Os filmes frequentemente usados até o momento, dotados do revestimento de óxido de índio dopado com estanho, somente podem ser integrados em superfícies planas, em razão de sua sensibilidade mecânica. A fragilidade desse tipo de revestimento faz com que ocorra a formação de microtrincas na camada condutora caso o filme seja dobrado e, dessa forma, surge uma forte elevação da resistência elétrica. Particularmente nas aplicações de tecnologia sensível ao toque na área automotiva, e ainda mais no caso específico do console central, são atualmente usadas interfaces transparentes com superfícies curvas e também tridimensionais, as quais, devido a essas características, oferecem possibilidades totalmente novas para o projetista do habitáculo do automóvel. Também os filmes com malha metálica, como o filme PolyTC, oferecem novas e interessantes possibilidades nessa área.
Após a fabricação por meio do processo rolo a rolo, os filmes com malha metálica encontramse inicialmente na forma de bobinas (foto no início deste artigo). A partir daí podem ser utilizados muitos e diferentes métodos para seu processamento posterior. Entre eles se encontram diversos processos de “laminação” (laminieren, ou seja, neste contexto, aplicação de camadas ou estratificação), como o convencional, por via úmida ou termolaminação, como também diversos processos de contra-injeção de filmes. Todos esses processos de integração possuem suas vantagens específicas, sendo o método escolhido definido pela utilização posterior desejada pelo cliente final.
O assim chamado processo convencional de laminação é um método bastante disseminado e eficiente. Já se pode encontrar no mercado máquinas que efetuam, da melhor maneira possível, esse processamento posterior dos filmes com malha metálica. Esta tecnologia é particularmente adequada para a laminação de formas planas e no caso de processos com alto volume de produção. Geralmente se usa um assim chamado adesivo seco. Por sua vez, a laminação por via úmida usa um adesivo fluido, cuja força plena de adesão somente é atingida após um processo especial de secagem. Dessa forma é possível aplicar os filmes com malha metálica eletricamente condutores sobre superfícies as mais diversas possíveis, por exemplo, sobre peças de plástico de tipos diferentes.
Fig. 7 – Onafilme decorativo agora encontra-se fixado permanentemente face frontal, enquanto o filme funcional se encontra posicionado na face posterior do componente
Na termolaminação a adesão ocorre por meio da aplicação de pressão e calor. Na verdade, esse procedimento, dependendo do contexto, possivelmente leva a uma adesão menor, mas esse método é muito econômico.
Isso também se aplica para a rotulagem no molde (in mold labeling, IML), em que o filme com malha metálica transparente e eletricamente condutor é contra-injetado com plástico fluido. Além da assim chamada moldagem 2,5, este processo também pode ser usado em associação com um processo precedente de estampagem profunda para produzir objetos realmente tridimensionais (3D) com filme eletricamente condutor integrado – o que abre possibilidades totalmente novas de design para aplicações.
A PolyIC e sua empresa controladora, a Leonhard Stiftung & Co KG, demonstraram ao vivo, pela primeira vez, as aplicações práticas desses processos em 2012, durante a feira técnica Fakuma(6). Com a colaboração de parceiros externos (fabricantes de ferramental e especialistas em rotulagem no molde) foi efetuada, ao vivo, a fabricação de um console central automotivo funcional. Este componente apresentava superfície decorada com alta qualidade e dispunha de funcionalidades sensíveis ao toque plenamente integradas, na forma de sensores, rodas e superfícies para deslizamento sensíveis ao toque. FJá no ano seguinte, na edição 2013 da feira K, foi apresentado um processo aperfeiçoado(7). Nessa ocasião todos os dispositivos de controle apresentaram considerável aumento de tamanho e continham muito mais funcionalidades. Além da maior quantidade de sensores, rodas e superfícies para deslizamento, também havia agora a assim chamada track-pad (área sensível ao toque) na superfície otimizada. Além disso, agora a superfície apresentava acentuado grau de curvamento (figura 4).
Fig.8 – O produto final é um componente de plástico com formato curvo, decorado e com alta qualidade estética; ele agora pode ser instalado na aplicação correspondente e conectado de forma simples com o sistema eletrônico externo
Todo o dispositivo de controle é fabricado numa única etapa de moldagem por injeção usando o clássico processo de decoração no molde (in mold decoration, IMD). O assim chamado rótulo no interior do molde é produzido a partir do filme funcional PolyTC e colocado na primeira metade do molde (figura 5, à direita). Na segunda metade do molde (à esquerda) é posicionado, de forma exata (figura 6), outro filme com o revestimento decorativo (filme para decoração no molde). O plástico fundido é injetado entre esses dois filmes. Dessa forma, a decoração do filme presa sobre a face frontal é transposta ao novo componente moldado. Simultaneamente, o rótulo com malha metálica é agregado, de forma inseparável, à face posterior do novo componente moldado (figura 7). Como resultado, a superfície visível do console de controle não mais é interrompida por elementos mecânicos para comutação, tais como botões ou interruptores. A superfície como um todo é ultra-lisa e apresenta qualidade óptica muito alta (figura 8). Naturalmente, o painel de controle pode, conforme o desejo do cliente, ter suas características de contato modificadas – por exemplo, por meio da introdução de depressões ou elevações.
Uma particularidade desse conceito está no fato de que as conexões elétricas até o controlador, chamado rabicho, podem ser opcionalmente integradas aos sensores. Ou seja, o layout dos sensores já pode incluir essas conexões, não precisando mais haver uma conexão externa. O processo de fabricação é mostrado nas figuras de 5 a 8.
Entrementes as características do produto foram melhoradas ainda mais, por meio de um intenso trabalho de desenvolvimento. A nova geração de filmes PolyTC apresenta melhores características ópticas, com valores mais altos de transparência (agora acima de 85%) e valores de embaçamento (parâmetro óptico especial que descreve o espalhamento de luz) menor do que 1,5% para os projetos típicos. A resolução básica da malha metálica pode ser reduzida dos atuais 10 para 8 mícrons, o que reduz ainda mais o nível indesejado de detectabilidade da malha.
Conclusões
Os filmes de plástico inovadores com função elétrica estão abrindo perspectivas surpreendentes no campo da tecnologia das telas sensíveis ao toque. As características melhoradas dos produtos transparentes e eletricamente condutores da assim chamada segunda geração dos filmes PolyTC, bem como novas tecnologias de transformação, estão dando origem a uma infinidade de produtos inteligentes. Portanto, pode-se aguardar que, no futuro, esses produtos enriquecerão a vida diária de muitos consumidores e revolucionarão muitas aplicações.