Resistances changes in printed conductive lines due to elongation during thermoforming

Abstract

In-Mold and structural electronics are an emerging field combining the processes of printed electronics thermoforming and injection-molding to create three dimensional parts. However, there is a lack of research when it comes to the behavior of printed circuits during and due to the thermoforming process. The research regarding the behavior of conductive inks undergoing deformation is so far focused on stretchable electronics, while research done with thermoforming of polymer films does not include printed circuits and their potential effect.

In this thesis, the resistance changes in printed conductive lines due to the thermoforming process was investigated. Four different kinds of samples were prepared consisting of two different conductive inks formulated for thermoforming processes and two different widths for the printed conductive lines (0.3 mm and 0.6 mm). The measurements were done by elongating with a custom machine attempting to simulate thermoforming. The samples were characterized before and after elongation, and during the elongation process using multiple different measurement methods.

Based on the measurements it was discovered that the formulation of the ink was one of the most important factors when it comes to how the printed conductors behave. It was also discovered that, for the inks used in the thesis, the heating process caused a decrease in resistance at low elongations.

During the course of the research, several potential improvements for the measurements were identified, and the results should establish a starting point for future research.

In-Mold ja rakenteellinen elektroniikka on aihealue, jonka suosio on nousussa. Se yhdistää printatun elektroniikan lämpömuovauksen ja ruiskuvalun kanssa luodakseen kolmiulotteisia osia. Printattujen piirien käytöstä lämpömuovauksen aikana ja sen takia on kuitenkin tutkittu hyvin vähän. Tutkimus deformaation aiheuttamiin muutoksiin printatuissa piireissä on tähän mennessä keskittynyt venyvään elektroniikkaan, kun taas muovikalvojen lämpömuovaukseen keskittynyt tutkimus ei sisällä printattuja piirejä ja niiden mahdollista vaikutusta.

Tässä työssä tutkittiin lämpömuovauksesta johtuvia resistanssi muutoksia printatuissa johtimissa. Neljä erilaista näytettä valmistettiin, joissa käytettiin kahta erilaista johtavaa mustetta ja johtimen leveyttä (0.3 mm ja 0.6 mm). Mittauksissa käytettiin näytteiden vetämiseen mittatilaustyönä tehtyä laitetta, jolla oli tarkoitus simuloida lämpömuovausprosessia. Näytteitä karakterisoitiin ennen ja jälkeen venytyksen, sekä sen aikana käyttäen useita eri mittausmenetelmiä.

Mittausten perusteella todettiin, että johtavien musteiden koostumuksella oli suurin vaikutus printattujen johtimien käytökseen. Huomattiin myös, että työssä käytettyjen musteiden osalta näytteen lämmitys aiheutti resistanssin laskun pienillä venymillä. Tutkielman teon aikana tunnistettiin useita potentiaalisia parannuksia mittauksiin, ja saadut tulokset luovat pohjan mahdolliselle tulevalle tutkimukselle.