Desarrollo y escalado de dispositivos electroluminiscentes flexibles para su aplicación en el sector juguetero

‘Printed Electronics’ es un factor añadido a los juguetes, dispositivos que pueden contribuir a facilitar el diseño de artículos, reducir los desperdicios eléctricos y electrónicos y apoyar a los fabricantes con el cumplimento de la Directiva RoHS, la normativa europea EN 62115 de productos eléctricos (puesto que estos dispositivos requieren un voltaje menor) y la EN 71 de Seguridad del juguete, en términos genéricos.

El sector del juguete es un sector que se está viendo ampliamente afectado por la importación de productos provenientes de los países asiáticos. Sus diseños son aparentemente plagiados y las reglas de comercio existentes no aportan solución fehaciente a la adquisición de artículos que no cumplen la normativa de estandarización establecida. Consecuentemente, la competencia basada exclusivamente en la reducción de costes no es viable en el momento actual. La herramienta disponible actualmente por las empresas europeas para mantener su cuota de mercado es, invariablemente, el sustento de su competitividad mediante la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías que aporten valor añadido a los productos finales con aplicaciones para el sector juguetero. Esto puede conseguirse mediante la introducción de dispositivos ‘Printed Electronics’ en sus productos. Como factores añadidos, los dispositivos pueden contribuir a facilitar el diseño de artículos, reducir los desperdicios eléctricos y electrónicos y apoyar a los fabricantes con el cumplimento de la Directiva RoHS, la normativa europea EN 62115 de productos eléctricos (puesto que estos dispositivos requieren un voltaje menor) y la EN 71 de Seguridad del juguete, en términos genéricos.

La inserción de estos dispositivos de electrónica flexible en juguetes y artículos de puericultura o infantiles aportará mayor atractivo y dinamismo a los productos.

Es por ello, que el objetivo que se pretende obtener para el desarrollo y escalado de dispositivos electroluminiscentes flexibles para su aplicación en el sector juguetero es llevar a cabo investigación en electrónica impresa sobre sustratos plásticos flexibles, específicamente dispositivos electroluminiscentes (EL), conexiones y circuitos requeridos para su funcionamiento, para lograr la integración efectiva de los mismos en el sector juguetero, lo que permitirá la integración de funcionalidades electrónicas e interactivas en objetos y productos de una manera flexible y totalmente diferente a lo realizado hasta ahora.

La inserción de estos dispositivos de electrónica flexible en juguetes y artículos de puericultura o infantiles aportará mayor atractivo y dinamismo a los productos, potenciando su interacción con los usuarios e incrementando la afectividad del niño hacia el producto. Como ejemplo, estos dispositivos podrían requerir por parte del niño una acción (al iluminarse y en función del dibujo de la litografía), permitir la imitación de los roles adultos (encender un fuego de una cocina, iluminar una casa de juguete) entre muchas otras.

En términos económicos, los fabricantes podrán introducir en sus artículos dispositivos de alta tecnología mejorando su competitividad y sostenibilidad a medio plazo. Las industrias de las artes gráficas y electrónica involucradas en el proyecto se beneficiarán de los desarrollos del proyecto sobre sustratos flexibles abriendo nuevos sectores de aplicación frente a la electrónica convencional.

Como resultado se obtendrá uno o varios juguetes prototipos demostradores de la tecnología a partir de los cuales las pymes involucradas podrán establecer la base para su explotación futura innovando en aplicaciones para el sector juguetero y de la electrónica impresa ofreciendo al mercado un valor añadido que permitirá al sector juguetero español un apreciable incremento de competitividad a nivel internacional.

Las actividades realizadas se resumen a continuación:

En primer lugar se determinaron qué funcionalidades y características de los juguetes u otros artículos de uso infantil eran las más idóneas para la sustitución o introducción de la electrónica tradicional en las mismas por la tecnología de Printed Electronics, determinando las especificaciones concretas y los posibles prototipos a desarrollar en el proyecto. Para este fin, se han analizado las diferentes normativas y legislación vigente que afecta a los juguetes. En función de este primer estudio, se han definido las especificaciones de los dispositivos y finalmente se han propuesto varias partes de demostradores en juguetes para desarrollar a lo largo del proyecto escogidos debido a la imitación de roles y el dinamismo del propio demostrador.

En segundo lugar se han estudiado y desarrollado los dispositivos electroluminiscentes ‘EL’ y circuitos electrónicos sobre sustratos flexibles mediante técnicas de impresión, permitiendo el uso de equipamiento de bajo coste como la serigrafía, flexografía, huecograbado, offset, ink-jet entre otras.

Los dispositivos electroluminiscentes son lámparas electroluminiscentes que se basan en sistemas multicapas, es decir, en un conjunto de capas depositadas una sobre la otra en forma de sándwich. Cada capa tiene una función concreta a desarrollar y la estructura base de estos dispositivos es la indicada en la figura 1.

Cocina.

• Cocinas de juguete. Cuando se coloca la cazuela en la vitrocerámica, el dispositivo se conecta, además de ello, el incluir el dispositivo también en la pantalla del microondas-horno, simula su funcionamiento. Los dispositivos incluidos pueden adquirir los colores que mejor imiten a su uso convencional. Relación causa-efecto ayuda a la imitación de roles adultos.

'Ride-on' (con o sin batería).

• Coches de juguete (Faros, viseras); cuando el niño se sienta en la posición correcta se enciende el panel de mandos y cuando se desplaza se encienden los faros y/o intermitentes. Además de ello, incluir adhesivas electroluminiscentes como medio decorativo y como otras funciones (reflectante, luz…). Ayuda al niño a ver la relación causa-efecto y mejora la psicomotricidad.

A diferencia de otras tecnologías como el fluorescente por ejemplo, los dispositivos electroluminiscentes se pueden desarrollar sobre cualquier tipo de sustrato, tanto flexible como rígido. En el presente proyecto dicho desarrollo se realizará sobre sustratos flexibles poliméricos, material utilizado mayoritariamente en el sector juguetero.

El desarrollo de los sistemas electroluminiscentes se ha realizado mediante la técnica de impresión de Serigrafía. Está técnica se fundamenta en la deposición de pastas mediante una pantalla que se encuentra entelada con tejido de poliéster o hilos metálicos. En la figura 2 se muestra un ejemplo del proceso fundamental de esta técnica. Las pantallas que se utilizan para depositar el pattern de cada capa tienen un diseño concreto que proporciona la base del funcionamiento de los dispositivos electroluminiscentes.

Este proceso facilita la incorporación de la electrónica impresa ‘Printed Electronics’ en aquellos productos en los que el coste es un factor limitante. Por consiguiente, la incorporación del Printed Electronics nos permitirá incluir dispositivos y circuitos flexibles en un gran abanico de productos a un coste relativamente bajo y evitando la modificación y el cambio de la maquinaría en empresas que trabajan con técnicas de impresión

Es por ello, que para llevar a cabo tales desarrollos, previamente se han establecido las especificaciones de diseño que deben cumplir los dispositivos a desarrollar en el proyecto en base a los materiales plásticos utilizados en la fabricación de juguete y las especificaciones en seguridad, así como la forma geométrica, el color y la intensidad de iluminación. Además se ha definido y estudiado el escalado de los dispositivos y la electrónica de control desarrollado en laboratorio. Este desarrollo de un sistema de producción tiene como objetivo el llevar al mercado esta tecnología. Se pretende escalar la hibridación de componentes rígidos sobre sustrato flexible polimérico basado en la soldadura a baja temperatura y su posterior encapsulación. En concreto se ha trabajado en:

• El desarrollo de la electrónica de control de los dispositivos ‘EL’ con el objetivo de disminuir el tamaño de todo el sistema, sin perder luminosidad y eficiencia de dichos dispositivos.
• El desarrollo de circuitos impresos y la hibridación de éstos.
• El desarrollo de la electrónica de control y la encapsulación.

En estos momentos del proyecto se están evaluando los juguetes donde se integrarán los dispositivos desarrollados. Después serán ensayados todos sus componentes para validar su cumplimiento con la legislación de seguridad aplicable y para confirmar la consecución de la finalidad de interacción con el usuario final perseguida.

Durante 2014 se tiene previsto el comienzo del proceso de impresión en serie de los diferentes dispositivos a construir para el desarrollo del juguete mediante la técnica de serigrafía e ink-jet printing, y su posterior validación conforme a la legislación y directiva de seguridad del juguete.

Las actividades desarrolladas en el presente trabajo han sido posibles gracias a la financiación aportada por por el Ministerio de Economía y Competitividad dentro del programa Innpacto 2012. Este proyecto liderado por autoadhesivos Z y R SA y participado por Aiju, Cetemmsa y Semai, tiene una duración de 3 años.