Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drucken von hochleitfähigen Bahnen auf leitenden Substraten.

Bei einer Vielzahl von Verpackungen verschiedenster Gegenstände ist es erforderlich oder wünschenswert, dass der Zeitpunkt der Öffnung der Verpackung oder der Manipulation feststellbar ist. Dies ist beispielsweise bei der Entnahme von Medikamenten, medizinischen Instrumenten oder Hilfsmitteln und dergleichen von Bedeutung.

Insbesondere bei der regelmäßigen Einnahme von Medikamenten ist es wünschenswert, dass eine vor allem zeitliche Kontrolle der Entnahme des Medikaments erfolgt. Es sind bereits verschiedene Möglichkeiten der Kontrolle der Entnahme eines Medikaments aus seiner Verpackung bekannt, beispielsweise aus DE-A 197 13 915, DE-A 100 60 375 oder US 2003/0007421.

Am vorteilhaftesten wird die Kontrolle der Entnahmezeit eines Medikaments derzeit dadurch gelöst, dass auf der Verpackung an den entsprechenden Stellen Leiterbahnen aufgebracht sind, die eine Kontaktinformation (beispielsweise das Durchdrücken oder Öffnen der Verpackung) an einen entweder direkt auf der Verpackung befindlichen oder einen externen Kleinrechner oder eine logische Schaltung weitergeben.

Verpackungen von Medikamenten aller Dosierungsformen, wie Tabletten, Filmtabletten, Dragees, Suppositorien, Infusionsbeutel, Sirup, Gel, Pasten und dergleichen werden meist aus Folien, beispielsweise elektrisch leitfähigen Kunststofffolien, metallisierten Kunststofffolien, weichen oder harten Aluminiumfolien oder Verbunden mit Aluminiumfolien oder Kunststofffolien hergestellt, insbesondere die Siegelschichten werden meist aus derartigen Materialien hergestellt. Da diese Folien oder Verbünde selbst bereits leitfähig sind, muss die darauf aufgebrachte leitfähige Bahn bzw. Struktur (Schaltkreise) einerseits eine entsprechende Isolation zum leitfähigen Substrat aufweisen und andererseits einen definierten Widerstand aufweisen um eine entsprechende Übertragung der Kontaktinformation zum Kleinrechner oder einer logischen Schaltung zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drucken von hochleitfähigen Bahnen und Strukturen auf leitfähigen Substraten bereitzustellen, wobei die gedruckten Schichten sowohl eine ausreichende Isolation zum leitfähigen Substrat als auch eine ausreichende Leitfähigkeit zur Übermittlung von Informationen an einen Kleinrechner oder eine logische Schaltung aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Drucken von hochleitfähigen Schichten auf leitfähige Substrate, dadurch gekennzeichnet, dass zum Drucken der hochleitfähigen Schichten ein Tiefdruck-Zylinder verwendet wird, der mit einem überhöhten G-Ratio belichtet wurde und als Druckfarben elektrisch leitfähige Druckfarben mit leitfähigen Pigmenten, deren Größe auf die Struktur des Druckzylinders abgestimmt ist, verwendet werden.

Durch die Einstellung eines erhöhten G-Ratio wird die Geometrie der Rasterpunktform beeinflusst. Insbesondere werden Näpfchenvolumen, Rasterpunktfläche und Stegbreite beeinflusst und angepasst. Unter erhöhtem G-Ratio wird hier ein G- Ratio größer 65% verstanden.

Der verwendete Tiefdruckzylinder wird mit einem erhöhten G-Ratio belichtet. Dieser übersteigerte G- Ratio erzeugt einen sehr dünnen Steg, wodurch die Näpfchen in der Größe der Oberfläche vergrößert werden. (In Fig. 1 ist eine derartige Oberfläche dargestellt, wobei 1 die Näpfchen und 2 die Stege bedeuten.) Dadurch können die Näpfchen auch bei größeren Pigmenten leichter vollständig mit der entsprechenden Druckfarbe gefüllt werden. Ferner wird die Wiedergabe des Näpfchens auf dem Substrat durch die vergrößerte Auflagefläche besser, da den Adhäsionskräften des Zylinders eine größere Auflagefläche entgegengesetzt wird. Die dünnen Stege zwischen den Näpfchen werden durch die Druckfarbe beim Druckvorgang überflutet (Druckfarbenaustausch zwischen den einzelnen Näpfchen des Zylinders). Somit wird der entsprechende Leitwert bzw. der entsprechende Widerstand sichergestellt.

Die Abstimmung der Pigmentgröße auf die Struktur des Druckzylinders liegt im Bereich der üblichen Aufgaben des Fachmanns. Bei entsprechender Pigmentgröße flutet die Druckfarbe zwischen den Näpfchen definiert zusammen. Die dadurch erzeugte Druckoberfläche ergibt auf den Substrat eine geschlossene bzw. homogene Fläche, die zum leitfähigen Substrat eine Isolierfunktion aufweist. In einem weiteren Schritt wird dann die Leiterbahnfläche, die als geschlossener Leiter wirkt, aufgebracht.

Dadurch werden die für den speziellen oben beschriebenen Anwendungszweck geforderten Widerstände von < 50 Ohm, vorzugsweise 29 - 32 Ohm pro definiertem Schaltsegment erreicht.

Zur Herstellung des entsprechenden Tiefdruckzylinders wird beispielsweise mit Hilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls eine auf dem Zylinder, beispielsweise einem Tiefdruckzylinder mit einem Kern aus Eisenrohr mit Wandstärke 20 mm, und folgenden Schichten: 5-7μm Nickelschicht, 300μm Kupferschicht; vorhandene fotoempfindliche Schicht mit den entsprechenden Mustern, Formen, Linien, Buchstaben, die jeweils untereinander verbunden sind, in Form des vorher definierten Rasters mit übersteigertem G-Ratio bebildert, entwickelt und geätzt.

Die Beschichtung des Zylinders erfolgt auf übliche Weise mit einem Kunststoffübertragungsrad, oder durch Sprühen Walzen, Streichen, Tauchen, oder mittels eines Vorhangauftragsverfahrens, vorzugsweise in einer Schichtdicke von 2 - 10 μm mit einer handelsüblichen fotoempfindlichen Zusammensetzung beispielsweise LD 100, Fa. OHKA Kogyo Ltd.

Es sind aber auch alle anderen bekannten und handelsüblichen Zusammensetzungen geeignet. Anschließend wird der Zylinder mit einem Overcoat mit einer Schichtdicke von 1 - 5 μm versehen, beispielsweise mit OC-40 (Fa. OHKA Kogyo Ltd) oder mit einer analogen ähnlichen handelsüblichen Zusammensetzung.

Die Entwicklung erfolgt nach der Belichtung auf übliche Weise, beispielsweise kontaktlos mit Natriumcarbonat (0,5% Lösung), daran schließt üblicherweise ein Reinigungsvorgang mit Wasser an, worauf der Zylinder getrocknet wird.

Durch ein anschließendes auf die Laser- bzw. Elektronenstrahlbebilderung folgendes konventionelles Ätzverfahren wird das durch die Laser- bzw. Elektronenstrahlbebilderung definierte Bild, Muster, Formen und dergleichen auf der Oberfläche des Zylinders wiedergespiegelt. Die Ätzung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise mittels einer Fe(lll)chlorid-Lösung oder einer Cu(ll)chlorid-Lösung gegebenenfalls unter Zusatz von HCl oder H2SO4. Der Ätzlösung können gegebenenfalls auch handelsübliche und bekannte Additive für den Flankenschutz beigegeben werden.

Die Dauer der Einwirkung des Ätzmittels ist abhängig vom verwendeten Ätzmittel und beträgt beispielsweise bei Verwendung einer Cu-Chloridlösung unter Zusatz einer Säure etwa 90 - 2400 sec.

Es kann aber auch ein elektrochemisches Ätzverfahren verwendet werden.

Der Zylinder wirkt nach dem Ätzvorgang stumpf und optisch dunkel. Eine Oberflächenbehandlung mit dem elektrolytischen bzw. chemischen Glänzen veredelt die Abformstruktur und erzeugt eine brilliante Oberfläche. Allerdings ist diese Nachbehandlung des Zylinders für den erfindungsgemäßen Einsatzzweck nicht zwingend notwendig, verbessert allerdings das Abformergebnis. Das anodische Glänzen oder Polieren bildet eine wertvolle Ergänzung der verschiedenen Polierverfahren, es stellt jedoch keinen universellen Ersatz anderer Verfahren dar. Es eignen sich weder alle Metalle dafür, noch können mit diesem Verfahren alle gewünschten Oberflächenprofile hergestellt werden. Diese einschränkenden Feststellungen sind wichtig, weil nur durch Absteckung der Grenzen der Anwendungsmöglichkeit Misserfolge und Enttäuschungen vermieden werden können. Das Wesen des anodischen Polierens, auch elektrolytisches Polieren oder Elektropolieren, besteht darin, dass die zu polierende Oberfläche als positiver Pol, Anode, in einer geeigneten Lösung, dem Elektrolyten, der auf das zu behandelnde Metall speziell abgestimmt sein muss, mehr oder minder lange, meist einige Minuten bis zu einer Viertelstunde, behandelt wird. Der Elektropoliervorgang geht demnach umgekehrt wie die galvanische Metallabscheidung an der Kathode vor sich. Das anodisch geschaltete Metall löst sich im Elektrolyten auf, doch geht die Auflösung an den Mikroerhöhungen der Oberfläche stärker vor sich als in den Vertiefungen. Dadurch erfolgt eine allmähliche Einebnung und Glättung im Mikrobereich, die bis zu Hochglanz führen kann.

Voraussetzung für den Erfolg des Elektropolierens ist, dass ein polierbares Metall vorliegt und dass der darauf abgestimmte Elektrolyt angewandt wird. Die meisten homogenen Metalle und Legierungen lassen sich gut polieren. So ist das Verfahren z.B. besonders geeignet für nichtrostende Chrom-Nickel- Stähle, für viele Hartmetalle, für Reinaluminium und nicht zu hoch legiertes Aluminium, für kupferreiches Messing und andere Kupferlegierungen, für Edelmetalle. Verschiedene der genannten Metalle sind mechanisch nur schwierig auf guten Hochglanz zu bringen. Bei heterogenen, mehrphasigen Systemen, wie z.B. Kohlenstoffstähle, zinkreiches oder bleihaltiges Messing, Aluminiumgusslegierungen, werden die einzelnen Phasen in verschiedenem Maße angegriffen, so dass es bei diesen Metallen meist nicht gelingt, durch anodisches Polieren einwandfreien Hochglanz zu erzielen. Die Erzielung von Seidenglanz ist hingegen oft möglich. Der bevorzugte Angriff auf die aus der Oberfläche herausragenden Stellen führt dazu, dass am Werkstück vorhandene Grate rasch abgetragen werden. Das Elektropolieren eignet sich daher vorzüglich zum Entgraten von Werkstücken, insbesondere solchen, die auf andere Weise nur schwierig zu entgraten sind oder die dazu viel Handarbeit erfordern würden. Für das Entgraten spielt in der Regel die Zusammensetzung des Grundmetalls, einphasig oder mehrphasig, keine Rolle und auch an sich schlecht polierbare Metalle und Legierungen lassen sich gut elektrolytisch entgraten.

Beim anodischen Polieren erfolgt zum Unterschied von mechanischen Verfahren keinerlei mechanische Einwirkung auf die Oberfläche des Werkstückes; es werden vielmehr oberflächliche Schichten, die durch eine vorhergegangene mechanische Behandlung verformt wurden und innere Spannungen erhielten, beim Elektropolieren abgelöst, so dass das unveränderte Grundgefüge des Werkstoffes oberflächlich in Erscheinung tritt.

Diese Eigenart des anodischen Polierens' bewirkt auch, dass etwa vorhandene Oberflächenfehler, wie Lunker, Riefen, Risse, Einschlüsse, nicht zugeschmiert werden, wie es beim mechanischen Polieren der Fall ist, sondern dass diese Fehler nach der anodischen Behandlung eher verstärkt in Erscheinung treten. Dies ist jedoch eine oft sehr wertvolle Eigenschaft dieser Verfahren. Die beim mechanischen Polieren zugeschmierten oder sonst wie verdeckten Fehlstellen täuschen nur eine in der Tat nicht vorhandene einwandfreie Oberfläche vor, die aber sehr oft bei nachfolgender Behandlung, z.B. in galvanischen Bädern, diese Fehler eindeutig erkennen lässt. Durch das anodische Polieren kann Ausschussware als solche erkannt werden, ehe noch weitere Arbeit darauf verwendet wurde. Aus diesem Grunde wird das Verfahren auch vielfach zur Fehlersuche eingesetzt. (Als Beispiel von vielen sei die Prüfung von Turbinenschaufeln für Flugzeugmotoren auf Fehlerfreiheit genannt.) Während des anodischen Poliervorganges wird Metall bevorzugt an den aus der Oberfläche herausragenden Stellen aufgelöst. Dadurch findet eine fortschreitende Glättung und Einebnung statt. Makrorauhigkeiten oder -Unebenheiten bleiben hingegen unberührt. Es ist daher nicht möglich, durch anodisches Polieren etwa eine ideal ebene Fläche oder sonst ein bestimmtes geometrisches Profil exakt herzustellen. Wird eine solche Oberfläche gefordert, so ist das Makroprofil durch vorherige mechanische Behandlung, auch mechanisches Schleifen und Polieren, herzustellen und erst die Beseitigung der dann noch vorhandenen Mikrorauhigkeiten und die Herstellung von Hochglanz geschieht durch Elektrolyse.

Wird demnach eine leicht wellige, matte Oberfläche elektropoliert, so bleibt die Welligkeit im Wesentlichen erhalten, auch wenn Hochglanz erreicht wird. Wird die gleiche Ausgangsoberfläche mechanisch geschliffen, bzw. poliert, so wird die Welligkeit beseitigt, aber die resultierende Oberfläche zeigt bei genügend starker Vergrößerung stets die Schleif- oder Polierriefen entsprechend der Größe des angewandten Schleifkornes.

Anodisch polierte Oberflächen sind somit vor allem gekennzeichnet durch das Fehlen von Mikrorauhigkeiten. Daraus ergeben sich verschiedene wertvolle Eigenschaften dieser Oberflächen, die technisch genützt werden: Hoher Glanz und bestes Reflexionsvermögen (Optik, dekorative Verwendung), niedriger Reibungskoeffizient, daher geringere Reibungsverluste und verminderte Reibungswärme und geringerer Reibungsverschleiß (Zahnräder, Lager, Wellen, Kolben, Kolbenringe usw.), geringeres Adsorptionsvermögen und Absorptionsvermögen für Gase und Flüssigkeiten (Vakuumtechnik), es ist auch überall dort bedeutsam, wo besonderer Wert auf große Reinheit und Reinigungsmöglichkeit gelegt wird (medizinische Geräte, Krankenhauseinrichtungen, Färbebottiche, Druckwalzen).

Gegenüber mechanischen Verfahren hat das Elektropolieren einige sehr wertvolle Vorteile: es erfordert keine teure Handarbeit qualifizierter Kräfte, sämtliche beim mechanischen Polieren oft bestehenden Unfall- und Gefahrenquellen fallen weg, auch komplizierte Formen und schwer polierbare Metalle lassen sich mühelos elektropolieren, es gibt keine Staubbelästigung.

Als Nachteile sind zu erwähnen die nicht universelle Anwendbarkeit, das Hantieren mit oft sehr konzentrierten Säuren, bzw. generell die nasse Bearbeitung in Betrieben, die sonst keine Nassbehandlung anwenden, verhältnismäßig teure Anlagen, das Anfallen von Abwässern, die besonders zu behandeln sind, wofür eigene Anlagen benötigt werden.

Die Verfahren lassen sich voll automatisieren, auch die Fertigung von Kleinteilen in großen Stückzahlen in besonders dafür entwickelten Geräten ist möglich.

Das chemische Glänzen unterscheidet sich von den elektrolytischen Verfahren dadurch, dass keine äußere Stromquelle erforderlich ist. Die Abtragung der Oberfläche geschieht jedoch in gleicher Weise wie beim anodischen Polieren. An Stelle der unmittelbaren Wirkung des elektrischen Stromes werden entsprechend aggressive Chemikalien verwendet, die den gelenkten Abbau der Oberfläche, das heißt, naturgemäß laufend verbraucht und sind ständig zu ergänzen. Auch diese Lösungen müssen auf jedes zu behandelnde Metall besonders abgestimmt sein, das hier eher noch etwas kritischer ist als bei den anodischen Polierverfahren. Da äußere Stromquellen fehlen, sind die Anlagekosten erheblich geringer als für elektrolytische Verfahren. Die laufenden Chemikalienkosten, die an Stelle der Stromkosten treten, sind hingegen meist höher.

Die Beschaffenheit der chemisch geglänzten Oberflächen ist im Prinzip die gleiche wie von anodisch geglänzten. Die Verfahren werden im Hinblick auf den Chemikalienverbrauch vor allem dort eingesetzt, wo nur geringe Materialmengen abzulösen sind. Wegen der außerordentlich einfachen Handhabung und der billigen Anlagen werden sie jedoch im großen Umfange technisch angewandt. Als ältestes Verfahren dieser Reihe ist das Glanzbrennen von Messing und anderen Kupferlegierungen zu nennen. Neuerdings werde besonders Leichtlegierungen auf diese Weise geglänzt.

In Abhängigkeit von der Druckfarbe mit leitfähigen Pigmenten wird ein Raster der entsprechenden Größe gewählt.

Geeignete elektrisch leitfähige Pigmente sind beispielsweise vorzugsweise Pigmente auf Silber-, Nickel- oder Graphit-Basis. Farben oder Lacke mit Metallpigmenten (beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Eisen, Chrom und dergleichen), Metalllegierungen wie Kupfer-Zink oder Kupfer- Aluminium kommen ebenfalls in Frage. Weiters können auch dotierte oder nicht dotierte Halbleiter wie beispielsweise Silicium, Germanium oder lonenleiter wie amorphe oder kristalline Metalloxide oder Metallsulfide als Zusatz verwendet werden. Ferner können zur Einstellung der elektrischen Eigenschaften der Schicht polare oder teilweise polare Verbindungen, wie Tenside oder unpolare Verbindungen wie Silikonadditive oder hygroskopische oder nicht hygroskopische Salze verwendet oder zugesetzt werden. Die Pigmente können sowohl in lösemittelfreien als auch in lösungsmittelhältigen Systemen ggf. mit einem Bindemittel als Farbe oder Lack verwendet werden.

Als Lösungsmittel kommen beispielsweise Wasser oder organische Lösungsmittel, wie Alkohole, Ketone, Aldehyde, Aliphate oder Aromate und dergleichen in Frage. Als Bindemittel kommen verschiedene natürliche oder synthetische Bindemittel in Frage, z.B. natürliche Öle und Harze, wie Phenolformaldehyd, Harnstoff-, Melamin-, Keton-, Aldehyd-, Epoxy-, Polyterpenharzen verwenden. Als zusätzliche Bindemittel können beispielsweise Polyester, Polyvinylakohole, Polyvinylacetate, - ether, -propionate und -Chloride, Poly(methyl)acrylate, Polystyrole, Olefine, Nitrocellulose, Polyisocyanat, Urethansysteme und dergleichen.

Als Trägersubstrate kommen leitfähige aber auch nicht leitfähige Trägersubstrate in Frage.

Als Trägersubstrate kommen beispielsweise Trägerfolien, vorzugsweise flexible transparente Kunststofffolien, beispielsweise aus PI, PP, MOPP, PE, PPS, PEEK, PEK, PEI, PAEK, LCP, PEN, PBT, PET, PA, PC, COC, POM, ABS, PVC in Frage. Die Trägerfolien weisen vorzugsweise eine Dicke von 5 - 700 μm, bevorzugt 5 - 200 μm, besonders bevorzugt 5 - 50 μm auf.

Ferner können als Trägersubstrate auch Papier oder Verbünde mit Papier, beispielsweise Verbünde mit Kunststoffen mit einem Flächengewicht von 20 - 500 g/m2, vorzugsweise 40 - 200 g/m2, verwendet werden.

Ferner können als Trägersubstrate Gewebe oder Vliese, wie Endlosfaservliese, Stapelfaservliese und dergleichen, die gegebenenfalls vernadelt und/oder kalandriert sein können, verwendet werden. Vorzugsweise bestehen solche Gewebe oder Vliese aus Kunststoffen, wie PP, PET, PA, PPS und dergleichen, es können aber auch Gewebe oder Vliese aus natürlichen, gegebenenfalls behandelten Fasern, wie Viskosefasern eingesetzt werden. Die eingesetzten Vliese oder Gewebe weisen ein Flächengewicht von etwa 20 g/m2 bis 500 g/m2 auf. Gegebenenfalls müssen die Vliese oder Gewebe oberflächenbehandelt werden.

Insbesondere kommen als Trägersubstrate leitfähige Trägersubstrate in Frage, beispielsweise Metallfolien, beispielsweise AI-, Cu-, Sn-, Ni-, Fe- oder Edelstahlfolien mit einer Dicke von 5 - 200 μm, vorzugsweise 10 bis 80 μm, besonders bevorzugt 20 - 50 μm dienen. Die Folien können auch oberflächenbehandelt, beschichtet oder kaschiert, beispielsweise mit Kunststoffen kaschiert oder lackiert sein, Bevorzugt werden für den gewünschten Anwendungszweck AI- Folien oder Al- Kunststoff-Verbunde.

Ferner kann eine vollflächige oder partielle Isolierschicht aufgebracht werden. Die Leiterbahnen und die Kontaktflächen für die externe Auswerteinheit (Kleinrechner oder logische Schaltung) werden partiell aufgebracht. Die Kontaktflächen eignen sich auch für SMD-Elemente (surface mounted device) Auf diese Weise können komplette Schaltkreise, beispielsweise integrierte Schaltkreise, Dioden, Transistoren, Kondensatoren direkt auf das Trägersubstrat aufgebracht werden, wobei die SMD-Elemente mit Hilfe eines leitfähigen Klebemittels , beispielsweise Loctite® Chipbonder Set, auf dem Trägersubstrat fixiert werden.

Ferner können die Trägersubstrate weitere funktionelle und/oder dekorative Schichten aufweisen, die visuell erkennbare oder maschinenlesbare Eigenschaften aufweisen, beispielsweise optisch erkennbare Merkmale, optisch aktive Merkmale wie Beugungsstrukturen oder diffraktive Strukturen, oder magnetische Merkmale und dergleichen.

Die auf die beschriebene Weise bedruckten Trägersubstrate können zur Sicherung und Kontrolle der Entnahmezeiten von Gegenständen, Arzneimitteln und dergleichen aus Verpackungen verwendet.