Superfici che comunicano

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L’abbiamo vista per anni nei terminali dei punti vendita, nei sistemi di navigazione automobilistica, in monitor medicali e pannelli di controllo, ma a renderla popolare è stato l’iPhone nel 2007. Da quel momento tutti hanno compreso come una tecnologia innovativa, già utilizzata da tempo, nelle mani di Apple sia diventata la migliore e la più intuitiva interfaccia per l’interazione uomo-computer della storia. E non c’è dubbio che la società della Mela abbia segnato il futuro della tecnologia touchscreen. Oggi, siamo già oltre la diffusione di massa nell’elettronica di consumo: qualcuno, infatti, ha già pensato di utilizzarla nei comandi delle automobili e nei pannelli di comando degli elettrodomestici.

Come funziona un touchscreen

Il touchscreen è un sistema di controllo costituito da tre blocchi funzionali: schermo, sensore, controller e driver software. Generalmente il dispositivo è rivestito da un lunotto sul quale giacciono i sensori del touch (sensibili al tatto), che possono essere realizzati con pannelli acrilici o con materiali vetrosi chiari. Tutta l’area tattile è attraversata continuamente da corrente elettrica. Quando si preme lo schermo, la pressione provoca un cambiamento del voltaggio e quindi del segnale, che viene decodificato dall’elettronica e tradotto nella coordinata corrispondente.

Il sensore può essere di tipo resistivo (basa il suo funzionamento su resistenza elettrica), capacitivo (genera un flusso di elettroni attraverso la superficie del display) e ad infrarossi. Gli schermi touchscreen più diffusi sono principalmente due: capacitivo e resistivo. Ma qual è la differenza?

Touchscreen resistivi e capacitivi

La tecnologia alla base del touchscreen resistivo è la più datata e anche la più semplice. Uno schermo di questo tipo è costituito da due strati di materiale plastico rivestiti di materiale conduttore e separati da un ulteriore strato isolante. Quando viene esercitata una pressione sullo strato esterno, si crea un contatto elettrico con lo strato sottostante che permette di tracciare le coordinate del punto di contatto, che vengono comunicate al dispositivo. I vantaggi di questa tecnologia sono molteplici: economicità di realizzazione, buona resistenza agli urti, funzionamento a temperature che vanno dai -15 °C ai +45 °C con qualsiasi percentuale di umidità. Inoltre, la pressione sullo schermo può essere esercitata, oltre che con le dita, con qualsiasi altro oggetto, per esempio un pennino, lasciando sempre pulito e privo di impronte il display. Questa caratteristica permette di raggiungere un livello di precisione molto alto, essendo la punta di un pennino abbastanza ridotta, e consente l’utilizzo di interfacce con elementi di controllo molto piccoli. Tuttavia, la luminosità e la qualità delle immagini vengono compromesse dalla presenza dei due strati plastici, e con il passare del tempo la reattività e la precisione vengono meno. Inoltre, poiché lo strato esterno deve essere flessibile, non può essere realizzato in vetro, ma in materiale plastico, il che lo rende più soggetto a graffi.

Anche il display capacitivo è composto da diversi strati sovrapposti. Quello più esterno è generalmente in vetro (meno frequentemente in plastica), rivestito da un sottile strato di ossido metallico, che accoglie dei sensori capacitivi, ossia in grado di individuare i cambiamenti di capacità al tocco. La superficie dello schermo è attraversata da un campo elettrico uniforme che, al contatto con le dita dell’utilizzatore, subisce una variazione. I sensori posti sullo schermo individuano e misurano la caduta di tensione, e rilevano le coordinate del punto di contatto comunicandole al dispositivo. Rispetto agli schermi resistivi, quelli capacitivi, grazie alla superficie in vetro, hanno una maggiore luminosità e nitidezza, e sono anche meno soggetti a graffi. L’esperienza d’uso è più piacevole rispetto al touchscreen resistivo perché non è necessario esercitare una pressione sullo schermo, ma basta lo sfioramento. Tuttavia, i display capacitivi non funzionano se si utilizzano oggetti non conduttivi o se si indossano i guanti; le temperature di esercizio sono più limitate rispetto a quelli resistivi e per funzionare bene è necessario almeno il 5% di umidità. Inoltre, il vetro, anche se più resistente ai graffi, è più vulnerabile agli urti e rischia di rompersi più facilmente.

[box title=”Come funziona un sensore capacitivo” color=”#f8911b”]
La tecnologia touchskin integra un film sensibile in un alloggiamento unendo un componente in composito con una parte elettronica

I sensori capacitivi sfruttano il principio della “capacità elettrica”, ossia l’interazione tra due punti nello spazio, come due elettrodi in un campo elettrico. L’avvicinamento di un oggetto conduttore di elettricità, per esempio il dito della mano, può alterare le linee del flusso elettrico all’interno del campo elettrico. I sensori capacitivi sfruttano proprio questo effetto: rilevano l’alterazione del campo elettrico e reagiscono con una variazione di tensione che può essere sfruttata per attivare un comando. L’alterazione del campo elettrico è tale da non rendere necessario il contatto diretto con il sensore, dato che quest’ultimo, a seconda della regolazione della sensibilità, può funzionare anche a una distanza di circa 10 mm. Dal momento che le linee di campo del flusso elettrico attraversano facilmente i corpi solidi non conduttori, il sensore può funzionare anche se provvisto di uno strato di rivestimento dello spessore di 10 mm, come accade per esempio in presenza di una copertura in plastica oppure in caso di azionamento con i guanti.[/box]

Plastica per i sensori capacitivi

Oggi, il mercato si sta orientando verso i touchscreen di tipo capacitivo, anche se – per ragioni di costo – la loro applicazione è ancora proibitiva nei dispositivi di fascia bassa. Per questa ragione, la ricerca si sta orientando verso lo sviluppo di procedure di produzione più economiche e, al contempo, capaci di offrire prestazioni superiori. Touchskin è uno dei risultati della ricerca in questa direzione. Sviluppata dall’austriaca plastic electronic, la tecnologia sta trovando possibilità di industrializzazione sempre maggiori grazie alla collaborazione con partner industriali.

[box title=”Chi è plastic electronic” color=”#f8911b”]
Andreas Tanda, responsabile tecnico di plastic electronic, Gerald Schöfer, amministratore di Schöfer, e Philipp Weissel, CEO di plastic electronic

È uno spin-off dell’università Johannes Kepler di Linz (Austria). L’iniziativa di fondare questa attività parte nel 2005 da Serdar Sariciftci che, dopo aver trascorso diversi anni a studiare le strutture plastiche in grado di condurre l’elettricità insieme al premio Nobel Alan J. Heeger, a Santa Barbara, presso l’Università della California, ha creato l’Istituto per le celle solari organiche presso l’università Johannes Kepler. Accanto al progetto di ricerca condotto nell’ambito dei componenti elettronici in polimero, spicca l’attuale fiore all’occhiello dell’azienda: il progetto touchskin, sviluppato in collaborazione con il costruttore di stampi e specialista in film compositi Schöfer, il produttore di film Hueck Folien e il trasformatore statunitense Serigraph. Al costruttore di presse a iniezione Engel va il merito di aver veicolato la tecnologia nelle ultime fiere di settore, con applicazioni sviluppate in collaborazione con importanti end user del settore automotive, come Magna Exteriors & Interiors.[/box]

Funzionalità della tecnologia Touchskin

La tecnologia si basa sull’integrazione di un film elettroconduttore in plastica e di un rivestimento stampato a iniezione, realizzato attraverso sovrastampaggio e retroiniezione con resina. Ma vediamo nel dettaglio come viene realizzato.

Manufatto realizzato con la tecnologia Touchskin

Tutto ha inizio da un film composito multistrato, simile a quelli impiegati per il packaging. Dal medesimo settore proviene non soltanto la materia prima, ma anche gli elementi centrali del processo di trasformazione del film, quali la tecnica “da rullo a rullo” in varie fasi, anche con lavorazione di serie, e la stampa e metallizzazione in più passaggi.

Al film di base vengono applicati uno strato metallico composto dai sensori e da una serie di circuiti stampati. Seguono la termoformatura e il taglio, al termine dei quali viene applicato il film sensibile, la cui lavorazione può essere proseguita sulla pressa a iniezione, dove si effettua un processo di retroiniezione.

In realtà, non si tratta di semplice retroiniezione di un film sensibile. I componenti touchskin devono riunire in sé funzionalità (il sensore) e un buon design. Lo scopo consisteva nel creare un’interfaccia universale senza scendere a compromessi per quanto riguarda l’integrazione delle funzioni dei sensori.

La soluzione è rappresentata da un sandwich composto da un film sensibile e decorativo all’esterno e da una struttura portante in plastica all’interno.

Il punto di partenza da cui nasce il manufatto touchskin® è rappresentato da film compositi ricoperti di strutture sensibili (a destra), che vengono trasformati in inserti. Il film sensibile viene unito a un film decorativo (il componente nero in alto a sinistra) durante il processo di stampaggio a iniezione, in maniera tale da formare un sandwich

Questo sandwich può essere prodotto su larga scala senza ricorrere ad altre tecnologie specifiche, e soprattutto riducendo il numero dei componenti e delle relative operazioni di assemblaggio. È stata infatti sviluppata una soluzione tecnica che prevede l’integrazione di una fase di posizionamento e di fissaggio automatizzato di due film in un unico ciclo di iniezione, e l’inserimento del canale in cui scorre il fuso nello stampo, in maniera tale da garantire una formatura sicura del sandwich.

La tecnologia di produzione sviluppata prevede la sovrapposizione del film “sensibile” (foglio bianco) al film decorativo nell’impronta posta di fronte, seguita dalla retroiniezione in posizione centrale su una struttura in materiale plastico

Libertà di forma e massima robustezza

La produzione di touchscreen capacitivi con involucro esterno in plastica anziché in vetro offre notevoli vantaggi, primo tra i quali la possibilità di realizzare pannelli comandi con superfici a forma libera, come quelli dei quadri comandi delle automobili o degli elettrodomestici. Il film sensibile, infatti, oltre a poter sostituire componenti meccanici, come interruttori rotanti e pulsanti di comando, è lavorabile con rapporti di deformazione fino al 200% senza che lo strato conduttore si stacchi o si spezzi. Inoltre, la possibilità di combinare film decorativi e funzionali si traduce in un maggior numero di possibili configurazioni: per esempio il film sensibile può essere applicato sul lato interno dell’alloggiamento con un processo standard, mentre il film decorativo applicato sul lato esterno consente di personalizzare il design dell’elettrodomestico.

[note color=”#FFCC00″]Alcuni studi di design del pannello di elettrodomestici bianchi realizzati da plastic electronic.

Il futuro evolve verso nuovi concetti di ergonomia e di logica di comando.

Il film sensibile può sostituire componenti meccanici, come interruttori rotanti e pulsanti di comando, oltre a eliminare le relative operazioni di assemblaggio.[/note]

Dal momento che la tecnica dello stampaggio a iniezione consente di processare film decorativi diversi direttamente l’uno dopo l’altro, la personalizzazione diventa possibile già a partire da lotti formati da un unico pezzo. Una tale flessibilità operativa permette di produrre in modo semplice anche pannelli comandi visibili al buio senza ricorrere a tecnologie specifiche: basta utilizzare un film decorativo fustellato in modo da permettere il passaggio della luce. L’utilizzo di resina trasparente per gli elementi di supporto consente invece l’integrazione di componenti ottici aggiuntivi, oltre alla possibilità di illuminare i comandi stessi.

Un altro aspetto degno di nota è la robustezza dei componenti: infatti, l’integrazione con la parte stampata a iniezione protegge il sensore dalle sollecitazioni meccaniche (per esempio l’ossidazione, la corrosione e l’umidità) che possono determinare il distacco del film, ma anche da fattori ambientali, come peraltro confermato dal superamento dei test applicativi effettuati a una temperatura compresa tra -40 °C e + 85 °C.

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