Sustainability and technical feasibility of smart tags as data carriers for intelligent packaging and digital product passports
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-01-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
68 + app. 109
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 9/2026
Abstract
Smart tags that merge identification and condition monitoring into a single data carrier offer a practical way to provide dynamic life cycle data in applications, such as intelligent packaging and digital product passports (DPPs). They integrate visual identifiers (e.g. 2D barcodes) or electronic identifiers (e.g. RFID (Radio Frequency Identification)) with monitoring elements, such as functional inks, indicators and sensors. This thesis examined their technical and sustainability potential in two application cases: reusable packaging and DPPs for electronics. For both, a value chain analysis based on interviews and questionnaires was conducted to determine the specific requirements for smart tags and information sharing. There insights were then used to evaluate the potential of the developed smart tag concepts in the selected application cases. Technical feasibility was investigated by testing several design and manufacturing variables for visual tags, including material selection, printing methods, process parameters and feature sizes. Among these the choice of the printing method had the greatest impact; specifically, screen printing performed the best. Inkjet printing was advanced by developing functional inks for temperature, light and humidity, thus enabling the production of individualised smart tags. A humidity indicator concept was created using two inks and integrated with a 2D barcode. This approach showed potential for semi-quantitative assessment of both the duration and level of humidity exposure, as the colour difference increased over time and varied with the humidity levels to which the smart tags were exposed to. Durability under repeated contact with water and heating was investigated by testing three approaches: protective coatings, laser engraved 2D barcodes and overmoulding of tags within the surface. Each had its pros and cons, but protective coatings were recommended for smart tag applications. They effectively protected both the visual and electronic smart tags from heat and water while preserving monitoring functionality. They also offer potential for more sustainable development. Laser engraving proved robust for durability, but it does not support integrated monitoring capabilities. Overmoulding trials were unsuccessful, and the embedded tags could complicate end-of-life management of the host product. A set of parameters affecting the sustainability and circularity of electronic tags was compiled and used to create a holistic and streamlined tool for benchmarking electronic smart tags at the design stage. The largest differences between the benchmarked concepts stemmed from material and manufacturing choices. The methodology is proposed for adaptation to other domains to enable early-stage comparison of emerging technologies with careful selection of domain-relevant criteria. Furthermore, the approach could be developed into sustainability impact indicators. The thesis identified key selection criteria for smart tag concepts across manufacturing, durability, and sustainability dimensions. It concludes that smart tag technologies should be chosen case by case, balancing technical performance with sustainability.Älykoodit tai -tagit yksilöivät tuotteen ja seuraavat sen olosuhteita. Älykoodeja hyödynnetään tiedonsiirron fyysisinä välineinä, jotka mahdollistavat dynaamisen elinkaaritiedon välittämisen erilaisissa sovelluksissa, kuten älykkäät pakkaukset ja digitaaliset tuotepassit. Älykoodit yhdistävät visuaalisen (esim. 2D-koodi) tai sähköisen (esim. RFID) markkerin ympäristön tai kohteen olosuhteita monitoroivan teknisen ratkaisun kanssa, kuten toiminnalliset painovärit, indikaattorit ja sensorit. Tässä väitöskirjassa tutkittiin älytagien teknisiä ja kestävän kehityksen mukaisia ominaisuuksia kahteen sovellukseen: uudelleenkäytettävät pakkaukset ja elektroniikkatuotteiden digitaaliset tuotepassit. Sovelluskohtaisten erityisvaatimusten ymmärtämiseksi toteutettiin haastattelu- ja kyselypohjaiset arvoketjuanalyysit, joissa keskityttiin tiedonvaihtoon ja älytagien hyödyntämiseen. Arvoketjuanalyysia hyödynnettiin, kun arvioitiin älykoodien soveltuvuutta valittuihin sovelluksiin. Visuaalisten älykoodien teknistä soveltuvuutta tutkittiin testaamalla koodin suunnitteluun ja valmistukseen liittyviä muuttujia. Näitä olivat materiaalien ja painatustekniikan valintaan liittyvät vaihtoehdot, painatusprosessin asetukset sekä yksityiskohtien koko. Painomenetelmän valinnalla todettiin olevan suurin vaikutus ja silkkipainatus todettiin parhaaksi menetelmäksi. Mustesuihkutulostuksen roolia yksilöivien koodien valmistuksessa korostettiin kehittämällä tulostettavia toiminnallisia painovärejä, jotka reagoivat lämpötilan, valaistuksen ja kosteuden muutoksiin. Kehitetty kosteusindikaattorikonsepti perustui kahteen musteeseen, jotka yhdistettiin 2D-koodin kanssa. Tällä konseptilla todettiin olevan potentiaalia analysoimaan kosteusaltistuksen kestoa ja suuruutta, sillä väriero lähtötilanteeseen nähden kasvoi ajan funktiona ja väriero vaihteli eri kosteustasoilla. Älykoodien kestävyyttä toistuvalle kuumennukselle ja kontaktille veden kanssa tutkittiin testaamalla kolmea menetelmää: suojapäällysteet, laserkaiverretut 2D-koodit ja materiaalin sisään ylivaletut koodit. Jokaisella testatulla menetelmällä oli omat etunsa ja haasteensa, mutta suojapäällysteet todettiin parhaaksi menetelmäksi älykoodien suojaamiseen. Monitorointiratkaisuja on mahdollista käyttää suojapäällysteiden kanssa ja päällysteiden materiaaleja voidaan kehittää ympäristöystävällisemmiksi. Laserkaiverrettuihin 2D-koodeihin on hankala yhdistää olosuhteiden monitorointia ja ylivaletut koodit tuovat haasteita elinkaaren lopussa mm. kierrätykseen. Sähköisten älykoodien vertailua varten kehitettiin lista muuttujista, jotka vaikuttavat koodien kestävän kehityksen ja kiertotalouden mukaisuuteen. Tämän listan pohjalta kehitettiin kokonaisvaltainen ja virtaviivainen menetelmä, jonka avulla voidaan vertailla sähköisiä älykoodeja jo suunnitteluvaiheessa. Suurimmat erot vertailtaessa erilaisia sähköisiä älykoodeja löytyivät materiali- ja valmistusvaiheen valinnoista. Kehitetty metodiikka on sovellettavissa myös muihin tuotesektoreihin, joissa on tarvetta vertailla kehitteillä olevia teknologioita, mikä edellyttää valintakriteeristön päivittämistä. Menetelmä soveltuu myös kestävän kehityksen tunnuslukujen kehittämiseen. Tässä väitöskirjassa on kehitetty älykoodikonseptien valintakriteeristö valmistusmenetelmien, elinkaaren mittaisen kestävyyden ja kestävän kehityksen näkökulmista. Johtopäätöksenä todetaan, että älykoodikonsepti on valittava tapauskohtaisesti ja on löydettävä tasapaino sekä teknisten että kestävän kehityksen näkökulmien välillä.Description
Supervising professor
Paltakari, Jouni, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Smolander, Maria, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd., FinlandHiltunen, Eero, Dr., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Other note
Parts
- [Publication 1]: Hakola, Liisa; Vehmas, Kaisa; Smolander, Maria. (2021) Functional Inks and Indicators for Smart Tag Based Intelligent Packaging Applications. JAPR Journal of Applied Packaging Research 13(2). https://scholarworks.rit.edu/japr/vol13/iss2/3
-
[Publication 2]: Hakola, Liisa; Smolander, Maria; Orko, Inka; Sokka, Laura; Välimäki, Marja. (2024) Development of a Qualitative Tool for Sustainability Assessment and Application of the Tool to Benchmark Electronic Smart Labels. Circular Economy and Sustainability, 4, 97-122.
DOI: 10.1007/s43615-023-00280-3 View at publisher
-
[Publication 3]: Hakola, Liisa; Hakola, Elina; Palola, Sarianna; Tenhunen‐Lunkka, Anna; Lahtinen, Jussi. (2024) Durable and sustainable smart tags for identity management and condition monitoring: Case study for reusable packaging and recyclable data carriers. Packaging Technology and Science, 37(2), 107-121.
DOI: 10.1002/pts.2781 View at publisher
-
[Publication 4]: Hakola, Liisa; Abedi, Fatemeh; Nordman, Sirpa; Smolander, Maria; Paltakari, Jouni. (2025) Smart Tags as Enablers for Digital Product Passports in Circular Electronics Value Chains. Circular Economy and Sustainability, 5, 2033-2055.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202507045547DOI: 10.1007/s43615-025-00500-y View at publisher