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– Uma nova revolução na produção de circuitos eletrônicos está a caminho: pesquisadores da Empa estão trabalhando na eletrônica que sai das impressoras. Isso torna possível produzir os circuitos em todos os tipos de substratos, como papel ou filme plástico – mas ainda existem alguns obstáculos a serem superados.
Cortesia EMPA por Karin Weinmann: Imagine poder imprimir facilmente em qualquer superfície. Hoje, isso não é mais uma utopia: Eletrônica impressa é uma tecnologia emergente que permite aplicar circuitos a vários substratos – usando tinta e impressoras especiais.
Este não é um mercado pequeno: um novo relatório da associação da indústria de eletrônicos orgânicos e impressos mostra que o setor já se desenvolveu em um mercado global de mais de 35 bilhões de dólares – um mercado que deverá continuar crescendo fortemente em nos próximos anos.
Tradicionalmente, a fabricação de eletrônicos tem sido um processo complexo que requer equipamentos caros. No entanto, a Internet das Coisas requer um novo tipo de eletrônica: os circuitos não precisam mais ser tão minúsculos e rápidos quanto possível a todo custo, mas baratos e fáceis de fabricar – e ao mesmo tempo, eles devem ser realizados em finos e flexíveis substratos. Isso inclui RFIDs na embalagem do produto, por exemplo.
No futuro, também serão concebíveis aplicações para sensores simples em embalagens de leite, que indicam quando o conteúdo não é mais consumível, ou em produtos congelados, que sinalizam se a cadeia de frio foi interrompida.
Transistores em papel e filme
Os pesquisadores da Empa Jakob Heier do Laboratório de Polímeros Funcionais e Yaroslav Romanyuk do Laboratório de Filmes Finos e Fotovoltaicos estão trabalhando com suas equipes para o avanço da tecnologia. Junto com pesquisadores do Instituto Paul Scherrer e da EPFL Lausanne, eles estão trabalhando no projeto de pesquisa “FOXIP”, abreviação de “OXIdes Funcionais Impressos em Polímeros e Papel”.
O objetivo do projeto é imprimir transistores de filme fino em papel e filmes PET – usando uma técnica de impressão que poderia ser adequada para uso na indústria. Tintas nas quais minúsculas partículas de óxidos de metal são dissolvidas são usadas para isso.
Eles são aplicados ao substrato usando várias técnicas de impressão – impressão por contato ou impressora a jato de tinta. “É claro que não usamos impressoras comuns de escritório para isso, mas equipamentos altamente especializados”, explica Romanyuk. No Centro de Competência de Revestimento da Empa, esses dispositivos de impressão podem ser encontrados. (ver caixa)
Mas para ser capaz de imprimir circuitos de forma confiável em substratos flexíveis, uma série de desafios devem primeiro ser resolvidos: da otimização do próprio substrato, à composição da tinta e à precisão da tecnologia de impressão, à cura térmica das camadas sem danificar o papel ou filme.
Começando com o substrato de impressão: Freqüentemente, ele é flexível – por exemplo, papel ou um filme de polímero – e não tem uma superfície completamente lisa, como é o caso das pastilhas de silício, que são usadas para a fabricação de componentes eletrônicos convencionais. Isso torna muito mais difícil obter a precisão necessária na fabricação dos circuitos.
Como resultado, os componentes da eletrônica impressa são atualmente cerca de 1.000 maiores do que a microeletrônica produzida pelo processo de manufatura convencional. “Mas isso não significa que os circuitos sejam enormes: estamos falando de impressão com precisão na faixa de dez micrômetros, que é menor que o diâmetro de um fio de cabelo”, explica Heier.
Materiais em forma de tinta
Outro grande desafio é como materiais condutores, semicondutores e isolantes, necessários para a construção de circuitos, podem ser transformados em tinta – e como podem ser transformados em um material contínuo com as propriedades desejadas após o processo de impressão .
Jakob Heier está pesquisando como essas tintas especiais são construídas. Uma tinta inclui duas partes: pequenas partículas do material funcional e solventes que evaporam por conta própria após a aplicação. No entanto, esses dois componentes geralmente não são suficientes: Ligantes e aditivos adicionais devem ser adicionados para tornar a tinta estável e imprimível. Mas isso é um problema: se eles permanecerem na camada após a aplicação, eles perturbam a função desejada dos circuitos. Eles devem, portanto, ser queimados. No entanto, isso requer temperaturas relativamente altas – e isso, por sua vez, pode danificar o papel ou filme no qual os eletrônicos são impressos.
Heier e sua equipe estão trabalhando no desenvolvimento de uma tinta imprimível para camadas de grafeno que requer apenas as partículas de grafeno e o solvente – em outras palavras, sem aditivos que têm que ser queimadas.
As camadas impressas devem ser estáveis o suficiente para reter as mesmas propriedades condutoras – independentemente de o material do substrato, incluindo a camada impressa, ser dobrado ou mesmo torcido. “Se isso for bem-sucedido, estaremos um grande passo mais perto da impressão em polímero ou papel: pelo menos a impressão de trilhas condutoras não exigirá mais pós-tratamento em temperaturas elevadas”, explica Heier.
Um centro de competência para revestimentos
Fechar a lacuna entre a pesquisa laboratorial e a produção industrial de revestimentos – essa é a meta do Centro de Competência em Revestimento (CCC) da Empa. A pesquisa no CCC não se concentra apenas em eletrônica impressa, mas também em materiais, processos e tecnologias para revestimentos: Estes incluem métodos para depositar camadas finas em substratos, ou fabricação aditiva, na qual os componentes são construídos camada por camada. O CCC está estruturado como uma parceria público-privada: a ideia é que todos os parceiros ao longo da cadeia de valor, da ciência à indústria, trabalhem juntos para desenvolver novas tecnologias e encontrar soluções criativas. O centro está aberto para colaborações de parceiros da indústria e pesquisa.
Com flashes da tinta para o transistor
A situação é diferente com as tintas baseadas em nanopartículas de óxido metálico. Aqui, a chamada sinterização, ou seja, o tratamento térmico das camadas impressas, é necessária para recombinar as partículas individuais dissolvidas na tinta e, assim, obter uma camada funcional.
No entanto, tanto o papel quanto os filmes usados são muito sensíveis à temperatura. Idealmente, portanto, apenas as camadas de óxido de metal devem ser aquecidas – mas o substrato deve permanecer frio. “Usamos um método chamado ‘sinterização por flash’”, explica Romanyuk. A camada impressa é aquecida com flashes ultracurtos, tão rápido que o material do substrato não é aquecido.
Os materiais baseados em óxidos de metal são uma classe de materiais promissora para a eletrônica impressa: eles podem ser condutores, semicondutores ou isolantes. Em comparação com as tintas baseadas em materiais orgânicos, os materiais óxidos têm uma maior mobilidade de elétrons, o que significa que eles têm o potencial de aumentar o desempenho dos elementos do circuito eletrônico impresso.
Ao mesmo tempo, os materiais óxidos são mais estáveis quando expostos ao ar. “Especialmente excitante é o óxido de índio e estanho: ele é altamente condutor e transparente ao mesmo tempo”, explica Romanyuk. Sua equipe recentemente teve sucesso na impressão de transistores de efeito de campo baseados em óxido usando uma impressora jato de tinta, o que poderia tornar possível criar circuitos transparentes em um substrato transparente no futuro.
Graças às possibilidades oferecidas pelo Coating Competence Center (CCC) da Empa, os resultados dos dois grupos de pesquisa não se limitam ao laboratório. “As tecnologias de impressão desenvolvidas são baseadas em equipamentos com os quais a indústria já está trabalhando”, explica Romanyuk. Isso permite uma rápida transição das descobertas científicas para a produção industrial de novos produtos eletrônicos impressos.
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