Visitas: 15
– Está en marcha una nueva revolución en la producción de circuitos electrónicos: los investigadores de Empa están trabajando en la electrónica que sale de las impresoras. Esto permite producir circuitos en todo tipo de sustratos, como papel o película plástica, pero aún quedan algunos obstáculos por superar.
Cortesía de EMPA de Karin Weinmann: Imagine poder imprimir fácilmente en cualquier superficie. Hoy en día, esto ya no es una utopía: la electrónica impresa es una tecnología emergente que le permite aplicar circuitos a varios sustratos, utilizando tinta e impresoras especiales.
Este no es un mercado pequeño: un nuevo informe de la asociación de la industria de la electrónica orgánica e impresa muestra que el sector ya se ha convertido en un mercado global de más de $ 35 mil millones, un mercado que se espera que continúe creciendo con fuerza en los próximos años.
Tradicionalmente, la fabricación de productos electrónicos ha sido un proceso complejo que requiere equipos costosos. Sin embargo, la Internet de las cosas requiere un nuevo tipo de electrónica: los circuitos ya no necesitan ser tan pequeños y rápidos como sea posible a toda costa, sino baratos y fáciles de fabricar, y al mismo tiempo, deben fabricarse en delgados y flexibles. sustratos. Esto incluye RFID en el empaque del producto, por ejemplo.
En el futuro, también serán concebibles aplicaciones de sensores simples en envases de leche, que indican cuando el contenido ya no es consumible, o en productos congelados, que indican si la cadena de frío se ha interrumpido.
Transistores de papel y película
Los investigadores de Empa Jakob Heier en el Laboratorio de Polímeros Funcionales y Yaroslav Romanyuk en el Laboratorio de Película Delgada y Fotovoltaica están trabajando con sus equipos para avanzar en la tecnología. Junto con investigadores del Paul Scherrer Institute y EPFL Lausanne, están trabajando en el proyecto de investigación “FOXIP”, abreviatura de “Functional OXIdes Printed on Polymers and Paper”.
El objetivo del proyecto es imprimir transistores de película fina en papel y películas de PET, utilizando una técnica de impresión que podría ser adecuada para su uso en la industria. Para ello se utilizan pinturas en las que se disuelven diminutas partículas de óxido metálico.
Se aplican al sustrato mediante diversas técnicas de impresión: impresión por contacto o impresión por inyección de tinta. “Por supuesto, no utilizamos impresoras de oficina normales para esto, sino equipos altamente especializados”, explica Romanyuk. En el Coating Competence Center de Empa, se pueden encontrar estos dispositivos de impresión. (ver cuadro)
Pero para poder imprimir circuitos de manera confiable sobre sustratos flexibles, primero se deben resolver una serie de desafíos: desde la optimización del sustrato en sí, hasta la composición de la tinta y la precisión de la tecnología de impresión, hasta el curado térmico de las capas sin dañar el papel. o película.
Empezando por el sustrato de impresión: suele ser flexible, por ejemplo, papel o una película de polímero, y no tiene una superficie completamente lisa, como es el caso de las obleas de silicio, que se utilizan para la fabricación de componentes electrónicos convencionales. . Esto dificulta mucho más la obtención de la precisión necesaria en la fabricación de los circuitos.
Como resultado, los componentes de la electrónica impresa son actualmente aproximadamente 1.000 más grandes que la microelectrónica producida por el proceso de fabricación convencional. “Pero eso no significa que los circuitos sean enormes: estamos hablando de imprimir con precisión en el rango de diez micrómetros, que es menor que el diámetro de un cabello”, explica Heier.
Materiales en forma de tinta
Otro desafío importante es cómo los materiales conductores, semiconductores y aislantes necesarios para construir circuitos se pueden convertir en pintura, y cómo se pueden convertir en un material continuo con las propiedades deseadas después del proceso de impresión.
Jakob Heier está investigando cómo se fabrican estas pinturas especiales. Una tinta incluye dos partes: pequeñas partículas del material funcional y solventes que se evaporan por sí solos después de la aplicación. Sin embargo, estos dos componentes generalmente no son suficientes: se deben agregar aglutinantes y aditivos adicionales para que la tinta sea estable e imprimible. Pero esto es un problema: si permanecen en la capa después de la aplicación, interrumpen la función deseada de los circuitos. Por tanto, deben quemarse. Sin embargo, esto requiere temperaturas relativamente altas y esto, a su vez, puede dañar el papel o la película en los que están impresos los componentes electrónicos.
Heier y su equipo están trabajando en el desarrollo de una tinta imprimible para capas de grafeno que requiera solo las partículas de grafeno y el solvente, en otras palabras, sin aditivos que deban quemarse.
Las capas impresas deben ser lo suficientemente estables para conservar las mismas propiedades conductoras, independientemente de si el material del sustrato, incluida la capa impresa, está doblado o incluso retorcido. “Si esto tiene éxito, estaremos un gran paso más cerca de la impresión en polímero o papel: al menos la impresión de pistas conductoras ya no requerirá un postratamiento a altas temperaturas”, explica Heier.
Un centro de competencia para recubrimientos
Cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la producción de revestimientos industriales: este es el objetivo del Coating Competence Center (CCC) de Empa. La investigación en la CCC se centra no solo en la electrónica impresa, sino también en materiales, procesos y tecnologías para recubrimientos: estos incluyen métodos para depositar capas delgadas sobre sustratos o fabricación aditiva, en la que los componentes se construyen capa a capa. La CCC está estructurada como una asociación público-privada: la idea es que todos los socios a lo largo de la cadena de valor, desde la ciencia hasta la industria, trabajen juntos para desarrollar nuevas tecnologías y encontrar soluciones creativas. El centro está abierto a colaboraciones de socios industriales y de investigación.
Con destellos de tinta para el transistor
La situación es diferente con las pinturas a base de nanopartículas de óxidos metálicos. Aquí, el llamado sinterizado, es decir, el tratamiento térmico de las capas impresas, es necesario para recombinar las partículas individuales disueltas en la tinta y así obtener una capa funcional.
Sin embargo, tanto el papel como las películas utilizadas son muy sensibles a la temperatura. Idealmente, por lo tanto, solo se deben calentar las capas de óxido metálico, pero el sustrato debe permanecer frío. “Usamos un método llamado ‘sinterización flash’”, explica Romanyuk. La capa impresa se calienta con destellos ultracortos, tan rápido que el material del sustrato no se calienta.
Los materiales a base de óxido metálico son una clase prometedora de materiales para la electrónica impresa: pueden ser conductores, semiconductores o aislantes. En comparación con las tintas basadas en materiales orgánicos, los materiales oxidados tienen una mayor movilidad de electrones, lo que significa que tienen el potencial de incrementar el rendimiento de los elementos del circuito electrónico impreso.
Al mismo tiempo, los materiales de óxido son más estables cuando se exponen al aire. “Especialmente interesante es el óxido de indio y estaño: es muy conductor y transparente al mismo tiempo”, explica Romanyuk. Su equipo logró recientemente imprimir transistores de efecto de campo basados en óxido utilizando una impresora de inyección de tinta, lo que podría hacer posible crear circuitos transparentes en un sustrato transparente en el futuro.
Gracias a las posibilidades que ofrece el Coating Competence Center (CCC) de Empa, los resultados de los dos grupos de investigación no se limitan al laboratorio. “Las tecnologías de impresión desarrolladas se basan en equipos con los que la industria ya está trabajando”, explica Romanyuk. Esto permite una rápida transición de los descubrimientos científicos a la producción industrial de nuevos productos electrónicos impresos.
Artículo relacionado: Súper imanes 3D imprimibles y sostenibles