11.09.2020 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

El transistor de la impresora

Una nueva revolución en la producción de circuitos electrónicos está en camino

Los investigadores de Empa están trabajando en la electrónica que sale de las impresoras. Esto hace posible producir los circuitos en todo tipo de sustratos, como el papel o la película plástica, pero todavía hay algunos obstáculos que superar.

Imagina poder imprimir fácilmente electrónica en cualquier superficie. Hoy en día, esto ya no es una utopía: "Electrónica impresa" es una tecnología emergente que permite aplicar circuitos a varios sustratos - usando tinta e impresoras especiales. Este no es de ninguna manera 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 con un valor de más de 35 mil millones de dólares americanos - un mercado que se espera que siga creciendo fuertemente en los próximos años.

Tradicionalmente, la fabricación de productos electrónicos ha sido un proceso complejo que requiere un equipo costoso. Sin embargo, el Internet de las cosas requiere un nuevo tipo de electrónica: Los circuitos ya no tienen que ser tan pequeños y rápidos como sea posible a toda costa, sino baratos y fáciles de fabricar - y al mismo tiempo deben ser realizables en sustratos delgados y flexible. Esto incluye RFID en el embalaje de los productos, por ejemplo. En el futuro, también se pueden concebir aplicaciones para sensores sencillos en los cartones de leche, que indican cuando el contenido ya no es consumible, o en los productos congelados, que señalan si la cadena de frío se ha interrumpido.

Transistores en papel y película

Los investigadores de Empa, Jakob Heier del Laboratorio de Polímeros Funcionales y Yaroslav Romanyuk del Laboratorio de Películas Finas y Fotovoltaica están trabajando con sus equipos para avanzar en la tecnología. Junto con los investigadores del Instituto Paul Scherrer y la EPFL de Lausana, están trabajando en el proyecto de investigación "FOXIP", abreviatura de "OXIdas Funcionales Impresos en Polímeros y Papel". El objetivo del proyecto es imprimir transistores delgados -film en papel y PET films - utilizando una técnica de impresión que podría ser adecuada para su uso en la industria. Para ello se utilizan tintas en las que se disuelven diminutas partículas de óxidos metálicos. Estas se aplican al sustrato utilizando varias técnicas de impresión - impresión por contacto o una impresora de inyección de tinta. "Por supuesto, no utilizamos las impresoras normales de office para esto, sino equipos altamente especializados", explica Romanyuk. En el Centro de Competencia de Recubrimientos de Empa se pueden encontrar estos dispositivos de impresión. (ver cuadro)

Pero para poder imprimir de forma fiable los circuitos en los sustratos de flexible, se deben resolver una serie de retos en first: Desde la optimización del propio sustrato, pasando por 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 film.

Empezando por el sustrato de impresión: A menudo se trata de flexible - por ejemplo, el papel o un polímero film - 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 hace que sea mucho más difficult para lograr la precisión necesaria en la fabricación de los circuitos. Como resultado, los componentes de la electrónica impresa son actualmente alrededor de un factor de 1.000 más grande que la microelectrónica producida por el proceso de fabricación convencional. "Pero eso no significa que los circuitos sean enormes: estamos hablando de impresión con precisiones en el rango de diez micrómetros, que es menos del diámetro de un cabello", explica Heier.

Los materiales en forma de tinta

Otro desafío importante es cómo se pueden llevar los materiales conductores, semiconductores y aislantes, necesarios para la construcción de circuitos, a la forma de tinta, y cómo se pueden convertir en un material continuo con las propiedades de desensibilización después del proceso de impresión.

Jakob Heier está investigando cómo se construyen estas tintas especiales. Una tinta consta de dos partes: pequeñas partículas del material funcional y disolventes que se evaporan por sí solos después de la aplicación. Sin embargo, estos dos componentes a menudo no son sufficient: Se deben añadir aglutinantes y aditivos adicionales para que la tinta sea estable y pueda imprimirse. Pero estos son un problema: si permanecen en la capa después de la aplicación, perturban la función deseada de los circuitos. Por lo tanto, deben ser quemados. Sin embargo, esto requiere temperaturas relativamente altas - y esto a su vez puede dañar el papel o film en el que se imprime la electrónica.

Heier y su equipo están trabajando en el desarrollo de una tinta imprimible para las capas de grafeno que sólo requiere las partículas de grafeno y el disolvente - en otras palabras, no hay aditivos que tengan que ser quemados. Las capas impresas deben ser lo suficientemente estables como para conservar las mismas propiedades conductoras, independientemente de que el material del sustrato, incluida la capa impresa, esté doblado o incluso torcido. "Si esto tiene éxito, estaremos un gran paso más cerca de la impresión en polímero o papel: por lo menos la impresión de las pistas conductoras ya no requerirá un tratamiento posterior a temperaturas elevadas", explica Heier.

Con los flashes de la tinta al transistor

La situación es diferente con las tintas basadas en nanopartículas de óxido metálico. Aquí, la llamada sinterización, es decir, el tratamiento térmico de las capas impresas, es necesaria para recombinar las partículas individuales disueltas en la tinta y obtener así una capa funcional. Sin embargo, tanto el papel como el films utilizado son muy sensibles a la temperatura. Por lo tanto, lo ideal sería que sólo se calentaran las capas de óxido metálico, pero el sustrato debería permanecer frío. "Utilizamos un método llamado 'flash sinterización'", explica Romanyuk. La capa impresa se calienta con ultracorta flashes, tan rápido que el material del sustrato no se calienta.

Los materiales basados en óxidos metálicos son una clase de material prometedor para la electrónica impresa: pueden ser conductores, semiconductores o aislantes. En comparación con las tintas basadas en materiales orgánicos, los materiales de óxido tienen una mayor movilidad de los electrones, lo que significa que tienen el potencial de aumentar el rendimiento de los elementos de los circuitos electrónicos impresos. Al mismo tiempo, los materiales de óxido son más estables cuando se exponen al aire. "Especialmente excitante es el óxido de indio-estaño: Es altamente conductivo y transparente al mismo tiempo", explica Romanyuk. Su equipo ha logrado recientemente imprimir transistores de efecto de óxido field utilizando una impresora de inyección de tinta, lo que podría hacer posible la creación de circuitos transparentes en un sustrato transparente en el futuro. Gracias a las posibilidades que ofrece el Centro de Competencia de Recubrimientos (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 avances de scientific a la producción industrial de nueva electrónica impresa.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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