03.08.2021 - Nanyang Technological University

Científicos de la NTU de Singapur crean sensores ultravioleta flexibles de alto rendimiento para su uso en wearables

Para permitir el desarrollo de dispositivos portátiles con funciones avanzadas de detección de rayos ultravioleta (UV), científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) han creado un nuevo tipo de sensor de luz que es flexible y altamente sensible.

Aunque son invisibles para el ojo humano, los rayos UV nos rodean en nuestro entorno, y una exposición excesiva puede provocar problemas de salud como el cáncer de piel y el envejecimiento prematuro de la misma. La intensidad de los rayos UV suele indicarse mediante un índice en los informes meteorológicos. Un dispositivo portátil, como una camiseta o un reloj que controle la exposición personal real a los rayos UV a lo largo del día, sería una guía útil y más precisa para las personas que desean evitar los daños del sol.

En su estudio, que aparece en la portada de la revista ACS Nano, los investigadores de la NTU informaron de que sus sensores flexibles de luz ultravioleta eran 25 veces más sensibles y 330 veces más sensibles que los sensores existentes, superando el nivel de rendimiento requerido para las aplicaciones optoelectrónicas, o electrónicas basadas en la luz.

Los sensores de luz ultravioleta, también conocidos como fotodetectores, se utilizan en una amplia gama de sistemas, desde los teléfonos inteligentes hasta las imágenes biomédicas. En las últimas décadas, el nitruro de galio (GaN) ha ganado protagonismo como material ideal para fabricar sensores de luz UV, en gran medida por sus superiores propiedades de emisión, regulación, transmisión y detección de la luz.

Sin embargo, la mayoría de los sensores UV basados en GaN se fabrican hoy en día en capas rígidas, lo que limita su uso en productos flexibles y portátiles.

Aunque otros investigadores han desarrollado sensores UV flexibles basados en GaN, no han alcanzado el nivel de rendimiento necesario para su uso en el estado de la técnica. Dos de sus mayores retos son la baja capacidad de respuesta y la escasa sensibilidad.

El invento de la NTU supera las limitaciones de los sensores de luz UV rígidos

El equipo de la NTU superó estas limitaciones creando sus sensores flexibles de luz ultravioleta en una oblea semiconductora de 8 pulgadas de diámetro, utilizando capas monocristalinas independientes de GaN y nitruro de aluminio y galio (AlGaN), dispuestas mediante membranas que constan de dos capas semiconductoras finas diferentes (membranas de heteroestructura).

Este tipo de estructura semiconductora, que puede fabricarse con métodos industriales compatibles ya existentes, permite que el material se doble fácilmente, lo que lo hace ideal para su uso en sensores flexibles. Al mismo tiempo, la composición química del material cambia con la profundidad, lo que significa que el alto rendimiento se mantiene incluso cuando se somete a tensión.

En las pruebas de laboratorio, los sensores flexibles de luz ultravioleta de la NTU creados con la novedosa combinación de AlGaN y GaN funcionaron con niveles de respuesta y sensibilidad extremadamente altos. Sometidos a múltiples pruebas de flexión y alta temperatura, también mantuvieron un buen rendimiento.

Bajo una serie de tensiones externas (de compresión, planas y de tracción), los sensores registraron un nivel de respuesta de entre 529 y 1340 amperios/vatios (unidad utilizada para medir la capacidad de un dispositivo de transferir una señal óptica a una señal eléctrica), lo que supone unas 100 veces más que los sensores UV existentes. Esta capacidad de respuesta se mantuvo estable después de 100 ciclos de flexión repetida, lo que demuestra su potencial para integrarse en los wearables.

La innovación abre la puerta a la tecnología flexible para llevar puesta la ropa con tecnología UV

El investigador principal, el profesor adjunto de la NTU Kim Munho, de la Escuela de Ingeniería Electrónica y Eléctrica, dijo que el alto rendimiento de los sensores de luz UV flexibles del equipo demuestra que sería factible fabricar componentes electrónicos ligeros y flexibles a gran escala para su uso en futuras aplicaciones relevantes basadas en la luz.

El logro del equipo de la NTU podría dar lugar a avances significativos en los dispositivos y circuitos optoelectrónicos UV, añadió el profesor adjunto Kim, ya que los ingenieros de producto podrían ahora esperar el desarrollo de sistemas portátiles con tecnología UV.

"Mientras que el rendimiento de la forma rígida de los sensores de luz ultravioleta basados en GaN ha mejorado mucho con varias innovaciones estructurales en los últimos años, la versión flexible sigue siendo incipiente y su rendimiento está muy por detrás del de sus homólogos rígidos", dijo el profesor Kim.

"Nuestros sensores flexibles de luz ultravioleta de alto rendimiento que hemos creado allanan el camino para una amplia gama de futuras aplicaciones portátiles, como la monitorización inteligente de la salud personal, en la que las personas pueden medir con precisión sus niveles de exposición a los rayos UV a lo largo del día para reducir el riesgo de cáncer de piel".

El cáncer de piel, uno de los tipos de cáncer más comunes en todo el mundo, está causado principalmente por la sobreexposición a la radiación UV del sol. En regiones como Australia, que tiene la mayor tasa de cáncer de piel del mundo, se calcula que aproximadamente 2 de cada 3 personas serán diagnosticadas de cáncer de piel al llegar a los 70 años, según datos recopilados por el Fondo Mundial de Investigación del Cáncer.

"El cáncer de piel puede prevenirse protegiendo la piel de la exposición excesiva al sol. En este contexto, un dispositivo portátil fiable que pudiera hacer un seguimiento de la exposición a los rayos UV podría ser una herramienta útil para ayudar a controlar la exposición recomendada, especialmente para aquellos que pasan mucho tiempo al aire libre", afirma el equipo de investigación.

Destacando la importancia del trabajo realizado por el equipo de investigación de la NTU, el profesor asociado Zhao Hongping, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Estatal de Ohio (EE.UU.), que no participa en la investigación, dijo: "Esta demostración en una plataforma flexible abre amplias oportunidades no sólo en los fotodetectores UV, sino también en otras aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos y electrónicos".

El proyecto de desarrollo de los sensores de luz UV flexibles llevó al equipo de la NTU dos años de diseño, fabricación y pruebas. En el futuro, los investigadores pretenden idear imágenes UV de tipo ocular y otras aplicaciones utilizando su innovación.

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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