Electrónica impresa: innovación flexible y de bajo coste para el futuro

Fabricación de electrónica impresa de bajo coste

La necesidad de procesos de bajo coste y respetuosos con el medio ambiente para fabricar electrónica impresa y chips de biosensores crece rápidamente. La NASA ha desarrollado un enfoque único para un proceso basado en plasma a presión atmosférica para fabricar electrónica impresa y recubrimientos funcionales. Este sistema implica impresión a temperatura ambiente asistida por aerosol en la que un aerosol que transporta el material deseado para deposición se introduce en un chorro de plasma frío operado a presión atmosférica.

La deposición resulta de la interacción del aerosol que contiene el material precursor con el plasma a presión atmosférica que contiene un gas primario. La deposición asistida por plasma y aerosol es un proceso de alto rendimiento y facilidad para imprimir y patrón que es fácilmente escalable para producción industrial. Se pueden usar múltiples chorros para depositar diferentes materiales, y el enfoque puede adaptarse a una variedad de plataformas.

Aplicaciones comerciales incluyen tecnología biomédica, electrónica de consumo, papel electrónico, seguridad y comunicaciones.

"Estampado" de electrónica usando nanotubos

Imagine envases de alimentos que muestren una advertencia digital de que el alimento está a punto de estropearse, o una ventana en su casa que muestre el pronóstico del tiempo basado en mediciones de temperatura y humedad exterior.

Ingenieros del MIT inventaron un proceso de impresión rápido y preciso que podría permitir estas superficies electrónicas. El equipo desarrolló un sello hecho de nanotubos de carbono que puede imprimir tintas electrónicas sobre superficies rígidas y flexibles. El proceso debería poder imprimir transistores lo suficientemente pequeños para controlar píxeles individuales en pantallas de alta resolución y pantallas táctiles. El proceso también puede proporcionar una forma relativamente barata y rápida de fabricar otras superficies electrónicas.

Dado que técnicas como la impresión por inyección de tinta son difíciles de controlar a escalas muy pequeñas, tienden a producir patrones de "anillo de café" donde la tinta se desborda por los bordes, o impresiones irregulares que pueden llevar a circuitos incompletos. La nueva técnica usa un sello nanoporoso que permite que una solución de nanopartículas, o "tinta", fluya uniformemente a través del sello y sobre la superficie a imprimir.

Los nanotubos de carbono se crecen sobre una superficie de silicio en varios patrones, incluyendo hexágonos tipo panal y diseños con forma de flor. Los nanotubos se recubren con una fina capa de polímero para asegurar que la tinta penetre por todo el nanotubo, y que los nanotubos no se encojan tras el estampado. El sello se infunde entonces con un pequeño volumen de tinta electrónica que contiene nanopartículas como plata, óxido de zinc, o puntos cuánticos de semiconductor.

La clave para imprimir patrones precisos de alta resolución está en la cantidad de presión aplicada para estampar la tinta. Se desarrolló un modelo para predecir la fuerza necesaria para estampar una capa uniforme de tinta sobre un sustrato, y la concentración de nanopartículas en la tinta. Tras estampar patrones de tinta de varios diseños, el equipo probó la conductividad eléctrica de los patrones impresos. Tras calentar los diseños tras el estampado, los patrones impresos eran altamente conductivos, y podían servir como electrodos transparentes de alto rendimiento. De cara al futuro, el equipo planea explorar la posibilidad de electrónica totalmente impresa.

Grafeno impreso tratado con láseres permite electrónica en papel

El grafeno en panal de carbono es de solo un átomo de espesor, conduce electricidad y calor, y es fuerte y estable. Proyectos recientes que usaron impresoras de inyección de tinta para imprimir circuitos y electrodos de grafeno multicapa han llevado al uso del grafeno para electrónica flexible, portable y de bajo coste. Pero una vez impreso, el grafeno debe tratarse para mejorar la conductividad eléctrica y el rendimiento del dispositivo, lo que suele significar altas temperaturas o químicos que podrían degradar superficies de impresión flexibles o desechables como películas plásticas o incluso papel.

Investigadores de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron un método que usa láseres para tratar el grafeno. Al tratar circuitos eléctricos y electrodos de grafeno multicapa impresos por inyección de tinta con un proceso de láser pulsado, la conductividad eléctrica mejoró sin dañar papel, polímeros, u otras superficies de impresión frágiles.

El grafeno impreso por inyección de tinta se transforma en un material conductor capaz de usarse en nuevas aplicaciones como sensores con usos biológicos, sistemas de almacenamiento de energía, componentes conductores eléctricos, y electrónica basada en papel.

Los ingenieros desarrollaron tecnología láser controlada por computadora que irradia selectivamente óxido de grafeno impreso por inyección de tinta. El tratamiento elimina aglutinantes de tinta y reduce óxido de grafeno a grafeno, cosiendo físicamente millones de diminutos copos de grafeno. El proceso hace que la conductividad eléctrica sea más de mil veces mejor. El procesamiento láser localizado también cambia la forma y estructura del grafeno impreso de una superficie plana a una con nanoestructuras 3D elevadas que se asemejan a diminutos pétalos emergiendo de la superficie. La estructura rugosa y acanalada aumenta la reactividad electroquímica del grafeno, haciéndolo útil para sensores químicos y biológicos.

El trabajo allana el camino para la creación de electrodos electroquímicos basados en grafeno de bajo coste y desechables para aplicaciones incluyendo sensores, biosensores, celdas de combustible, y dispositivos médicos.

Dispositivos electrónicos "impresos" con tinta magnética

Ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UCSD) desarrollaron una tinta magnética que puede usarse para fabricar baterías auto-reparables, sensores electroquímicos, y circuitos eléctricos textiles portables. La tinta está hecha de micropartículas orientadas en una cierta configuración por un campo magnético que permite que partículas en ambos lados de un desgarro se atraigan magnéticamente, haciendo que un dispositivo impreso con la tinta se repare a sí mismo. Los dispositivos reparan desgarros de hasta 3 milímetros de ancho.

Los materiales auto-reparables existentes requieren un disparador externo para iniciar el proceso de curación. También tardan entre unos minutos y varios días en funcionar. El nuevo sistema no requiere catalizador externo, y el daño se repara en unos 0,05 segundos.

La tinta se usó para imprimir baterías, sensores electroquímicos, y circuitos eléctricos textiles portables. Luego los dispositivos se dañaron cortándolos y separándolos para crear huecos cada vez más anchos. Los dispositivos se repararon a sí mismos y recuperaron su función perdiendo una cantidad mínima de conductividad.

Un circuito auto-reparable se imprimió en la manga de una camiseta y se conectó con un LED y una pila de botón. El circuito y la tela fueron cortados. En ese momento, el LED se apagó. En pocos segundos, el LED volvió a encenderse al unirse los dos lados del circuito y auto-repararse, restaurando la conductividad. En el futuro, los ingenieros prevén fabricar diferentes tintas con distintos ingredientes para una amplia gama de aplicaciones.

Recursos

• www.nasa.gov/centers/ames
• www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink
• https://news.mit.edu
• https://www.news.iastate.edu/news