Electrónica impresa:innovación flexible y de bajo costo para el mañana

Fabricación de productos electrónicos imprimibles de bajo coste

La necesidad de procesos de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente para fabricar chips biosensores y electrónicos imprimibles está creciendo rápidamente. La NASA ha desarrollado un enfoque único para un proceso basado en plasma a presión atmosférica para fabricar revestimientos funcionales y electrónicos imprimibles. Este sistema implica una impresión a temperatura ambiente asistida por aerosol en la que un aerosol que contiene el material deseado para su deposición se introduce en un chorro de plasma frío operado a presión atmosférica.

Los investigadores del MIT fabricaron un sello hecho con nanotubos de carbono que imprime tintas electrónicas sobre superficies rígidas y flexibles. (Sanha Kim y Dhanushkodi Mariappan)

La deposición es el resultado de la interacción del aerosol que contiene el material precursor con el plasma a presión atmosférica que contiene un gas primario. La deposición por plasma asistida por aerosol es un proceso sencillo y de alto rendimiento para impresión y creación de patrones que es fácilmente escalable para la producción industrial. Se pueden utilizar múltiples chorros para depositar diferentes materiales y el enfoque se puede adaptar a una variedad de plataformas.

Las aplicaciones comerciales del sistema incluyen tecnología biomédica, electrónica de consumo, papel electrónico, seguridad y comunicaciones.

“Estampado” de productos electrónicos mediante nanotubos

Los investigadores del estado de Iowa, Suprem Das (izquierda) y Jonathan Claussen, están utilizando láseres para tratar componentes electrónicos de grafeno impresos, como los impresos en una hoja de papel. (Christopher Gannon)

Imagine un envase de alimentos que muestra una advertencia digital de que los alimentos están a punto de echarse a perder, o una ventana de su casa que muestra el pronóstico del tiempo basado en mediciones de los niveles de temperatura y humedad del exterior.

Los ingenieros del MIT inventaron un proceso de impresión rápido y preciso que podría habilitar 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 como para controlar píxeles individuales en pantallas táctiles y de alta resolución. El proceso también puede proporcionar una forma rápida y relativamente económica de fabricar otras superficies electrónicas.

Debido a que técnicas como la impresión por inyección de tinta son difíciles de controlar a escalas muy pequeñas, tienden a producir patrones de “anillos de café” donde la tinta se derrama sobre los bordes, o impresiones desiguales que pueden dar lugar a circuitos incompletos. La nueva técnica utiliza un sello nanoporoso que permite que una solución de nanopartículas, o “tinta”, fluya uniformemente a través del sello y sobre cualquier superficie que se vaya a imprimir.

Los nanotubos de carbono crecen sobre una superficie de silicio en varios patrones, incluidos hexágonos en forma de panal y diseños en forma de flor. Los nanotubos están recubiertos con una fina capa de polímero para garantizar que la tinta penetre a través de los nanotubos y que los nanotubos no se encojan después de estampar la tinta. Luego, se infunde en el sello un pequeño volumen de tinta electrónica que contiene nanopartículas como plata, óxido de zinc o puntos cuánticos semiconductores.

La clave para imprimir patrones precisos y de alta resolución está en la cantidad de presión aplicada para estampar la tinta. Se desarrolló un modelo para predecir la cantidad de fuerza necesaria para estampar una capa uniforme de tinta sobre un sustrato y la concentración de nanopartículas en la tinta. Después de estampar patrones de tinta de varios diseños, el equipo probó la conductividad eléctrica de los patrones impresos. Después de calentar los diseños después del estampado, los patrones impresos eran altamente conductores y podían servir como electrodos transparentes de alto rendimiento. En el futuro, el equipo planea explorar la posibilidad de crear dispositivos electrónicos totalmente impresos.

El grafeno impreso tratado con láser permite la electrónica del papel

Un circuito de autorreparación impreso en la manga de una camiseta se conectó con una luz LED y una batería tipo botón. Se cortaron el circuito y la tela en la que estaba impreso, momento en el que el LED se apagó. En unos segundos, el LED se volvió a encender cuando los dos lados del circuito se unieron nuevamente y se sanaron.

El panal de grafeno y carbono tiene solo un átomo de espesor, conduce electricidad y calor y es fuerte y estable. Proyectos recientes que utilizaron impresoras de inyección de tinta para imprimir circuitos y electrodos de grafeno multicapa han llevado al uso del grafeno para productos electrónicos flexibles, portátiles y de bajo costo. Pero una vez impreso, el grafeno debe tratarse para mejorar la conductividad eléctrica y el rendimiento del dispositivo, lo que normalmente implica altas temperaturas o productos químicos que podrían degradar las superficies de impresión flexibles o desechables, como películas plásticas o incluso papel.

Investigadores de la Universidad Estatal de Iowa desarrollaron un método que utiliza láseres para tratar el grafeno. Al tratar electrodos y circuitos eléctricos de grafeno multicapa impresos con inyección de tinta con un proceso de láser pulsado, se mejoró la conductividad eléctrica sin dañar el papel, los 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 una tecnología láser controlada por computadora que irradia selectivamente óxido de grafeno impreso por inyección de tinta. El tratamiento elimina los aglutinantes de tinta y reduce el óxido de grafeno a grafeno, uniendo físicamente millones de diminutas hojuelas de grafeno. El proceso mejora la conductividad eléctrica mil veces más. 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 pequeños pétalos que se elevan desde la superficie. La estructura rugosa y estriada aumenta la reactividad electroquímica del grafeno, lo que lo hace útil para sensores químicos y biológicos.

El trabajo allana el camino para la creación de electrodos electroquímicos basados en grafeno desechables y de bajo costo para aplicaciones que incluyen 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 se puede utilizar para fabricar baterías autorreparadoras, sensores electroquímicos y circuitos eléctricos portátiles de base textil. La tinta está hecha de micropartículas orientadas en una determinada configuración mediante un campo magnético que permite que las partículas de ambos lados de una lágrima se atraigan magnéticamente entre sí, lo que hace que el dispositivo impreso con la tinta se cure solo. Los dispositivos reparan desgarros de hasta 3 milímetros de ancho.

Los materiales de autocuración 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 ningún catalizador externo para funcionar y los daños se reparan en aproximadamente 0,05 segundos.

La tinta se utilizó para imprimir baterías, sensores electroquímicos y circuitos eléctricos portátiles de base textil. Luego, los dispositivos se dañaban cortándolos y separándolos para crear huecos cada vez más amplios. Los dispositivos aún se curaron solos y recuperaron su función perdiendo una cantidad mínima de conductividad.

Se imprimió un circuito de autorreparación en la manga de una camiseta y se conectó con una luz LED y una batería tipo botón. Se cortaron tanto el circuito como la tela en la que estaba impreso. En ese momento, el LED se apagó. En unos segundos, el LED comenzó a encenderse nuevamente cuando los dos lados del circuito se unieron nuevamente y se curaron, restaurando la conductividad. En el futuro, los ingenieros imaginan fabricar diferentes tintas con diferentes ingredientes para una amplia gama de aplicaciones.

Recursos

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news