La electrónica impresa es un conjunto de métodos de impresión utilizados para crear dispositivos eléctricos sobre diversos sustratos. La impresión suele utilizar equipos de impresión comunes adecuados para definir patrones sobre el material, como serigrafía , flexografía , huecograbado , litografía offset e inyección de tinta . Según los estándares de la industria electrónica, estos son procesos de bajo coste. Se depositan tintas electrónicas u ópticas eléctricamente funcionales sobre el sustrato, creando dispositivos activos o pasivos, como transistores de película fina , condensadores, bobinas y resistencias . Algunos investigadores esperan que la electrónica impresa facilite la difusión de la electrónica de muy bajo coste y bajo rendimiento para aplicaciones como pantallas flexibles , etiquetas inteligentes , carteles decorativos y animados y ropa deportiva que no requieren un alto rendimiento. [1]
El término electrónica impresa se relaciona a menudo [ ¿por quién? ] con la electrónica orgánica o electrónica plástica , en la que una o más tintas están compuestas de compuestos a base de carbono. [2] [ necesita cita para verificar ] Estos otros términos se refieren al material de tinta, que se puede depositar mediante procesos basados en solución, en vacío u otros. La electrónica impresa, por el contrario, especifica el proceso y, sujeto a los requisitos específicos del proceso de impresión seleccionado, puede utilizar cualquier material basado en solución. Esto incluye semiconductores orgánicos , semiconductores inorgánicos , conductores metálicos, nanopartículas y nanotubos . La solución generalmente consiste en materiales de relleno dispersos en un solvente adecuado. Los disolventes más utilizados son el etanol, el xileno, la dimetilformamida (DMF), el dimetilsulfóxido (DMSO), el tolueno y el agua, mientras que los rellenos conductores más habituales son las nanopartículas de plata, las láminas de plata, el negro de carbono, el grafeno, los nanotubos de carbono, los polímeros conductores (como la polianilina y el polipirrol) y los polvos metálicos (como el cobre o el níquel). Teniendo en cuenta el impacto medioambiental de los disolventes orgánicos, los investigadores se centran ahora en desarrollar iks imprimibles utilizando agua. [3] [4] [5]
Para la preparación de la electrónica impresa se emplean casi todos los métodos de impresión industriales. De manera similar a la impresión convencional, la electrónica impresa aplica capas de tinta una sobre otra. [6] Por lo tanto, el desarrollo coherente de métodos de impresión y materiales de tinta son tareas esenciales de este campo. [7]
El beneficio más importante de la impresión es la fabricación en serie a bajo costo. [ cita requerida ] El menor costo permite su uso en más aplicaciones. [8] Un ejemplo son los sistemas RFID , que permiten la identificación sin contacto en el comercio y el transporte. En algunos dominios, como los diodos emisores de luz , la impresión no afecta el rendimiento. [6] La impresión en sustratos flexibles permite colocar dispositivos electrónicos en superficies curvas, por ejemplo: imprimir células solares en techos de vehículos. Más típicamente, los semiconductores convencionales justifican sus costos mucho más altos al proporcionar un rendimiento mucho mayor.
La resolución máxima requerida de las estructuras en la impresión convencional está determinada por el ojo humano. Los tamaños de características menores a aproximadamente 20 μm no pueden ser distinguidos por el ojo humano y, en consecuencia, exceden las capacidades de los procesos de impresión convencionales. [9] En cambio, en la mayoría de las impresiones electrónicas se necesitan resoluciones más altas y estructuras más pequeñas, porque afectan directamente a la densidad y funcionalidad de los circuitos (especialmente transistores). Un requisito similar se aplica a la precisión con la que se imprimen las capas una sobre otra (registro capa a capa).
El control del espesor, los orificios y la compatibilidad de los materiales (humectación, adhesión, solubilidad) son esenciales, pero en la impresión convencional sólo importan si el ojo puede detectarlos. Por el contrario, la impresión visual es irrelevante para la electrónica impresa. [10]
El atractivo de la tecnología de impresión para la fabricación de productos electrónicos se debe principalmente a la posibilidad de preparar pilas de capas microestructuradas (y, por lo tanto, dispositivos de película delgada) de una manera mucho más simple y rentable en comparación con la electrónica convencional. [11] Además, la capacidad de implementar funcionalidades nuevas o mejoradas (por ejemplo, flexibilidad mecánica) juega un papel importante. La selección del método de impresión utilizado está determinada por los requisitos relacionados con las capas impresas, por las propiedades de los materiales impresos, así como por consideraciones económicas y técnicas de los productos impresos finales.
Las tecnologías de impresión se dividen entre enfoques basados en hojas y basados en rollo a rollo . La impresión por inyección de tinta y la serigrafía basadas en hojas son mejores para trabajos de bajo volumen y alta precisión. El huecograbado , la impresión offset y la flexografía son más comunes para la producción de alto volumen, como las células solares, que alcanzan los 10.000 metros cuadrados por hora (m2 / h). [9] [11] Mientras que la impresión offset y flexográfica se utilizan principalmente para conductores inorgánicos [12] [13] y orgánicos [14] [15] (estos últimos también para dieléctricos), [16] la impresión por huecograbado es especialmente adecuada para capas sensibles a la calidad como semiconductores orgánicos e interfaces semiconductor/dieléctrico en transistores, debido a la alta calidad de la capa. [16] Si se necesita alta resolución, el huecograbado también es adecuado para conductores inorgánicos [17] y orgánicos [18] . Los transistores de efecto de campo orgánicos y los circuitos integrados se pueden preparar completamente mediante métodos de impresión en masa. [16]
Los chorros de tinta son flexibles y versátiles, y se pueden configurar con un esfuerzo relativamente bajo. [19] Sin embargo, los chorros de tinta ofrecen un rendimiento menor de alrededor de 100 m 2 /h y una resolución menor (aproximadamente 50 μm). [9] Es muy adecuado para materiales solubles de baja viscosidad como semiconductores orgánicos. Con materiales de alta viscosidad, como dieléctricos orgánicos, y partículas dispersas, como tintas metálicas inorgánicas, ocurren dificultades debido a la obstrucción de la boquilla. Debido a que la tinta se deposita a través de gotitas, se reduce el espesor y la homogeneidad de la dispersión. El uso de muchas boquillas simultáneamente y la preestructuración del sustrato permiten mejoras en la productividad y la resolución, respectivamente. Sin embargo, en el último caso se deben emplear métodos sin impresión para el paso de patrón real. [20] La impresión por chorro de tinta es preferible para semiconductores orgánicos en transistores de efecto de campo orgánicos (OFET) y diodos orgánicos emisores de luz (OLED), pero también se han demostrado OFET completamente preparados por este método. [21] Los planos frontales [22] y posteriores [23] de pantallas OLED, circuitos integrados, [24] células fotovoltaicas orgánicas (OPVC) [25] y otros dispositivos se pueden preparar con inyección de tinta.
La serigrafía es apropiada para fabricar componentes eléctricos y electrónicos debido a su capacidad para producir capas gruesas y estampadas a partir de materiales pastosos. Este método puede producir líneas conductoras a partir de materiales inorgánicos (por ejemplo, para placas de circuitos y antenas), pero también capas aislantes y pasivantes, en las que el espesor de la capa es más importante que la alta resolución. Su rendimiento de 50 m 2 /h y su resolución de 100 μm son similares a las de la inyección de tinta. [9] Este método versátil y comparativamente simple se utiliza principalmente para capas conductoras y dieléctricas, [26] [27] pero también se pueden imprimir semiconductores orgánicos, por ejemplo, para OPVC, [28] e incluso OFET completos [22] .
La impresión por chorro de aerosol (también conocida como deposición de materiales a mesoescala sin máscara o M3D) [29] es otra tecnología de deposición de materiales para la electrónica impresa. El proceso de chorro de aerosol comienza con la atomización de una tinta, a través de medios ultrasónicos o neumáticos, produciendo gotas del orden de uno a dos micrómetros de diámetro. Las gotas luego fluyen a través de un impactador virtual que desvía las gotas que tienen un momento menor lejos de la corriente. Este paso ayuda a mantener una distribución ajustada del tamaño de las gotas. Las gotas son arrastradas en una corriente de gas y enviadas al cabezal de impresión. Aquí, se introduce un flujo anular de gas limpio alrededor de la corriente de aerosol para concentrar las gotas en un haz de material estrechamente colimado. Las corrientes de gas combinadas salen del cabezal de impresión a través de una boquilla convergente que comprime la corriente de aerosol a un diámetro tan pequeño como 10 μm. El chorro de gotas sale del cabezal de impresión a alta velocidad (~50 metros/segundo) e incide sobre el sustrato.
Las interconexiones eléctricas, los componentes pasivos y activos [30] se forman moviendo el cabezal de impresión, equipado con un obturador mecánico de inicio/detención, en relación con el sustrato. Los patrones resultantes pueden tener características que van desde 10 μm de ancho, con espesores de capa de decenas de nanómetros a >10 μm. [31] Un cabezal de impresión de boquilla ancha permite la creación de patrones eficientes de características electrónicas de tamaño milimétrico y aplicaciones de recubrimiento de superficies. Toda la impresión se produce sin el uso de cámaras de vacío o presión. La alta velocidad de salida del chorro permite una separación relativamente grande entre el cabezal de impresión y el sustrato, normalmente de 2 a 5 mm. Las gotas permanecen estrechamente enfocadas a lo largo de esta distancia, lo que da como resultado la capacidad de imprimir patrones conformes sobre sustratos tridimensionales.
A pesar de la alta velocidad, el proceso de impresión es suave; no se producen daños en el sustrato y, por lo general, las salpicaduras o el rociado excesivo de las gotas son mínimos. [32] Una vez que se completa el diseño, la tinta impresa generalmente requiere un tratamiento posterior para lograr las propiedades eléctricas y mecánicas finales. El tratamiento posterior depende más de la combinación específica de tinta y sustrato que del proceso de impresión. Se ha depositado con éxito una amplia gama de materiales con el proceso Aerosol Jet, incluidas pastas de película gruesa diluidas, tintas de polímeros conductores, [33] polímeros termoendurecibles como epoxis curables por UV y polímeros a base de solventes como poliuretano y poliimida, y materiales biológicos. [34]
Recientemente, se propuso utilizar papel de impresión como sustrato para la impresión. Se pueden imprimir trazos de alta resolución y alta conductividad (similares al cobre a granel) en papeles de impresión de oficina plegables y disponibles, con una temperatura de curado de 80 °C y un tiempo de curado de 40 minutos. [35]
La impresión por evaporación utiliza una combinación de serigrafía de alta precisión con vaporización de material para imprimir características de hasta 5 μm . Este método utiliza técnicas como la impresión térmica, por haz de electrones, por pulverización catódica y otras tecnologías de producción tradicionales para depositar materiales a través de una máscara de sombra de alta precisión (o esténcil) que se registra en el sustrato con una precisión mejor que 1 μm. Al superponer diferentes diseños de máscaras y/o ajustar los materiales, se pueden construir circuitos confiables y rentables de forma aditiva, sin el uso de fotolitografía.
Otros métodos con similitudes con la impresión, entre ellos la impresión por microcontacto y la litografía de nanoimpresión , son de interés. [36] Aquí, las capas de tamaño μm y nm, respectivamente, se preparan mediante métodos similares a la estampación con formas blandas y duras, respectivamente. A menudo, las estructuras reales se preparan de forma sustractiva, por ejemplo, mediante la deposición de máscaras de grabado o mediante procesos de despegue. Por ejemplo, se pueden preparar electrodos para OFET. [37] [38] Esporádicamente, la tampografía se utiliza de forma similar. [39] Ocasionalmente, los denominados métodos de transferencia, en los que las capas sólidas se transfieren de un soporte al sustrato, se consideran electrónica impresa. [40] La electrofotografía no se utiliza actualmente en la electrónica impresa.
Para la electrónica impresa se utilizan materiales tanto orgánicos como inorgánicos. Los materiales de tinta deben estar disponibles en forma líquida, para solución, dispersión o suspensión. [41] Deben funcionar como conductores, semiconductores, dieléctricos o aislantes. Los costos de los materiales deben ser adecuados para la aplicación.
La funcionalidad electrónica y la capacidad de impresión pueden interferir entre sí, lo que exige una optimización cuidadosa. [10] Por ejemplo, un mayor peso molecular en los polímeros mejora la conductividad, pero disminuye la solubilidad. Para la impresión, la viscosidad, la tensión superficial y el contenido de sólidos deben controlarse estrictamente. Las interacciones entre capas, como la humectación, la adhesión y la solubilidad, así como los procedimientos de secado posteriores a la deposición, afectan el resultado. Los aditivos que se utilizan a menudo en las tintas de impresión convencionales no están disponibles porque a menudo anulan la funcionalidad electrónica.
Las propiedades de los materiales determinan en gran medida las diferencias entre la electrónica impresa y la convencional. Los materiales imprimibles ofrecen ventajas decisivas además de la capacidad de impresión, como la flexibilidad mecánica y el ajuste funcional mediante modificación química (por ejemplo, el color de la luz en los OLED). [42]
Los conductores impresos ofrecen menor conductividad y movilidad del portador de carga. [43]
Con algunas excepciones, los materiales de tinta inorgánica son dispersiones de micro y nanopartículas metálicas o semiconductoras. Las nanopartículas semiconductoras utilizadas incluyen silicio [44] y semiconductores de óxido. [45] El silicio también se imprime como precursor orgánico [46] que luego se convierte mediante pirólisis y recocido en silicio cristalino.
En la electrónica impresa es posible utilizar PMOS , pero no CMOS . [47]
La electrónica impresa orgánica integra conocimientos y desarrollos de la impresión, la electrónica, la química y la ciencia de los materiales, especialmente de la química orgánica y de polímeros. Los materiales orgánicos difieren en parte de la electrónica convencional en términos de estructura, funcionamiento y funcionalidad, [48] lo que influye en el diseño y la optimización de dispositivos y circuitos, así como en el método de fabricación. [49]
El descubrimiento de polímeros conjugados [43] y su desarrollo en materiales solubles proporcionaron los primeros materiales de tinta orgánicos. Los materiales de esta clase de polímeros poseen diversas propiedades conductoras , semiconductoras , electroluminiscentes , fotovoltaicas y otras. Otros polímeros se utilizan principalmente como aislantes y dieléctricos .
En la mayoría de los materiales orgánicos, el transporte de huecos se ve favorecido por sobre el transporte de electrones. [50] Estudios recientes indican que esta es una característica específica de las interfaces semiconductoras/dieléctricas orgánicas, que desempeñan un papel importante en los OFET. [51] Por lo tanto, los dispositivos de tipo p deberían predominar sobre los de tipo n. La durabilidad (resistencia a la dispersión) y la vida útil son menores que las de los materiales convencionales. [47]
Los semiconductores orgánicos incluyen los polímeros conductores poli(3,4-etileno dioxitiofeno), dopado con poli( sulfonato de estireno ), ( PEDOT:PSS ) y poli( anilina ) (PANI). Ambos polímeros están disponibles comercialmente en diferentes formulaciones y se han impreso mediante inyección de tinta [52] , serigrafía [26] e impresión offset [14] o serigrafía [26] , flexografía [15] y huecograbado [18] , respectivamente.
Los semiconductores poliméricos se procesan mediante impresión por inyección de tinta, como los poli(tiopentenos) como el poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) [53] y el poli(9,9-dioctilfluoreno co-bitiofeno) (F8T2). [54] Este último material también se ha impreso en huecograbado. [16] Se utilizan diferentes polímeros electroluminiscentes con impresión por inyección de tinta, [20] así como materiales activos para energía fotovoltaica (por ejemplo, mezclas de P3HT con derivados de fulerenos ), [55] que en parte también se pueden depositar mediante serigrafía (por ejemplo, mezclas de poli(fenileno vinílico) con derivados de fulerenos). [28]
Existen aislantes y dieléctricos orgánicos e inorgánicos imprimibles, que pueden procesarse con diferentes métodos de impresión. [56]
La electrónica inorgánica proporciona capas e interfaces altamente ordenadas que los materiales orgánicos y poliméricos no pueden proporcionar.
Las nanopartículas de plata se utilizan en flexografía, [13] offset [57] e inyección de tinta. [58] Las partículas de oro se utilizan en inyección de tinta. [59]
Las pantallas electroluminiscentes (EL) multicolores de CA pueden cubrir varias decenas de metros cuadrados o incorporarse en esferas de relojes y pantallas de instrumentos. Consisten en seis u ocho capas inorgánicas impresas, incluido un fósforo dopado con cobre, sobre un sustrato de película de plástico. [60]
Las células CIGS se pueden imprimir directamente sobre láminas de vidrio recubiertas de molibdeno .
Una célula solar de germanio y arseniuro de galio impresa demostró una eficiencia de conversión del 40,7 %, ocho veces la de las mejores células orgánicas, acercándose al mejor rendimiento del silicio cristalino. [60]
La electrónica impresa permite el uso de sustratos flexibles, lo que reduce los costos de producción y permite la fabricación de circuitos mecánicamente flexibles. Mientras que la impresión por inyección de tinta y la serigrafía suelen imprimir sustratos rígidos como el vidrio y el silicio, los métodos de impresión en masa utilizan casi exclusivamente láminas y papel flexibles. La lámina de poli(tereftalato de etileno) (PET) es una opción común, debido a su bajo costo y estabilidad de temperatura moderadamente alta. [61] El poli(naftalato de etileno) (PEN) y la lámina de poli(imida) (PI) son alternativas de mayor rendimiento y mayor costo. Los bajos costos del papel y sus múltiples aplicaciones lo convierten en un sustrato atractivo, sin embargo, su alta rugosidad y alta humectabilidad lo han hecho tradicionalmente problemático para la electrónica. Sin embargo, esta es un área de investigación activa [62] y se han demostrado técnicas de deposición de metal compatibles con la impresión que se adaptan a la geometría de superficie 3D rugosa del papel. [63] [64]
Otros criterios importantes para el sustrato son la baja rugosidad y la humectabilidad adecuada, que se pueden ajustar antes del tratamiento mediante el uso de recubrimiento o descarga corona . A diferencia de la impresión convencional, la alta absorción suele ser desventajosa.
Se atribuye a Albert Hanson, un alemán de nacimiento, haber introducido el concepto de electrónica impresa. En 1903 presentó una patente para "cables impresos", y así nació la electrónica impresa. [65] Hanson propuso formar un patrón de placa de circuito impreso en una lámina de cobre mediante corte o estampado. Los elementos dibujados se pegaban al dieléctrico, en este caso, papel parafinado. [66] El primer circuito impreso fue producido en 1936 por Paul Eisler, y ese proceso se utilizó para la producción a gran escala de radios en los EE. UU. durante la Segunda Guerra Mundial. La tecnología de circuitos impresos se lanzó para uso comercial en los EE. UU. en 1948 (Printed Circuits Handbook, 1995). En el más de medio siglo desde su inicio, la electrónica impresa ha evolucionado desde la producción de placas de circuito impreso (PCB), pasando por el uso cotidiano de interruptores de membrana, hasta las tecnologías RFID, fotovoltaicas y electroluminiscentes actuales. [67] Hoy en día es casi imposible mirar alrededor de un hogar americano moderno y no ver dispositivos que utilizan componentes electrónicos impresos o que son el resultado directo de tecnologías electrónicas impresas. La producción generalizada de electrónica impresa para uso doméstico comenzó en la década de 1960, cuando la placa de circuito impreso se convirtió en la base de toda la electrónica de consumo. Desde entonces, la electrónica impresa se ha convertido en una piedra angular en muchos nuevos productos comerciales. [68]
La mayor tendencia en la historia reciente en lo que se refiere a la electrónica impresa es su uso generalizado en células solares. En 2011, investigadores del MIT crearon una célula solar flexible mediante impresión por inyección de tinta sobre papel normal. [69] En 2018, investigadores de la Universidad Rice han desarrollado células solares orgánicas que se pueden pintar o imprimir sobre superficies. Se ha demostrado que estas células solares alcanzan una eficiencia máxima del quince por ciento. [70] Konarka Technologies, ahora una empresa desaparecida en los EE. UU., fue la empresa pionera en la producción de células solares por inyección de tinta. Hoy en día hay más de cincuenta empresas en un número diverso de países que están produciendo células solares impresas.
Si bien la electrónica impresa ha existido desde la década de 1960, se predice [ ¿cuándo? ] que tendrá un gran auge en los ingresos totales. A partir de 2011, se informó que los ingresos totales de la electrónica impresa fueron de $ 12.385 (mil millones). [71] Un informe de IDTechEx predice que el mercado de PE alcanzará los $ 330 (mil millones) en 2027. [72] Una gran razón para este aumento en los ingresos se debe a la incorporación de electrónica impresa en los teléfonos celulares. Nokia fue una de las empresas que fue pionera en la idea de crear un teléfono "Morph" utilizando electrónica impresa. Desde entonces, Apple ha implementado esta tecnología en sus dispositivos iPhone XS, XS Max y XR. [73] La electrónica impresa se puede utilizar para fabricar todos los siguientes componentes de un teléfono celular: antena principal 3D, antena GPS, almacenamiento de energía, interconexiones 3D, PCB multicapa, circuitos de borde, puentes ITO, sellos herméticos, empaquetado LED y retroalimentación táctil.
Con los descubrimientos revolucionarios y las ventajas que la electrónica impresa ofrece a las empresas, muchas grandes empresas han realizado inversiones recientes en esta tecnología. En 2007, Soligie Inc. y Thinfilm Electronics firmaron un acuerdo para combinar IPs para materiales de memoria soluble e impresión de materiales funcionales para desarrollar memoria impresa en volúmenes comerciales. [67] LG anuncia una inversión significativa, potencialmente de $8.71 mil millones en OLED sobre plástico. Sharp (Foxconn) invertirá $570 millones en una línea piloto para pantallas OLED. BOE anuncia una potencial inversión de $6.8 mil millones en una fábrica de AMOLED flexible. Heliatek ha obtenido €80 millones en financiación adicional para la fabricación de OPV en Dresde. PragmatIC ha recaudado ~ €20 millones de inversores, entre ellos Avery Dennison. Thinfilm invierte en un nuevo sitio de producción en Silicon Valley (antes propiedad de Qualcomm). Cambrios vuelve al negocio después de su adquisición por parte de TPK. [72]
La electrónica impresa se utiliza o se está considerando, e incluye sensores inalámbricos en envases, parches cutáneos que se comunican con Internet y edificios que detectan fugas para permitir el mantenimiento preventivo . La mayoría de estas aplicaciones aún se encuentran en las etapas de creación de prototipos y desarrollo. [74] Existe un interés particularmente creciente por los sistemas electrónicos inteligentes flexibles , incluidos los dispositivos fotovoltaicos, de detección y procesamiento, impulsado por el deseo de extender e integrar los últimos avances en tecnologías (opto)electrónicas en una amplia gama de productos de consumo de bajo costo (incluso desechables) de nuestra vida cotidiana, y como herramientas para unir los mundos digital y físico. [75]
La empresa noruega ThinFilm presentó una memoria orgánica impresa rollo a rollo en 2009. [76] [77] [78] [79]
Otra empresa, Rotimpres con sede en España, ha introducido con éxito aplicaciones en diferentes mercados como por ejemplo; calentadores para muebles inteligentes o para evitar el vaho y interruptores capacitivos para teclados en electrodomésticos y máquinas industriales. [80] [81]
Las normas técnicas y las iniciativas de planificación tienen por objeto facilitar el desarrollo de la cadena de valor (para compartir especificaciones de productos, normas de caracterización , etc.). Esta estrategia de desarrollo de normas refleja el enfoque utilizado por la electrónica basada en silicio durante los últimos 50 años. Las iniciativas incluyen:
La IPC (Association Connecting Electronics Industries) ha publicado tres normas para la electrónica impresa. Las tres se han publicado en colaboración con la Asociación Japonesa de Circuitos y Empaquetados Electrónicos (JPCA):
Estas normas, y otras en desarrollo, son parte de la Iniciativa de Electrónica Impresa del IPC.
