La electrónica impresa es un campo de la electrónica que se ocupa de la creación de circuitos electrónicos utilizando equipos de impresión , lo que permite aplicar tintas especiales (conductoras, semiconductoras, resistivas, etc.) a la superficie de un sustrato plano y, por lo tanto, formar activos y elementos pasivos en él , y también conexiones entre elementos de acuerdo con el esquema eléctrico .
La aparición de los circuitos electrónicos impresos está asociada al desarrollo de nuevos materiales que, bajo determinadas condiciones, pueden sustituir al silicio en las tecnologías electrónicas e informáticas. Resultó que algunas sustancias (incluidos polímeros orgánicos y nanopartículas de compuestos metálicos ) se pueden agregar a líquidos que actúan como pinturas o tintas , que luego se aplican a un sustrato y crean dispositivos activos o pasivos, como transistores de película delgada o resistencias . [1] .
En la impresión convencional se suelen aplicar capas de tinta sobre el papel , pero ha demostrado ser de poca utilidad para la electrónica impresa. La superficie rugosa del papel y su rápida absorción de agua provocaron un cambio de atención hacia materiales como el plástico , la cerámica o el silicio . La impresión suele utilizar equipos de impresión genéricos, específicamente serigrafía , flexografía , huecograbado y equipos de impresión offset , e impresoras de inyección de tinta . Al igual que en la impresión convencional, en la electrónica impresa, las tintas se aplican en capas una encima de otra, por lo que el desarrollo coordinado de métodos de impresión y materiales de tinta es la tarea más importante en esta dirección [2] .
El término electrónica impresa está estrechamente relacionado con la electrónica orgánica o plástica, en la que una o más tintas están compuestas por compuestos de carbono. El término electrónica orgánica se asocia específicamente con el material de la tinta, que se puede aplicar a partir de una solución por deposición al vacío o de otra manera. Por el contrario, el nombre de electrónica impresa está determinado por el proceso, no por el material. Aquí se puede utilizar cualquier material, incluidos los semiconductores orgánicos , los semiconductores inorgánicos, los conductores metálicos, las nanopartículas , los nanotubos de carbono , etc.
Las características de los dispositivos electrónicos impresos son generalmente peores que las de los dispositivos electrónicos convencionales, pero estos últimos tienen un coste más elevado. El bajo costo es la ventaja más importante de la impresión, especialmente para la producción a gran escala. Se espera que la electrónica impresa facilite la ubicuidad de la electrónica de muy bajo costo para aplicaciones como pantallas flexibles, RFID , carteles decorativos y animados, recubrimientos activos, etc., es decir, para aquellos productos que no requieren esquemas electrónicos de alto rendimiento.
El menor costo permite que los productos se utilicen en más aplicaciones. [3] Un ejemplo es el sistema RFID, que permite la identificación sin contacto de mercancías en el ámbito del comercio y el transporte. En algunas áreas, como la fabricación de LED , la impresión no afecta el rendimiento del producto. [2] La impresión en sustratos flexibles le permite crear productos electrónicos en superficies curvas, como el montaje de paneles solares en techos de automóviles.
El atractivo de las tecnologías impresas para la fabricación de productos electrónicos se debe principalmente a la capacidad de preparar capas microestructuradas capa por capa (y, por lo tanto, fabricar dispositivos de película delgada) de una manera mucho más simple y rentable que la electrónica convencional. [4] Además, la posibilidad de implementar una funcionalidad nueva o mejorada (por ejemplo, flexibilidad mecánica) también juega un papel. La elección de los métodos de impresión utilizados está determinada por los requisitos relacionados con las capas impresas, las propiedades de los materiales impresos, así como las consideraciones económicas y técnicas en términos de productos impresos.
Las tecnologías de impresión se dividen en hoja y rollo. Las técnicas de alimentación por hojas, como la inyección de tinta y la serigrafía, son las más adecuadas para trabajos de alta precisión en volúmenes bajos. La impresión en huecograbado , offset y flexográfica es más adecuada para la producción de gran volumen, como los paneles solares, donde se alcanza una tasa de producción de 10 000 metros cuadrados por hora (m²/h) [4] [5] . Mientras que la impresión offset y flexográfica se utilizan principalmente para conductores inorgánicos [6] [7] y orgánicos [8] [9] (este último también para dieléctricos [10] ), la impresión en huecograbado, debido a la alta calidad de las capas, es particularmente adecuado para semiconductores orgánicos y uniones semiconductor-dieléctricas en transistores. [10] En combinación con la alta resolución, la impresión en huecograbado también es adecuada para conductores inorgánicos [11] y orgánicos [12] . Los transistores de efecto de campo orgánicos y los circuitos integrados se pueden fabricar completamente utilizando métodos de impresión en serie [10] .
Las impresoras de inyección de tinta son equipos flexibles y versátiles que se pueden reconfigurar con relativamente poco esfuerzo. Aparentemente, por lo tanto, se usan con mayor frecuencia. [13] Sin embargo, las impresoras de inyección de tinta tienen una baja productividad (unos 100 m 2 /h) y una baja resolución (unas 50 micras). [5] Son muy adecuados para materiales con baja viscosidad y buena solubilidad, como los semiconductores orgánicos. Para materiales con alta viscosidad, como dieléctricos orgánicos o partículas dispersas como pinturas metálicas inorgánicas, existen problemas de obstrucción de boquillas. Dado que la tinta se almacena en forma de gotitas, se puede reducir el grosor de la capa y la heterogeneidad dispersa. El uso simultáneo de múltiples boquillas y la estructuración preliminar del sustrato permiten un mayor rendimiento y resolución, respectivamente. Sin embargo, en el último caso, uno tiene que usar pasos tecnológicos con métodos que no sean de impresión. [14] Se prefiere la impresión por inyección de tinta para semiconductores orgánicos en transistores de efecto de campo orgánico (OFET) y diodos orgánicos emisores de luz (OLED). [15] También se puede utilizar para fabricar paneles frontales y traseros de pantallas LED [16] [17] , circuitos integrados [18] , células fotovoltaicas orgánicas (OPVC) [19] y otros dispositivos.
La serigrafía también es adecuada para la producción de productos electrónicos a escala industrial , debido a su capacidad para reproducir capas gruesas de materiales pastosos. Este método puede crear líneas conductoras a partir de materiales inorgánicos (como placas de circuitos impresos y antenas), así como capas de aislamiento y pasivación, si el grosor de la capa es más importante que la alta resolución. Su rendimiento de 50 m²/h y su resolución de 100 µm son similares a los de las impresoras de inyección de tinta. [5] Este método versátil y relativamente simple se usa principalmente para capas conductoras y dieléctricas, [20] [21] pero también para semiconductores orgánicos, [22] e incluso para transistores orgánicos de efecto de campo (OFET).
También son de interés otros métodos similares a la impresión, como la impresión por microcontacto y la litografía por nanoestampado [23] . En ellos, las capas de tamaño micrónico/nanomicrónico se fabrican por métodos cercanos al estampado, a partir de formas blandas o duras, respectivamente. A menudo, la estructura real se realiza sustractivamente, por ejemplo, la máscara se realiza mediante grabado selectivo o grabado negativo. De esta forma, por ejemplo, se fabrican electrodos para transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) [24] [25] . A veces , la tampografía se usa de manera similar [26] . Ocasionalmente, se utilizan los llamados métodos de transferencia, en los que se transfieren capas sólidas desde el soporte al sustrato. También se aplican a la electrónica impresa. La fotocopia no se utiliza actualmente en la electrónica impresa.
La electrónica impresa ya está en uso o se está considerando su uso en:
La resolución máxima requerida de las estructuras en la impresión tradicional está determinada por la estructura del ojo humano . El ojo humano no puede distinguir los detalles menores de aproximadamente 20 µm, pero están más allá de las capacidades de los procesos de impresión convencionales. [5] Por el contrario, se necesitan estructuras más finas y de mayor resolución en la electrónica impresa, ya que afectan directamente la densidad y la funcionalidad del circuito (especialmente los transistores). Un requisito similar es válido para la precisión con la que las capas se superponen entre sí.
También es necesario controlar el espesor, el tamaño de los orificios y la compatibilidad del material (humectación, adhesión, solvatación). En la impresión convencional, esto solo es importante cuando el ojo puede detectarlos. En la electrónica impresa, la impresión visual es irrelevante. [27]
Para la electrónica impresa, se utilizan materiales orgánicos e inorgánicos. La tinta debe estar en forma líquida, en forma de solución , dispersión o suspensión [28] . Deben ser conductores, semiconductores, dieléctricos o aislantes. El costo de los materiales debe ser adecuado a la aplicación.
La funcionalidad electrónica y la capacidad de impresión pueden entrar en conflicto, por lo que es imprescindible una optimización cuidadosa. [27] Por ejemplo, los polímeros de mayor peso molecular aumentan la conductividad pero disminuyen la solubilidad. Al imprimir, la viscosidad, la tensión superficial y las inclusiones sólidas deben controlarse estrictamente. Las interacciones entre capas, como la humectación, la adhesión y la solubilidad, así como los procedimientos de secado posteriores a la aplicación, afectan el resultado. Los aditivos que se utilizan a menudo en las tintas de impresión convencionales no son adecuados aquí porque pueden interferir con la funcionalidad electrónica.
Las propiedades de los materiales determinan en gran medida las diferencias entre la electrónica impresa y la convencional. Los materiales impresos, además de ser imprimibles, ofrecen nuevas ventajas decisivas como la flexibilidad mecánica y la personalización funcional mediante modificación química (por ejemplo, el color claro de los OLED). [29]
Los conductores impresos tienen menor conductividad y movilidad de los portadores de carga. [30] Con pocas excepciones, los materiales de tinta inorgánica son una dispersión de micro y nanopartículas metálicas. En electrónica impresa , la tecnología PMOS es posible , pero no CMOS . [31]
La electrónica impresa orgánica integra conocimientos y desarrollos de la impresión, la electrónica, la química y las ciencias de los materiales, especialmente la química orgánica y de polímeros. Los materiales orgánicos difieren en muchos aspectos de los de la electrónica convencional en términos de estructura, operación y funcionalidad [32] , lo que tiene un impacto en el diseño de dispositivos y la optimización de circuitos, así como en los métodos de fabricación.
El descubrimiento de polímeros eléctricamente conductores [30] y el desarrollo de materiales solubles basados en ellos aseguraron la creación de la primera tinta a partir de materiales orgánicos. Los polímeros de esta clase tienen propiedades conductoras de la electricidad , semiconductores , electroluminiscentes , fotovoltaicas y otras propiedades en diversos grados. Otros polímeros se utilizan principalmente como aislantes y dieléctricos .
En la mayoría de los materiales orgánicos, la conductividad de los huecos prevalece sobre la conductividad de los electrones. [33] Estudios recientes han demostrado que esta es una característica específica de las uniones semiconductores-aislantes orgánicos que desempeñan un papel importante en los transistores de efecto de campo orgánico (OFET). [34] Por lo tanto, los dispositivos de tipo p deben prevalecer sobre los dispositivos de tipo n . La resistencia al desgaste (resistencia a la dispersión) y la vida útil son más cortas que los materiales convencionales. [31]
Los semiconductores orgánicos están compuestos por un polímero conductor de poli(3,4-etilendioxitiofeno) dopado con sulfonato de poliestireno (PEDOT:PSS) y polianilina (PANI). Ambos polímeros están disponibles comercialmente con varios nombres y se utilizan en inyección de tinta, [35] serigrafía [20] y offset [8] o serigrafía, [20] flexografía [9] y huecograbado [12] , respectivamente.
La impresión por inyección de tinta utiliza semiconductores poliméricos como politiofeno, poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) [36] y copolímero de 9,9-dioctilfluoreno-bitiofeno (F8T2). [37] Este último material también se utiliza para la impresión en huecograbado. [10] En la impresión por inyección de tinta se utilizan varios polímeros electroluminiscentes, [14] principalmente como materiales activos para energía fotovoltaica (por ejemplo, una mezcla de P3HT con derivados de fullereno ). [38] También se pueden utilizar para serigrafía (por ejemplo, una mezcla de poli(fenilenvinileno) con derivados de fullereno). [22]
La electrónica inorgánica proporciona un alto ordenamiento de capas y transiciones, que los materiales orgánicos y poliméricos no pueden proporcionar.
Las nanopartículas de plata se utilizan en la impresión flexográfica, offset y de inyección de tinta. [7] [39] Las partículas de oro se utilizan en la impresión de inyección de tinta. [40]
Las pantallas a color electroluminiscentes pueden abarcar varias decenas de metros cuadrados o pueden integrarse en esferas de reloj y paneles de instrumentos. Consisten en 6-8 capas inorgánicas impresas, incluido el cobre dopado con fósforo , sobre un sustrato plástico flexible. [41]
Las celdas de cobre-indio-galio-selenio (CIGS) se pueden imprimir directamente en una hoja de vidrio recubierto de molibdeno .
Las células solares de arseniuro de galio-germanio impresas mostraron una eficiencia de conversión del 40,7 %, ocho veces la de las mejores células orgánicas, acercándose al mejor rendimiento de las células de silicio puro. [41]
La electrónica impresa permite el uso de sustratos flexibles , lo que reduce los costos de fabricación y permite la fabricación de circuitos mecánicamente flexibles. Aunque la impresión por inyección de tinta y la serigrafía generalmente se realizan en soportes rígidos, como vidrio y silicona, los métodos de impresión en masa utilizan casi exclusivamente láminas flexibles y, a veces, papel especialmente tratado. La película de tereftalato de polietileno (PET) es la más utilizada debido a su bajo costo y estabilidad a altas temperaturas. Las alternativas son el naftalato de polietileno (PEN) y la lámina de poliimida (PI). Debido a su bajo costo y variedad de aplicaciones, el papel es un sustrato atractivo, pero su alta rugosidad y alta absorbencia lo hacen problemático para aplicaciones electrónicas. [42]
Otros criterios importantes del sustrato son la baja rugosidad y la baja humectabilidad, que pueden modificarse mediante un pretratamiento (recubrimiento, película corona). A diferencia de la impresión convencional, la alta absorbencia suele ser una desventaja.
Las iniciativas de estándares y fabricación tienen como objetivo promover el desarrollo de la cadena de valor (para compartir especificaciones de productos, administrar estándares, etc.). Esta estrategia de desarrollo de estándares refleja el enfoque adoptado en la electrónica de silicio durante los últimos 50 años. Las iniciativas incluyen: