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La innovación en electrónica impresa, orgánica y flexible fomenta nuevos dispositivos electrónicos

  • Publicado el 28 de Septiembre de 2020

Para revolucionar los distintos dispositivos electrónicos flexibles disponibles, se necesita una electrónica nueva. El proyecto financiado con fondos europeos HEROIC ha conseguido que la nueva electrónica funcione a frecuencias no imaginadas antes y tan compatibles con las necesidades de los dispositivos de comunicación.

La innovación en electrónica impresa, orgánica y flexible fomenta nuevos dispositivos electrónicos

La electrónica impresa, flexible y basada en carbono se sugirió por primera vez hace veinte años como posible opción para producir en serie circuitos flexibles baratos para aplicaciones diversas, desde pantallas plegables hasta dispositivos sanitarios vestibles. En la actualidad, la mayor parte de la electrónica se fabrica con silicio sobre chips rígidos y pequeños, pero la electrónica flexible puede adaptarse a tamaños mayores.

Las restricciones inherentes a sus propiedades han supuesto que la electrónica impresa, orgánica y flexible haya estado limitada a aplicaciones de velocidad baja, como dispositivos simples para medir la temperatura o la humedad. Esto ha dejado fuera algunas aplicaciones, especialmente para la comunicación inalámbrica. HEROIC aprovechó los polímeros semiconductores para desarrollar transistores impresos más rápidos.

El equipo consiguió una frecuencia operativa de registro de 160 MHz, en el rango de frecuencia muy alta, usando un transistor orgánico fabricado con un polímero impreso. «La comunicación inalámbrica mediante electrónica de polímeros impresa ya no es solo una posibilidad lejana y exótica», comenta Mario Caironi, coordinador del proyecto del Instituto Italiano de Tecnología, entidad anfitriona del proyecto. «Antes de HEROIC, nadie se tomaba esto en serio; ahora se han sugerido planes de acción».

Más allá de la movilidad

Uno de los principales logros de HEROIC fue que, en primer lugar, abordó la cuestión de la movilidad baja. La movilidad define la velocidad a la que puede fluir una carga eléctrica cuando está sometida a un campo eléctrico. Por ejemplo, la electrónica de silicio tiene una movilidad entre cien y mil veces mayor que la alcanzada por los mejores polímeros semiconductores.

«HEROIC surgió gracias a unos cálculos simples, pero sorprendentes, que hice y que mostraban que los polímeros impresos ya eran capaces de alcanzar velocidades de entre 100 MHz y 1 GHz. Sin embargo, aún era necesario resolver otras cuestiones», añade Caironi. El equipo tuvo que reconstruir la arquitectura de los transistores, componentes fundamentales de cualquier circuito, incluidas sus interfaces físicas.

Además, redujeron las dimensiones de los electrodos impresos de forma que los huecos entre los electrodos tuviesen un tamaño menor, lo que redujo el tiempo que tarda una carga en cruzarlos. Es básico disponer de electrodos pequeños, ya que estos son fundamentales para reducir la capacitancia parásita, uno de los principales factores que limitan la velocidad del transistor y que interrumpe el funcionamiento del transistor a alta frecuencia. Asimismo, revisaron los métodos de impresión de películas semiconductoras con una microestructura para lograr una movilidad alta.

«Las herramientas de impresión de vanguardia ofrecían una resolución decenas de veces menor que la necesaria. Acoplamos láseres ultrarrápidos capaces de emitir pulsos a cientos de femtosegundos, lo que ofreció una resolución a escala micrométrica o submicrométrica, con técnicas de impresión habituales», explica Caironi. El equipo también consiguió garantizar una buena inyección de la carga en el canal del transistor y, al mismo tiempo, mantener la compatibilidad con métodos de fabricación de alto rendimiento.

Una tecnología facilitadora de amplio alcance

HEROIC podría revolucionar muchos procesos y aplicaciones. Por ejemplo, puede utilizarse en sensores biomédicos vestibles. Al no tener que integrar chips de silicio, simplificaría los diseños y los flujos de trabajo. El acceso barato y generalizado a dichas herramientas podría ofrecer oportunidades transformadoras a los países menos desarrollados. El equipo ya está aprovechando los resultados de HEROIC para desarrollar una herramienta preindustrial rollo a rollo que combina flexografía y ablación láser de femtosegundos para crear redes conductoras de alta resolución en sustratos plásticos baratos.

Esto forma parte del proyecto italiano iLabel, que tiene por objeto producir etiquetas inteligentes de altas prestaciones para productos al por menor. Además, algunos de los resultados del proyecto se han integrado en un nuevo proyecto del CEI, ELFO, cuyo objetivo es crear circuitos impresos comestibles empleando alimentos y derivados con propiedades electrónicas. De forma más inmediata, el equipo está trabajando en unos sustratos flexibles adecuados para dispositivos de alta frecuencia que eviten el problema de la disipación de calor en plásticos aislantes. Será necesario reducir las tensiones de funcionamiento para minimizar el consumo de energía de los dispositivos más rápidos previstos.

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