Circuitos orgánicos e impresos revolucionan la microelectrónica

Los impulsores del desarrollo del uso de plásticos en la electrónica se encuentran en cuatro grandes sectores: la industria automovilística y farmacéutica, la electrónica de consumo y los fabricantes de embalajes "inteligentes" para alimentos, medicamentos y otros artículos de consumo.

Los plásticos de múltiples formas con propiedades regulables universalmente, de forma estable como termoplásticos, duroplásticos o elastómeros, granulares o espumados, son una parte imprescindible de nuestra vida en diversas formas, desde simples objetos de uso corriente en la vida cotidiana hasta exigentes elementos constructivos estructurales en vehículos y construcciones. Con sus características físicas y químicas funcionalmente optimizadas y su atractivo aspecto, definen un paradigma de diseño siempre nuevo de forma y función, que nopuede crearse con los materiales tradicionales como la madera o el metal, mucho menos si se les compara desde el punto de vista de los costes de la producción en masa.

La versatilidad estructural de los plásticos se amplía ahora con otra dimensión: Con una configuración molecular adecuada apropiada sirven también como conductores y semiconductores eléctricos (si bien con movilidad limitada de los portadores de carga). También actúan como componentes de sistema de la “electrónica orgánica e impresa”. Orgánica, porque sus transistores, sensores y diodos luminosos no tienen una base de silicio o arseniuro de galio, sino de derivados del carbono. Impresa porque es un diseño plano, con unidades estructurales de unos diez micrómetros, usando procedimientos de impresión masiva habituales (flexografía, serigrafía, Inkjet), de forma continua, sobre sustratos flexibles y transparentes.

Integración en objetos

Mediante la impresión o metalización al vacío se obtienen superficies versátiles, funcionalizadas electrónica o fotónicamente como láminas o revestimientos, que pueden aplicarse con cualquier tipo de curvatura sobre todos los posibles objetos, incluso sobre textiles. Forman sensores táctiles capacitivos o campos luminosos grandes en forma de OLEDs (diodos luminosos orgánicos), palpadores de medición y detectores completos para datos medioambientales o médicamente relevantes como la temperatura o la humedad. O bien trabajan como células solares orgánicas, flexibles y ligeras. O como baterías impresas, planas, para alimentar dispositivos miniaturizados. De este modo, la electrónica y técnica de datos ya no está limitada a dispositivos diseñados específicamente como PCs, tabletas, teléfonos móviles o videoconsolas. Puede integrarse sin fisuras en todos los objetos apropiados. Esto permite realizar aplicaciones desconocidas e incluso exóticas hasta ahora, en objetos “inteligentes” y ofrece una ampliación sustancial de su conectividad con la conexión de sistemas de datos autocontrolados o de funcionamiento autónomo en el “Internet de las cosas”.

Un campo de investigación intensiva

En todo el mundo se trabaja en instituciones de investigación y empresas químicas, farmacéuticas, médicas, electrónicas, automovilísticas, de bienes de consumo y embalajes, para el desarrollo de los materiales y productos adecuados y sus procedimientos de fabricación. La electrónica orgánica e impresa es también un campo de investigación extraordinariamente intensiva con una larga perspectiva de desarrollo, que pasa por alto la abundante presencia en los medios típica de la fase inicial hasta la llegada a la realidad industrial. La edición más reciente (quinta) de la hoja de ruta de la OE-A (Organic and Printed Electronics Association), un grupo de trabajo en VDMA, a través de las aplicaciones y tecnologías de la electrónica orgánica, pone de manifiesto la situación y las tendencias durante el periodo de los próximos diez años. Con más de 220 miembros en todo el mundo, la OE-A coordina proyectos de investigación y desarrollo, así como la normalización en el marco de IEC (International Electrotechnical Commission) TC119 y otras organizaciones [4].

La nueva microelectrónica basada en plásticos no ha llegado todavía a todos los mercados de masas. Ya se encuentran disponibles los primeros productos, a menudo no visibles directamente para los usuarios. La tecnología es una plataforma para la industria futura que une los campos de la técnica de impresión, electrónica e investigación de material.

Las innovaciones sobre el tema “electrónica orgánica e impresa” se vivieron en K 2013, la feria especializada más importante del mundo de la industria de plásticos y caucho del 16 al 23 de octubre de Düsseldorf y tendrán su centro en el pabellón Printed Electronics Products and Solutions. Allí tuvieron una plataforma tanto las tecnologías de impresión como las superficies funcionalizadas, en forma de soluciones RFID, pantallas flexibles y OLEDs, para presentarse a los visitantes profesionales de las industrias de los transformadores y usuarios.

Pantallas OLED – El primer mercado de masas

Las pequeñas pantallas OLED de los teléfonos móviles y smartphones se han convertido en un primer mercado masivo, de gran éxito, de la electrónica orgánica. Esto le ha proporcionado a la electrónica orgánica, ya en el último año, un volumen de ventas de 9.000 millones de USD, constata el investigador de mercado británico Smithers Pira, y pronostica hasta 2025 un crecimiento de toda el área hasta un mercado mundial anual de 200.000 millones de USD. Ésta es la magnitud que alcanzan actualmente los chips de silicio convencionales. Se han anunciado o ya están disponibles pantallas OLED más grandes, de colores intensos y extraordinariamente ricas en contrastes, para televisores de 55” (p. ej. de Samsung y LG). Sin embargo, actualmente tienen unos precios de venta de 10.000 USD, por lo que sólo son para adaptadores precoces afines a la técnica.

También los libros electrónicos de Amazon o Sony, que parecen usar “papel electrónico”, son muy populares debido al principio de visualización biestable de las pantallas electroforéticas, de bajo consumo energético. Fundamentalmente son ideales para visualizar contenidos estáticos como páginas de libros, utilizando la tinta electrónica del pionero del papel electrónico. Sin embargo, su difusión posterior se encuentra bajo una gran presión comercial debido a la alta resolución y aptitud para vídeo de las pantallas “retina” en las tabletas de Apple, con las LCDs de poca luminosidad, que deberían haber sido reemplazadas hace tiempo en la lógica innovadora de la evolución tecnológica [5].

Pantallas flexibles

El siguiente paso de desarrollo, que debería suponer un importante paso adelante en las pantallas de papel electrónico, es el desarrollo de libros electrónicos y tabletas más ligeros, flexibles, quizá incluso enrollables, sin los pesados y frágiles vidrios. La más destacada aquí es la empresa británica Plastic Logic (con su base de producción totalmente automatizada en Dresde), que ya domina el arte de los “backplanes” formados con transistores orgánicos de película fina (OTFT), es decir, la matriz activa para el control individual de la luminosidad de los píxeles individuales de la pantalla. El último logro en este sentido es una pantalla de papel electrónico fina, ligeramente curvable y flexible de 10,7”, que con una resolución de 150 dpi (“dots per inch”, puntos por pulgada), comprende una matriz de 1280 x 960 TFTs, es decir, un total de 1,2 millones de píxeles.

También en los sensores orgánicos Plastic Logic, junto con la empresa francesa Isorg, surgida del complejo de investigación CEA-LITEN en Grenoble, va por delante de la competencia. Ambas han presentado recientemente un sensor de imagen de 4 x 4 cm con 8.930 píxeles sobre un sustrato de plástico fino.

Sellado contra el vapor de agua

Lo quefrenatodavía el desarrollo de la fotovoltaica y la técnica de visualización orgánica flexible es la necesidad del encapsulamiento hermético para proteger contra el vapor de agua atmosférico, que corroe las capas de sus electrodos y reduce la vida útil. Hasta ahora, este encapsulamiento sólo se obtiene con vidrios rígidos. La solución adecuada para las células solares contorneables a voluntad y las pantallas flexibles son láminas sobrelaminadas como barreras. Muy apropiadas parecen ser las capas transparentes de dióxido de silicio amorfo. Éstas se investigan y desarrollan en colaboración, en diversos centros, por ejemplo en el Fraunhofer Polymer Surface Alliance (Polo) o en el National Institute of Advanced Sciences (AIST) de Japón [6].

Impulsores de la aplicación

Los impulsores del desarrollo de la aplicación, según la hoja de ruta de OE-A, se encuentran en cuatro grandes sectores: la industria automovilística y farmacéutica, la electrónica de consumo y los fabricantes de embalajes “inteligentes” para alimentos, medicamentos y otros artículos de consumo. Los embalajes inteligentes pueden diseñarse con etiquetas impresas, activadas por radio (llamadas etiquetas RFID) que hacen más eficiente la gestión de mercancías y su logística amplia. Además, pueden indicar a los consumidores, mediante campos de indicación impresos, actualizados dinámicamente, la fecha de caducidad, interrupciones de la cadena de frío en productos sensibles o la autenticidad de artículos de alto valor mediante su conexión técnica de datos a cadenas de suministro trazables. En este campo juega un papel de liderazgo la empresa alemana PolyIC con el desarrollo de etiquetas RFID y sus antenas impresas, así como con láminas orgánicas, transparentes, conductivas.

También la hoja de ruta OE-A hace referencia a otro desarrollo actual: En los automóviles de la clase premium ya pueden encontrarse antenas impresas, así como sensores impresos para la ocupación de los asientos, que se integran en la tapicería, para el eventual disparo de los airbags. También detectan el peso para diferenciar a los niños de los adultos. Las pantallas OLED para cámaras de marcha atrás en vez de los tradicionales espejos retrovisores también forman parte del equipamiento, como la iluminación de los grupos de instrumentos en el tablero de instrumentos y los descongeladores de lunetas impresos, apenas visibles.

Lo siguiente en los automóviles son las pantallas orgánicas y sensores táctiles como sustitución de las indicaciones e interruptores mecánicos. También se abordan los primeros conceptos de luces de marcha atrás con OLEDs, entre otras en Audi, para reemplazar a las luces LED actuales, ya que son más económicas y ahorran más energía. También se habla de campos luminosos OLED de amplia superficie como techo interior atenuable y de color adaptable o para destacar los perfiles de acceso [7].

Fotovoltaica y bateríasorgánicas

La fotovoltaica orgánica (OPV) se desarrolla paralelamente a las ejecuciones híbridas de dióxido de titanio y células de color, así como con células orgánicas puras, es decir, con base de polímero. Actualmente ya se encuentran disponibles comercialmente. Sin embargo, debido a su eficiencia relativamente baja, no están previstas para su alimentación desde las redes públicas, sino para alimentación local (“energy harvesting”) y dispositivos de datos y de consumo y estaciones de medición móviles a baterías. La perspectiva a largo plazo de la hoja de ruta de OE-A prevé también desde 2021 aplicaciones en el revestimiento exterior de vehículos y edificios (BIPV, building integrated photovoltaics).

Los componentes de sistema de la electrónica orgánica, que debido a sus características favorables también son idóneos para la integración híbrida en circuitos convencionales, se encuentran en las memorias de datos impresas, como en el diseño de láminas de memoria no volátil, ferroeléctricas, del fabricante líder noruego Thinfilm. Este desarrollo, como el que se usa en Thinfilm, es también un ejemplo de integración de sistema de los componentes orgánicos de diferentes fabricantes en unidades funcionales más grandes sobre sustratos impresos comunes. De este modo, Thinfilm combina su memoria con una primera lógica de transistores ya impresa, creada en el centro de investigación por encargo

PARC de California, produciendo un módulo de memoria direccionable por software. Además, puede ampliarse con un termistor impreso como sensor de temperatura y un campo de visualización (del instituto de investigación Acreo Swedish ICT) junto a una batería impresa, creando un sistema de medición compacto.

Las baterías impresas, es decir, extremadamente planas y flexibles, están en el centro de desarrollo de la integración de sistema de la electrónica orgánica. Actualmente predominan las pilas de zinc y carbono desechables, mientras que las de litio recargables están todavía en desarrollo. Alternativamente se utilizantambién los llamados supercondensadores, de gran energía, para alimentación de tensión en aparatos por periodos cortos. Su comportamiento de descarga se asemeja al de las baterías. Este tipo de alimentaciones de corriente puede integrarse con campos de visualización y luminosos, sensores táctiles y células solares en embalajes, textiles y otros artículos de uso. De este modo los elevan a nuevos niveles de valor y funcionalidad.