Eletrônica Impressa: Inovação Flexível e de Baixo Custo para o Futuro

Fabricação de Eletrônica Imprimível de Baixo Custo

A necessidade de processos de baixo custo e ambientalmente amigáveis para fabricação de eletrônica imprimível e chips de biossensores está crescendo rapidamente. A NASA desenvolveu uma abordagem única para um processo baseado em plasma à pressão atmosférica para fabricação de eletrônica imprimível e revestimentos funcionais. Este sistema envolve impressão assistida por aerossol à temperatura ambiente na qual um aerossol carregando o material desejado para deposição é introduzido em um jato de plasma frio operado à pressão atmosférica.

A deposição é resultado da interação do aerossol contendo o material precursor com o plasma à pressão atmosférica contendo um gás primário. Deposição assistida por plasma com aerossol é um processo de alta vazão e fácil para impressão e padronização que é facilmente escalável para produção industrial. Múltiplos jatos podem ser usados para depositar diferentes materiais, e a abordagem pode ser adaptada a uma variedade de plataformas.

Aplicações comerciais para o sistema incluem tecnologia biomédica, eletrônica de consumo, e-paper, segurança e comunicações.

"Carimbando" Eletrônica Usando Nanotubos

Imagine embalagens de alimentos que exibem um aviso digital de que o alimento está prestes a estragar, ou uma janela em sua casa que exibe a previsão do tempo baseada em medições de temperatura e umidade do lado de fora.

Engenheiros do MIT inventaram um processo de impressão rápido e preciso que poderia permitir essas superfícies eletrônicas. A equipe desenvolveu um carimbo feito de nanotubos de carbono que pode imprimir tintas eletrônicas em superfícies rígidas e flexíveis. O processo deve ser capaz de imprimir transistores pequenos o suficiente para controlar pixels individuais em displays de alta resolução e telas sensíveis ao toque. O processo também pode fornecer uma maneira relativamente barata e rápida de fabricar outras superfícies eletrônicas.

Como técnicas como impressão a jato de tinta são difíceis de controlar em escalas muito pequenas, elas tendem a produzir padrões de "anel de café" onde a tinta transborda as bordas, ou impressões irregulares que podem levar a circuitos incompletos. A nova técnica usa um carimbo nanoporoso que permite que uma solução de nanopartículas, ou "tinta", flua uniformemente através do carimbo e sobre qualquer superfície a ser impressa.

Os nanotubos de carbono são cultivados em uma superfície de silício em vários padrões, incluindo hexágonos tipo favo de mel e designs em forma de flor. Os nanotubos são revestidos com uma fina camada de polímero para garantir que a tinta penetraria por todos os nanotubos, e os nanotubos não encolheriam após a tinta ser carimbada. O carimbo é então infundido com um pequeno volume de tinta eletrônica contendo nanopartículas como prata, óxido de zinco, ou pontos quânticos de semicondutor.

A chave para imprimir padrões precisos de alta resolução está na quantidade de pressão aplicada para carimbar a tinta. Um modelo foi desenvolvido para prever a quantidade de força necessária para carimbar uma camada uniforme de tinta em um substrato, e a concentração de nanopartículas na tinta. Após carimbar padrões de tinta de vários designs, a equipe testou a condutividade elétrica dos padrões impressos. Após aquecer os designs após carimbar, os padrões impressos eram altamente condutivos, e poderiam servir como eletrodos transparentes de alto desempenho. No futuro, a equipe planeja buscar a possibilidade de eletrônica totalmente impressa.

Grafeno Impresso Tratado com Lasers Permite Eletrônica em Papel

O grafeno em favo de mel de carbono tem apenas um átomo de espessura, conduz eletricidade e calor, e é forte e estável. Projetos recentes que usaram impressoras a jato de tinta para imprimir circuitos e eletrodos de grafeno multicamadas levaram ao uso do grafeno para eletrônica flexível, vestível e de baixo custo. Mas uma vez impresso, o grafeno tem que ser tratado para melhorar condutividade elétrica e desempenho do dispositivo, o que geralmente significa altas temperaturas ou químicos que poderiam degradar superfícies de impressão flexíveis ou descartáveis como filmes plásticos ou até papel.

Pesquisadores da Universidade Estadual de Iowa desenvolveram um método que usa lasers para tratar o grafeno. Tratando circuitos elétricos e eletrodos de grafeno multicamadas impressos a jato de tinta com um processo de laser pulsado, a condutividade elétrica foi melhorada sem danificar papel, polímeros ou outras superfícies de impressão frágeis.

O grafeno impresso a jato de tinta é transformado em material condutivo capaz de ser usado em novas aplicações como sensores com usos biológicos, sistemas de armazenamento de energia, componentes de condução elétrica, e eletrônica baseada em papel.

Os engenheiros desenvolveram tecnologia de laser controlada por computador que irradia seletivamente óxido de grafeno impresso a jato de tinta. O tratamento remove ligantes de tinta e reduz óxido de grafeno a grafeno, costurando fisicamente milhões de minúsculos flocos de grafeno. O processo torna a condutividade elétrica mais de mil vezes melhor. O processamento a laser localizado também muda a forma e estrutura do grafeno impresso de uma superfície plana para uma com nanoestruturas 3D elevadas que se assemelham a minúsculas pétalas subindo da superfície. A estrutura rugosa e recortada aumenta a reatividade eletroquímica do grafeno, tornando-o útil para sensores químicos e biológicos.

O trabalho pavimenta o caminho para a criação de eletrodos eletroquímicos baseados em grafeno de baixo custo e descartáveis para aplicações incluindo sensores, biossensores, células de combustível e dispositivos médicos.

Dispositivos Eletrônicos "Impressos" com Tinta Magnética

Engenheiros da Universidade da Califórnia San Diego (UCSD) desenvolveram uma tinta magnética que pode ser usada para fazer baterias auto-regenerativas, sensores eletroquímicos e circuitos elétricos vestíveis baseados em têxteis. A tinta é feita de micropartículas orientadas em uma certa configuração por um campo magnético que permite que partículas em ambos os lados de um rasgo sejam magneticamente atraídas uma à outra, fazendo com que um dispositivo impresso com a tinta se regenere. Os dispositivos reparam rasgos de até 3 milímetros de largura.

Materiais auto-regenerativos existentes requerem um gatilho externo para iniciar o processo de regeneração. Eles também levam entre alguns minutos a vários dias para funcionar. O novo sistema não requer catalisador externo para funcionar, e o dano é reparado em cerca de 0,05 segundo.

A tinta foi usada para imprimir baterias, sensores eletroquímicos e circuitos elétricos vestíveis baseados em têxteis. Então os dispositivos foram danificados cortando-os e separando-os para criar lacunas cada vez maiores. Os dispositivos ainda se regeneraram e recuperaram sua função perdendo uma quantidade mínima de condutividade.

Um circuito auto-regenerativo foi impresso na manga de uma camiseta e conectado com uma luz LED e uma bateria de moeda. O circuito e o tecido em que foi impresso foram ambos cortados. Nesse ponto, o LED apagou. Em poucos segundos, o LED começou a acender novamente enquanto os dois lados do circuito se juntavam novamente e se regeneravam, restaurando a condutividade. No futuro, engenheiros vislumbram fazer diferentes tintas com diferentes ingredientes para uma ampla gama de aplicações.

Recursos

www.nasa.gov/centers/ames

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

https://news.mit.edu

https://www.news.iastate.edu/news