Eletrônica impressa:inovação flexível e de baixo custo para o futuro

Fabricação de eletrônicos imprimíveis de baixo custo

A necessidade de processos de baixo custo e ecológicos para a fabricação de eletrônicos imprimíveis e chips biossensores está crescendo rapidamente. A NASA desenvolveu uma abordagem única para um processo baseado em plasma de pressão atmosférica para a fabricação de eletrônicos imprimíveis e revestimentos funcionais. Este sistema envolve impressão à temperatura ambiente assistida por aerossol, na qual um aerossol transportando o material desejado para deposição é introduzido em um jato de plasma frio operado à pressão atmosférica.
Pesquisadores do MIT fabricaram um carimbo feito de nanotubos de carbono que imprime tintas eletrônicas em superfícies rígidas e flexíveis. (Sanha Kim e Dhanushkodi Mariappan)
A deposição é o resultado da interação do aerossol contendo o material precursor com o plasma à pressão atmosférica contendo um gás primário. A deposição de plasma assistida por aerossol é um processo fácil e de alto rendimento para impressão e padronização, facilmente escalonável para produção industrial. Vários jatos podem ser usados ​​para depositar diferentes materiais, e a abordagem pode ser adaptada a uma variedade de plataformas.

As aplicações comerciais do sistema incluem tecnologia biomédica, eletrônicos de consumo, papel eletrônico, segurança e comunicações.

“Estampagem” de eletrônicos usando nanotubos

Os pesquisadores do estado de Iowa, Suprem Das (à esquerda) e Jonathan Claussen, estão usando lasers para tratar eletrônicos impressos de grafeno, como aqueles impressos em uma folha de papel. (Christopher Gannon)
Imagine uma embalagem de alimentos que exiba um aviso digital de que a comida está prestes a estragar, ou uma janela da sua casa que exiba a previsão do tempo com base em medições dos níveis de temperatura e umidade externas.

Engenheiros do MIT inventaram um processo de impressão rápido e preciso que poderia viabilizar 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 monitores e telas sensíveis ao toque de alta resolução. O processo também pode fornecer uma maneira rápida e relativamente barata de fabricar outras superfícies eletrônicas.

Como técnicas como a 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 pelas bordas, ou impressões irregulares que podem levar a circuitos incompletos. A nova técnica utiliza 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 crescem em uma superfície de silício em vários padrões, incluindo hexágonos em forma de favo de mel e desenhos em forma de flor. Os nanotubos são revestidos com uma fina camada de polímero para garantir que a tinta penetre nos nanotubos e que os nanotubos não encolham após a estampagem da tinta. O carimbo é então infundido com um pequeno volume de tinta eletrônica contendo nanopartículas como prata, óxido de zinco ou pontos quânticos semicondutores.

A chave para imprimir padrões precisos e 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 estampar uma camada uniforme de tinta em um substrato e a concentração de nanopartículas na tinta. Depois de carimbar padrões de tinta de vários designs, a equipe testou a condutividade elétrica dos padrões impressos. Depois de aquecer os desenhos após a estampagem, os padrões impressos eram altamente condutores e podiam servir como eletrodos transparentes de alto desempenho. No futuro, a equipe planeja buscar a possibilidade de eletrônicos totalmente impressos.

Grafeno impresso tratado com lasers permite eletrônica de papel

Um circuito de autocura impresso na manga de uma camiseta foi conectado a uma luz LED e uma bateria tipo moeda. O circuito e o tecido em que foi impresso foram cortados e o LED apagou. Dentro de alguns segundos, o LED acendeu novamente quando os dois lados do circuito se uniram novamente e se curaram.
O favo de mel de carbono do grafeno tem apenas um átomo de espessura, conduz eletricidade e calor e é forte e estável. Projetos recentes que usaram impressoras jato de tinta para imprimir circuitos e eletrodos de grafeno multicamadas levaram ao uso do grafeno em eletrônicos flexíveis, vestíveis e de baixo custo. Mas, uma vez impresso, o grafeno tem de ser tratado para melhorar a condutividade elétrica e o desempenho do dispositivo, o que geralmente significa altas temperaturas ou produtos químicos que podem degradar superfícies de impressão flexíveis ou descartáveis, como filmes plásticos ou mesmo papel.

Pesquisadores da Universidade Estadual de Iowa desenvolveram um método que usa lasers para tratar o grafeno. Ao tratar 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 um material condutor capaz de ser utilizado em novas aplicações, como sensores com usos biológicos, sistemas de armazenamento de energia, componentes condutores elétricos e eletrônicos baseados em papel.

Os engenheiros desenvolveram uma tecnologia laser controlada por computador que irradia seletivamente óxido de grafeno impresso a jato de tinta. O tratamento remove aglutinantes de tinta e reduz o óxido de grafeno a grafeno, unindo fisicamente milhões de minúsculos flocos de grafeno. O processo torna a condutividade elétrica mil vezes melhor. O processamento a laser localizado também altera a forma e a estrutura do grafeno impresso, de uma superfície plana para uma com nanoestruturas 3D em relevo que lembram pequenas pétalas subindo da superfície. A estrutura áspera e estriada aumenta a reatividade eletroquímica do grafeno, tornando-o útil para sensores químicos e biológicos.

O trabalho abre caminho para a criação de eletrodos eletroquímicos à base de grafeno descartáveis e de baixo custo para aplicações que incluem sensores, biossensores, células de combustível e dispositivos médicos.

Dispositivos Eletrônicos “Impressos” com Tinta Magnética

Os engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD) desenvolveram uma tinta magnética que pode ser usada para fabricar baterias autocurativas, sensores eletroquímicos e circuitos elétricos vestíveis baseados em têxteis. A tinta é feita de micropartículas orientadas em uma determinada configuração por um campo magnético que permite que as partículas de ambos os lados de um rasgo sejam atraídas magneticamente umas pelas outras, fazendo com que um dispositivo impresso com a tinta se cure. Os dispositivos reparam rasgos de até 3 milímetros.

Os materiais de autocura existentes requerem um gatilho externo para iniciar o processo de cura. Eles também levam de alguns minutos a vários dias para funcionar. O novo sistema não requer catalisador externo para funcionar e os danos são reparados em cerca de 0,05 segundo.

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

Um circuito de autocura foi impresso na manga de uma camiseta e conectado a uma luz LED e uma bateria tipo moeda. O circuito e o tecido em que foi impresso foram cortados. Nesse ponto, o LED apagou. Dentro de alguns segundos, o LED começou a acender novamente quando os dois lados do circuito se uniram novamente e se curaram, restaurando a condutividade. No futuro, os engenheiros prevêem fabricar diferentes tintas com diferentes ingredientes para uma ampla gama de aplicações.

Recursos

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news