La imagen óptica de una matriz de transistores de película delgada flexible y estirable que cubre una pelota de béisbol muestra la robustez mecánica de este material de placa posterior para futuros dispositivos electrónicos de plástico. Imagen cortesía de Berkeley Lab
(PhysOrg.com) - La impresión de circuitos electrónicos en placas posteriores que sean flexibles y extensibles promete revolucionar una serie de industrias y hacer que los "dispositivos inteligentes" sean casi omnipresentes. Entre las aplicaciones que se han previsto se encuentran los blocs de notas electrónicos que podrían plegarse como papel, Recubrimientos que puedan monitorear las superficies en busca de grietas y otras fallas estructurales, vendajes médicos que podrían tratar infecciones y envases de alimentos que podrían detectar deterioro. Desde células solares hasta marcapasos y ropa, la lista de aplicaciones inteligentes para la llamada "electrónica de plástico" es flexible y extensible. Primero, sin embargo, las placas posteriores adecuadas deben producirse en serie de forma rentable.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE han desarrollado una nueva técnica prometedora y económica para fabricar placas posteriores flexibles y extensibles a gran escala utilizando soluciones de nanotubos de carbono enriquecidas con semiconductores que producen redes de transistores de película delgada con excelentes propiedades eléctricas. incluyendo una movilidad de portadores de carga que es dramáticamente más alta que la de sus contrapartes orgánicas. Para demostrar la utilidad de sus backplanes de nanotubos de carbono, los investigadores construyeron una piel electrónica artificial (e-skin) capaz de detectar y responder al tacto.
"Con nuestra tecnología de procesamiento basada en soluciones, hemos producido placas posteriores de matriz activa mecánicamente flexibles y estirables, basado en matrices de transistores de película delgada totalmente pasivados y altamente uniformes hechos de nanotubos de carbono de pared simple que cubren uniformemente áreas de aproximadamente 56 centímetros cuadrados, "dice Ali Javey, un científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California (UC) Berkeley. "Esta tecnología, en combinación con la impresión por inyección de tinta de contactos metálicos, debería proporcionar fabricación sin litografía de componentes electrónicos flexibles y extensibles de bajo costo en el futuro ".
Javey es el autor correspondiente de un artículo en la revista. Nano letras que describe este trabajo titulado "Placas posteriores de matriz activa de nanotubos de carbono para sensores y electrónica conformada". Los coautores de este artículo fueron Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies y Ronald Fearing.
(Izquierda) Imagen óptica de e-skin con un objeto en forma de L colocado en la parte superior. (Derecha) Mapeo de presión bidimensional obtenido del objeto en forma de L. Imagen cortesía de Berkeley Lab
Con la demanda de electrónica de plástico tan alta, La investigación y el desarrollo en esta área han sido intensos durante la última década. Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) se han convertido en uno de los principales materiales semiconductores en competencia para la electrónica de plástico. principalmente porque presentan una alta movilidad para los electrones, una medida de la rapidez con la que un semiconductor conduce la electricidad. Sin embargo, Los SWNT pueden adoptar la forma de un semiconductor o de un metal y una solución SWNT típica consta de dos tercios de tubos semiconductores y un tercio de tubos metálicos. Esta mezcla produce redes de nanotubos que exhiben bajas relaciones de corriente de encendido / apagado, lo que plantea un problema importante para las aplicaciones electrónicas, como explica Takahashi, autor principal del artículo de NanoLetters.
"Una relación de corriente de encendido / apagado tan alta como sea posible es esencial para reducir la interrupción de los píxeles en un estado apagado, ", dice". Por ejemplo, con nuestro dispositivo e-skin, cuando estamos mapeando la presión, queremos obtener la señal solo del píxel en estado sobre el que se aplica presión. En otras palabras, queremos minimizar la corriente lo más pequeña posible de los otros píxeles que se supone que están apagados. Para ello, necesitamos una alta relación de corriente activada / desactivada ".
Para hacer sus backplanes, Javey, Takahashi y sus coautores utilizaron una solución SWNT enriquecida con tubos semiconductores al 99 por ciento. Esta solución altamente purificada proporcionó a los investigadores una alta proporción de encendido / apagado (aproximadamente 100) para sus backplanes. Trabajando con un sustrato fino de poliamida, a
polímero de alta resistencia con flexibilidad superior, cortaron con láser un patrón de panal de orificios hexagonales que también hicieron que el sustrato se estirara. Los agujeros se cortaron con un paso fijo de 3,3 milímetros y una longitud variada del lado del agujero que osciló entre 1,0 y 1,85 milímetros.
"El grado en el que se podía estirar el sustrato aumentó de 0 a 60 por ciento a medida que la longitud lateral de los orificios hexagonales aumentaba a 1,85 mm, "Dice Takahashi." En el futuro, los grados de estirabilidad y direccionalidad deben poder ajustarse cambiando el tamaño del orificio o optimizando el diseño de la malla ".
Los backplanes se completaron con la deposición sobre los sustratos de capas de óxidos de silicio y aluminio seguidos de los SWNT enriquecidos con semiconductores. Las placas posteriores de transistores de película fina SWNT resultantes se utilizaron para crear una piel electrónica para el mapeo de presión espacial. El e-skin constaba de una matriz de 96 píxeles de sensor, midiendo 24 centímetros cuadrados de área, con cada píxel controlado activamente por un solo transistor de película delgada. Para demostrar el mapeo de presión, Se colocó un peso en forma de L encima de la matriz de sensores de piel electrónica con la presión normal de aproximadamente 15 kilo Pascales (313 libras por pie cuadrado).
"En el régimen de operación lineal, la sensibilidad medida del sensor reflejó una mejora triple en comparación con los sensores de piel electrónica basados en nanocables anteriores informados el año pasado por nuestro grupo, "Dice Takahashi." Esta sensibilidad mejorada fue el resultado del rendimiento mejorado del dispositivo de los backplanes SWNT. En el futuro, deberíamos poder expandir nuestra tecnología de backplane agregando varios sensores y / u otros componentes de dispositivos activos para habilitar pieles artificiales multifuncionales. Además, el backplane SWNT podría utilizarse para pantallas flexibles ".
