La electrónica de plástico impreso es una alternativa potencial a los transistores de silicio que podría reducir de forma extraordinaria los costes

Las pantallas de televisión de gran tamaño y los monitores portátiles hechos de una sola capa de plástico flexible pueden estar más cerca la realidad como resultado de los nuevos materiales presentados por los investigadores de Xerox Corporation.

Beng Ong, investigador del Centro de Investigación de Xerox de Canadá, definió el diseño y la síntesis de polímeros orgánicos semiconductores de avanzada tecnología que ofrecen patrones electrónicos de impresión en un substrato de plástico – el plástico equivalente a los circuitos impresos en placas de silicio – en una conferencia presentada en la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS).

Los materiales experimentales de Ong poseen las extraordinarias propiedades eléctricas que serían necesarias para imprimir circuitos de plástico. Pero a diferencia de otros materiales que se degradan rápidamente cuando se exponen al oxígeno, los materiales de Xerox son estables en el aire, un requisito indispensable para la fabricación de bajo coste en condiciones ambientales. Nadie más ha sido capaz de conseguir esta combinación en un material polímero.

Los transistores impresos en plástico auguran una alternativa de bajo coste y fácil fabricación a los componentes electrónicos de silicio, que son difíciles de fabricar y pueden costar hasta 10.000 dólares el metro cuadrado. La gama de aplicaciones previstas incluye desde etiquetas de identificación en mercancías a pantallas eléctricas de papel.

“Una de las principales ventajas de los transistores impresos en plástico es que no necesitarán instalaciones y procedimientos de fabricación especializados y costosos, mientras que los transistores de silicio necesitan entornos de instalaciones ultra limpias, sistemas de vacío de alta temperatura y procesos fotolitográficos complejos,” comentó Ong, un inventor que posee más de 110 patentes en los EEUU y que dirige el grupo de componentes electrónicos orgánicos impresos de XRCC en Mississauga, Ontario.

El diseño de materiales específicos de gran rendimiento y el desarrollo de sólidos procesos de impresión para la fabricación de dispositivos son desafíos claves en la puesta en práctica de este concepto. Ambas son áreas donde Xerox tiene conocimiento y experiencia. Sus científicos tienen una extensa trayectoria de investigación productiva en materiales orgánicos conductivos, tecnologías de impresión, y tecnología de dispositivos y sistemas – conocimiento y experiencia que se puede encontrar en el corazón de los productos de copia e impresión de Xerox.

Gracias a una subvención del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, los científicos de XRCC y del Centro de investigación de Palo Alto, una subsidiaria de Xerox en Palo Alto, California, colaboran con equipos de los laboratorios de Motorola y Dow Chemical para desarrollar nuevos materiales orgánicos electrónicos y tecnologías de procesamiento que permitan la fabricación de dispositivos electrónicos de grandes dimensiones, tales como pantallas, usando tecnologías de impresión relativamente baratas en lugar de litografía de semiconductores.

Ong y su equipo desarrollaron el material de tecnología avanzada estudiando primero las características estructurales del polímero responsables de las limitaciones en los materiales existentes, y desarrollando después normas de diseño para evitar esas limitaciones. Los materiales se evaluaron en dispositivos sencillos en XRCC, haciendo más pruebas de impresión experimental en PARC y seleccionando empresas electrónicas de todo el mundo.

Xerox, juntamente con PARC, los otros miembros del consorcio NIST y con compañías líderes en electrónica, está en proceso de evaluación de este nuevo material experimental para su disponibilidad en múltiples aplicaciones electrónicas impresas. Si estas evaluaciones continúan siendo tan prometedoras, la intención de la compañía es comercializar con gran dinamismo el material en la industria electrónica orgánica emergente.

Aparte de la reunión de MRS, Xerox está trabajando sobre los nuevos materiales de Ong para componentes electrónicos impresos orgánicos y otras muchas tecnologías de la compañía, incluyendo CarbonConXTM (una tecnología preferente para componentes de conmutadores eléctricos), diodos orgánicos emisores de luz (estructura de larga duración , Black CathodeTM, y materiales optoelectrónicos), y microesferas de agregación por emulsión (usadas en los toneres de color EA de Xerox y también utilizables en aplicaciones de asistencia personal y biotécnica).

Acerca de los resultados de las investigaciones experimentales

En su presentación al MRS, Ong describió el diseño y las propiedades de nuevos materiales de polietifeno, que son considerablemente mejores en diferentes comportamientos que los polímeros establecidos actualmente. El material semiconductor orgánico experimental desarrollado por su equipo es un cristal líquido esméctico de segunda generación con movilidad de los transistores de efecto de campo de hasta 0.12 centímetros cuadrados por segundo de Volt (cm2/V.s), que es una medida de la velocidad del movimiento de los electrones por unidad de campo eléctrico. Eso podría ser un orden de mayor magnitud que otras referencias de polímeros medidas en la misma arquitectura de dispositivos.

Además, los coeficientes actuales de on/off están en una gama excelente de 106 a 107, y los dispositivos que contienen el material experimental de Xerox muestran poca tensión de polarización, histéresis o instabilidad en el aire. Realmente, el avance tecnológico conseguido por Ong y su equipo ha sido la unión de todas estas propiedades extraordinarias de los transistores de capas delgadas simultáneamente dentro de un material que se puede procesar en condiciones ambientales. Esto no se había hecho nunca anteriormente.

El trabajo NIST de PARC se basa en su larga experiencia en electrónica de grandes dimensiones fundamentada en silicio amorfo y policristalino. Ha demostrado transistores de efecto de campo de polímeros impresos por inyección y está desarrollando procesos para imprimir series matriciales activas completas.