La Técnica de Impresión con Tinta Conductiva
Figura 1. Ilustración del proceso de fabricación aditiva y ejemplo de su aplicación al diseñó de objetos 3D. Imágenes extraídas de [1].
Tintas Conductivas
Como regla general, todas las tintas conductoras deben ser formuladas cuidadosamente para cumplir con las propiedades fluídicas específicas, como la distribución del tamaño de las partículas, o la viscosidad y densidad del fluido en cuestión. Estas propiedades determinan en gran medida la “facilidad de impresión” de la solución de tinta sobre un determinado sustrato. Una manera de caracterizar la idoneidad de la tinta es mediante los números (adimensionales) de Weber y Reynolds [11]. Estos números indican la relación entre las fuerzas inerciales, tensión superficial y viscosidad del fluido. De hecho, típicamente se simplifica el análisis mediante la definición del parámetro Z, que relaciona el número de Reynolds y la raíz cuadrada del número de Weber. Tal y como se puede observar en la Figura 3, valores muy bajos del parámetro Z provocan que la viscosidad del fluido impida la eyección de las gotas de tinta. Por otro lado, valores muy altos de Z causan que la gota primaria de tinta vaya acompañada de un gran número de gotas secundarias (no deseadas), conocidas como gotas satélites.
Figura 3. Gráfica para evaluar la idoneidad
de las tintas en función de los números de Reynolds y de Weber. Imagen extraída
de [11].
Modos de Impresión
Las impresoras de tinta funcionan fundamentalmente
en dos modos de operación muy variados: el modo continuo y el modo drop-on-demand
(que podríamos traducir al español como “gota a demanda” o “gota a gota”).
1) Modo
continuo: El modo continuo produce un chorro de tinta que se rompe en pequeñas
gotas gracias al efecto o inestabilidad Plateau-Rayleigh [11,12]. Este efecto
se puede observar con detalle en la Figura 4(a), para distintos instantes de
tiempo. Es un fenómeno bastante común en
nuestra vida cotidiana. De hecho, un ejemplo lo podemos encontrar en el goteo de
agua que se genera en el grifo de nuestras casas. Si el diámetro del grifo es
lo suficientemente grande, el hilo de agua se rompe en pequeñas gotas por la
inestabilidad generada. El modo continuo está pensado para agilizar la
deposición de tinta, a coste de una menor precisión. Por este motivo, se emplea
ampliamente de manera comercial para para el etiquetado de productos y envases. No obstante, también tiene aplicación en la impresión de circuitos, tal y como se muestra en el siguiente vídeo divulgativo realizado por nuestro grupo de investigación.
2) Modo drop-on-demand
(“gota a gota”): El modo “gota a gota” es la técnica dominante para la
deposición en electrónica debido a su mayor precisión. La
deposición de las gotas se controla con actuadores piezoeléctricos o con
calentadores, tal y como se puede observar en la Figura 4(b). Cuando se
utilizan elementos piezoeléctricos, la corriente eléctrica aplicada en el
dispositivo provoca una deformación del actuador piezoeléctrico, que hace que
la gota caiga de la boquilla. Cuando se aplican calentadores, la aplicación de
calor forma burbujas de vapor de tinta que posteriormente acaban convirtiéndose
en gotas al enfriarse.
Figura 4. Modos de operación más típicos de
las impresoras con tinta conductiva: (a) modo continuo y la inestabilidad de Plateau-Rayleigh
(imagen extraída de [11]); (b) modo drop-on-demand (“gota a gota”).
Impresión aplicada a Dispositivos de Radiofrecuencia
Dentro del grupo SWAT de la Universidad de Granada, en colaboración con el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, hemos explorado las ventajas de la impresión con tinta conductiva aplicada al diseño de antenas y dispositivos de radiofrecuencia. Ejemplo de ello son las antenas de ultra banda ancha mostradas en la Figura 5, aplicadas a tareas de energy harvesting [13]. En la Figura 5(a), se muestra una antena espiral de Arquímedes, antena que está circularmente polarizada y opera eficientemente en el rango de 0.4 GHz a 18 GHz. En la Figura 5(b), se presenta una antena de tipo monopolo (elíptico), linealmente polarizada, que opera desde 0.6 GHz hasta más de 8 GHz. Ambas antenas fueron impresas por la compañía Tecnalia [14], con la tinta conductiva “DuPont Solamet PV410” constituida, esencialmente, por nanopartículas de plata [15]. Como sustrato para la deposición de la tinta, se usó una delgada lámina de PET (tereftalato de polietileno), un tipo de plástico de uso bastante común en la industria. El PET es un material flexible por naturaleza. Para dar rigidez a la estructura, se insertó una capa de foam (polietileno), material de muy bajas pérdidas y características eléctricas muy parecidas a las del aire, justo debajo de la lámina de PET.
Figura 5. Ejemplos de antenas de banda ancha fabricadas mediante la técnica de impresión con tinta conductiva. (a) Antena espiral de Arquímedes. (b) Monopolo elíptico (imágenes extraída de [13].
Antonio Alex Amor,
Investigador del grupo SWAT de la Universidad de Granada.
REFERENCIAS:
[1] Bitfab - Servicio de impresión
3D bajo demanda, “¿Qué es la fabricación aditiva? Aplicaciones, tecnologías y
ventajas,” C/ Villablanca 85, Oficina 104 28032, Madrid
https://bitfab.io/es/blog/fabricacion-aditiva/
[2]
S. A. Nauroze, et al., “Additively Manufactured RF Components and Modules: Toward
Empowering the Birth of Cost-Efficient Dense and Ubiquitous IoT
Implementations," Proc. IEEE, vol. 105, pp. 702-722, 2017.
[3]
R. Md. Murad Hasan, and X. Luo, “Promising Lithography Techniques for Next Generation
Logic Devices," Nanomanufacturing and Metrology, vol. 1, pp. 67-81,2018.
[4]
E. Macdonald et al., “3D printing for the rapid prototyping of structural
electronics," IEEE Access, vol. 2, pp. 234-242, 2014.
[5]
J. F. Salmerón, et al., “Properties and Printability of Inkjet and Screen-Printed
Silver Patterns for RFID Antennas," J. Electron. Mater., vol. 43,
pp. 604-617, 2014.
[6]
G. Shaker, S. Safavi-Naeini, N. Sangary, M. M. and Tentzeris, ”Inkjet Printing of
Ultrawideband (UWB) Antennas on Paper-Based Substrates," IEEE Antennas Wireless
Propag. Lett., vol. 10, pp. 111-114, 2011.
[7]
S. Chung K. Cho, and T. Lee, “Recent Progress in Inkjet-Printed Thin-Film
Transistors," Advanced Science, vol. 6, no. 6, 1801445, 2019.
[8]
H. C. Nallan, J. A. Sadie, R. Kitsomboonloha, S. K. Volkman, V. Subramanian, “Systematic
Design of Jettable Nanoparticle-Based Inkjet Inks: Rheology, Acoustics, and
Jettability,” Langmuir, vol. 30, pp. 13470, 2014.
[9]
G. Cummins and M. P. Y. Desmulliez, “Inkjet printing of conductive materials: a
review," Circuit World, vol. 38, no. 4, pp. 193-213, 2012.
[10] Atria Innovation, “Tintas conductivas,”
https://www.atriainnovation.com/tintas-conductivas/
[11] B. Derby “Inkjet printing of functional and structural materials:
fluid property requirements, feature stability, and resolution”, Annual
Review of Materials Research, Vol. 40 No. 1, pp. 395-414, 2010.
[12] Wikipedia, “Inestabilidad
de Plateau-Rayleigh”,
https://es.wikipedia.org/wiki/Inestabilidad_de_Plateau%E2%80%93Rayleigh
[13] A. Alex-Amor, A. Palomares-Caballero, J. Moreno-Núnez, A.
Tamayo-Domínguez, C. García-García, and J. M. Fernández-González, “Ultrawideband
Inkjet-Printed Monopole Antennas for Energy Harvesting Applications," Microw.
Opt. Techn. Lett., in press, 2021.
[14] Tecnalia. Disponible
en https://www.tecnalia.com/
[15] DuPont Solamet PV410. Technical Datasheet. Disponible en:
Comentarios
Publicar un comentario