La Técnica de Impresión con Tinta Conductiva

La necesidad de uso de herramientas efectivas y eficientes para la producción en masa de dispositivos de radiofrecuencia (RF), ha permitido a la fabricación aditiva (en inglés, additive manufacturing) posicionarse como una de las técnicas de fabricación más prometedoras para aplicación en los futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas. La fabricación aditiva consiste en la creación de objetos al añadir capas sucesivas de distintos materiales como plásticos, cemento o metales [1,2] (véase la Figura 1). La fabricación aditiva posee la ventaja de reducir la cantidad de materiales necesarios y de reducir tiempos de fabricación en comparación a otro tipo de técnicas de fabricación más tradicionales. Además, permite la creación de objetos 3D de complejas geometrías, tarea que no es nada sencilla, o directamente inviable, con técnicas basadas en procesos litográficos [3]. 


Figura 1. Ilustración del proceso de fabricación aditiva y ejemplo de su aplicación al diseñó de objetos 3D. Imágenes extraídas de [1].

Los dos tipos de fabricación aditiva más reconocidos son la impresión 3D y la impresión con tinta conductiva. La impresión 3D, como su propio nombre indica, consiste en la creación de objetos tridimensionales a partir de la deposición de capas sucesivas de material. En el contexto de las comunicaciones y de la electrónica, la técnica de impresión 3D ha encontrado un nicho importante de aplicación en el diseño de dispositivos de radiofrecuencia, bien imprimiendo las piezas directamente con metal o bien imprimiéndolas en plásticos que son posteriormente bañados en cobre, aluminio u otro tipo de metal [4]. Por otro lado, la técnica de impresión con tinta conductiva ha encontrado su nicho en el diseño de prototipos flexibles y de bajo peso. Esto se debe al hecho de que la tinta conductiva puede depositarse con facilidad en sustratos de diversa índole, como papel, plástico, u obleas de semiconductores. Ejemplo de ello son los chips de identificación RFID (radiofrequency identification tags) insertados en prendas de ropa [5], antenas [6], y transistores [7] observados en la Figura 2.


Figura 2. Ejemplo de dispositivos electrónicos fabricados con tinta conductiva: (a) chip RFID (imagen extraída de [5]), (b) antena
con un diseño de origami (imagen extraída de [6]), (c) transistor MOSFET (imagen extraída de [7]).

Tintas Conductivas

Tradicionalmente, la técnica de impresión ha sido fundamentalmente utilizada por la industria editorial. Sin embargo, tal y como se ha comentado anteriormente, el desarrollo de tintas conductivas de buena calidad ha permitido que la técnica de impresión pueda ser aplicada en el desarrollo de dispositivos electrónicos de bajo coste.

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].


Los tres tipos de tintas conductivas más utilizadas basan su uso en: 1) nanopartículas metálicas, 2) soluciones organometálicas (mezclan átomos de carbono y metal en su composición) y 3) polímeros conductivos [9,10]. De los tres tipos de tintas conductivas anteriormente mencionados, se suele emplear, mayormente, los dos primeros. Esto se debe al hecho de que las nanopartículas metálicas y las soluciones organometálicas ofrecen unos mayores valores de conductividad (parámetro que indica cómo de buen conductor es un material) en comparación a los polímeros conductivos. En concreto, para el diseño de dispositivos de radiofrecuencia, se ha popularizado el uso de compuestos de plata y oro debido a su buena conductividad, alta estabilidad química y facilidad para ser integrados en disolventes orgánicos. 

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:

https://www.dupont.com/content/dam/dupont/productsand-services/solar-photovoltaic-materials/solarphotovoltaic-materials-landing/documents/decSolamet-PV410.pdf

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