La electrónica impresa está en todas partes y puede encontrarse en aplicaciones tan diversas como un pañal inteligente o un misil de precisión. En este artículo, TechBlick destacará algunos casos de aplicación y desarrollo tecnológico de la electrónica impresa rollo a rollo (R2R).
De este modo, TechBlick le llevará a un viaje que abarca aplicaciones en el ámbito de la salud, la automoción, la energía fotovoltaica, las pantallas y otras. El hilo conductor es la impresión R2R de productos electrónicos, independientemente de la técnica de impresión, por ejemplo, serigrafía, flexografía, huecograbado, troquelado, etc. Las aplicaciones aquí reseñadas se presentan de forma aleatoria y no siguen ningún orden de importancia. Las imágenes y los ejemplos que aparecen a continuación se han extraído de 2021 presentaciones realizadas en TechBlick, que es el hogar de la electrónica impresa, flexible, híbrida y en molde.
Pase anual individual de TechBlick o beneficios de acceso para grupos durante 12 meses:
Eventos: Participar en todos los eventos interactivos LIVE (online) de TechBlick
Establecimiento de redes: Conecte con los principales actores de la cadena de valor, desde los fabricantes de equipos originales hasta los proveedores de materiales
Formación: Aprenda los entresijos de las tecnologías gracias a nuestra cartera de clases magistrales impartidas por expertos
Evaluación del mercado: Siga las últimas informaciones y previsiones de mercado de los principales analistas de investigación de mercado
Portal de información: Acceda a la biblioteca a la carta de las últimas presentaciones
Descuento: Importante descuento para participar en eventos físicos presenciales
Electrónica impresa, flexible, híbrida y/o R2R | Electrónica de fabricación aditiva | Embalaje electrónico | Puntos cuánticos | Micro y mini LEDs | Pantallas impresas y flexibles | Electrónica en molde | Finales y nanoimpresión | E-Textiles | Sensores portátiles | Parches cutáneos inteligentes | Grafeno y materiales 2D | Nanotubos de carbono | Informática de materiales | Baterías de estado sólido | Electrónica en molde, estructural y 3D | Fotovoltaica perovskita, orgánica e híbrida | Innovaciones en materiales para baterías
Sensores médicos
Muchos sensores se imprimen. Por ejemplo, las tiras reactivas de glucosa se imprimen, a menudo R2R. Dado que son un mercado en declive gracias al aumento de la monitorización continua de la glucosa (CGM), no las revisaremos más aquí.
La siguiente imagen muestra dos ejemplos de sensores serigrafiados R2R. La imagen de la izquierda muestra electrodos de electrocardiograma R2R producidos en grandes volúmenes, por ejemplo, >1M de unidades al año. La imagen de la derecha es un ejemplo de un sensor de incontinencia serigrafiado comercialmente con R2R utilizando carbono conductor sobre un material no tejido estirable. Es un avance en el arte de la serigrafía funcional R2R poder imprimir utilizando tintas estirables en sustratos tan finos e incluso estirables sin que se arrugue o se estire de forma inadecuada y sin que se encoja durante los pasos de curado de la tinta.
Fuente: Mekorprint
La serigrafía rotativa es también la base de los sensores médicos portátiles más avanzados: los parches cutáneos inteligentes. A continuación se muestra un esquema de un producto de este tipo, que incluye la serigrafía rotativa de tintas conductoras estirables, tintas dieléctricas, tintas de cloruro de plata y otras. Estos parches electrónicos inteligentes para la piel son la base de una plataforma de sensores vestibles que permite medir las constantes vitales. Los parches pueden empezar midiendo la frecuencia cardíaca y la respiración y seguir con otros parámetros fisiológicos.
Fuente: Quad Industries
Otro interesante éxito comercial reciente de la electrónica impresa R2R es un producto médico de grado I desarrollado por InnovationLab GmbH (iL) para el Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG: un papel articulado digital para medir digitalmente la topografía de los dientes. Se trata de sensores R2R de 60μm de grosor impresos en sustratos PI con tintas piezoresistivas y de plata, que permiten medir digitalmente 256 niveles de presión.
La máquina R2R piloto de iL puede imprimir cinco capas en una sola tirada y puede imprimir en una banda de 33 cm con longitudes de hasta 17 m. Además, la máquina, que se muestra a continuación, integra varios módulos de curado (aire caliente, IR, UV, gofrado en caliente), así como de conversión (laminado, corte longitudinal, troquelado y besado). Esta máquina puede funcionar hasta 160 metros de serie por minuto (el dispositivo real no se produce a esta velocidad). Las máquinas de producción, de los socios de iL, Heidelberger Druckmaschinen AG, pueden manejar bandas de 44 cm a velocidades mucho mayores gracias a una larga sección de secado de, por ejemplo, 25 m.
Fuente: Innovation Lab GmbH y Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG presentaron en TechBlick 2021
Automóviles
La siguiente aplicación que quiero destacar es en el sector del automóvil. Una tendencia importante en esta industria es la sustitución de los interruptores mecánicos por los capacitivos. La imagen siguiente es de PolyIC GmbH (una empresa de Kurz), y muestra una película táctil transparente impresa con R2R integrada en la rueda motriz o el engranaje de un vehículo. Los sensores transparentes son una película de malla metálica impresa con R2R, que consiste en tintas de nanopartículas de plata de 100 nm de grosor impresas con un ancho de línea y un espaciado de 10 µm y 100 µm, respectivamente. La técnica exacta de impresión R2R está patentada.
Fuente: PolyIC GmbH presentado en TechBlick mayo 2021
Embalaje inteligente
La siguiente aplicación destacada es en los envases farmacéuticos inteligentes para mejorar la adherencia a la medicación. Jones Healthcare Packaging lleva desarrollando activamente esta tecnología desde 2013 y ahora se encuentra en fase de comercialización con muestras reales que están siendo probadas por pacientes. El desarrollo inicial se basó en una impresora R2R piloto de banda estrecha (que se muestra a continuación) en un sustrato de PET utilizando tintas de plata/carbono. El producto actual se imprime por flexografía utilizando tintas de carbono en sustratos de papel. El circuito de carbono impreso se muestra a continuación. Se trata, por supuesto, de la primera generación de productos. En el futuro, la electrónica funcional, así como las pantallas impresas, podrían integrarse en el propio envase inteligente.
Fuente: Jones Healthcare presentado en TechBlick marzo 2021
Con el Pase Anual o el Acceso para Grupos/Empresas ya puede acceder a los siguientes contenidos de los eventos de TechBlick 2021:
(9) Simposio sobre embalaje electrónico: Chips de IA, Embalaje 5G, Chiplets. Integración heterogénea, paquetes Fan-Out de alta densidad, escalado, futuro de los semiconductores
También puede ver el creciente número de TechBlick portfolio of masterclasses
Fotovoltaica
Ahora vamos a cambiar el enfoque para destacar las aplicaciones electrónicas impresas de R2R en la industria fotovoltaica. La fotovoltaica orgánica lleva 20 años o más en desarrollo comercial. Muchos recordarán los apasionantes días de Konarka (fundada en 2001), que quebró en 2012 tras haber recaudado unos 170 millones de dólares. El desarrollo de la tecnología continuó sin pausa a pesar de este contratiempo. Ahora, tanto los enfoques R2R impresos como los R2R evaporados están alcanzando un alto nivel de madurez tecnológica.
El ejemplo que se muestra a continuación es de Sunew, en Brasil, que ha tomado medidas para ampliar la producción. La línea de producción consta de 5 estaciones de impresión, cada una de las cuales coloca una capa en la pila de OPV. Hay 32 líneas de impresión a lo ancho de la banda. La anchura de la banda es de 50 cm y la longitud puede ser de hasta 1,5 km. Sunew puede mantener una uniformidad de espesor de <2% en toda la anchura de la banda. Hay que tener en cuenta que uno de los principales retos de la ampliación a partir de los resultados de laboratorio es el control de las interfaces entre capas y la morfología de la capa activa donante-aceptor.
La imagen de la izquierda muestra cómo pueden mantener una eficiencia constante a medida que avanzan hacia la banda de 500 mm. El panel de imágenes de la derecha muestra ejemplos de instalaciones reales de las células fotovoltaicas orgánicas producidas por R2R. Obsérvese que otras empresas, como Armor (revestimiento R2R) y Heliatek (célula tándem evaporada R2R), también están ampliando el proceso en velocidad y anchura.
Fuente: Sunew (presentado en mayo de 2021 en la conferencia TechBlick)
Por supuesto, hoy en día muchos buscan activamente la fotovoltaica de perovskita (PePV), que ha mostrado la curva de aprendizaje más rápida de todas las tecnologías fotovoltaicas. Esta tecnología también se puede imprimir. Por ejemplo, Energy Material Corp (EMC) está ampliando la producción R2R de PePV en línea. La imagen de la derecha muestra la transición en curso de una línea piloto a una línea de producción a gran escala, destacando la ambiciosa escala de la operación. La línea de producción incluirá la impresión R2R en bandas de 1,5 m de vidrio flexible de 100 µm de grosor a velocidades de banda cercanas a los 30 m/min. La ambición es tener una fábrica de PePV impresa con R2R capaz de producir 20 millones de metros cuadrados al año.
La capa conductora transparente incluye una capa de malla metálica R2R impresa mediante flexografía R2R con tecnología Kodak. La película de malla metálica que se muestra abajo a la izquierda se imprime en vidrio Corning de 100µm a 60m/min. No se han revelado los anchos de línea, pero el proceso de Kodak puede imprimir con fiabilidad anchos de línea inferiores a 10 µm a altas velocidades de banda.
Fuente: EMC (derecha) y Kodak (izquierda).
Imagen de Kodak de una presentación en TechBlick (marzo de 2021).
Con el pase anual de TechBlick también podrá participar en los siguientes eventos en 2022:
(5) Micro y mini-LEDs
(6) Puntos cuánticos: innovaciones materiales y aplicaciones comerciales
(7) Grafeno y materiales 2D: Usuarios finales, aplicaciones, principales productores y nuevas empresas
(8) Materiales 5G/6G
(9) Materiales informáticos
(10) Sensores médicos portátiles, tejidos electrónicos y monitorización continua de los signos vitales
Muestra
La impresión R2R también se utiliza para imprimir pantallas electrocrómicas. Esta tecnología no es nueva, pero ya está lista para la producción en masa. A continuación se muestra la línea de producción de Ynvisible, basada en la serigrafía R2R. La pantalla electrocrómica es multicapa y consta de una capa de plata, un contraelectrodo, un electrolito, una capa de símbolos, una capa electrocrómica y una capa gráfica, todo ello intercalado con un sustrato superior e inferior de barrera contra la humedad. Para reducir los costes de producción, la conversión y las pruebas también se realizan en línea R2R, lo que supone un importante avance.
Estas pantallas electrocrómicas impresas son adecuadas para pantallas segmentadas sencillas destinadas a aplicaciones IoT de gran volumen. Las pantallas tienen un grosor de <300µm y pueden doblarse hasta un radio de 10 mm. Además, su consumo es muy bajo (1µW/cm2), ya que pueden mantener su estado durante 15 minutos o más antes de necesitar una actualización. Se pueden alimentar a 1,5-3V y se pueden accionar mediante una microelectrónica sencilla. Esto significa que podrían alimentarse con baterías impresas y OPVs impresos (véase la imagen de la derecha que muestra dicho demostrador). Estas pantallas pueden fijarse a un sustrato objetivo mediante adhesivos. En los últimos desarrollos, también se puede añadir una capa gráfica para dar una sensación de color, de modo que las pantallas se ajusten a la marca.
Fuente: Ynvisible presentado en TechBlick en julio de 2021
La impresión R2R se utiliza y puede utilizarse en otros tipos de pantallas más complejas. En las pantallas de puntos cuánticos (QD)-LCD, la película de QD de mejora está revestida con troquel de ranura R2R. A continuación se muestra un ejemplo a la derecha. Se trata de un éxito comercial. La impresión también puede desempeñar un papel en la emergente tecnología microLED. Puede utilizarse para imprimir interconexiones envolventes que conecten la parte delantera y la trasera del sustrato de vidrio. También puede depositar protuberancias, almohadillas de conexión, etc.
También se está trabajando en las primeras fases de desarrollo para explorar la posibilidad de algún tipo de proceso R2R para colocar los propios micro-LEDs. Aquí destaco un enfoque en fase inicial basado en el proceso LIFT (transferencia directa inducida por láser) seguido de la fotosinterización rápida R2R en sustratos de baja temperatura utilizando soldadura estándar.
En el proceso LIFT, se emite un pulso láser a través de un soporte transparente con un patrón. El láser incide en un revestimiento de liberación propio, que libera el material o el componente. La hoja de ruta que se muestra a continuación, a la izquierda, es del Centro Holst, y muestra cómo demostraron primero, en una máquina a pequeña escala, la deposición de materiales en líneas estrechas antes de hacer progresar la tecnología hacia la transferencia de componentes. Recientemente, Holst demostró el uso de LIFT para transferir micro-LEDs de 40x40x50 µm3 con una separación de 80µm e interconexiones de 500µm. Esta demostración a escala de laboratorio tuvo un rendimiento (relativamente) bajo del 98%, con un 20% de los LEDs que acabaron de lado. Estos resultados están lejos de estar listos para la producción, pero establecen una hoja de ruta con un gran potencial de mejora. Esta técnica, combinada con el fotosinterizado R2R, ofrece la posibilidad de desarrollar un proceso totalmente R2R.
Fuente: A la derecha, proceso LIFT del Centro Holst presentado en TechBlick en junio de 2021. A la izquierda se muestra la película de mejora de puntos cuánticos recubierta por el troquel R2R de Nanosys y sus socios.
Hay un gran progreso en la impresión R2R de línea fina. La imagen siguiente muestra ejemplos del trabajo de Asahi Kasei en Japón. La empresa ha desarrollado un molde de rodillo sin costuras (SRM) que utiliza la litografía por haz de electrones para conseguir películas impresas R2R sin costuras de alta resolución. A continuación se muestran algunos resultados, que demuestran la capacidad de características ultrafinas de este proceso de R2R. La aplicación está próxima a la comercialización, especialmente como RFID transparente para seguimiento y localización.
Fuente: Asahi Kasei
La nanoimpresión R2R también puede utilizarse para crear características ultrafinas. El ejemplo siguiente es un proceso continuo de R2R híbrido, desarrollado por el Printable Electronics Research Centre de Suzhou. El proceso permite la formación de estructuras de malla metálica incrustada de características ultrafinas (<5µm) destinadas a aplicaciones táctiles y de calefacción transparentes. El esquema de la izquierda en la imagen inferior muestra el flujo del proceso. Obsérvese que el gofrado se realiza con un tambor de nano-gofrado rodante. Las imágenes del centro muestran el patrón de la malla metálica y la naturaleza incrustada de las líneas conductoras, que permite engrosar la línea para lograr una mayor conductividad sin comprometer la suavidad de la superficie. La imagen de la derecha muestra una máquina R2R que fue utilizada anteriormente por O-Film para producir comercialmente estas pantallas táctiles de malla metálica. En su momento álgido, se produjeron 1,5 millones de estos paneles al año.
Fuente: Centro de Investigación de Electrónica Imprimible de Suzhou presentado en TechBlick marzo 2021
Como tema final para cerrar nuestro repaso, me gustaría mencionar la impresión R2R RFID y cómo está evolucionando hacia la producción R2R de complejos circuitos híbridos multichip. En este caso, escojo un ejemplo de Smooth & Sharp (S&S) en Taiwán, que desarrolló la impresión R2R en papel. En el caso más sencillo, S&S comenzó a fabricar R2R en papel. Hace dos años, estas NFC costaban al menos el doble que sus homólogas fabricadas convencionalmente sobre plástico. Ahora, S&S indica que se ha alcanzado la paridad de precios, lo que puede ayudar a hacer accesibles más mercados.
Y lo que es más importante, también es el comienzo del desarrollo técnico. Las antenas NFC tienen un pequeño chip y una sola capa de metalización. Como se muestra a continuación, el futuro se desarrollará hacia más chips, más capas y diseños de circuitos más complicados. Los ejemplos siguientes muestran la integración de una etiqueta de 2 chips (NFC y chips LED), el desarrollo de una pieza de 11 componentes (2 capas activas y 10 componentes pasivos) y la demostración de una etiqueta R2R de 6 capas impresa en papel.
Se trata de una tendencia muy prometedora en general. La fabricación de electrónica híbrida flexible (FHE) está todavía en sus fases relativamente tempranas de desarrollo, pero está avanzando. Cada vez hay más chips flexibles avanzados, nativamente flexibles o adelgazados. Actualmente, con la ayuda de las RDL (capas de redistribución), estos paquetes adquieren la resolución de las líneas impresas en un sustrato flexible. Es importante destacar que están surgiendo técnicas de fijación a baja temperatura (soldadura fotosinterizada, soldadura a temperatura ultrabaja o adhesivos conductores alineados con partículas) que permiten fijar los componentes en PET y papel. Este es el comienzo de la hoja de ruta hacia la fabricación R2R de electrónica híbrida compleja.
En resumen, demostramos que la electrónica impresa R2R es realmente todo el mundo con numerosas aplicaciones. Es un panorama vibrante y en rápida evolución. Para saber más sobre esta tecnología y el ecosistema, consulte TechBlick (www.TechBlick.com). TechBlick es el hogar de la electrónica impresa, flexible, híbrida, en molde y en 3D en todo el mundo.
Fuente: Smooth & Sharp presentado en TechBlick mayo 2021
Parece un prototipo sencillo, pero hay que superar muchos retos técnicos, sobre todo porque la superficie no es plana. En particular, hay que comprobar y garantizar la fiabilidad de los componentes en las interfaces (véase más adelante). Una de las principales causas de la falta de fiabilidad en estas interfaces es el desajuste en el coeficiente de expansión térmica de los distintos materiales, que provoca la acumulación de tensiones durante los ciclos térmicos. Como se muestra en la tabla siguiente, existe una amplia gama de coeficientes.
Un área especialmente problemática puede ser la conexión con las matrices de cara arriba. Aquí, el aerosol deposita rampas dieléctricas sobre las que se imprimen pistas de Ag con aerosol. Las pistas conductoras pueden romperse, deslizarse o desprenderse. Del mismo modo, las pistas conductoras que atraviesan zonas llenas de adhesivo también pueden ser un reto. En este estudio, Parsons mostró sus estrategias para realizar pruebas de fiabilidad.
Cuando te unes a TechBlick, puedes escuchar y relacionarte con las siguientes empresas:
[This is automatically translated from English]