Investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente (CEMS) y del Clúster RIKEN para la Investigación Pionera (CPR) en Japón han desarrollado una técnica para mejorar la flexibilidad de los dispositivos electrónicos ultrafinos, como los que se utilizan en dispositivos plegables o en la ropa. Publicado en Science Advances, el estudio detalla el uso de plasma de vapor de agua para unir directamente electrodos de oro fijados en películas de polímero ultrafinas separadas, sin necesidad de adhesivos ni altas temperaturas.
A medida que los dispositivos electrónicos son cada vez más pequeños y aumenta el deseo de contar con aparatos electrónicos plegables, para llevar encima y en la piel, los métodos convencionales de construcción de estos dispositivos se han vuelto poco prácticos. Uno de los mayores problemas es cómo conectar e integrar múltiples dispositivos o piezas de un dispositivo que residen en películas de polímero ultrafinas separadas. Los métodos convencionales que utilizan capas de adhesivo para pegar los electrodos reducen la flexibilidad y requieren una temperatura y una presión que son perjudiciales para la electrónica ultrafina. Existen métodos convencionales de unión directa entre metales, pero requieren superficies perfectamente lisas y limpias que no son típicas en este tipo de electrónica.
Un equipo de investigadores dirigido por Takao Someya en el RIKEN CEMS/CPR ha desarrollado un nuevo método para asegurar estas conexiones que no utiliza adhesivo, ni alta temperatura, ni alta presión, y no requiere superficies totalmente lisas o limpias. De hecho, el proceso dura menos de un minuto a temperatura ambiente, seguido de unas 12 horas de espera. La nueva técnica, denominada unión asistida por plasma de vapor de agua, crea uniones estables entre los electrodos de oro que se imprimen en láminas de polímero ultrafinas (2 milésimas de milímetro) mediante un evaporador térmico.
"Se trata de la primera demostración de una electrónica de oro ultrafina y flexible fabricada sin ningún tipo de adhesivo", afirma el investigador principal Kenjiro Fukuda de RIKEN CEMS/CPR. "Utilizando esta nueva tecnología de unión directa, pudimos fabricar un sistema integrado de células solares orgánicas flexibles y LEDs orgánicos". Los experimentos demostraron que la unión asistida por plasma de vapor de agua funcionaba mejor que las técnicas convencionales de adhesión o unión directa. En particular, la fuerza y la consistencia de las uniones eran mayores que las que se lograban con la unión directa asistida por superficie estándar. Al mismo tiempo, el material se adaptaba mejor a las superficies curvas y era más duradero que lo que se podía conseguir con una técnica adhesiva estándar.
Según Fukuda, el método en sí es sorprendentemente sencillo, lo que podría explicar por qué lo descubrieron por accidente. Tras fijar los electrodos de oro en láminas de polímero, se utiliza una máquina para exponer los lados de los electrodos de las láminas a plasma de vapor de agua durante 40 segundos. A continuación, se presionan las láminas de polímero para que los electrodos se superpongan en el lugar correcto. Tras esperar 12 horas a temperatura ambiente, están listas para su uso. Otra ventaja de este sistema es que, tras la activación con plasma de vapor de agua, pero antes de ser unidas, las láminas pueden almacenarse en paquetes al vacío durante días. Este es un aspecto práctico importante cuando se considera el potencial para pedir y distribuir componentes preactivados.
Como prueba de concepto, el equipo integró módulos fotovoltaicos orgánicos ultrafinos y de luz LED que se imprimieron en películas separadas y se conectaron mediante cinco películas de polímero adicionales. Los dispositivos resistieron pruebas exhaustivas, como envolverlos en un palo y arrugarlos y retorcerlos hasta el extremo. Además, la eficiencia energética de los LED no se vio afectada por el tratamiento. La técnica también permitió unir chips de LED preenvasados a una superficie flexible.
"Esperamos que este nuevo método se convierta en una tecnología de cableado y montaje flexible para la próxima generación de dispositivos electrónicos vestibles que puedan adherirse a la ropa y la piel", afirma Fukuda. "El siguiente paso es desarrollar esta tecnología para utilizarla con metales más baratos, como el cobre o el aluminio".
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