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Proyecto ‘Flexitex II- Investigación y desarrollo de sensores y circuitos electrónicos sobre sustratos flexibles mediante tecnologías de fabricación aditiva’

La impresión electrónica: una realidad para el futuro de los tejidos inteligentes

Grupo de investigación en Textiles Inteligentes y Soluciones TIC de Aitex

25/03/2020
La electrónica impresa es una tecnología emergente que utiliza diversas técnicas de impresión para la fabricación de productos electrónicos sobre gran variedad de sustratos. Su interés reside en que permite fabricar dispositivos electrónicos flexibles de bajo costo y gran área utilizando procesos de impresión tradicionales.
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Ejemplo de impresión flexográfica.

Las previsiones son que el campo de la electrónica impresa crezca en los próximos años de forma significativa debido a las ventajas de la impresión. Entre estas ventajas destacan un alto rendimiento, un uso óptimo de materiales, una temperatura de fabricación más baja y procesos de fabricación mucho menos complejos que la tecnología basada en silicio convencional que implica procesos de deposición a alta temperatura y alto vacío y técnicas sofisticadas de diseño fotolitográfico. Poco a poco la impresión electrónica va ganando aceptación y presenta nuevos productos. Entre dichos productos, ya en mercado, destacan la impresión de etiquetas de identificación por radiofrecuencia, sensores de presión, circuitos calefactables, pantallas electroluminiscentes o biosensores.

Por otra parte, la fabricación de placas de circuito impreso en sustratos flexibles como plástico, papel y textiles utilizando técnicas de impresión tradicionales ofrecen oportunidades prometedoras para la impresión electrónica, sin embargo, hay pocos estudios sobre la adaptación de los métodos de impresión tradicionales en sustratos flexibles para el desarrollo de la electrónica.

Existen diversas técnicas de impresión susceptibles de ser empleadas para su uso en impresión electrónica. De entre ellas destacan las siguientes: flexografía, huecograbado, inyección de tinta y serigrafía.

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Ejemplo de impresión inkjet de un sensor.

La impresión flexográfica es una técnica de impresión en relieve. Las zonas del motivo a imprimir se encuentran realzadas respecto a las zonas que no se quieren imprimir. Para ello se hace uso de una plancha, llamada también cliché o placa que es generalmente de un material flexible para que pueda ser adaptado al rodillo de la máquina. Para impregnar el cliché con tinta se utiliza un rodillo anilox que suele ser de acero inoxidable, este rodillo transfiere la tinta de la bandeja de tinta al cliché. Posteriormente el sustrato recibe la imagen del cliché, que previamente se le ha aplicado la tinta, saliendo ya impreso. Varios tipos de secado pueden ser empleados dependiendo de las tintas empleadas como son aire caliente, radiación ultravioleta o lámparas de infrarrojos.

La impresión en huecograbado es conocida por su alta calidad de impresión, altas velocidades de impresión, espesor de película variable, uso de tintas de baja viscosidad y la capacidad de transferir la tinta al sustrato. Esta técnica se basa en un cilindro de huecograbado, donde la imagen a transferir se encuentra grabada. Este cilindro puede ser acero o cerámico donde se graba mecánicamente o con láser la forma del área de la imagen compuesta por pequeñas celdas. A medida que el cilindro gira, recoge la tinta y la transfiere al sustrato.

La impresión mediante inyección de tinta denominada también inkjet o impresión digital tiene como principal ventaja que no necesita una máscara física o un portador de imagen. La imagen impresa se forma a partir de la deposición controlada de gotas de tinta, las cuales se unen y forman dicha imagen sobre el sustrato. Por tanto, la impresión por inyección de tinta utiliza una técnica de deposición directa. Esta técnica es la más versátil ya que no es necesario fabricar elementos físicos para cada impresión puesto que basta con cargar el fichero de imagen al programa que controla la impresora. Esta tecnología permite la impresión sobre sustratos de geometría compleja sin necesidad de que exista contacto entre el sustrato y el cabezal de impresión.

La serigrafía consiste en utilizar una malla tensada en un marco también denominada pantalla. Esta malla tiene zonas con malla abierta por donde puede pasar la tinta y zonas bloqueadas por donde no puede pasar. Esta técnica produce una deposición de capa más gruesa en comparación con otros métodos de impresión. Los materiales utilizados para la malla de la pantalla varían según el uso de solventes y agentes de limpieza. La malla puede ser más tupida o menos dependiendo el grosor de hilo empleado. Cuanto más grueso es el hilo de la malla empleado, mayor cantidad de tinta permite depositar, pero por el contrario menor definición tendrá el perfil de la imagen impresa.

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Impresión de un sensor táctil sobre textil.
En este proyecto se han evaluado las diferentes técnicas de impresión para estudiar el efecto de las variables del proceso en la impresión de tintas de plata conductoras. El diseño de los experimentos se realizó con el fin de identificar los efectos de los parámetros de los diferentes sistemas de impresión que podían afectar en el resultado final. Para ello se generaron unos patrones que permitieran evaluar conductividades de líneas horizontales, verticales, diagonales y circulares todas ellas de diferentes grosores. Estos patrones permitieron obtener resultados tales como que la orientación de los diseños puede afectar dependiendo del sistema de impresión empleado. Otro aspecto a remarcar es que cuando se imprime sobre sustrato textil los resultados de la impresión varían dependiendo de la orientación del tejido respecto al sentido de la impresión. Como conclusiones obtenidas cabe indicar que en líneas generales se obtienen mejores resultados cuando se imprime a favor de la trama, aunque en algunos tejidos esto puede variar.
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Impresión con serigrafía.

Cabe señalar que cada sistema de impresión tienes sus particularidades, entre ellas el grosor de capa impreso, por lo que no son comparables directamente entre ellos. Además, cabe señalar que cada sistema de impresión necesita unas viscosidades de tinta diferentes que afecta en gran medida a la conductividad resultantes. Durante el proyecto se evaluaron en gran medida tintas conductoras con propiedades flexibles y estirables con el fin de evaluar su comportamiento sobre sustratos flexibles. Durante los test se evaluó que la conductividad es inversamente proporcional de forma lineal al estiramiento que se le ejerce. También cabe señalar que tras dejar de ejercer tensión en el estiramiento la conductividad vuelve a su estado inicial si dicho estiramiento es inferior a un cierto porcentaje. Este parámetro es muy interesante tener controlado para asegurar comportamientos estables de conductividad ya sea, o bien para su uso en sensores, o bien para conexionado de buses o alimentaciones.

Además, se evaluó el comportamiento de tintas dieléctricas y tejidos empleados como dieléctricos. Para ello se conformaron estructuras tipo sándwich donde los exteriores son planos conductores y el interior viene dado por un plano de material dieléctrico. Este tipo de estructuras son muy interesantes para su empleo como sensores capacitivos con gran cantidad de aplicaciones como puedan ser sensores de presión, temperatura, humedad, movimiento o táctiles. Al conformar una estructura capacitiva, su comportamiento viene definido en gran medida por la distancia de los planos conductores, así como de la permeabilidad magnética del material empleado como dieléctrico. Este tipo de estructuras en comparación con otras no dependen del nivel de conductividad del material conductor, por lo que soportan mejor las deformaciones o estiramientos que puedan sufrir.

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Prototipo sensor táctil inalámbrico impreso en textil.

El proyecto ‘Flexitex II - Investigación y desarrollo de sensores y circuitos electrónicos sobre sustratos flexibles mediante tecnologías de fabricación aditiva”, cuenta con el apoyo de la Conselleria d'Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través del Ivace.

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