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Nuevas tintas basadas en gráficos para la fabricación a alta velocidad de electrónica impresa

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Un método de bajo costo y alta velocidad para imprimir tintas de grafeno utilizando un proceso de impresión convencional de rollo a rollo, como el utilizado para imprimir periódicos y paquetes crujientes, podría abrir una amplia gama de aplicaciones prácticas, incluyendo electrónica impresa de bajo costo, empaques inteligentes y sensores desechables.

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Desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge en colaboración con la empresa de tecnología Novalia, con sede en Cambridge, el método permite que el grafeno y otros materiales conductores de electricidad se añadan a las tintas convencionales a base de agua y se impriman utilizando equipos comerciales típicos, la primera vez que el grafeno se ha utilizado para imprimir a gran escala en una imprenta comercial a alta velocidad.

El grafeno es una hoja bidimensional de átomos de carbono, de un solo átomo de espesor. Su flexibilidad, transparencia óptica y conductividad eléctrica lo hacen adecuado para una amplia gama de aplicaciones, incluida la electrónica impresa. Aunque se han demostrado numerosos prototipos de laboratorio en todo el mundo, el uso comercial generalizado del grafeno aún no se ha realizado.

"Nos complace ser los primeros en acercar las tintas de grafeno al mundo real de la fabricación. Hay muchas empresas que han producido tintas de grafeno, pero ninguna de ellas lo ha hecho en una escala cercana a esta", dijo el Dr. Tawfique Hasan del Centro de Grafito de Cambridge (CGC), que desarrolló el método. "Ser capaz de producir tintas conductoras que puedan ser utilizadas sin esfuerzo para imprimir a escala comercial a una velocidad muy alta abrirá todo tipo de aplicaciones diferentes para el grafeno y otros materiales similares"

"Este método nos permitirá poner los sistemas electrónicos en formas totalmente inesperadas", dijo Chris Jones de Novalia. "Es una tecnología increíblemente flexible."

El método de Hasan, desarrollado en el Centro de Nanociencia de la Universidad, funciona suspendiendo diminutas partículas de grafeno en una mezcla de solvente "portador", que se añade a las formulaciones de tintas conductoras a base de agua. La proporción de los ingredientes se puede ajustar para controlar las propiedades del líquido, lo que permite que el disolvente portador se mezcle fácilmente con una tinta convencional conductora a base de agua para reducir significativamente la resistencia. El mismo método funciona para materiales distintos del grafeno, incluidas las nanopartículas metálicas, semiconductoras y aislantes.

Actualmente, los patrones conductores impresos utilizan una combinación de carbono mal conductor con otros materiales, más comúnmente plata, lo cual es costoso. Las tintas con base de plata cuestan £1000 o más por kilogramo, mientras que esta nueva formulación de tinta de grafeno sería 25 veces más barata. Además, la plata no es reciclable, mientras que el grafeno y otros materiales de carbono pueden reciclarse fácilmente. El nuevo método utiliza disolventes baratos, no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente que pueden secarse rápidamente a temperatura ambiente, lo que reduce los costes de energía para el curado de la tinta. Una vez seca, la "tinta eléctrica" también es impermeable y se adhiere muy bien a su sustrato.

Las tintas basadas en gráficos se han impreso a una velocidad de más de 100 metros por minuto, lo que está en línea con las velocidades de producción comerciales para la impresión de gráficos, y mucho más rápido que los prototipos anteriores. Hace dos años, Hasan y sus colegas produjeron un prototipo de piano transparente y flexible utilizando tintas basadas en gráficos, cuya fabricación llevó entre seis y ocho horas. Gracias al uso de esta nueva tinta, se pueden fabricar dispositivos más versátiles sobre papel o plástico a un ritmo de 300 por minuto y a un coste muy bajo. Novalia también ha producido un deck de DJ impreso y un póster interactivo, que funciona como una batería utilizando el mismo método.

Los estudiantes de Hasan y de doctorado Guohua Hu, Richard Howe y Zongyin Yang del grupo Hybrid Nanomaterials Engineering de CGC, en colaboración con Novalia, probaron el método en una rotativa comercial típica, que no requería modificaciones para imprimir con la tinta de grafeno. Además de las nuevas aplicaciones que el método abrirá para el grafeno, también podría abrir nuevas oportunidades de negocio para los impresores gráficos comerciales, que podrían diversificarse en el sector de la electrónica.

"El Reino Unido, y el área de Cambridge en particular, siempre ha sido fuerte en el sector de la impresión, pero sobre todo para la impresión gráfica y el embalaje", dijo Hasan, miembro de la Royal Academy of Engineering Research Fellow y profesor universitario en el Departamento de Ingeniería. "Esperamos utilizar esta sólida experiencia local para ampliar nuestra plataforma de tinta funcional. Además de la electrónica de impresión más barata, esta tecnología abre potenciales áreas de aplicación como el embalaje inteligente y los sensores desechables, que hasta la fecha han sido en gran medida inaccesibles debido a su coste"

A corto y medio plazo, los investigadores esperan utilizar su método para fabricar biosensores, recolectores de energía y etiquetas RFID impresos y desechables.