La electrificante realidad de las tintas conductivas

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Actualmente una gran cantidad de dispositivos electrónicos funcionan gracias a la impresión digital, y no hablamos en sentido figurado, ya que la precisión de la impresión digital ha permitido que una amplia gama de circuitos electrónicos, se modelen mediante técnicas de impresión con tintas conductivas sobre una gran variedad de sustratos.

Se han empleado una gran cantidad de técnicas de impresión tanto convencionales como novedosas con tintas basadas en nanopartículas para la fabricación de patrones conductores, dictando diferentes limitaciones para las propiedades de las tintas impresas.

¿QUÈ SON LAS TINTAS O PINTURAS CONDUCTORAS DE ELECTRICIDAD?

Ya sea tratando de mantenernos al día con los requisitos cada vez más reducidos de la electrónica de consumo, como el peso o el tamaño en los auriculares bluetooth o reduciendo cada miligramo de peso que desperdicia combustible en la industria automotriz y aeroespacial, o persiguiendo la próxima gran oportunidad en sensores portátiles, sensores estructurales electrónica o robótica blanda, las opciones de diseño que abre la electrónica impresa van mucho más allá de lo que se puede lograr con las placas de circuito impreso rígidas de antaño.

Si bien muchas innovaciones en tinta conductiva aparentemente apuntan a un futuro distante, el hecho es que probablemente ya estemos interactuando con tintas conductoras de electricidad con bastante frecuencia. Por ejemplo, un teclado de membrana en nuestra computadora portátil o las etiquetas RFID, tiras de glucosa, sensores biomédicos, páneles solares, calentadores impresos… Las tintas conductoras son un componente básico en muchas industrias maduras. 

Entonces, si las tintas conductivas son tan omnipresentes, ¿por qué la mayoría de nosotros nunca hemos trabajado con ellas? Bueno, por varias razones, el acceso a las tintas conductoras (y la electrónica impresa en general) es una situación un poco turbia.

Primero debemos decir que el uso de una tinta que conduce electricidad es una decisión de ingeniería nacida desde el concepto mismo del dispositivo. Esto significa comenzar a contemplarla a partir de sus requisitos, observar las opciones disponibles y luego optimizar para obtener los resultados deseados y los recursos disponibles.

¿Cuáles son sus criterios de desempeño? ¿Cómo se planea hacerlo? ¿Cuánto dinero se está dispuesto a gastar? ¿Cómo interactúa el usuario con el dispositivo y el entorno? ¿Tiene que cumplir con alguna normativa? Etcétera.

¿QUÉ SON LAS TINTAS CONDUCTORAS DE ELECTRICIDAD?

Comencemos con una definición amplia y reduzcamos a partir de ahí: Una tinta conductora es un material que se imprime, que procesa y conduce la electricidad.

Impreso: Significa modelar aditivamente su superficie de alguna manera. Existen diferentes tintas para diferentes tecnologías de impresión, que tienen sus propias ventajas y desventajas. 

Procesado: La mayoría de las tintas no son conductoras hasta que se procesan, lo que generalmente significa aplicar calor. Para nuestros propósitos, solo hablaremos de tintas de baja temperatura (< 250°C). 

Eléctricamente conductoras: las tintas conductoras son en realidad un subconjunto de las tintas funcionales, es decir, tintas que son útiles fuera de las necesidades puramente estéticas o estructurales. Las tintas conductoras son, con mucho, la rama más grande, cuyo trabajo es proporcionar un camino para que los electrones lleguen de un lugar a otro.

¿DE QUÉ ESTÁN HECHAS LAS TINTAS CONDUCTORAS?

Las tintas conductivas tienen dos partes principales:

– El relleno. Esta es la parte conductora, generalmente partículas de metal, que le darán a la tinta sus propiedades eléctricas.

– El vehículo. Esto es todo lo demás, los aglutinantes, dispersantes, solventes y aditivos, que suspenden sus partículas, permiten que la tinta fluya y se seque, le dan estabilidad estructural y flexibilidad, y todas las demás propiedades que su tinta necesita para ser lo mejor posible.

MATERIAL DE RELLENO

El material de relleno generalmente se reduce a dos opciones: plata y otras opciones. Esta es una generalización amplia, pero desafortunadamente así funciona. Hay muchas otras opciones que se pueden usar en lugar de la plata, mas tarde ahondaremos en ellos.

PLATA

Cuando se trata de elegir un relleno, la plata a menudo gana por los factores que a la mayoría de la gente le importan:

    – Efectividad en la conductividad frente a costo

    – Accesibilidad

    – Facilidad de uso/estabilidad

La plata normalmente le ofrece la mejor inversión en términos de conductividad, pero tan importante como el rendimiento es el hecho de que las tintas plateadas son omnipresentes. La plata se incorporó a la industria y, dado que la mayoría de los principales proveedores de tintas ofrecen tintas a base de plata, tiene muchas más opciones de químicas y configuraciones que pueden satisfacer sus necesidades específicas.

En cuanto a la facilidad de uso, lo mejor es ilustrarlo comparándolo con el competidor más cercano de la plata: el cobre.

COBRE

El cobre merece una mención porque generalmente es la primera alternativa que la gente considera, generalmente porque el cobre es técnicamente un metal más barato que la plata, en papel. Eso, y si consideramos la electrónica tradicional, el cobre está en todas partes.

La cuestión es que las tintas NO son de metal a granel. Al igual que el costo de una computadora es más que la suma de sus partes, el costo total de una tinta incluye el costo de procesamiento de las materias primas, el costo de I+D y cualquier costo de capital en el que pueda incurrir para usarla. 

El mayor detractor del cobre es la oxidación. Las tintas de cobre se oxidarán cuando se sequen al aire, lo que impide que las partículas de cobre se conduzcan. Para evitar la oxidación, debe bombear un agente reductor en gas nitrógeno, lo que agrega costos y complejidad que generalmente supera el costo de la materia prima.

Hay algunas soluciones alternativas, por ejemplo, recubrir las partículas de cobre con plata, pero el costo de procesamiento adicional para estas opciones y su relativa escasez significa que la plata aún suele ocupar el primer lugar en el equilibrio conductividad/costo.

TODO LO DEMÁS

Hay muchas otras variedades de rellenos de tinta conductora (nanotubos de carbono, grafeno, polímero conductor o tintas moleculares libres de partículas) y cada uno tiene sus propios problemas y advertencias particulares, que están fuera del alcance de un artículo de descripción general. 

¿QUÉ PASA CON EL TAMAÑO DE PARTÍCULA? ¿FORMA? ¿CONTENIDO DE METAL?

El tamaño de las partículas, la forma y la carga (% en peso) son decisiones importantes al formular una tinta y brindan compensaciones en términos de conductividad, temperatura de procesamiento, costo y propiedades de flujo.

Aquí hay algunas tendencias generales a tener en cuenta: 

Carga de metal: Un mayor contenido de metal generalmente significa más conductividad y mayor viscosidad. Por ejemplo, las tintas de inyección de tinta similares al agua y de baja viscosidad normalmente alcanzarán un máximo del 10 % al 20 %, mientras que las pastas de serigrafía gruesa pueden alcanzar hasta un 80 % de plata en peso. 

Tamaño y forma de las partículas En general, cuanto más pequeñas son las partículas, mayor es la conductividad y mayor el costo. De tamaño micrométrico (1-5 μm): el más común, el más económico y el de menor conductividad debido a la resistencia de contacto. Tamaño submicrométrico (~0,3-1 μm) Tamaño nanométrico (<0,3 nm)

Cuando se habla de forma, normalmente se puede asumir con seguridad que se está trabajando con escamas, pero esto no siempre tiene que ser así.

Cuando se trabaja con tintas en sistemas de baja temperatura, la red conductiva se forma al evaporar el solvente durante el procesamiento térmico, suspendiendo sus partículas de relleno en su aglutinante y permitiendo que las partículas entren en contacto en una red filtrada, esencialmente, una red aleatoria de conexiones que permiten que los electrones logren llegar de un extremo al otro.

En la gran mayoría de los casos, eso es todo: sus partículas simplemente están sentadas allí, tocándose entre sí sin contemplaciones mientras los electrones encuentran el camino más corto a través de la red. Eso significa que su conductividad está limitada por la resistencia de contacto. Si sus partículas se vuelven lo suficientemente pequeñas (en el rango de las nanopartículas), comienza a abrirse la posibilidad de estrechamiento y sinterización, lo que difumina la línea entre las partículas individuales. En ese punto, su conductividad puede aumentar, pero generalmente es una compensación entre precio y rendimiento. Aquí tenemos que entrar en detalles sobre los componentes básicos y cómo influye en la tinta para lograr la conductividad.

EL VEHÍCULO 

Aquí es donde entra en juego gran parte de la magia del formulador o fabricante. Elegir las combinaciones y proporciones correctas de aditivos, aglutinantes, solventes y dispersantes para asegurarse de que la tinta sea estable en almacenamiento, mecánicamente robusta e imprimible es tanto un arte como una ciencia.

SOLVENTE

El solvente disuelve su aglutinante y partículas y contribuye a las características de flujo de la tinta.

LIGANTE

La matriz ligante es un polímero o mezcla de polímeros que le otorgan a la tinta propiedades estructurales – adherencia, flexibilidad, robustez mecánica, temperatura de trabajo, entre otras.

DISPERSANTE

Si queremos que la tinta fluya correctamente, se cure correctamente y se mantenga estable en el estante, debe asegurarse de que sus partículas permanezcan separadas y bien dispersas en todo el material. Las partículas agrupadas y aglomeradas son un mal presagio.

ADITIVOS

Los aditivos incluyen algunos modificadores para ajustar las propiedades de flujo de su tinta para obtener propiedades de impresión óptimas.

Tekra es un distribuidor autorizado de la línea completa de tintas conductoras de Henkel Electronic Materials que incluye tintas conductoras de plata, tintas conductoras de carbón y tintas dieléctricas. La asociación de Tekra con Henkel ha brindado a sus clientes acceso a productos de clase mundial utilizados en la producción de circuitos flexibles, biosensores, antenas, elementos de calefacción flexibles e interruptores táctiles de membrana.

La línea de tintas conductoras de Henkel se complementa con la oferta de Tekra de películas de poliéster DuPont Teijin Films, Mylar y Melinex y policarbonato LEXAN de SABIC, así como con una extensa línea de cintas de transferencia y adhesivos de 3M. 

Las tintas conductoras Henkel para electrónica impresa de Tekra ofrecen una amplia selección de tintas formuladas para aplicaciones específicas, requisitos de curado y sustratos base. 

Estas son las opciones con las que cuenta Tekra

Tintas de plata:

     ICE 1010

     EDAG-479SS (libre de halógenos)

     EDAG-725A (6S-54)

Tintas de carbón:

     PF-407C (o PF-407A)

     Tinta de cola 965 SS

Tintas dieléctricas:

     EDAG-452SS

     Cruces PF-455B

     EDAG-1020A

Tekra está bien posicionada para brindar un enfoque de soluciones totales que incorpore compromiso tanto comercial como técnico.

Composiciones disponibles:

     Tinta plateada conductora

     Tinta de carbón conductivo

     Tinta de cloruro de plata-plata

     Tinta dieléctrica

     Tinta de resistencia de carbono

Las tintas conductoras para serigrafía funcionan como otros usos de la serigrafía rotativa. La tinta se presiona a través de las pantallas en forma líquida, pero finalmente se convierte en una mancha o línea conductora.