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Tinta de plata para impresión digital como componente de láminas funcionales

 

Introducción

La impresión por inyección de tinta de materiales conductores ha despertado gran interés científico y económico en las últimas décadas, además de convencer al público de sus múltiples campos de aplicación, especialmente en cuanto a sus ventajas técnicas. Los precios de las máquinas, claramente más bajos, los escasos costes de mantenimiento y el reducido uso de tinta/material en los equipos con impresión DOD (drop on demand) aumentan la rentabilidad del proceso de producción al tiempo que proporcionan al fabricante la máxima flexibilidad en los diseños de impresión de capas conductoras.1

En un principio, la intención del investigador y desarrollador era impri- mir completamente, por ejemplo, elementos de visualización laminares, células fotovoltaicas, etiquetas de radiofrecuencia (RFID), sensores o memorias.1,2,3 Pero, ahora, debido a diversas limitaciones técnicas, se ha dado preferencia4, a corto y medio plazo, a soluciones híbridas realizables para algunos productos (por ejemplo los clásicos chips de silicio combinados con contactos impresos).

En estas circunstancias, la impresión por inyección de tinta de plata (láminas conductoras, contactos, etc.; ver Figura 1) desempeña un importante papel que se considera el primer paso hacia láminas útiles y funcionales impresas digitalmente. Por tanto, el artículo que se presenta a continuación se propone como objetivo esbozar los conceptos químicos básicos y las características de sinterización de una selección concreta de tintas de plata.

 

La química de la tinta de plata

El componente principal de la tinta de plata es, sin duda, el material conductor, que está compuesto de nanopartículas de plata o precursores organometálicos. También es relevante el vehículo (la fase líquida) de la tinta, en tanto que se usan disolventes con base de acetatos, glicoles, ciclohexanona, butanona, etc. en una gran variedad de fórmulas de tinta.1,2,3 Para garantizar un buen trabajo de impresión, también hay que optimizar los parámetros reológicos (p. ej. viscosidad, tensión superficial, aplicación, etc.) y su estabilidad (sedimentación, etc.); del mismo modo, hay que tener en cuenta en la formulación de la tinta las posibles características específicas de aplicación (p. ej. aditivos para la adhesión).5

Varios productores comerciales han logrado desarrollar en los últimos años formulaciones de tintas idóneas para su uso y apropiadas para diferentes sistemas de impresión. Estas tintas presentan una buena conductividad tras el proceso de sinterización, para que sea posible su uso a gran escala, por ejemplo en la impresión de contactos.

Sin embargo, todavía es imprescindible considerar el alto precio de la tinta, que resulta de la proporción de plata necesaria (ver Figura 2) y de los precios actuales de este metal.

Figura 2: La proporción de plata en distintas tintas de plata comerciales se sitúa entre un 20 % y un 50 % de su peso.

Proceso de sinterización y de secado

La conductividad de las láminas impresas se consigue en primer lugar mediante el material conductor de la tinta. Sin embargo, debido a que el vehículo, los reguladores de viscosidad, etc. se depositan en el proceso de impresión, es necesario retirarlos en un paso de secado posterior. Cuando se trata de tintas de nanopartículas de plata, es necesario un tratamiento térmico intensivo para conseguir, además del secado de la capa de tinta, un soldado de las nanopartículas o sinterización

(ver Figura 3). Esta etapa de sinterización se lleva a cabo a escala industrial, ya sea con procesos térmicos o fotónicos,6 pero es definitivamente esencial para conseguir una elevada conductividad final que resulte adecuada.

6 Entre los procedimientos alternativos se encuentran, por ejemplo, la sinterización química o la sinterización con microondas. Sin embargo, debido a su escasa aplicación, estos procedimientos no se explican con detalle.

Figura 3: Representación esquemática del proceso de sinterización. (a) Nanopartículas dispersas en el vehículo de la tinta, (b) evaporación de la fase líquida mediante calor, (c) evaporación de los aditivos restantes y (d) sinterizado de las nanopartículas bajo crecimiento (de la ref. [1])

Hay que tener en cuenta que la fase de sinterización depende en gran medida de las condiciones del proceso; es decir, además del perfil de sinterizado, también pueden influir el tiempo, el grosor (ver Figura 4) y la forma de las partículas, el grosor de las láminas de impresión, etc. En esencia, cuanta más energía se aplique a las láminas impresas durante el proceso de sinterización, mayores son las partículas resultantes. Esto reduce el efecto de la llamada “melting point depression”7, que quiere decir que el punto de fusión de nanopartículas con un tamaño de partículas menor se reduce de forma significativa

(ver Figura 5). Este efecto desempeña un papel significativo, sobre todo en partículas con diámetro inferior a 50 nm.

Figura 4: Tintas de plata comerciales con diferentes tamaños de partículas. Izquierda aprox. 50 nm, derecha aprox. 5-10 nm.

La coordinación óptima entre el sustrato de la tinta y el método de sinterizado es una condición básica importante para un proceso de impresión y sinterización eficaz. Aunque la sinterización térmica es un proceso fiable y comprobado con los años, este método presenta dos inconvenientes importantes: por un lado, para conseguir la conductividad deseada, es necesario alcanzar temperaturas de 150 °C y más, que superan la resistencia térmica de muchos soportes plásticos. Por otro lado, hay que calcular que el proceso de sinterización puede durar de varios minutos a una hora, lo que no es compatible con muchos procesos „rollo a rollo“ en los que se alcanza una velocidad de impresión muy elevada.8

Por tanto, se usan lámparas de radiación pulsada de xenón o de radiación casi infrarroja (NIR) para los materiales sensibles a la tempera- tura o los altos índices de sinterización. Primero se aplican pulsos de xenón muy breves, que calientan la lámina de plata hasta los 1000 °C. Mediante estos pulsos breves y las pausas entre ellos, la lámina de plata puede volver a enfriarse hasta temperaturas inferiores a los 100 °C en cuestión de milisegundos, de manera que se evite deteriorar el soporte sobre el que está impresa. Los inconvenientes de este método son, sin embargo, la extrema sensibilidad del desarrollo del proceso y los altos costes del sistema de sinterización.

Figura 5: Efecto de la “melting point depression” en nanopartículas (de la ref. [7]).

7 Saad Ahmed, Xenon, Low temperature photonic sintering for printed electronics, Semicon West, 2011.
8 Por ejemplo, con una velocidad de 1 m/s y un tiempo de sinterizado de 15 min, se necesitaría una sección de horno de más de 900 m, lo que se traduce en una gran necesidad de espacio incluso si el tramo de secado tuviera forma de meandro.

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Una alternativa mucho más barata son los sistemas NIR, que utilizan lámparas cuya radiación es absorbida por las partículas de plata de manera mucho más fuerte que por la mayoría de plásticos.
Así, también pueden utilizarse para procesos de sinterización eficaces, aunque también hay que pensar que su uso continuado sobre láminas impresas aumenta la temperatura y el soporte puede resultar dañado. Es por tanto de crucial importancia coordinar la potencia de la lámpara con el tiempo de irradiación, ya que así se pueden evitar los efectos negativos de la sinterización (ver Figura 6).

Figura 6: Sinterización por NIR con diferentes parámetros. Izquierda: irradiación demasiado potente, derecha: duración y potencia de irradiación correctas.

Resumen

La impresión inkjet con tintas de plata representa una alternativa interesante en la producción de láminas funcionales. Sobre todo, se introducirá a corto y medio plazo la impresión sencilla de contactos en productos óptimos para su uso (p. ej. teclados de membrana),
por lo cual se considerarán componentes importantes del proceso de producción, no solo las tintas y el trabajo de impresión, sino también la coordinación óptima de los procesos de sinterización.

 

Fuente: www.durst.it

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