Nova técnica utiliza plasma de vapor d'água em dispositivos elétricos

Cientistas desenvolvem alternativa para a fabricação de dispositivos ultrafinos e flexíveis que dispensa o uso de adesivos e de alta temperatura, garantindo a integridade das peças. Método poderá ser o novo padrão na produção de vestíveis

Paloma Oliveto

postado em 17/01/2022 06:00

(crédito: Riken/Divulgação)

Roupas inteligentes, sensores usados na pele, eletrônicos ultrafinos e dobráveis já são uma realidade, com a tendência de se tornarem cada vez mais comuns. Por enquanto, porém, há uma importante barreira que impede a disseminação maior dessa tecnologia: como deixá-las flexíveis sem, ao mesmo tempo, estragar as peças do dispositivo. Agora, cientistas do instituto de pesquisa Riken, no Japão, desenvolveram um método que melhora a maleabilidade dos circuitos sem afetá-los negativamente.

Em um artigo publicado na revista Science Advances, os pesquisadores descrevem a técnica, que consiste no uso de plasma de vapor d'água para ligar os eletrodos, sem necessidade de adesivos ou altas temperaturas que poderiam estragá-los. O plasma é o quarto estado físico da matéria, formado por uma massa de gás ionizado. No experimento, os cientistas fizeram a conexão dos componentes de ouro fixados em filmes separados de polímeros ultrafinos usando as moléculas de H20 como "cola".

Segundo Takao Someya, pesquisador do Riken que liderou o estudo, os métodos convencionais usam camadas de adesivo para colar os eletrodos. Isso, além de reduzir a flexibilidade, exige condições de temperatura e pressão que danificam os eletrônicos superfinos. "Métodos convencionais de ligação direta de metal com metal estão disponíveis, mas requerem superfícies perfeitamente lisas e limpas, que não são típicas nesses tipos de eletrônicos", diz.

Para solucionar o problema, a equipe de Someya desenvolveu um método que protege as conexões dispensando adesivo, alta temperatura e/ou pressão e superfícies totalmente lisas ou limpas. "Na verdade, o processo leva menos de um minuto e é realizado à temperatura ambiente, seguido por cerca de 12 horas de espera", diz o cientista. A nova técnica, chamada de ligação assistida por plasma de vapor de água, cria ligações estáveis entre eletrodos de ouro que são impressos em folhas de polímero ultrafinas — 2 milésimos de milímetro — usando um evaporador térmico.

"Essa é a primeira demonstração de eletrônica de ouro flexível e ultrafina fabricada sem nenhum adesivo", diz o pesquisador sênior, Kenjiro Fukuda. "Usando essa nova tecnologia de ligação direta, conseguimos fabricar um sistema integrado de células solares orgânicas flexíveis e LEDs orgânicos." De acordo com ele, testes demonstraram que a colagem assistida por plasma de vapor d'água teve um desempenho melhor do que o obtido pelas técnicas convencionais. Particularmente, a resistência e a consistência das conexões foram maiores do que a resultante de ligação direta. Ao mesmo tempo, o material se adaptou melhor às superfícies curvas e se mostrou mais durável do que seria com a tecnologia de adesivo padrão.

Simplicidade

De acordo com Fukuda, o método, em si, é "surpreendentemente simples". "Isso pode explicar por que nós o descobrimos por acidente", diz. Depois de fixar os eletrodos de ouro em folhas de polímero, uma máquina é usada para expor esses componentes ao plasma de vapor de água durante 40 segundos. Em seguida, as folhas de polímero são pressionadas juntas para que os eletrodos se sobreponham no local correto. Depois de esperar 12 horas em temperatura ambiente, os componentes estão prontos para uso.

Outra vantagem desse sistema, segundo os pesquisadores, é que, após a ativação com plasma de vapor d'água (mas antes de serem colados), os filmes podem ser armazenados em embalagens a vácuo por vários dias. "Esse é um aspecto prático importante quando se considera o potencial para encomendar e distribuir componentes pré-ativados", explica Takao Someya.

Resistência

Como prova de conceito, a equipe integrou módulos fotovoltaicos orgânicos ultrafinos e componentes de luz LED que foram impressos em filmes separados e conectados por cinco folhas de polímero adicionais. Os dispositivos resistiram a testes extensivos, incluindo serem enrolados e serem amassados e torcidos ao extremo.

Além disso, a eficiência energética dos LEDs não sofreu com o tratamento. A técnica também foi capaz de unir chips de LED pré-embalados a uma superfície flexível. "Esperamos que esse novo método se torne o padrão para a montagem de eletrônicos flexíveis e vestíveis de próxima geração", diz Fukuda. "O próximo passo é desenvolver essa tecnologia para uso com metais mais baratos, como cobre ou alumínio, em vez do ouro."