Tecnología flexible: aplicaciones biomédicas y comerciales
Por Hugo Valencia Juliao
México, DF. 8 de mayo de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- La electrónica flexible es una rama que propone nuevos retos al desarrollo tecnológico, tanto en su faceta comercial para la fabricación de tabletas, teléfonos y pantallas, así como en el ámbito médico, donde se podría aplicar en el desarrollo de dispositivos biomédicos para el cuerpo humano, como lo detalló el doctor David Arreaga Salas, quien trabaja en la Universidad de Texas en Dallas como investigador asistente desde el año 2009.
“Una nueva generación de dispositivos electrónicos capaces de adaptarse a la anatomía del ser humano ha sido esperada por mucho tiempo. El nuevo objetivo de la electrónica flexible es el de traer a nuestra vida diaria dispositivos ultra-delgados, ligeros y casi irrompibles; pantallas y sensores que puedan ser elementos embebidos en nuestro ecosistema”, dijo el científico mexicano en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt.
Por ello, con los transistores de capa delgada (TFT, por sus siglas en inglés) esto puede ser una realidad en muy poco tiempo, no solamente en el campo de los electrodomésticos de consumo.
“El desarrollo de TFT de alto desempeño y diodos orgánicos emisores de luz (OLED) son excelentes ejemplos de tecnologías que nos acercan al objetivo de introducir estos dispositivos al mercado”, destacó Arreaga Salas, quien es egresado en Ingeniería Mecatrónica por el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de la Región Carbonífera (ITESRC).
El entrevistado agregó que llevar la tecnología flexible a nivel comercial es un reto para los investigadores y, sobre todo, para las grandes compañías desarrolladoras de electrónicos que todavía tienen dificultades para producir estos dispositivos, por los procesos de manufactura comercial que conllevan.
”Uno de los principales retos que nos separan de ver tales dispositivos en los aparadores comerciales es la escalabilidad de los procesos de manufactura. Aun compañías de renombre como Samsung o LG tienen grandes dificultades técnicas para fabricar pantallas flexibles de manera confiable”, mencionó.
Aplicaciones en la neurociencia
También se han estudiado sus aplicaciones en la medicina, ya que estos dispositivos podrían introducirse en el cerebro para combatir y controlar ciertos padecimientos crónicos de la cabeza. Precisamente sobre este tema ha desarrollado su línea de investigación el doctor Arreaga Salas.
“Sin duda, la electrónica flexible representa una nueva ventana de oportunidad para la comunidad neurocientífica. El desarrollo de una interconexión crónicamente estable con el sistema nervioso representa uno de los mayores desafíos de las últimas décadas”, afirmó.
Sin embargo, el doctor Arreaga Salas indicó que la eficacia de algunos dispositivos desarrollados en la actualidad no es la ideal, ya que la reacción inmunológica ante el objeto implantado lo limita en funciones: ”Una de las principales teorías al respecto indica que la diferencia de módulo de Young entre el tejido neuronal (el cerebro) y los materiales con los que se fabrican los dispositivos implantados (silicio, tungsteno y otros metales) causa un daño continuo al tejido”.
Por ello, el especialista detalló que “en el laboratorio del doctor Walter Voit en la Universidad de Texas hemos desarrollado materiales poliméricos que son rígidos durante la fabricación de circuitos electrónicos, pero que son capaces de suavizarse de manera automática una vez implantados; esto es gracias a la reducción en el módulo de Young de varios órdenes de magnitud y causa que el dispositivo se vuelva casi indetectable al sistema inmunológico”.
“Hemos podido probar que esta tecnología es eficaz reduciendo la reacción inmunológica del tejido neuronal. Aunque aún hay diversos aspectos en los que esta tecnología tendrá que ser perfeccionada antes de poder ser usada clínicamente, sin duda representa una de las estrategias más prometedoras de los siguientes años”, aseguró.
Transistores orgánicos de capa delgada
El ingeniero César Adrián Pons Flores del Instituto Politécnico Nacional (IPN) desarrolló un trabajo experimental titulado Efecto de la degradación sobre la resistencia de contacto en transistores de capa fina de pentaceno,que representa un gran paso para la fabricación y aplicación de transistores orgánicos de capa delgada (OTFT, por sus siglas en inglés), los cuales se podrían adaptar de manera relativamente sencilla a la anatomía humana.
“La motivación que tuve fue el imaginar un dispositivo implantado en la piel como un tatuaje o desenrollar de una pluma una pantalla flexible, ese es el potencial que los transistores orgánicos pueden lograr”, dijo Pons Flores, quien realizó la investigación en una estancia en la Universidad de Texas con ayuda del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).
Actualmente, los transistores se ocupan en casi todo lo electrónico que usamos, pero el problema de los transistores normales es que están hechos con materiales tóxicos, lo que crea una limitante en la aplicación de tecnología de este tipo en el cuerpo humano, explicó el ingeniero en el marco del Seminario Permanente de Investigación de la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA) del Instituto Politécnico Nacional (IPN).
Por otra parte, el doctor Arreaga Salas hizo énfasis en que uno de los objetivos principales, en cuanto a transistores se refiere, es generar electrónicos lógicos flexibles. ”Diferentes tipos de moléculas orgánicas han sido utilizadas como semiconductores con diferentes ventajas y retos, que desde el punto de vista mecánico los semiconductores orgánicos son una gran promesa; sin embargo, desde el punto de vista eléctrico, sus propiedades aún están lejos de las requeridas para la mayoría de las aplicaciones”, detalló.
Al respecto, aclaró que muchas aplicaciones no necesitan contar con transistores de tan alto desempeño, como por ejemplo las pantallas con tecnología AMOLED, entre otras. “Para estos casos se pueden utilizar semiconductores de óxidos de metales, tales como la aleación de indio, galio y óxido de zinc (IGZO)”, agregó.
El doctor David Arreaga Salas aclaró que “este tipo de semiconductores alcanzan movilidades hasta diez veces más altas que los orgánicos y son muy flexibles; además de ser significativamente más baratos en comparación con los dispositivos de silicio”.
En el mismo sentido, el ingeniero Cesar Adrián Pons Flores platicó acerca del tiempo de vida de los OTFT: “La necesidad que existe de entender y optimizar este tipo de dispositivos para aplicaciones que requieren flexibilidad, bajo costo y biocompatibilidad ha llevado a buscar mantener los dispositivos funcionales el mayor tiempo posible”.
Sin embargo, agregó, uno de los problemas a enfrentar de los transistores orgánicos de capa delgada es precisamente la degradación y los efectos de esta en el desempeño de los dispositivos con el paso del tiempo.
“A pesar de existir métodos para reducirla, solo han llegado a retrasarla, por lo que las áreas de oportunidad para la mejora de estos dispositivos son bastantes”, aclaró en entrevista Pons Flores.
Otra de las ventajas que los transistores orgánicos suponen sobre los transistores compuestos por silicio o plomo es el costo de producción, ya que los biodegradables solo cuestan alrededor del cinco por ciento de lo que valen los transistores de materiales tóxicos. Esto sucede porque sus procesos de producción son mucho más baratos.
“Un transistor normal requiere un cuarto ultralimpio para su fabricación y los biodegradables se fabrican a temperatura ambiente”, explicó el estudiante de Maestría en Tecnologías Avanzadas del IPN.
Agregó que los transistores orgánicos están hechos de sustratos flexibles y plástico, lo cual facilita su adaptación en casi cualquier lugar.
“Cabe aclarar que no se busca reemplazar la tecnología actual, sino entrar a las áreas de oportunidad donde los transistores inorgánicos no pueden entrar debido a que ciertos materiales son dañinos para la salud; en áreas grandes el costo es elevado y la aplicación en sustratos flexibles llega a ser difícil”, dijo Pons Flores acerca del desarrollo que realizó.
Una experiencia científica
El ingeniero Cesar Adrián Pons Flores realizó una estancia en la Universidad de Texas en Dallas, donde llevó a cabo el trabajo experimental que presentará para obtener el grado de maestro en Tecnologías Avanzadas. “La oportunidad de hacer una estancia en la Universidad de Texas en Dallas fue gracias a la colaboración del doctor Luis Reséndiz (UPIITA-IPN) con el doctor Israel Mejía (Universidad de Texas en Dallas) y a la intervención económica del Conacyt, a través de la beca mixta para la movilidad”, detalló.
“Fue gracias también al proyecto de investigación Conacyt: Fabricación y optimización de dispositivos y circuitos electrónicos flexibles para el estudio de su fiabilidad bajo diversas formas de estrés mecánico y eléctrico, así como a la ayuda del plan de movilidad académica a nivel posgrado del IPN”, comentó.
Del mismo modo, recalcó que su experiencia le sirve a los jóvenes que incursionan en el mundo de la investigación científica a seguir adelante con sus proyectos: “Obtuve una visión y conocimiento más amplios del tipo de investigación que se realiza a nivel internacional, así como la forma de trabajo y colaboración con este grupo de investigación en diversas instalaciones y herramientas utilizadas en la fabricación y caracterización de dispositivos semiconductores”.
El futuro de los OTFT
De acuerdo con el joven investigador, el potencial de los OTFT es prometedor en áreas que la actual tecnología no ha desarrollado por diversas razones, y sus aplicaciones en el área biomédica podrían ser muchas.
“Los OTFT aún están en desarrollo, sin embargo, han atraído el interés para aplicaciones en áreas grandes y/o flexibles, así como aplicaciones en dispositivos biomédicos, ya que debido a la compatibilidad de los materiales poliméricos y a los procesos de fabricación a bajas temperaturas, son de bajo costo”, concluyó César Pons Flores.
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