Nuevos materiales y procesos para una industria electrónica sostenible

El impacto medioambiental de la industria electrónica es significativo, lo que hace que sea de vital importancia desarrollar soluciones, materiales y procesos que lo minimicen. Este impacto se debe a varios aspectos, incluyendo la extracción de recursos para su fabricación, el proceso de fabricación en sí mismo, su uso y el posterior desecho y fin de vida de estos productos. En la actualidad, son varios los elementos que pueden formar parte de un producto electrónico, sin embargo, todos tienen como componente esencial las placas de circuito impreso (PCB), que sirven como sustrato para montar y conectar los componentes electrónicos de manera estructurada y funcional, facilitando así el funcionamiento y la integridad del dispositivo. El proceso de fabricación de las PCB es complejo y tiene varios impactos medioambientales que incluyen consumo de energía, agua y productos químicos, así como la generación de residuos y de emisiones atmosféricas.

Por otro lado, en las últimas décadas del siglo XX, comenzó a desarrollarse significativamente la electrónica impresa. A diferencia de la electrónica convencional, la electrónica impresa se basa en la fabricación de dispositivos electrónicos utilizando técnicas de impresión convencionales. En la fabricación de PCB, la placa se sumerge en una solución química, generalmente una mezcla de ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno, que elimina el cobre sobrante y deja únicamente las pistas conductivas.

En el caso de la impresión electrónica, este proceso se simplifica, ya que las pistas conductivas se imprimen directamente sobre sustratos flexibles mediante técnicas de impresión como serigrafía, inyección de tinta (inkjet) u otra técnica, usando tintas conductivas, depositando material únicamente donde se necesita para la obtención de las pistas conductivas. Esto hace que, frente a la electrónica convencional, la electrónica impresa ofrezca varias ventajas, como pueden ser flexibilidad, precio, escalabilidad, personalización y sostenibilidad ya que optimiza el empleo de materiales, entre otras.

En lo que respecta al consumo de recursos y materiales, se puede afirmar que la electrónica impresa es más sostenible que la electrónica convencional, pero el impacto del proceso de fabricación de las tintas y materiales podría mejorar si se empleasen materiales renovables, recuperables o reciclables.

Respecto al consumo de recursos y materiales, la electrónica convencional utiliza materiales como el silicio, metales y plásticos rígidos, que pueden requerir procesos de extracción, procesamiento y fabricación intensivos en recursos naturales, mientras que, en la electrónica impresa, a menudo se fabrica en sustratos flexibles y utiliza materiales como polímeros y tintas conductivas, de una manera menos intensiva en recursos. Sin embargo, la producción de tintas podría mejorar sus indicadores medioambientales dependiendo de la fuente de los materiales y los procesos de fabricación utilizados.

La mayoría de las tintas conductivas utilizadas para la impresión electrónica están basadas en el uso de plata como elemento conductor por su alta conductividad eléctrica y estabilidad química, pero este material tiene un impacto medioambiental considerado debido a su proceso de producción y gestión de fin de vida y eliminación. El proceso de extracción, refinación y producción de plata requiere grandes cantidades de energía y combustibles fósiles, lo que puede contribuir a las emisiones de gases de efecto invernadero, siendo este punto uno de los objetos de estudio del proyecto Ecotron, financiado por el programa europeo Horizonte Europa.

En los últimos años, han aparecido en el mercado una gran variedad de tintas conductivas basadas en otros materiales, principalmente cobre, para abordar este problema ya que el cobre posee una alta conductividad intrínseca, comparable a la de la plata, pero a un coste más bajo. Además, las tintas conductivas basadas en cobre se consideran a menudo más favorables desde una perspectiva medioambiental en comparación con las basadas en plata por varias razones. El motivo principal es debido a que el cobre es uno de los metales más abundantes en la corteza terrestre y se encuentra ampliamente distribuido por todo el mundo. Esto significa que la extracción de cobre no suele requerir operaciones mineras extremadamente intensivas. Sin embargo, su baja resistencia a la oxidación da como resultado tres problemas principales. Estos problemas residen en su proceso de síntesis, en la fabricación de pistas altamente conductivas y en la confiabilidad a largo plazo de las prestaciones electrónicas, lo que dificulta sus perspectivas de uso en dispositivos electrónicos de próxima generación.

El cobre no es la única alternativa existente a la plata y en la actualidad se está investigando el uso de otras partículas conductivas para aplicaciones específicas en productos de electrónica impresa. Algunas de estas partículas conductivas alternativas incluyen grafeno, carbono conductivo o tintas hibridas basadas en grafeno con nanopartículas metálicas. Sin embargo, estas alternativas normalmente ofrecen una conductividad inferior a las tintas conductivas basadas en metales y por tanto, en necesitan de mayor investigación al respecto.

En este sentido, en el proyecto Ecotron se está trabajando en reducir el impacto medioambiental de los dispositivos electrónicos impresos mediante distintas técnicas, como la disminución del uso de materiales obtenidos a partir de fuentes no renovables y su sustitución por materiales de origen biobasados. Itene lidera el desarrollo de tintas conductivas biobasadas. Una primera generación de la tinta se obtuvo en septiembre de 2023 y se trata de una tinta conductiva para impresión por serigrafía, con base plata en una mezcla de polímeros 100% biobasados (ver Figura 1). Se ha evaluado la compostabilidad de la tinta acorde a la norma UNE-EN 13432:2001, obteniéndose un resultado satisfactorio y también se ha comprobado que la nueva tinta no afecta al reciclado del polietilenotereftalato (PET) y ni al reciclado del papel. Para mejorar la sostenibilidad de la tinta, en las siguientes generaciones se está trabajando en sustituir la plata por otro elemento conductor, reduciendo así el impacto medioambiental asociado al uso de materiales.

Actualmente, se está innovando en los materiales utilizados para la formulación de tintas dentro de esta industria. De forma paralela, se están explorando materiales alternativos que, además de ser aptos para ser utilizados en procesos de impresión manteniendo sus prestaciones, ofrezcan una alternativa sostenible y menos dañina para el medio ambiente. Esto incluye el uso de sustratos biodegradables, como materiales a base de celulosa o proteínas, en lugar de sustratos tradicionales no biodegradables, como el plástico o el uso del papel. La motivación para utilizar papel como sustrato se debe a sus atractivas propiedades de reciclado y compostaje.

Respecto al proceso de fabricación, los avances se orientan a la investigación y desarrollo de técnicas de impresión más eficientes que reduzcan el consumo de energía y materiales durante el proceso de fabricación de los dispositivos electrónicos impresos, mediante por ejemplo el uso de técnicas de impresión de precisión, como inkjet, que minimicen el desperdicio de material.

Los dispositivos electrónicos impresos sobre sustratos flexibles se fabrican mediante técnicas de impresión tradicionales. El proceso de impresión más utilizado es la serigrafía ya que ofrece impresiones con un alto aporte de tinta, es decir, espesor de capa impresa y, por tanto, la mayoría de las tintas disponibles están formuladas para este proceso de impresión. Las tintas utilizadas para este sistema de impresión son tintas tipo pasta, con una alta viscosidad.

Sin embargo, en los últimos años están apareciendo nuevas formulaciones para otros procesos, principalmente para la impresión inkjet. Las tintas utilizadas para este sistema de impresión se podrían decir que son completamente opuestas a las tintas utilizadas por serigrafía, ya que son tintas de muy baja viscosidad y, además, el aporte de capa impresa alcanzado mediante esta tecnología es muy bajo, y de ahí radica su avance respecto a sostenibilidad. Lograr los mismos resultados de conductividad con menores aportes de tinta implica utilizar menos recursos y, por tanto, reducir el impacto medioambiental asociado a la producción de los productos electrónicos.

Actualmente, este proceso de impresión plantea un reto en lo que respecta a su aplicación sobre sustratos celulósicos debido, entre otros factores, a la falta de uniformidad de la superficie del papel, lo cual afecta al rendimiento eléctrico de las pistas impresas. Para conseguir solventarlo, sería necesario optimizar aún más la compatibilidad entre la tinta y el sustrato para lograr una mayor conductividad y una mejor reproducción de los detalles. El uso de pretratamientos superficiales, como el plasma, se plantea también como una posible solución.

La industria está trabajando además en mejorar la reciclabilidad de los dispositivos electrónicos impresos. El problema del reciclado de la electrónica convencional es un desafío significativo en la gestión de residuos a nivel mundial. La electrónica convencional, que incluye dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores, televisores y electrodomésticos, contiene una variedad de materiales, algunos de los cuales son valiosos y pueden ser reciclados, mientras que otros son tóxicos y representan riesgos ambientales si no se gestionan adecuadamente.

Los dispositivos electrónicos modernos están diseñados con una amplia gama de componentes y materiales, incluidos metales, plásticos, vidrio y productos químicos. Desmontar y separar estos materiales de manera eficiente y segura puede ser un proceso complicado y costoso. En lo que a la electrónica impresa se refiere, se están investigando métodos para hacer que los dispositivos electrónicos impresos sean más fáciles de reciclar al final de su vida útil. En el proyecto Ecotron, este desafío se está abordando desde 2 vías distintas, las cuales son el diseño de conexiones reversibles y la recuperación y el reciclaje de la plata de las pistas impresas mediante procesos de reciclado químico. A este respecto, Itene está desarrollado en métodos de reciclado químico optimizados para la recuperación y valorización de circuitos impresos en sustratos poliméricos. Concretamente, no solo se ha conseguido recuperar la plata utilizada en la impresión del circuito, sino que además se ha despolimerizado el sustrato en base poliéster, todo en un único paso.

El auge de la digitalización, la comunicación electrónica y el intercambio de información tiene un gran impacto medioambiental, ya no solo en cuanto a sus procesos de fabricación, sino también en cuanto a su reciclado. Para reducir este impacto, la industria de la electrónica impresa está avanzando hacia prácticas más sostenibles mediante la adopción de materiales y procesos que reduzcan el consumo de recursos de fuentes no renovables y promuevan la circularidad de los materiales.

A este respecto, es clave producir tintas de impresión sostenibles junto con los sustratos. A su vez, los investigadores están explorando materiales y técnicas de fabricación que permitan la producción de componentes electrónicos biodegradables o reciclables, reduciendo los residuos electrónicos y su impacto en el medio ambiente. Su cumplimiento suele ser un asunto complejo que requiere enfoques no convencionales e ideas innovadoras. Estos avances en sostenibilidad en la impresión electrónica están contribuyendo a reducir el impacto ambiental de la fabricación de dispositivos electrónicos y a promover un enfoque más responsable hacia la tecnología.