Juguetes con dispositivos electrónicos en sustratos plásticos

Los ‘plastic electronics’ representan una nueva rama de la electrónica cuya finalidad es la fabricación de dispositivos sobre sustratos plásticos a partir de materiales orgánicos e híbridos. Esta nueva tecnología da lugar a dispositivos ligeros de mayor flexibilidad facilitando su incorporación sobre determinados artículos e incluso permitiendo el desarrollo de dispositivos que se enrollan o se pliegan sobre sí mismos. Por otro lado, se trata de una tecnología económica tanto por el tipo de materiales empleados como por la sencillez de las técnicas de fabricación.

El desarrollo experimental de estos dispositivos es lo que ocupa a los miembros del consorcio PlaseToy, Cidetec (Centro de Tecnologías Electroquímicas) y Cetemmsa, con la finalidad última de su incorporación en juguetes y otros artículos de uso infantil. Éste programa, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y cofinanciado con fondos Feder dentro del Plan Nacional de Desarrollo Experimental DEX-560540-2008-3, está coordinado por Aiju, Asociación de Investigación de la Industria del Juguete, Conexas y Afines.

Los dispositivos ‘plastic eletronic’ a desarrollar en el proyecto se pueden agrupar en:

• Dispositivos electroópticos: se desarrollarán tres tipos diferentes, en concreto electrocrómicos, PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystals) y electroluminiscentes (EL). En todos ellos se aprovecha la acción de un campo eléctrico para provocar un efecto óptico diferente. La incorporación de estos dispositivos permitirá aportar mayor valor añadido al producto final, ajustándose al cumplimiento de la normativa eléctrica de aplicación en juguetes.

• Interruptores táctiles flexibles: se desarrollarán con el objetivo de sustituir todo tipo de teclas y botones por zonas de contacto dentro de la misma pieza, permitiendo homogeneizar el juguete, facilitando su diseño y evitando la realización de moldes adicionales. Además, ofrece mayores garantías de seguridad del juguete puesto que se evitan piezas pequeñas que puedan desprenderse.

• Circuitos electrónicos flexibles plásticos: el desarrollo de este tipo de circuitos evitará el empleo de cables y soldaduras, facilitando el diseño del artículo, disminuyendo la generación de residuos eléctricos y electrónicos y facilitando el cumplimiento con la directiva RoHS, que resulta dificultoso acometer con las técnicas actuales.

La tecnología denominada ‘Polymer Dispersed Liquid Crystals’ (PDLC) se basa en la dispersión de micro gotas de un cristal líquido en una matriz polimérica. La diferencia entre los índices de refracción del cristal líquido y el polímero provoca una elevada dispersión de la luz (scattering) que hace que el material presente un aspecto traslúcido. Cuando un film de este tipo de material se coloca entre dos electrodos transparentes y se aplica una corriente alterna, el aspecto cambia de traslúcido (estado off) a transparente (estado on) debido a la orientación de las moléculas de cristal líquido en paralelo a la dirección del campo eléctrico, (Figura 1).

Una de las principales ventajas de esta tecnología son los bajos tiempos de conmutación (del orden de decenas de milisegundo), si bien hay que señalar que no posee efecto memoria por lo que se requiere un aporte de corriente no sólo para provocar la conmutación al estado transparente sino también para mantener dicho estado. Por otro lado, la utilización de un polímero como matriz les confiere ciertas propiedades mecánicas, permitiendo la preparación de películas de gran superficie. Además, dicha naturaleza polimérica hace posible la utilización de sustratos plásticos permitiendo la fabricación de dispositivos flexibles y ligeros.

Por lo que respecta a las aplicaciones de la tecnología PDLC, sus características electroópticas la convierten en una excelente candidata para la construcción de ventanas inteligentes, principalmente para su aplicación en el sector residencial y de automoción. Otra de las aplicaciones más extendidas es como separadores o ventanas de privacidad controlables eléctricamente en oficinas, hospitales, escaparates, etc.

Aprovechando la experiencia de Cidetec en el desarrollo de dispositivos electroópticos, se han iniciado trabajos de investigación encaminados a la preparación de materiales y dispositivos basados en la tecnología PDLC, no sólo en sustrato cristal sino también en sustrato plástico dadas las ventajas y posibilidades que ofrece éste último. Hasta el momento se han preparado composites utilizando una mezcla de cristal líquido neumática y una matriz polimérica de diferente naturaleza, variando parámetros como la composición y el proceso de separación de fases, que han permitido la fabricación de pequeños dispositivos de hasta 5 x 5 centímetros cuadrados.

Dentro del proyecto Plasetoy, se ha comenzado a trabajar en el desarrollo de dispositivos con funcionamiento en ‘modo reverso’, es decir, que se muestren transparentes en el estado 'off' y traslúcidos en el estado 'on' modificando la composición del composite. Normalmente, la construcción de este tipo de dispositivos que operan en ‘modo reverso’, es posible mediante la utilización de cristales líquidos con constante dieléctrica negativa, que se orientan en dirección perpendicular al campo eléctrico aplicado. Se trata de sistemas mucho menos frecuentes y menos investigados, ya que los sistemas cristal líquido de estas características son menos numerosos. Por otro lado, la preparación de los dispositivos es más compleja, ya que requiere una etapa adicional previa de orientación planar del material respecto al sustrato, mediante la utilización de superficies pre-tratadas o aplicación de campos magnéticos intensos (> 7 T) entre otras técnicas. Se trata de un tipo de dispositivos en desarrollo, en los que todavía es necesario optimizar varios aspectos y a los que se están dedicando cada vez más investigaciones.

El electrocromismo es la propiedad que presentan algunos materiales de naturaleza orgánica e inorgánica de cambiar de color bajo la acción de un campo eléctrico de manera reversible como resultado de una reacción redox. Esta propiedad permite que dichos materiales se puedan utilizar como sistemas de filtrado en la zona del visible y del IR (infrarrojo) reduciendo el paso de luminosidad y radiación solar. Ello permite la utilización de este tipo de materiales en aplicaciones tales como ventanas inteligentes o filtros oculares donde es importante filtrar tanto la luminosidad como la radiación solar. Otras aplicaciones de los materiales electrocrómicos incluyen displays o también espejos retrovisores que se oscurecen al incidir sobre ellos una luz de cierta intensidad evitando el deslumbramiento del conductor. Dicha aplicación es la única que se encuentra comercializada en este momento.

En general, un dispositivo electrocrómico consta de 7 capas. Por un lado, es necesaria la deposición de un material electrocrómico sobre un sustrato plástico conductor. Dicho material electrocrómico puede ser de naturaleza orgánica (por ejemplo polímeros conductores) o inorgánica (óxidos metálicos).

Para el correcto funcionamiento de un dispositivo electrocrómico es necesario un material capaz de ser fuente y receptor de iones, necesarios para compensar la carga de la capa electrocrómica. Además, dependiendo del cambio de coloración obtenido por el material electrocrómico se utilizará un contraelectrodo adecuado basado en óxidos inorgánicos o polímeros conductores, de modo que el cambio sea preferiblemente entre un estado transparente y un estado coloreado. Finalmente, ambas capas están separadas por un electrolito que permite el paso de iones entre ellas.

Desde Cidetec se ha realizado una importante innovación en el campo del electrocromismo al simplificar el número de capas necesarias para el funcionamiento de un dispositivo electrocrómico. Para ello, se ha desarrollado una formulación que incluye un material electrocrómico, un electrolito y una pareja re-dox del material electrocrómico, pasando por tanto de 7 a 5 capas, simplificando de forma notable la fabricación de los dispositivos y reduciendo el coste final.

En el presente proyecto se aborda la utilización de la tecnología de electrocromismo combinada con la preparación de litografías sobre sustratos plásticos para su posterior integración en juguetes, de modo que se pueden realizar diseños concretos con fines decorativos.

Finalmente, se está abordando la preparación de dispositivos híbridos combinando la tecnología de electrocromismo y cristales líquidos. De este modo, es posible disponer de un prototipo con cuatro efectos ópticos diferentes: transparente incoloro, transparente coloreado, traslúcido incoloro y traslúcido coloreado.

En los últimos años han ido surgiendo nuevos conceptos en términos de tecnología electrónica como ‘plastic electronics’, ‘printed electronics’ o ‘organic electronics’. Estas técnicas pretenden aportar nuevos métodos de fabricación que plantean una revolución en la industria electrónica y microelectrónica. Básicamente se trata de utilizar y adaptar las tecnologías tradicionales empleadas en artes gráficas como serigrafía, litografía, inkjet printing y roll-to-roll, entre otros, para fabricar dispositivos electrónicos tradicionalmente desarrollados mediante otras técnicas. La impresión de los componentes electrónicos implica nuevos desarrollos químicos para esta tecnología como por ejemplo, tintas conductoras, tintas resistivas, tintas aislantes o tintas semiconductoras. Existen ya en el mercado tintas comerciales diseñadas para ‘printed electronics’ al igual que substratos especiales para la impresión de las mismas. Es una tecnología prometedora, en evolución constante y con resultados ya en el mercado satisfactorios.

La principales aplicaciones de la electrónica flexible son: sensores de presión, circuitería flexible, dispositivos OLED, memorias flexibles, lámparas electroluminiscentes, baterías flexibles, dispositivos electroforéticos, tags RFID, sensores elásticos, paneles fotovoltaicos flexibles, entre otros. La electrónica flexible puede aportar al sector del juguete nuevos productos con mayor flexibilidad y la posibilidad de incluso sustituir el cableado habitual empleado en la electrónica convencional.

Desde Cetemmsa se ha conseguido imprimir mediante tecnología inkjet sensores de presión con la funcionalidad de interruptor on/off y la impresión de la circuitería necesaria para el correcto funcionamiento del sensor, con la inclusión de varios LED no híbridos (convencionales) para la demostración que el sistema impreso funciona correctamente y para la comprobación de que la tecnología ‘printed electronics’ tiene cabida en el sector del juguete.

La electroluminiscencia es un fenómeno por el cual un material emite luz cuando se le aplica un campo eléctrico. Los dispositivos electroluminiscentes son estructuras tipo sándwich donde el material luminiscente se encuentra en el interior.

La electroluminiscencia tiene un amplio campo de aplicaciones, desde productos electrónicos como móviles, PDA’s, relojes, hasta complementos de juguetes, decoración, publicidad, señalización vial y convencional, entre otros.

En Cetemmsa se ha realizado la construcción de dispositivos electroluminiscentes con sustrato flexible en base plástico. Estos sistemas se han depositado mediante serigrafía, esta técnica permite la realización de dispositivos de una gran variedad de tamaño y diseño. Estos dispositivos emiten en diferentes colores en función del fósforo introducido en el sistema, pueden emitir luz blanca, azul, verde, naranja, entre otros.

El sector del juguete es un sector que se está viendo ampliamente afectado por la importación de productos provenientes de los países asiáticos. Sus diseños son aparentemente plagiados y las reglas de comercio existentes no aportan solución fehaciente a la adquisición de artículos que no cumplen la normativa de estandarización establecida. Consecuentemente, la competencia basada en la reducción de costes no es viable en el momento actual.

Además, el diseño de nuevos artículos de juguete e infantiles se está ralentizando notablemente debido a la crisis que afecta en el momento actual a muchos sectores europeos e internacionales.

La herramienta disponible actualmente por las empresas europeas para mantener su cuota de mercado es, invariablemente, el sustento de su competitividad mediante la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías que aporten dinamismo e interactividad a los artículos desarrollados.

Los ‘plastic electronics’ tienen el potencial de revitalizar la economía, generar nuevos puestos de trabajo y contribuir a la salud pública, puesto que permiten el ahorro de tiempo y costes, y contribuyen a incrementar la funcionalidad de sectores diversos (electrónica de consumo, construcción, automoción, diversos dispositivos luminosos, logística e incluso la moda). Los fabricantes que introducen estos dispositivos en sus artículos incorporan a su gama de productos agentes diferenciadores en el mercado actual, contribuyendo a la innovación, competitividad y sostenibilidad de su sector.

Por ello, el Instituto Tecnológico del Juguete (Aiju), tiene interés en esta línea de desarrollo de tecnologías de ‘plastic electronics’, con el fin último de incorporar importantes innovaciones tecnológicas, más allá de las creaciones que se realizan periódicamente, que pueden suponer, a medio plazo, un gran salto tecnológico y competitivo respecto a otros países competidores. Durante 2009 y 2010 se continuarán las investigaciones en este proyecto con objeto de cumplir los objetivos establecidos.