Tejidos sensorizados mediante impresión electrónica sobre materiales flexibles

El objetivo del proyecto Flexitex, desarrollado por Aitex, es la investigación y desarrollo de tejidos sensorizados mediante el empleo técnicas de impresión electrónica sobre materiales flexibles. Para su ejecución, se han abordado la realización de impresiones multicapa para obtener diferentes sensores empleando tintas electrónicas. Estas tintas electrónicas ofrecen propiedades electrónicas relevantes para ser empleadas como sensores. Para ello, estas tintas incorporan materiales con propiedades conductoras, dieléctricas o resistivas. Con el fin de salvar las problemáticas que ofrecen los tejidos en cuanto a flexibilidad y estiramiento se han buscado y empleado tintas de reciente aparición basadas en polímeros que mejoran la elasticidad de las mismas una vez aplicadas. También, se ha abordado retos como la encapsulación de los circuitos impresos para mejorar su durabilidad y nivel de protección.

La electrónica que imita el mundo natural al doblarse, estirarse y flexionarse, está cobrando cada vez más sentido a medida que la tecnología se integra en nuestras vidas, en nuestros entornos e, incluso, en nuestros cuerpos. La impresión de electrónica sobre sustratos flexibles ha suscitado especial interés en la comunidad científica durante los últimos años gracias a su gran potencial en cuanto a posibles aplicaciones se refiere. De reciente aparición se han presentado productos como pantallas flexibles, pantallas curvas, así como dispositivos electrónicos que se adaptan a la piel como de si de tatuajes se tratara. El modo de aplicación de esta tecnología es similar al utilizado en otros ámbitos como pueda ser el de la serigrafía, huecograbado o inyección de tinta, pero mediante la utilización de tintas electrónicas. Su uso en textiles presenta una gran oportunidad en cuanto a que permite una mayor integración de estos componentes electrónicos en los tejidos o prendas de una forma más embebida. Al mismo tiempo, al tratarse de materiales de reciente aparición, también presentan una serie de retos y metas que deben ser superadas para su incorporación no solo en prototipos, sino también de forma industrial con garantías de éxito.

Existe una serie de elementos críticos que deben ser evaluados para cada caso como puedan ser el sustrato de impresión, pasta o tinta a imprimir, tecnología de impresión, así como el propio diseño del circuito. Todos estos elementos incorporan una serie de variables que afectarán en el comportamiento final del circuito electrónico. En el caso de la tecnología de impresión, cada tecnología ofrece unas prestaciones en cuanto a la cantidad de tintas depositada, grosor mínimo de línea, definición del perímetro de impresión, así como velocidad de impresión. En cuanto a la tinta o pasta de impresión ofrecerá unas propiedades eléctricas bajo unas determinadas condiciones que deberá ser evaluada atendiendo a la tecnología de impresión seleccionada, así como de los parámetros propios de impresión empleados. También debe ser evaluado su comportamiento sobre el sustrato o tejido empleado puesto que factores como composición, rugosidad de la superficie, flexibilidad o elasticidad también influenciarán en su comportamiento final.

Durante el proyecto, se han desarrollado diferentes prototipos utilizando diferentes tecnologías conocidas que pueden utilizarse en tejidos inteligentes. Todos ellos están relacionados con el diseño y desarrollo de tejidos con propiedades inteligentes. Sobre estos prototipos se ha investigado las limitaciones y el alcance de las tecnologías para descubrir el potencial de estas aplicaciones. Cabe señalar que los conocimientos adquiridos durante el proyecto, especialmente los derivados de la experimentación en la aplicación de tintas electrónicas en tejidos serán muy útiles para futuros desarrollos. Esto se debe a que se pueden utilizar en nuevas aplicaciones más complejas o para otros entornos basados en el conocimiento previo adquirido.

Con el fin de caracterizar diferentes tintas sobre varios tejidos se han realizado diferentes impresiones evaluando parámetros de impresión como velocidad y presión, así como parámetros de curado como la temperatura y los tiempos de secado. También se ha evaluado varios tipos de tejidos de diferentes composiciones. Se han evaluado tanto tejidos tanto de procedencia natural, como sintética, teniendo mejor comportamiento aquellos de naturaleza sintética y con superficies menos rugosas. En cuanto a los tejidos las impresiones se han realizado considerando la orientación de los mismos por trama, urdimbre y ciertos grados de inclinación respecto a la dirección de la impresión, debido a que no se comportan de forma igual. Fruto de estas pruebas se ha podido constatar los parámetros críticos a considerar en este tipo de impresiones debido a su influencia directa en la propiedad electrónica de la deposición. En el caso de tejidos con mayor grosor ha sido necesario compensar la rugosidad con mayor cantidad de tinta de forma que la impresión pudiera ser continua. Esta rugosidad afecta en los parámetros electrónicos y con ello al funcionamiento del sensor. Para el caso de los tejidos con peor comportamiento se han evaluado opciones de pretratamientos previos con el fin de suavizar la rugosidad de la superficie. Con el fin de afectar lo mínimo se ha considerado realizar una huella de impresión previa a la deposición de la tinta electrónica. Para ellos se han empleado tintas dieléctricas con el fin de que no afecten al comportamiento del circuito. Estos tratamientos han dado resultados positivos en alguno de los sustratos, no siendo adecuado en aquellos tejidos con una rugosidad extrema. También se han evaluado opciones de impresión sobre sustratos plásticos que posteriormente puedan ser adheridos al tejido mediante calor y presión. Estas soluciones facilitan que la impresión sea realizada sobre unos sustratos con superficie más homogénea y con propiedades que facilitan la impresión. Además, este tipo de solución permite facilitar la aplicación a posteriori del proceso industrial de fabricación de producto.

Con el fin de asegurar un funcionamiento adecuado y una durabilidad ante el movimiento natural de los tejidos se han buscado tintas que ofrecieran flexibilidad una vez impresas, así como elasticidad. Para la realización de estas pruebas se ha partido de sustratos elásticos sobre los que se han realizado impresiones con diferentes tintas conductoras. La conductividad de los motivos impresos ha sido obtenida después de la impresión y a medida que los sustratos eran estirados unos porcentajes de forma controlada. En cuanto a las conductividades se observa que van reduciéndose a medida que son estirados los sustratos tal como es de esperar. Pero, cada tinta tiene un comportamiento diferente atendiendo al sustrato de impresión, por lo que para cada caso deben ser estudiadas convenientemente. También se ha observado que cada tinta tiene su límite de rotura a partir del cual deja de conducir, aunque se deje de estirar y vuelva a su posición inicial. Por otra parte, un parámetro también importante es la realización de estiramientos y relajación del sustrato evaluando a partir de qué número o qué porcentaje de estiramiento la propiedad electrónica no se mantiene constante. Este parámetro debe ser tenido muy en cuanta ya que puede afectar en las mediciones posteriores a dichos estiramientos como pueda ser en el caso de sensores.

Posteriormente se han realizado impresiones de tipo multicapa donde diferentes capas de tintas electrónicas son impresas una encima de la otra, en una estructura tipo sándwich. En este tipo de impresión es necesario un alineamiento óptimo entre las diferentes capas con el fin de asegurar su correcto funcionamiento. Para esta tarea se ha realizado pequeños circuitos iniciales básicos como resistencias y condensadores de diferentes tamaños que han permitido caracterizar el funcionamiento de cada tinta. En este sentido se ha obtenido la cantidad de tinta depositada tanto estimada como mediante medición y se ha realizado el cálculo correspondiente para su comprobación de los resultados obtenidos frente a los estimados de forma matemática. Estas caracterizaciones se han tenido en cuenta para la realización de los diseños de los prototipos posteriores más avanzados donde se han combinado estos elementos de forma más compleja.

Posteriormente durante la ejecución del proyecto se han desarrollado sensores táctiles que permiten la detección de movimiento en su superficie como pueda ser un dedo o una mano de forma que puedan ser empleados como interfase de comunicación con dispositivos electrónicos. Estos sensores están basados en componentes electrónicos denominados condensadores abiertos, los cuales son capaces de detectar variaciones de capacidad en su entorno. Su disposición ha sido realizada en forma de matriz de forma que es posible evaluar una combinación de filas y columnas determinando la posición de dicha variación en su superficie. Por otra parte, también se han realizado desarrollos multicapa combinando varias tintas conductivas y resistivas con aplicaciones de superficies calefactables. En este sentido, se han realizado diferentes diseños con matrices de varias dimensiones estudiado su comportamiento en términos de homogeneidad superficial.

Los desarrollos realizados hasta el momento han permitido obtener los parámetros base para la aplicación de las tintas electrónicas sobre sustrato textiles de forma óptima para los diferentes sustratos empleados. En el caso de los sustratos textiles con mayor rugosidad se han obtenido varias alternativas a la impresión directa de las tintas con el fin de mejorar su comportamiento. Parámetros como el grosor del tejido, así como su rugosidad deben ser debidamente estudiados puesto que ofrecen diferentes resultados dependiendo del modo en el que se realice la impresión.

El proyecto Flexitex, cuenta con el apoyo de la Conselleria d'Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través del Ivace.