Soluciones para la integración de electrónica en productos textiles
A los textiles inteligentes también se les conoce como textiles electrónicos y textiles impresos. Este término permite describir telas con características adicionales adaptables, que pueden reconocer y responder a los cambios externos o estímulos en su parte exterior. La idea central es crear un nuevo conjunto de productos textiles que no solo sean estética y funcionalmente adecuados, sino que también ofrezcan funcionalidad extra desde el punto de vista de sensorización y actuación. Además, esto abre la puerta para reemplazar dispositivos rígidos en dispositivos portátiles o embebidos, que puedan ser combinados con la ropa de uso diario y ofrezcan a los usuarios prestaciones avanzadas.
Uno de los retos de los textiles inteligentes es el soporte de componentes electrónicos de forma embebida en los sustratos. Para ello es necesario que incorporaren prestaciones de flexibilidad y adaptación a los tejidos. Otro de los retos es facilitar la interconexión de diferentes componentes de forma que asegure su ensamblado. Con un diseño adecuado de interconexión se pueden ofrecer también características de personalización de producto y funcionalidades, ya que es posible trabajar con soluciones modulares. La electrónica impresa o printed electronics es una tecnología emergente que utiliza diversas técnicas de fabricación para la realización de soluciones electrónicas y que soporta variedad de sustratos, siendo una de sus ventajas el soporte de sustratos flexibles e incluso estirables.
El Centro de Innovación e Investigación – AITEX, ha trabajado en el proyecto HYBRID II, un proyecto donde se combinan diferentes tecnologías de electrónica impresa para el desarrollo de sensores y en soluciones de interconexión y de fijación de componentes. La finalidad es proporcionar un catálogo de soluciones que permita adaptarse a las necesidades de los productos de tipo textiles inteligentes.
El objetivo del proyecto es alcanzar soluciones impresas híbridas donde sea posible combinar interconexión de componentes mediante pistas flexibles, y por otra parte incorporar componentes electrónicos impresos o de silicio.
Por tanto, esta solución por una parte aborda la necesidad de interconectar unidades electrónicas mediante pistas que pueden ser flexibles e incluso estirables. En este sentido se han estudiado diferentes alternativas empleando desde pistas impresas, pasando por pistas laminadas hasta el empleo de técnicas que permitan retirar la parte conductora. Con el fin de evaluar diferentes necesidades se han considerado emplear diferentes grosores de pistas, varios grosores de deposición, así como estructura en forma de herradura, que mejoren la durabilidad de las pistas, en situaciones donde precisen mucha flexibilidad. Es por esto por lo que se han estudiado diferentes alternativas tecnológicas que a continuación se presentan:
- Impresión de pistas mediante tintas conductoras. Esta solución es muy versátil ya que permite seleccionar diferentes tipos de tintas ya sean conductoras, dieléctricas o resistivas. Dentro de cada uno de ellos se puede optar por diferentes compuestos y concentraciones como pueda ser plata, plata clorurada, carbono o níquel entre otras pudiendo incluso combinarlas en capas. Como ventaja destaca que es posible combinar la impresión de pistas con la impresión de sensores, pudiendo depositar diferentes capas de material impreso. Esta propiedad ofrece posibilidades de fabricar circuitos multicapa ya sea para unir componentes o por ejemplo para realizar apantallamientos frente a interferencias externas.
- Placas de circuito impreso flexibles o flexible PCB (printed circuit board). Esta solución está basada en los estándares de PCBs rígidas, pero su aplicación es sobre sustratos flexibles. Este tipo de soluciones generalmente emplean cobre para las partes conductoras sobre varios tipos de sustratos flexibles como polyimide, FR4 o Kapton. Como ventaja hay que indicar que permite realizar pistas impresas de una o varias capas así como vías entre ellas. Los materiales empleados permiten flexión, pero no son elásticos. Además, existe una variante de esta tecnología denominada rigid flex que combina con PCBs rígidas. De este modo es posible dotar al circuito zonas con flexibilidad, habitualmente empleando en las zonas de las pistas o buses de comunicación, mientras que para componentes críticos o conectores se les aplica la zona rígida aportándole más robustez.
- Circuitos estirables o Strechable Printed Circuit Board. Este tipo de tecnología emplea como sustratos materiales poliméricos como poliuretanos sobre los que se laminan capas de cobre que posteriormente son tratadas con láser para excavar o eliminar la parte sobrante. Esta solución parte de unos materiales elásticos como sustrato. Para que la parte conductora también ofrezca estas propiedades se realizan unos diseños adecuados de las pistas, en forma de herradura. De este modo obtiene que sean estirables además de flexibles.
Otro de los aspectos importantes en circuitos híbridos es la colocación de componentes electrónicos. Para ello en los extremos de las pistas se crean unos puntos de contacto denominados pads que quedan al descubierto para la fijación de dichos componentes. Para ello, se ha considerado el empleo de diferentes soluciones de soldadura de componentes electrónicos sobre las pistas anteriores empleando técnicas de baja temperatura. En este sentido se han empleado materiales como estaños que curan a muy baja temperatura, adhesivos conductores que se aplican a temperatura ambiente y que curan también a bajas temperaturas, así como adhesivos conductores basados en epoxy que curan por tiempo. Para su aplicación se ha experimentado con varias técnicas de deposición, en una primera instancia de forma manual para validar el comportamiento de los materiales y posteriormente de un modo más automático, que asegure a futuro su industrialización. En este sentido se han empleado técnicas de aplicación de pastas mediante equipamiento robotizado o control numérico computarizado, que asegura su reproducción de forma continuada, así como técnicas de aplicación mediante stencil.
Por tanto, las soluciones desarrolladas permiten incorporar componentes de tipo sensor o actuador, ya sean del tipo analógico o digital, como pueda ser un sensor de temperatura, humedad, vibración, presión o luminosidad entre otros. Además, debido a las posibilidades de la impresión de las pistas es posible realizar una distribución de los diferentes componentes electrónicos ya sean sensores o no. Esto permite y facilita que los componentes puedan ser ubicados en diferentes localizaciones ya sea por necesidad de colocación de los sensores o para distribuir la electrónica de una forma más balanceada. Disponer de una tecnología que permita distribuir los componentes electrónicos en un textil inteligente ofrece varias ventajas como flexibilidad y escalabilidad. También ofrece mayor modularidad, pudiendo adaptarse a las necesidades de la aplicación final de forma sencilla.
El proyecto ‘HYBRID II - Desarrollo de soluciones electrónicas híbridas sobre sustrato textil’, cuenta con el apoyo de la Conselleria d'Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través del IVACE.
Expediente: IMAMCI/2021/1
