ES2909534T3 - Proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares - Google Patents

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Abstract

Proceso para proporcionar unos dispositivos (1), tales como una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, que consiste en: - seleccionar por lo menos una lámina (7) constituida esencialmente por una lámina de derivados de grafeno preensamblada autosoportada; - seleccionar por lo menos una capa de soporte (3) de material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas; - acoplar por lo menos una parte de dicha por lo menos una lámina (7) y por lo menos una parte de dicha por lo menos una capa de soporte (3), y conformar a partir de dicha por lo menos una lámina (7) por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible (4) después del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina (7) a dicha por lo menos una capa de soporte (3), obteniendo así un camino conductor (4) solidario con una respectiva capa de soporte (3) que está conformada de manera idéntica; o - conformar a partir de dicha por lo menos una lámina (7) por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible (4) antes del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina (7) a dicha por lo menos una capa de soporte (3) y, a continuación, acoplar dicho camino conductor (4) sobre dicha capa de soporte (3).

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares
La presente invención se refiere a un proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares.
Recientemente, se ha descubierto una nueva clase de materiales bidimensionales. El grafeno, el primer material de esta clase en ser descubierto, es un cristal bidimensional compuesto por solamente átomos de carbono que están dispuestos en una estructura alveolada para formar una única capa atómica. El grafeno tiene una resistencia mecánica que supera la del acero, conduce el calor mejor que el cobre, es transparente y flexible y tiene propiedades eléctricas mejores que las del silicio, el cual se usa comúnmente en semiconductores y en componentes eléctricos.
Un material de este tipo puede estar indicado para proporcionar caminos conductores de circuitos, antenas y similares.
Los sistemas de identificación RFID se usan en muchos campos, por ejemplo, en el seguimiento y en la gestión de artículos o sistemas de almacenamiento, en la identificación de personas o de animales, en sistemas de pago en peajes, en tarjetas de crédito, en pasaportes, etcétera.
Recientemente, se ha producido un fuerte crecimiento de los dispositivos RFID-NFC (Comunicación de Campo Cercano) que constituyen una tecnología inalámbrica de corto alcance. Es razonable esperar que, en los años venideros, el campo de aplicaciones en la identificación de objetos se incrementará adicionalmente. Por ejemplo, las etiquetas RFID flexibles pueden representar un punto de inflexión en el sector de la electrónica flexible, aunque también en la electrónica actual; de hecho, hay una gran demanda de etiquetas RFID flexibles para identificar objetos curvados.
En un sistema RFID, la identificación de los objetos se proporciona mediante un rótulo (etiqueta) que está compuesto por una antena y un circuito integrado. El código electrónico de producto (EPC) que identifica el objeto se almacena en la memoria del circuito integrado que es leído por un lector de RFID. En aplicaciones NFC, las etiquetas funcionan principalmente gracias a un acoplamiento inductivo, y la transferencia de los datos entre la etiqueta y el lector se produce habitualmente modulando la radiación reflejada de la antena mediante la variación de la impedancia.
En la producción de etiquetas RFID, habitualmente se utiliza el ataque químico para crear los circuitos conductores de la antena. El ataque químico es un proceso que comprende muchas etapas y requiere numerosos agentes químicos contaminantes. Además, la subcapa está sujeta a estreses químicos que, por lo tanto, reducen la variedad de subcapas utilizables. Estos aspectos hacen que sea necesario encontrar soluciones para proporcionar antenas de RFID que sean más ecológicas y adaptables.
La tecnología de impresión por chorros de tinta, que imprime tintas conductoras con una impresora especial, está llegando a establecerse de manera muy rápida gracias al bajo coste de fabricación y a la posibilidad de modificar el grosor de la capa conductora imprimiendo múltiples capas. En cualquier caso, el desarrollo de las etiquetas de RFID impresas no es tan inmediato debido a que la mayoría de subcapas económicas que pueden imprimirse se deterioran fácilmente; por ejemplo, se deforman cuando se someten a esfuerzos mecánicos o a altas temperaturas, tal como es necesario en los tratamientos térmicos típicos que se usan para las tintas conductoras.
Otro de los problemas de los sistemas actuales de identificación por radiofrecuencia es la corrosión de los metales que se usan generalmente para proporcionar la antena RFID. Las nanopartículas metálicas presentes en las tintas conductoras que se usan para la impresión de antenas RFID por chorros de tinta tienen un área superficial muy alta y, por lo tanto, pueden absorber una gran cantidad de humedad, provocando que la antena se oxide y deteriore más rápidamente que los metales macroscópicos. En muchas aplicaciones, los dispositivos RFID deben resistir estreses físicos o químicos y, por lo tanto, deben ser resistentes a la corrosión (de manera autónoma o gracias a formas específicas de protección).
Una de las posibles soluciones a este problema es el uso de materiales basados en carbono, los cuales no están sujetos a la corrosión y son muy estables desde el punto de vista térmico. No obstante, al mismo tiempo, las antenas flexibles requieren películas flexibles con una resistencia eléctrica superficial inferior a 1-5 ohmios/cuadrado (es decir, ohmios en una superficie cuadrada, para un grosor dado), con el fin de obtener niveles de rendimiento aceptables.
Hasta el momento no ha resultado posible producir antenas flexibles eficientes realizadas con derivados de grafeno, ya que, con los planteamientos utilizados en la actualidad, las películas obtenidas presentan una baja conductividad eléctrica. Uno de los factores críticos de estos planteamientos es que la resistencia de contacto entre láminas adyacentes de grafeno puede ser muy alta si las láminas no están en un buen contacto mutuo, reduciéndose así la conductividad total de la película (incluso aunque una única unidad de grafeno conduzca la corriente muy bien).
Se ha creado una “antena dipolo” especial (descrita en la publicación científica de Huang X et al., Applied Physics Letters 2015, vol. 106, págs. 203105) usando una tinta de grafeno conductora, impresa en papel por medio de un proceso de impresión por chorros de tinta y posteriormente comprimida con rodillos.
En particular, a través de este proceso específico de impresión por chorros de tinta con posterior compresión de las capas depositadas de tinta (que comprende grafeno), es posible obtener una resistencia superficial (o resistencia de superficie) igual a aproximadamente 3 ohmios/cuadrado para una película con un grosor de aproximadamente 7.7 micras.
El documento US8664642 divulga un dispositivo basado en grafito que comprende un sustrato con una pluralidad de zonas y uno o más apilamientos de grafeno. Cada apilamiento de grafeno se forma mediante una pluralidad de capas de grafeno que se forman sobre el sustrato.
El documento US2012/013989 da a conocer un metamaterial que comprende un patrón nanométrico conductor sobre un sustrato. El patrón nanométrico tiene capas conductoras que comprenden grafeno y que se forman en el sustrato.
Evidentemente, el nivel cualitativo final (y, por lo tanto, las propiedades eléctricas del camino conductor proporcionado con este método conocido) depende de cómo se depositó la tinta a base de grafeno, del número de capas y de la calidad de la compresión ejercida sobre las capas de tinta: los factores que influyen en la provisión de un camino conductor con buenos niveles de rendimiento son muchos y en conflicto entre ellos.
El factor de calidad Q de una antena, un parámetro esencial para obtener una antena eficiente influye fuertemente en el rango de acción de la etiqueta RFID y es inversamente proporcional a la resistencia de la propia antena.
Además, debe señalarse que las antenas obtenidas con procesos de impresión por chorros de tinta (y, en particular, con tinta que comprende grafeno, en donde las capas de impresión se someten a compresión para su compactación) pueden presentar, en caso de que haya muchas capas, un rendimiento mecánico deficiente (fragilidad, baja flexibilidad, etcétera) y, por lo tanto, no son adecuadas para satisfacer de manera absoluta la totalidad de los diversos tipos de aplicación.
Uno de los objetivos de la invención es proporcionar un proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares y que haga posible obtener dispositivos de manera sencilla y ecológica.
Otro de los objetivos de la invención es proporcionar un proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares y que haga posible obtener dispositivos con buenas propiedades mecánicas, en particular dispositivos que sean elásticamente flexibles.
Otro de los objetivos de la invención es proporcionar un proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares y que presente bajos costes de implementación.
Otro de los objetivos de la invención es proporcionar un proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares que sean de bajo coste, que se implementen de manera fácil y práctica y de uso seguro.
Esta finalidad y estos y otros objetivos que se pondrán más claramente de manifiesto a continuación en la presente memoria se alcanzan mediante un proceso para proporcionar dispositivos, tales como una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, que consiste en:
- seleccionar por lo menos una lámina constituida esencialmente por una lámina de derivados de grafeno preensamblada autosoportada;
- seleccionar por lo menos una capa de soporte de material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas;
- acoplar por lo menos una parte de dicha por lo menos una lámina y por lo menos una parte de dicha por lo menos una capa de soporte;
- conformar, a partir de dicha por lo menos una lámina, por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible en cualquier etapa del proceso, escogiendo de entre antes del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina a dicha por lo menos una capa de soporte, por lo tanto acoplando dicho camino conductor en dicha capa de soporte, y después del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina a dicha por lo menos una capa de soporte, por lo tanto obteniendo un camino conductor que es solidaria con una capa de soporte respectiva que se conforma de manera complementaria.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción de unas formas de realización preferidas, aunque no exclusivas, del proceso para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares según la invención, que se ilustran a título de ejemplo en los dibujos adjuntos, en los cuales:
la figura 1a es una vista esquemática de una parte de un dispositivo según la invención en una posición plana; la figura 1b es una vista esquemática de una parte del dispositivo de la figura 1a sometida a flexión;
la figura 2 es una vista esquemática de un proceso, según la invención, para proporcionar dispositivos del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares; la figura 3 es una vista frontal en alzado de un primer tipo de antena proporcionada con un proceso según la invención;
la figura 4 es una vista en perspectiva de un segundo tipo de antena proporcionada con un proceso según la invención en una configuración flexionada;
la figura 5 es una vista frontal en alzado de un tercer tipo de antena proporcionada con un proceso según la invención;
la figura 6 es una vista frontal en alzado de un cuarto tipo de antena proporcionada con un proceso según la invención;
la figura 7 es una vista frontal en alzado de un tipo de elemento calefactor proporcionado con un proceso según la invención;
la figura 8 es una vista frontal en alzado de una pieza de partida proporcionada como ejemplo ilustrativo que no es parte de la invención;
la figura 9 es una vista lateral de dos posibles etapas para acoplar las capas en el proceso según la invención y adoptado en los dispositivos según la invención;
la figura 10 es una vista lateral de otras dos posibles etapas para acoplarse las capas en el proceso según la invención y adoptado en los dispositivos según la invención;
la figura 11 es una vista lateral de un tercer criterio de acoplamiento de las capas en el proceso según la invención y adoptado en los dispositivos según la invención;
la figura 12 es una vista lateral de un cuarto criterio de acoplamiento de las capas en el proceso según la invención y adoptado en los dispositivos según la invención;
la figura 13 es una vista lateral de un quinto criterio de acoplamiento de las capas en el proceso según la invención y adoptado en los dispositivos según la invención.
En referencia a las figuras, el numeral de referencia 1 designa en general un dispositivo del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, y el numeral de referencia 2 designa en general un proceso para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares.
El dispositivo 1 proporcionado con un proceso según la invención comprende por lo menos una capa de soporte laminar 3 para por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible 4 constituida esencialmente por derivados de grafeno preensamblados.
Debe señalarse que dicha por lo menos una capa de soporte 3 está realizada con un material elegido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas. El término “derivados de grafeno preensamblados” significa, en particular, láminas de derivados de grafeno preensambladas autosoportadas: algunos de estos materiales ya se producen comercialmente a gran escala y se pueden realizar con nanoplaquetas de grafeno (G-NP) u otros derivados de grafeno preensamblados en láminas o rollos.
Entre ellos, a título de ejemplo no limitativo, se encuentran el material conocido como Hoja de Grafeno ANG (producida por Angstron Materials), el material en forma de hoja XG (producido por XG Science) y el material de Lámina G2Nan (producido por Nanesa). No obstante, no se excluye la posibilidad de usar compuestos laminares diferentes predominantemente de derivados de grafeno preensamblados y/o materiales diferentes que tengan características análogas o similares.
Según una forma de realización particular con un interés particular en cuanto a su aplicación, dicho por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible 4 comprende, en sus extremos, unos respectivos elementos de conexión 5 que están constituidos por placas de material conductor escogido preferentemente de entre metales y polímeros con buena conductividad eléctrica.
Los elementos de conexión 5 se pueden realizar con láminas o placas metálicas, polímeros conductores, metales evaporados, pastas conductoras, otro tipo de materiales conductores que se apliquen a presión, etcétera, o una combinación de los mismos. Estos se pueden aplicar en los extremos del camino conductor 4 por debajo o sobre la superficie del material de grafeno que la constituye. Se puede realizar de manera similar para otras aplicaciones que hacen uso de circuitos conductores o interconexiones eléctricas proporcionados con láminas de derivados de grafeno.
En referencia particular a una forma de realización de interés práctico y aplicativo indudable, dicho por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible 4 comprende unidades de un material escogido de entre grafeno, derivados de grafeno, grafito, derivados de grafito y otros materiales esencialmente bidimensionales (de manera opcional también funcionalizados químicamente a nivel supramolecular, dopados o mezclados con aditivos como polímeros o metales).
Dichas unidades pueden estar constituidas predominantemente por nanoplaquetas, nanoláminas, nanofilamentos, nanopartículas y similares.
De manera más general, para proporcionar los caminos conductores 4 se pueden usar diferentes tipos de láminas preensambladas de derivados de grafeno. En particular, es posible usar:
- grafeno y derivados de grafeno en forma de nanoplaquetas de grafeno, nanoláminas de grafeno, nanocintas de grafeno, óxido de grafeno, grafeno exfoliado, óxido de grafeno reducido, grafeno multicapa, etcétera;
- grafito y derivados de grafito en forma de grafito expandido, microplaquetas de grafito, etcétera;
- derivados de grafeno, derivados de grafito u otros materiales sustancialmente bidimensionales, con funcionalización química o supramolecular;
- derivados de grafeno o derivados de grafito con aditivos usados para incrementar la conductividad eléctrica o para mejorar la adherencia a subcapas, tales como, por ejemplo, nanohebras de plata, nanopartículas de cobre, polímeros, etcétera.
En la invención, también existe la posibilidad de dopar por medio de tratamientos químicos y físicos (tratamientos con moléculas dopantes, por ejemplo, HNO3, AuCl3, HCl, tratamientos con plasma, tratamientos con ozono, etcétera) los caminos conductores 4 con el fin de mejorar las propiedades eléctricas, mecánicas y químicas de los dispositivos 1 que las comprenden.
Los derivados de grafeno preensamblados a partir de los cuales se obtienen los caminos conductores 4 pueden estar dotados de diferentes propiedades y tamaños (conductividad eléctrica, conductividad térmica, grosores, etcétera).
Finalmente, debe especificarse que el dispositivo 1 según la invención, en una posible aplicación del mismo que es particularmente eficiente y de aplicación industrial fácil y segura, puede comprender, preferentemente, por lo menos una capa de revestimiento y protección 6, dispuesta sobre el camino conductor de tipo cinta flexible 4 y en posible contacto, al menos parcial, con la capa de soporte 3.
Dicha por lo menos una capa protectora 6 se realizará ciertamente con un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas.
La presente invención se refiere a un proceso para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares y que implica una serie de etapas.
En primer lugar, es necesario seleccionar por lo menos una lámina 7 que esté constituida esencialmente por derivados de grafeno preensamblados.
La lámina 7 debe estar constituida esencialmente, por lo tanto, por:
- grafeno y derivados de grafeno en forma de nanoplaquetas de grafeno, nanoláminas de grafeno, nanocintas de grafeno, óxido de grafeno, grafeno exfoliado, óxido de grafeno reducido, grafeno multicapa, etcétera;
- grafito y derivados de grafito en forma de grafito expandido, microplaquetas de grafito, etcétera;
- derivados de grafeno, derivados de grafito u otros materiales sustancialmente bidimensionales (en los que el grosor normalmente es de manera sustancial monoatómico), con funcionalización química o supramolecular;
- derivados de grafeno o derivados de grafito con aditivos usados para incrementar la conductividad eléctrica o para mejorar la adherencia a subcapas, tales como, por ejemplo, nanohebras de plata, nanopartículas de cobre, polímeros, etcétera.
No se excluye la posibilidad de que la lámina 7 haya experimentado tratamientos de dopaje químicos o físicos (tratamiento con moléculas dopantes, por ejemplo, HNO3, AuCl3, HCl, tratamientos con plasma, tratamientos con ozono, etcétera).
El proceso según la invención conlleva, además, seleccionar por lo menos una capa de soporte 3 de un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas.
Por ejemplo, será posible usar unas capas 3 de polietilentereftalato (PET), obteniendo así una alta flexibilidad y una excelente adherencia, así como una excelente estabilidad de las características eléctricas y mecánicas a lo largo del tiempo (incluso si se ven sometidas a esfuerzos mecánicos); también es posible adoptar capas 3 de diferente composición, tal como polietileno (PE), poli(4,4'-oxidifenilen-piromelitimida) (conocida con el nombre comercial Kapton®), politetrafluoroetileno (PTFE), cloruro de polivinilo (PVC) y otros polímeros, o de un grosor diferente.
El proceso según la invención se lleva a cabo con el acoplamiento de dicha por lo menos una lámina 7 (que puede estar plegada, enrollada para constituir un carrete, constituida por una pluralidad de elementos separados que estén apilados y/o amontados) y de dicha por lo menos una parte de dicha por lo menos una capa de soporte 3: esta etapa confiere propiedades mecánicas superiores a la lámina 7 (o a una parte de la misma), que adquiere la resistencia mecánica de la capa de soporte 3 a la cual se acopla.
Es además necesario cortar (más correctamente, conformar) por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible 4 a partir de la por lo menos una lámina 7 en cualquier etapa del proceso.
En particular, será posible escoger el momento en el que cortar/conformar el camino conductor 4 a partir de la lámina 7, de entre:
- antes del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina 7 a dicha por lo menos una capa de soporte 3, acoplando así el camino conductor 4 cortado a partir de la lámina a la capa de soporte 3 con lo cual se obtiene un dispositivo 1 que tiene una forma exterior más amplia que el camino conductor 4 (forma exterior definida por las dimensiones de la capa de soporte 3);
- después del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina 7 a dicha por lo menos una capa de soporte 3, obteniendo así un dispositivo 1 que tiene una forma correspondiente exactamente a la del camino conductor 4 respectivo que es solidario con una respectiva capa de soporte 3 que tiene una estructura de forma idéntica.
Debe señalarse que, en referencia al proceso según la invención, opcionalmente por lo menos una capa de revestimiento y protección 6 adicional puede estar dispuesta sobre el camino conductor de tipo cinta flexible 4 y en posible contacto, al menos parcial, con la capa de soporte 3.
Preferentemente, la capa protectora 6 se realizará con un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas.
Según la invención, la etapa de acoplamiento de la por lo menos una lámina 7 con por lo menos una parte de la por lo menos una capa de soporte 3 se obtiene mediante un método que se puede escoger preferentemente (y no de forma exclusiva) de entre laminación en caliente, unión adhesiva, reticulación, interposición de láminas de acoplamiento (por ejemplo, una capa de material adhesivo 9) y similares.
Por otra parte, es útil señalar que la etapa de corte o modelado de dicho por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible 4 a partir de dicha por lo menos una lámina 7 (independientemente de si esta está almacenada en forma plegada o enrollada, etcétera) se puede llevar a cabo ciertamente por medio de una troqueladora, una cuchilla controlada por accionadores respectivos, un plóter de corte y similares (aunque estos son ejemplos no limitativos). No se excluye la posibilidad de usar aparatos de láser o usar métodos electroquímicos para la conformación.
Por otra parte, en la etapa de conformación de la lámina 7, en algunos aspectos de la invención, pueden usarse unas subcapas de fijación para mantener fija la lámina durante el modelado. A título de ejemplo no exclusivo, las subcapas de fijación pueden estar constituidas por polidimetilsiloxano (PDMS), o cloruro de polivinilo (PVC), o una cinta térmicamente desprendible o similares.
La presente divulgación se refiere también a una pieza de partida 100 sustancialmente laminar (mostrada a título de ejemplo, no formando parte de la invención, en la figura 8) para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares y que comprende por lo menos una capa de soporte laminar 3 realizada con un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas y por lo menos una capa conductora 8 constituida esencialmente por derivados de grafeno preensamblados. La capa conductora 8 y la capa de soporte laminar 3 están acopladas entre sí.
El acoplamiento de la capa conductora 8 a la capa de soporte 3 confiere buenas propiedades mecánicas a este material conductor el cual habitualmente es bastante frágil: la capa conductora 8 adquiere la resistencia mecánica de la capa de soporte 3 a la cual está acoplada.
La pieza de partida 100 puede comprender, además, por lo menos una capa de revestimiento y protección 6 adicional, dispuesta sobre el camino conductor de tipo cinta flexible 4 y en contacto, por lo menos parcial, con dicha capa de soporte 3.
La capa protectora 6 se puede realizar con un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas.
Los dispositivos 1 proporcionados por un proceso según la invención no se limitan a aplicaciones flexibles; de hecho, se pueden acoplar también a capas no flexibles 3. La alta resistencia mecánica de las láminas de grafeno preensambladas 7, junto con su bajo coeficiente de dilatación térmica y su alta flexibilidad, hacen posible asociar la lámina 7 a una gran variedad de diferentes capas 3. Considerando que la lámina 7, constituida por derivados de grafeno preensamblados, está compuesta solamente por carbono, en cualquier caso, es seguro que la misma tendrá una buena afinidad y capacidad de adherencia a una gran variedad de diferentes capas 3.
Se puede prever también la obtención de antenas o interconexiones eléctricas autosoportadas (es decir, no fijadas a una subcapa) con este material y con estas técnicas de corte.
La aplicación de la invención no se limita solamente a antenas para NFC (Comunicación de Campo Cercano) sino, en general, a otros tipos de antenas, por ejemplo, dipolo o de parche, etcétera.
La capa protectora 6 que se puede aplicar en una parte de la antena puede permitir el paso de una conexión eléctrica 11 desde el extremo interior de la antena al extremo exterior. Si se usa una subcapa eléctricamente aislante (por ejemplo, PET) para proporcionar la antena, es posible usar esta como dieléctrico en lugar de la capa protectora pasando los contactos por debajo de ella mediante una conexión conductora 10 alojada en un orificio de la capa 3 (según se ilustra en la figura 12).
La invención propuesta es económica y ecosostenible, debido tanto a que el material usado se basa en carbono (no se usan metales costosos como plata) como a que el proceso de fabricación involucrado no usa ácidos, metales y otros productos contaminantes.
La invención presentada en la presente memoria se puede usar para otras aplicaciones, tales como elementos conductores para aplicaciones de descongelación, elementos calefactores flexibles (mostrados a título de ejemplo en la Fig. 7), pantallas electromagnéticas, e interconexiones eléctricas flexibles y químicamente estables.
Debe señalarse que la expresión “relación de aspecto” significa la relación entre la dimensión mayor y la dimensión menor de una figura bidimensional. El concepto se puede ampliar para incluir cuerpos tridimensionales escogiendo dos dimensiones características del cuerpo sólido.
La alta relación de aspecto y la forma plana de las nanoplaquetas de grafeno que constituyen la lámina 7 hacen posible orientarlas en paralelo a la subcapa, según la dirección de la corriente eléctrica, maximizando de esta manera el transporte de carga a lo largo del dispositivo 1 (la conductividad máxima de grafeno que se ha alcanzado actualmente es ~105 S/m, aunque no se excluyen incrementos que resulten de nuevos métodos de producción).
La forma bidimensional permite una mejor superposición de las láminas adyacentes (para tener un ejemplo véase la figura 1), optimizando de esta manera el transporte de carga y la reducción de la resistencia de contacto. En otros materiales conductores estándar que son verdaderamente tridimensionales (por ejemplo, nanopartículas), el contacto entre las partículas puede no ser óptimo y puede cambiar significativamente al producirse una flexión. Por otro lado, en materiales que son sustancialmente unidimensionales (por ejemplo, nanotubos de carbono o nanohebras metálicas), la flexibilidad será buena pero el contacto entre hebras adyacentes no será tan bueno como el correspondiente de láminas planas que se superpongan mutuamente.
Las láminas 7 comerciales de derivados de grafeno preensamblados con un grosor de unas pocas micras se pueden plegar fácilmente sin sufrir deterioro.
Gracias a su forma, las láminas de grafeno serán más flexibles que los nanotubos de carbono o las nanohebras metálicas. Además, las láminas tienen la capacidad de deslizarse una sobre otra en caso de que las mismas se flexionen (nuevamente, véase la figura 1 en relación con un diagrama esquemático del fenómeno físico descrito aquí), con lo cual se mantiene una buena adherencia gracias a las fuertes interacciones de Van der Waals entre los orbitales “p” del grafeno. Estas interacciones, a diferencia de los enlaces que se forman por reticulación en colas normales o aglomerantes poliméricos, son de carácter supramolecular y, por lo tanto, son totalmente reversibles, con lo cual es posible flexionar miles de veces el conductor sin deteriorar y sin cambiar el rendimiento eléctrico. La amplia red “sp2” del grafeno hace que el material sea altamente estable y resistente a la oxidación por variaciones de humedad y temperatura.
De hecho, la forma sustancialmente bidimensional del material, además de garantizar un buen contacto eléctrico, también actúa como barrera para la difusión de gas, actuando como capa protectora y evitando cualquier afluencia de sustancias dopantes hacia el dispositivo 1 que podrían crear un dopaje no deseado, la creación de trampas electrónicas y, por lo tanto, cambios en el rendimiento del propio dispositivo 1 (particularmente incapacitantes cuando el dispositivo 1 es una antena).
Las capas exteriores de la lámina 7 ó de la capa 3 también se pueden funcionalizar química o físicamente de manera parcial con conjuntos funcionales antes del acoplamiento a la capa 3, con el fin de facilitar la adherencia a ella.
Estos procesos de funcionalización pueden crear defectos químicos “sp3” únicamente en la primera capa de grafeno que constituye la antena (el dispositivo 1) y, por lo tanto, no derivan en un deterioro de la conductividad del volumen completo de la antena (el dispositivo 1). Al estar compuesta por carbono, la lámina 7 también será resistente al agua y a la humedad y no se verá sometida a la oxidación.
Al contrario, la lámina 7 puede actuar como barrera ante la humedad con efectos beneficiosos para las capas subyacentes.
La última ventaja está relacionada con la eliminación final de la antena RFID (el dispositivo 1). Puesto que está compuesta por carbono (igual que los materiales poliméricos subyacentes), no hay restricciones sobre la eliminación de la lámina 7 de derivados de grafeno preensamblados, a diferencia de los metales pesados. No tiene dimensiones a escala nanométrica, con lo cual se generan menos problemas de toxicidad con respecto a otros nanomateriales como los nanotubos de carbono o las nanohebras metálicas.
Ejemplos de implementación de la invención
Se usó una lámina 7 de derivados de grafeno preensamblados, de 50 micras de grosor, para proporcionar muestras adaptadas con el fin de evaluar las propiedades eléctricas, de adherencia, de flexibilidad y de estabilidad química del material. La lámina 7 se cortó en tiras con un plóter de corte (dimensiones: anchura 1 mm, longitud 2 cm). En primer lugar, la lámina se había dispuesto sobre una lámina de polidimetilsiloxano (PDMS) con el fin de mantenerla fija durante la operación de corte y a continuación se retiró de la misma. Además del PDMS, también es posible usar una cinta térmicamente desprendible, o una película adhesiva de cloruro de polivinilo (PVC). Asimismo, la capa de fijación puede no retirarse.
Se podría haber proporcionado cualquier otra forma con este instrumento con el fin de ofrecer el diseño óptimo de la antena RFID o de otro tipo de dispositivo 1. El plóter de corte usado fue un plóter Silhouette-Cameo (no se excluye la posibilidad de usar otros plóteres de corte con características diferentes y de tipos diferentes).
Después del corte, los caminos conductores 4 así obtenidos se fijaron a una capa 3 de PET, de 250 micras de grosor, recubierta de película de bolsa de laminación (capa 9) por medio de laminación en caliente (iLAM touch de Leitz).
Con un aparato para medir la resistencia superficial en cuatro puntos, se midió la resistencia en varios dispositivos 1 y se obtuvo un valor de resistencia superficial medio de 0.055 £/□ para caminos conductores con un grosor de 50 micras. La medición se obtuvo aplicando una corriente con una fuente de alimentación estabilizada ajustable (por ejemplo, un dispositivo “Agilent E3612A”) y midiendo la diferencia de potencial con un electrómetro (tal como, por ejemplo, un dispositivo “Keithley 6514”). No se observó ningún cambio en la resistencia superficial incluso después de varios plegados de la muestra.
Se prepararon algunos prototipos de antena RFID-NFC flexible siguiendo las enseñanzas de la presente invención. Una lámina 7 de derivados de grafeno preensamblados, de 50 micras de grosor, se cortó con el plóter de corte con una forma específica. La lámina 7 se había dispuesto primero sobre una lámina de PDMS con el fin de mantenerla fija durante la operación de corte y a continuación se retiró de la misma. Después de esto, el camino conductor se laminó en caliente sobre una lámina de película de bolsa de laminación de PET, de 250 micras de grosor. Como ejemplos de diseño para la antena se escogieron una estructura en forma de espiral cuadrada (con una dimensión lateral de 6 cm, 6 vueltas, un grosor del trazo de 2 mm y un grosor de separación de 1 mm) y una estructura en forma de espiral rectangular (dimensiones: longitud 7.5 cm, anchura 4.5 cm, con 6 vueltas, grosor del trazo 2 mm y grosor de la separación 1 mm) según se muestra, respectivamente, en las figuras 3 y 5.
Para algunos prototipos, se escogió usar (de manera no restrictiva) elementos de conexión 5 de cobre, obtenidos con láminas de cobre, en los extremos de la antena (forma de realización específica analizada en este ejemplo para el dispositivo 1) con el fin de permitir un mejor contacto eléctrico entre la antena y el circuito integrado u otro dispositivo (visible en las figuras 4 y 5). La resistencia superficial de la antena, medida con un aparato para cuatro puntos, es de 0.055 Q/d (“ohmios por cuadrado”) y la resistencia total de la antena es 24 a 26 ohmios (con medición en cuatro puntos).
Además, se elaboraron ejemplos no exclusivos de prototipos de caminos conductores entre 2 láminas de Kapton® que se podían utilizar como elementos calefactores (figura 7) y pantallas electromagnéticas que se obtuvieron acoplando láminas de derivados de grafeno preensamblados a películas de PET
El potencial del grafeno y de sus derivados es enorme, y muchos artículos científicos han revelado que, a escala nanométrica, este material es más resistente que el acero, conduce el calor mejor que el cobre, es impermeable contra todos los gases, es flexible y tiene mejores propiedades eléctricas que las del silicio, el cual se usa comúnmente en ordenadores.
Actualmente se usan varias tintas conductoras para la impresión de circuitos electrónicos; en particular, estas comprenden: metales nobles, polímeros conductores y nanomateriales basados en carbono.
La plata es el material más usado en este campo, y, de hecho, muchas tintas están constituidas por nanopartículas o precursores de la plata. Estas tintas tienen la conductividad más alta en su categoría, pero los precursores son muy caros.
También se usan tintas de cobre, aunque típicamente las mismas requieren tratamientos a altas temperaturas con el fin de producir trazos muy conductores, limitando así la elección de las subcapas. Por otra parte, estas tintas están sujetas a una rápida oxidación.
También se han usado polímeros conductores, como poli(3,4-etilendioxitiofen)-poli(estirensulfonato) (abreviado en PEDOTPSS) para aplicaciones en la impresión de circuitos electrónicos.
Desafortunadamente, la conductividad eléctrica de estos materiales es demasiado baja para aplicaciones como antenas RFID, y también presentan problemas relacionados con la estabilidad térmica y química.
Las tintas a base de carbono ofrecen una alternativa de coste relativamente bajo con una estabilidad química excelente. No obstante, para antenas RFID, se requieren resistencias superficiales inferiores a 1-5 Q/d (“ohmios por cuadrado”) con el fin de disponer de niveles de rendimiento aceptables. Hasta ahora, no ha resultado posible producir antenas flexibles eficientes realizadas con derivados de grafeno, debido a que con los planteamientos usados en la actualidad las películas obtenidas tienen una conductividad eléctrica baja.
Uno de los factores críticos de estos planteamientos es que la resistencia de contacto entre láminas adyacentes de grafeno puede ser muy alta si las láminas no están en buen contacto entre ellas, reduciendo así la conductividad total de la película (aún cuando una única unidad de grafeno conduzca la corriente muy bien).
La antena RFID, que constituye el dispositivo 1, se proporciona a partir de una lámina 7 de derivados de grafeno preensamblados. En el ejemplo mostrado, la lámina realizada con nanoplaquetas de grafeno tiene una resistencia superficial de 0.05 Q/d (“ohmios por cuadrado”) en un grosor de 50 micras. Además, se puede esperar que se obtengan mejores valores de resistencia eléctrica dopando el material.
El diferente material inicial, el diferente proceso de fabricación y la diferente técnica de deposición sobre la subcapa hacen posible que se obtenga una conductividad eléctrica que está adaptada por lo tanto para este tipo de aplicaciones.
De este modo, la invención propuesta posibilita la producción de antenas RFID flexibles o interconexiones realizadas con láminas 7 de derivados de grafeno preensamblados, del grosor deseado, que se cortan fácilmente a la forma deseada con un plóter de corte u otro método de corte, y se acoplan fácilmente a cualquier tipo de capa 3. Los caminos conductores 4 así obtenidos son mucho más conductores que las tintas a base de grafeno conocidos en la actualidad.
Adoptando el proceso 2 según la invención, también es posible realizar otros tipos de dispositivos flexibles 1, sustentados sobre subcapas poliméricas y no poliméricas, tales como, por ejemplo, elementos calefactores (mostrados a título de ejemplo en la figura 7), elementos para descongelación, disipadores de calor, blindaje EMI (es decir, blindaje para radiaciones electromagnéticas), etcétera.
El grafeno elaborado mediante deposición química de vapor (CVD) o el grafeno exfoliado se está explorando en la actualidad de manera intensa para realizar materiales conductores transparentes, con muchas publicaciones y patentes ya disponibles. En cualquier caso, el rendimiento eléctrico de estos materiales está por el momento muy alejado de los valores requeridos con el fin de producir antenas RFID eficientes. Puesto que las propiedades de transparencia no son necesarias para las antenas RFID, a diferencia de las aplicaciones para electrodos transparentes donde se requiere una exfoliación hasta una capa individual, puede usarse un planteamiento de arriba hacia abajo [top-down] que utiliza grafito exfoliado, pero sin llegar a la capa individual, con claras ventajas con respecto a métodos basados en la exfoliación de grafeno por sonicación. El material usado en esta invención se puede identificar como un intermedio entre el grafito en masa [bulk] y una lámina con solo unas pocas capas de grafeno; de esta manera, se mantienen la alta conductividad y la resistencia mecánica del primero, pero al mismo tiempo presenta la alta flexibilidad del segundo.
Los procesos usados para esta invención son escalables y usan tecnologías que ya están presentes en la industria.
Los mismos procesos son también ecosostenibles, a diferencia del proceso por ataque químico usado comúnmente con el fin de proporcionar antenas RFID metálicas.
De forma ventajosa, la presente invención pone solución a los problemas antes mencionados, proporcionando un dispositivo 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, que tiene una alta conductividad eléctrica, tal como se muestra ampliamente también gracias a los ejemplos citados.
Definitivamente, el dispositivo 1 según la invención también presenta una baja resistencia superficial, buenas propiedades mecánicas, y, por lo tanto, es muy conductor incluso después de flexionarse, y presenta una buena estabilidad química.
Convenientemente, el proceso 2 para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares hace posible la obtención de dispositivos 1 con una alta eficiencia eléctrica con métodos que son sencillos y ecológicos.
Convenientemente, el proceso 2 según la invención hace posible la obtención de dispositivos 1 con buenas propiedades mecánicas.
Convenientemente, el proceso 2 presenta bajos costes de implementación.
Favorablemente, la presente invención también identifica una pieza de partida sustancialmente laminar 100 para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, que se puede usar de manera sencilla, utilizando máquinas que ya están presentes en la industria para procesos de fabricación estándar.
Ventajosamente, la pieza de partida 100 según la invención garantiza una uniformidad de los dispositivos elaborados con ella, independientemente del método de fabricación adoptado.
Efectivamente, la presente invención hace posible proporcionar un dispositivo 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, llevando a cabo un proceso 2 para proporcionar dispositivos 1 del tipo de una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares que son de bajo coste, que se implementan de manera sencilla y práctica y que son seguros en cuanto a su uso.
Cuando a las características técnicas mencionadas en cualquiera de las reivindicaciones les sucedan símbolos de referencia, esos símbolos de referencia se han incluido con la mera finalidad de mejorar la inteligibilidad de las reivindicaciones y, por consiguiente, dichos símbolos de referencia no tienen ningún efecto limitativo sobre la interpretación de cada elemento identificado a título de ejemplo por dichos símbolos de referencia.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Proceso para proporcionar unos dispositivos (1), tales como una antena, un elemento calefactor, una pantalla electromagnética, una interconexión eléctrica y similares, que consiste en:
- seleccionar por lo menos una lámina (7) constituida esencialmente por una lámina de derivados de grafeno preensamblada autosoportada;
- seleccionar por lo menos una capa de soporte (3) de material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas;
- acoplar por lo menos una parte de dicha por lo menos una lámina (7) y por lo menos una parte de dicha por lo menos una capa de soporte (3), y conformar a partir de dicha por lo menos una lámina (7) por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible (4) después del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina (7) a dicha por lo menos una capa de soporte (3), obteniendo así un camino conductor (4) solidario con una respectiva capa de soporte (3) que está conformada de manera idéntica; o
- conformar a partir de dicha por lo menos una lámina (7) por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible (4) antes del acoplamiento de dicha por lo menos una lámina (7) a dicha por lo menos una capa de soporte (3) y, a continuación, acoplar dicho camino conductor (4) sobre dicha capa de soporte (3).
2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado por que, en los extremos de por lo menos dicho un camino conductor de tipo cinta (4) hay unos respectivos elementos de conexión (5) que están constituidos por materiales escogidos, preferentemente, de entre metales y polímeros con buena conductividad eléctrica.
3. Proceso según una o más de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que dicha etapa de acoplamiento de dicha por lo menos una lámina (7) y por lo menos una parte de dicha por lo menos una capa de soporte (3) se obtiene mediante un método escogido de entre laminación en caliente, unión adhesiva, reticulación, interposición de láminas de acoplamiento y similares.
4. Proceso según una o más de las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado por que la etapa de conformación de por lo menos un camino conductor de tipo cinta flexible (4) a partir de dicha por lo menos una lámina (7) se lleva a cabo mediante una troqueladora, una cuchilla controlada por unos respectivos accionadores, un plóter de corte, un sistema láser, un sistema que usa procesos electroquímicos y similares.
5. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende una etapa de deposición de por lo menos una capa de revestimiento y protección (6) sobre dicho camino conductor de tipo cinta flexible (4) y en posible contacto, por lo menos parcial, con dicha capa de soporte (3), estando dicha por lo menos una capa protectora (6) realizada con un material escogido de entre sustancias poliméricas, compuestas, cerámicas, de papel, naturales y combinaciones y/o derivados de las mismas.
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