Desarrollo de recubrimientos funcionales con nanopartículas para la electrónica impresa

Abstract

La presente tesis muestra la metodología desarrollada para la obtención de recubrimientos funcionales piezoeléctricos y conductores eléctricos. Las etapas llevadas a cabo se corresponden con la fabricación del material activo, su formulación en forma de tinta, la impresión de la misma y la caracterización de las propiedades de los recubrimientos impresos. En lo que respecta a los recubrimientos piezoeléctricos, el material activo utilizado fue del tipo perovskita Pb(ZrxTi1-x)O3, también conocido como PZT. Inicialmente se preparó polvo de PZT basándose en una ruta sol-gel y se procedió a la comprobación de sus propiedades piezoeléctricas mediante la preparación de piezas volumétricas (bulk). En este trabajo se siguieron 4 rutas para la fabricación de los recubrimientos. En cuanto a los recubrimientos conductores eléctricos, se prepararon películas conductoras basadas en monómeros de curado ultravioleta (UV) y partículas de plata. Este es un planteamiento novedoso dado que la consolidación de este tipo de recubrimientos se suele llevar a cabo a elevadas temperaturas. Inicialmente se sintetizaron partículas de plata con 3 morfologías: nanotubo (1D), escamas (flake, 2D) y esférica (3D). Posteriormente se estudió la influencia de la morfología de las partículas en la resistividad mediante la preparación de recubrimientos curados a temperatura ambiente. La geometría esférica proporcionó la menor resistividad debido a los enlaces químicos entre partículas. Sin embargo, estas partículas presentaban agregados de gran tamaño lo cual dificulta la obtención de una tinta estable. Por ello, se seleccionó la geometría flake para la formulación de las tintas, la cual proporcionó una resistividad intermedia y una mayor estabilidad de la tinta debido al menor tamaño de partícula. También se estudiaron fotoiniciadores con distintas propiedades y monómeros de curado UV con diverso número de grupos funcionales, obteniéndose recubrimientos consolidados tras 30 min de curado. A continuación, se evaluó la influencia del volumen de plata en la resistividad mediante la preparación recubrimientos con la mezcla de curado UV seleccionada anteriormente y las partículas flake. En base a la curva que representa la resistividad en función del volumen de plata, se determinó que el límite de percolación se encuentra en el rango de 3-5% en volumen. Los valores más bajos de resistividad se alcanzaron para los contenidos más altos en plata (>5% en volumen), siendo estos del orden de 10-3 Ω·cm. Finalmente, se muestra la aplicación de los recubrimientos conductores desarrollados en esta tesis mediante la fabricación de diversos dispositivos entre los que se encuentran sensores de temperatura, de posición embebidos en piezas fabricadas por impresión 3D y resonadores.