Las puertas lógicas sin semiconductores allanan el camino para la electrónica activa totalmente impresa en 3D

La electrónica activa (componentes que pueden controlar señales eléctricas) suele contener dispositivos semiconductores que reciben, almacenan y procesan información. Estos componentes, que deben fabricarse en una sala limpia, requieren tecnología de fabricación avanzada que no está ampliamente disponible fuera de unos pocos centros de fabricación especializados.

Durante la pandemia de COVID-19, la falta de instalaciones de fabricación de semiconductores generalizadas fue una de las causas de la escasez mundial de productos electrónicos, lo que elevó los costos para los consumidores y tuvo implicaciones en todos los ámbitos, desde el crecimiento económico hasta la defensa nacional. La capacidad de imprimir en 3D un dispositivo electrónico activo completo sin necesidad de semiconductores podría llevar la fabricación de productos electrónicos a empresas, laboratorios y hogares de todo el mundo.

Si bien esta idea aún está lejos, los investigadores del MIT han dado un paso importante en esa dirección al demostrar Fusibles reajustables totalmente impresos en 3Dque son componentes clave de la electrónica activa que normalmente requieren semiconductores. El estudio se publica en la revista. Prototipos virtuales y físicos.

Los dispositivos sin semiconductores de los investigadores, que produjeron utilizando hardware de impresión 3D estándar y un material biodegradable y económico, pueden realizar las mismas funciones de conmutación que los transistores basados ​​en semiconductores utilizados para operaciones de procesamiento en electrónica activa.

Aunque todavía están lejos de alcanzar el rendimiento de los transistores semiconductores, los dispositivos impresos en 3D podrían usarse para operaciones de control básicas como regular la velocidad de un motor eléctrico.

«Esta tecnología tiene verdaderas posibilidades. Si bien no podemos competir con el silicio como semiconductor, nuestra idea no es necesariamente reemplazar lo que ya existe, sino llevar la tecnología de impresión 3D a territorios inexplorados. En pocas palabras, se trata realmente de democratizar la tecnología. podría permitir a cualquiera crear hardware inteligente lejos de los centros de fabricación tradicionales», afirma Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal del Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal del artículo.

A él se une en el artículo el autor principal Jorge Cañada, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática.

Un proyecto inesperado

Los semiconductores, incluido el silicio, son materiales con propiedades eléctricas que pueden adaptarse añadiendo determinadas impurezas. Un dispositivo de silicio puede tener regiones conductoras y aislantes, dependiendo de cómo esté diseñado. Estas propiedades hacen que el silicio sea ideal para producir transistores, que son un componente básico de la electrónica moderna.

Sin embargo, los investigadores no se propusieron imprimir en 3D dispositivos libres de semiconductores que pudieran comportarse como transistores basados ​​en silicio.

Este proyecto surgió de otro en el que fabricaban bobinas magnéticas mediante impresión por extrusión, un proceso en el que la impresora funde el filamento y lanza material a través de una boquilla, fabricando un objeto capa por capa.

Vieron un fenómeno interesante en el material que estaban utilizando, un filamento de polímero dopado con nanopartículas de cobre.

Si pasaran una gran cantidad de corriente eléctrica por el material, mostraría un enorme aumento en la resistencia, pero volvería a su nivel original poco después de que se detuviera el flujo de corriente.

Esta propiedad permite a los ingenieros fabricar transistores que pueden funcionar como interruptores, algo que normalmente sólo se asocia con el silicio y otros semiconductores. Los transistores, que se encienden y apagan para procesar datos binarios, se utilizan para formar puertas lógicas que realizan cálculos.

«Vimos que esto era algo que podría ayudar a llevar el hardware de impresión 3D al siguiente nivel. Ofrece una forma clara de proporcionar cierto grado de ‘inteligente’ a un dispositivo electrónico», afirma Velásquez-García.

Los investigadores intentaron replicar el mismo fenómeno con otros filamentos de impresión 3D, probando polímeros dopados con carbono, nanotubos de carbono y grafeno. Al final, no pudieron encontrar otro material imprimible que pudiera funcionar como fusible reajustable.

Su hipótesis es que las partículas de cobre en el material se extienden cuando se calienta con la corriente eléctrica, lo que provoca un aumento en la resistencia que vuelve a disminuir cuando el material se enfría y las partículas de cobre se acercan. También creen que la base polimérica del material cambia de cristalina a amorfa cuando se calienta y luego vuelve a cristalina cuando se enfría, un fenómeno conocido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.

«Por ahora, esa es nuestra mejor explicación, pero no es la respuesta completa porque no explica por qué solo ocurrió en esta combinación de materiales. Necesitamos hacer más investigaciones, pero no hay duda de que este fenómeno es real. «, dice.

Electrónica activa de impresión 3D

El equipo aprovechó el fenómeno para imprimir interruptores en un solo paso que podrían usarse para formar puertas lógicas sin semiconductores.

Los dispositivos están hechos de delgadas trazas impresas en 3D del polímero dopado con cobre. Contienen regiones conductoras que se cruzan que permiten a los investigadores regular la resistencia controlando el voltaje alimentado al interruptor.

Si bien los dispositivos no funcionaban tan bien como los transistores basados ​​en silicio, podrían usarse para funciones de control y procesamiento más simples, como encender y apagar un motor. Sus experimentos demostraron que, incluso después de 4.000 ciclos de conmutación, los dispositivos no mostraban signos de deterioro.

Pero existen límites en cuanto al tamaño de los interruptores que los investigadores pueden hacer, según la física de la impresión por extrusión y las propiedades del material. Podrían imprimir dispositivos de unos pocos cientos de micrones, pero los transistores en la electrónica de última generación tienen sólo unos pocos nanómetros de diámetro.

«La realidad es que hay muchas situaciones de ingeniería que no requieren los mejores chips. Al final del día, lo único que te importa es si tu dispositivo puede realizar la tarea. Esta tecnología es capaz de satisfacer una limitación como esa. «, dice.

Sin embargo, a diferencia de la fabricación de semiconductores, su técnica utiliza un material biodegradable y el proceso utiliza menos energía y produce menos residuos. El filamento de polímero también podría doparse con otros materiales, como micropartículas magnéticas, que podrían permitir funcionalidades adicionales.

En el futuro, los investigadores quieren utilizar esta tecnología para imprimir dispositivos electrónicos completamente funcionales. Se están esforzando por fabricar un motor magnético que funcione utilizando únicamente impresión 3D por extrusión. También quieren afinar el proceso para poder construir circuitos más complejos y ver hasta dónde pueden mejorar el rendimiento de estos dispositivos.

«Este artículo demuestra que se pueden fabricar dispositivos electrónicos activos utilizando materiales conductores poliméricos extruidos. Esta tecnología permite integrar componentes electrónicos en estructuras impresas en 3D. Una aplicación intrigante es la impresión 3D bajo demanda de mecatrónica a bordo de naves espaciales», dice Roger Howe, el William E. Ayer, profesor emérito de ingeniería de la Universidad de Stanford, que no participó en este trabajo.

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.