La electrónica orgánica y de gran área (OLAE) es uno de los sectores de la nanociencia y tecnología de más rápido crecimiento, que se utiliza en muchas aplicaciones industriales, como iluminación, pantallas, energía, edificios, transporte, fotónica, salud, wearables, IoT, etc. El proyecto europeo RealNano ha desarrollado durante cuatro años (marzo de 2020-agosto de 2023) una serie de herramientas y metodologías novedosas, que permiten una rápida y real nanocaracterización temporal de materiales y dispositivos para la electrónica orgánica.
La OLAE combina materiales orgánicos, poliméricos, inorgánicos e híbridos en nanoestructuras multicapa para la fabricación a gran escala de dispositivos ligeros y adaptables para la recolección de energía (OPV) y la emisión de luz (OLED). Su adaptabilidad y capacidad para la fabricación en grandes áreas pueden permitir su implementación generalizada en productos de consumo nuevos y existentes.
Para liberar el enorme potencial de los OPV y OLED en aplicaciones de consumo y permitir el crecimiento industrial en Europa, es crucial lograr una entrega rápida de productos habilitados por OLAE con un rendimiento y una calidad sin precedentes. Además, sus procesos de fabricación deben demostrar una fuerte mejora de la productividad para seguir siendo comercialmente competitivos.
Objetivos del proyecto RealNano
Liderado por la Universidad Aristóteles de Tesalónica (Grecia), el proyecto RealNano ha perseguido seis objetivos concretos. El primero era desarrollar herramientas y metodologías rápidas y en tiempo real de caracterización a nanoescala, multimodal y escala para la electrónica orgánica.
Asimismo, el consorcio quería integrar las herramientas de nanocaracterización no destructivas en la impresión en línea R2R (rollo a rollo) y el piloto OVPD en las líneas de producción; y demostrar que las herramientas en los procesos industriales de electrónica orgánica (OE) pueden mejorar la calidad y confiabilidad de los productos.
También trabajarían en el desarrollo de protocolos de caracterización y gestión de datos para la interoperabilidad entre las industrias. Todo esto llevaría a validar la calidad y la capacidad de fabricación del producto OE en aplicaciones comerciales, así como realizar la transferencia efectiva de los resultados a la industria mediante la innovación abierta (difusión, formación, networking/clustering) y gestión.
Para cumplir con estos objetivos, el proyecto RealNano ha contado con un consorcio compuesto por 11 entidades procedentes de Grecia, Hungría, Reino Unido, Alemania, Italia y Dinamarca; y un presupuesto de 4.978.750 euros, íntegramente financiados por el programa de investigación Horizonte 2020 de la Comisión Europea.
Herramientas y metodologías de materiales de nanocaracterización
El proyecto RealNano ha trabajado en el desarrollo de herramientas y metodologías de materiales de nanocaracterización en tiempo real novedosas y rápidas, las cuales están basadas en elipsometría espectroscópica, espectroscopía Raman, fotoluminiscencia de imágenes y mapeo de corriente inducida por haz láser.
Estas soluciones y metodologías se han integrado en plantas piloto de producción (PPL) con impresión en línea R2R y OVPD (deposición en fase de vapor orgánico) para la caracterización de nanocapas, dispositivos y productos de electrónica orgánica e impresa durante su fabricación. De esta forma, RealNano pretende revolucionar la fabricación de productos electrónicos orgánicos al permitir una producción sin defectos, y espera que los resultados aumenten la inteligencia de los procesos de fabricación de electrónica orgánica y otras aplicaciones industriales.
Durante el proyecto, las herramientas se desarrollaron y se integraron en líneas piloto de fabricación rollo a rollo, y se estableció el procesamiento de dispositivos utilizando los métodos R2R y las propiedades de películas orgánicas fotovoltaicas (OVPD).
También se especificó la forma de gestionar los datos y metadatos durante el entorno de producción real; y se desarrollaron herramientas en línea IPL y LBIC, así como las correspondientes metodologías y optimizaciones para una nanocaracterización rápida y en tiempo real. Además, se realizó la fabricación de dispositivos impresos flexibles (OPV, OLED y biosensores) mediante técnicas R2R y la optimización del espesor de las capas y los materiales.
Para lograr un rápido desarrollo y ampliación de nuevos nanomateriales y productos basados en nanomateriales, como dispositivos OE y otros productos de formas complejas con superficies funcionales, se requiere de una fabricación rentable con una utilización óptima. Para ello, es necesario lograr la optimización de los recursos, tanto de las materias primas como de la electricidad, consiguiendo el mínimo desperdicio y la confiabilidad, lo que se traduce en la homogeneidad de las propiedades finales de los nanomateriales y dispositivos en grandes áreas.
Mejoras en los procesos de fabricación
Para obtener una fabricación rentable, los socios del proyecto realizaron mejoras significativas en el PPL R2R, consiguiendo mejorar el registro y el control de la tensión, al tiempo que reducían las vibraciones y los rayones durante el proceso de fabricación. De esta forma, se ha podido mitigar los problemas de desalienación, rayones en la parte posterior del flexible sustrato, la introducción de defectos y desafíos generales de imprimibilidad.
Por otro lado, se desarrollaron nuevas metodologías para las mediciones ópticas en línea de las propiedades de películas orgánicas fotovoltaicas (OPV), para una medición rápida y precisa de las propiedades de las películas OPV. Este paso es importante para la optimización del proceso de fabricación y de la identificación de defectos en las películas.
Asimismo, se definieron modelos ópticos para mediciones mediante elipsometría espectroscópica (SE), para correlacionar las propiedades ópticas de las películas y sus propiedades eléctricas. Su aplicación beneficia tanto al diseño como a la optimización de dispositivos OPV.
Respecto a las herramientas IPL y LBIC, RealNano desarrolló arquitecturas de hardware y software para los fabricantes de equipos. Aunque estas herramientas están basadas en configuraciones de escritorios, el consorcio las rediseñó en función de las especificaciones y requisitos necesarios para cumplir con los procesos industriales R2R.
Asimismo, estas herramientas se integraron en una línea piloto de producción (PPL), para poder validar su rendimiento en la producción de OPV a gran escala. Tanto el hardware como el software para las herramientas LBIC e IPL permiten la medición no destructiva y sin contacto de las propiedades de las películas OPV, lo que permite realizar una monitorización del tiempo del proceso de fabricación de OPV.
Los investigadores desarrollaron, actualizaron y validaron protocolos novedosos centrados en la nanocaracterización multiescala en tiempo real. Estos protocolos permiten la medición simultánea de múltiples propiedades físicas de sustrato, la introducción de defectos y desafíos generales de imprimibilidad entorno del proceso de fabricación.
A su vez, los protocolos fueron digitalizados e integrados con un sistema de gestión de datos, que permite el almacenamiento, la recuperación y el análisis eficiente de los datos recogidos por los protocolos.
Por otro lado, se creó un innovador sistema de base de datos, que integra mediciones y conservación de datos, con el fin de lograr una total interoperabilidad con otros sistemas de gestión de datos. Estos sistemas se utilizan para el almacenamiento y el análisis de los datos, cuya información procede de una variedad de fuentes, como mediciones experimentales, simulaciones y cálculos teóricos.
Gracias a los sistemas de base de datos, se pudo mejorar la comprensión de propiedades de los materiales y su relación con el rendimiento, ofreciendo la posibilidad de desarrollar nuevos procesos de fabricación más eficientes y con una producción de materiales de mayor calidad.
Resultados de estas tecnologías
Todo esto permitió una reducción del tiempo de desarrollo de nuevos productos basados en OPV en más del 68%, y una disminución del desperdicio de recursos durante la impresión R2R de dispositivos OPV en más del 84%.
Los resultados mostraron un aumento de la eficiencia de los dispositivos OPV impresos R2R en un factor relativo del 31,5% y su rendimiento en un 33%; mientas que el rendimiento del proceso OVPD aumentó en un 33% y la vida útil del OLED pasó de 1.000 horas a 2.000 horas. Por último, se incrementó el límite de detección y rendimiento de los biosensores impresos en más del 62% y 25%, respectivamente.