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Ingeniería eléctrica

Plástico que alumbra

Polímeros luminescentes podrían reemplazar a las pantallas de LCD

EDUARDO CESAR

Una de las propiedades más conocidas de los polímeros materiales que abarcan a los plásticos en general es su capacidad de aislamiento eléctrico, lo que llevó a su uso generalizado en la elaboración de cables, para cubrir a los alambres y evitar descargas y cortocircuitos. Pero a mediados de la década de 1970, un descubrimiento realizado por investigadores japoneses y estadounidenses demostró que esto no vale para todos los tipos de estos materiales. Algunos de ellos tienen la capacidad de conducir la electricidad y podrían reemplazar con ventajas a las pantallas de LCD o de plasma de los televisores y las computadoras, y además podrían usarse en transistores, células solares y otros dispositivos electrónicos. Estos nuevos polímeros conductores de electricidad forman parte de una línea de investigación de varios grupos en el mundo, incluso en Brasil, con investigadores de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP). Liderados por el profesor Adnei Melges de Andrade, del Instituto de Electrotécnica y Energía (IEE) de la USP, integran el Grupo de Electrónica Molecular (GEM).

Los investigadores trabajan principalmente con el Polymer Organic Light-Emitting (Pled) y el Organic Light-Emitting Diode (Oled), dos tipos de diodos emisores de luz (LED, sigla en inglés) distintos a los comercializados en la actualidad producidos con material semiconductor inorgánico por ser orgánicos, pues están compuestos básicamente por moléculas de carbono. El grupo trabaja también en el desarrollo de otros dispositivos, tales como transistores de película fina, células solares orgánicas y sensores.

Con apoyo de la FAPESP en el marco de proyectos de ayuda regular, el grupo avanza en el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos con material polimérico. Ahora no nos interesa únicamente que los dispositivos funcionen, explica el profesor Fernando Josepetti Fonseca, quien también integra el GEM. Eso es lo de menos pues ya lo logramos en el proyecto anterior que empezó en marzo de 2004 y culminó en febrero de 2006. Ahora lo que queremos es saber cuánto tiempo funcionan y cómo pueden ser más eficientes, además de fabricarlos de manera más simple y más barata.

Nobel de Química
El trabajo del grupo de la Poli solamente es posible gracias a dos grandes descubrimientos científicos del final del siglo XX. Como sucede en algunas ocasiones en la ciencia, el primero surgió por accidente o por error. Fue en 1976, en el laboratorio del investigador japonés Hideki Shirakawa, del Instituto de Tecnología de Tokio. En un intento de sintetizar o poliacetileno un polímero simple formado por carbono e hidrógeno, que se presenta bajo la forma de un polvo negro, un estudiante chino que trabajaba con Shirakawa se equivocó en la receta. Como resultado de ello, en lugar del polímero deseado, produjo una lustrosa película plateada, brillante como una lámina de aluminio. Al intentar entender en qué se había equivocado, el estudiante verificó que había utilizado una cantidad de catalizador (una sustancia empleada para acelerar las reacciones químicas) mil veces superior a la necesaria. Shirakawa guardó la película y más tarde se la mostró al químico norteamericano Alan MacDiarmid, de la Universidad de Pensilvania, quien se encontraba de visita en Japón. Fue así como Shirakawa fue invitado a asociarse a Mac­Diarmid y al físico norteamericano Alan Heeger. Trabajando juntos, en 1977, los tres verificaron que luego del dopaje del poliacetileno con yodo, la película plateada flexible se convertía en una hoja metálica dorada cuya conductividad eléctrica había aumentado significativamente. Habían descubierto los polímeros semiconductores, lo que les rindió a los tres investigadores el Premio Nobel de Química de 2000.

El segundo descubrimiento se produjo en 1990, cuando Jeremy Burroughes, Richard Friend y Donald Bradley, de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, crearon el primer dispositivo con polímero semiconductor electroluminescente, que emite luz al recibir una carga eléctrica. Más específicamente, notaron que determinadas estructuras de polímeros semiconductores podrían montarse de manera tal de hacer posible la emisión de luz. Se creaban así los diodos emisores de luz orgánicos, los Oleds, que se están incorporando a las pantallas de televisores y computadoras, y a los de displays de dispositivos portátiles como los celulares.

En el laboratorio de la Poli, los investigadores no producen polímeros; allí desarrollan los dispositivos. Nos los mandan las instituciones académicas que colaboran con nosotros, explica Fonseca. Entre las colaboradoras se encuentran la Universidad Federal de Paraná (UFPR), por medio del grupo de la profesora Leni Akcelrud; el Instituto de Química de la USP, por intermedio de la profesora Neyde Yukie MurakamiIha; y el Departamento de Ingeniería Metalúrgica  y de Materiales de la Poli-USP, con la profesora Wang Shui Hui. En el ámbito de la física y de la fabricación de dispositivos, trabajamos con el profesor Luiz Pereira, del Departamento de Física de la Universidad de Aveiro, Portugal. Con los polímeros electroluminescentes que reciben, fabrican Pleds y Oleds. El grupo trabaja en el desarrollo de transistores desde hace dos años. La gran diferencia con relación a los de silicio es su menor costo de fabricación. En cuanto a las células solares orgánicas, las investigaciones se encuentran en su fase inicial.

Los mayores esfuerzos del grupo de investigadores de la USP apuntan en este momento al desarrollo de los dos diodos emisores de luz orgánicos. La diferencia entre ambos tipos radica en el proceso de fabricación y en los componentes con los cuales están hechos. Oleds es la designación generalmente dada a los LEDs orgánicos elaborados a base de pequeñas moléculas, explica el investigador Gerson dos Santos, integrante del grupo. Los Pleds, a su vez, se elaboran a base de cadenas poliméricas largas. Pese a estas diferencias, la expresión Oleds se ha vuelto dominante en el mundo para designar a ambos tipos de LEDs orgánicos.

Existen muchas posibilidades de montar estos dispositivos, y los investigadores procuran producirlos de manera eficiente, reproductible y duradera. La estructura más simples de un Oled está compuesta de un sustrato transparente (vidrio o polímero inerte), sobre el cual se deposita un electrodo elaborado con un óxido metálico de alto potencial de ionización. Normalmente se utiliza el óxido de estaño e indio. Sobre esa capa va lo que se podría denominar el corazón del Oled: el polímero emisor de luz. A su vez, éste es recubierto por otro electrodo, una delgada capa metálica, generalmente hecha con un metal de bajo potencial de ionización (pérdida de electrones) como el aluminio, el calcio o el magnesio.

Decae el excitón
El principio de funcionamiento del Oled también es relativamente sencillo. Los electrones se inyectan desde un electrodo, mientras por el otro se introducen lagunas (llamadas también huecos, un término muy común en física y en electricidad que significa la ausencia de electrones en determinadas posiciones), cuando se aplica una tensión eléctrica entre ambos, explica el investigador John Paul Hempel Lima. Estas cargas se desplazan por las cadenas poliméricas y pueden recombinarse para formar una especie electrónicamente excitada: el excitón. Ese excitón decae radiactivamente y emite luz. Es decir, el decaimiento radiactivo del excitón es la electroluminescencia del Oled.

El montaje de estos dispositivos empieza por la selección de los materiales, que definirá el color que emitirán. Asimismo, para producir dispositivos eficientes, es esencial que se controlen la morfología y el espesor de cada capa. Existen varias técnicas para depositarlas una encima de la otra a partir del sustrato. Gran parte del montaje de los Oleds se hace en el interior de la glovebox, una máquina cuyo modelo fue proyectado por los investigadores junto a un fabricante nacional. La misma permite crear en su interior una atmósfera compuesta de nitrógeno, con una reducida concentración de oxígeno y agua, destinada a evitar la degradación de los dispositivos. Dentro de la cámara se efectúa también el encapsulado de los Oleds, una etapa que consiste en poner una cápsula de vidrio sobre el material.  Como una máquina importada salía muy cara, tuvimos que solicitar la fabricación de una similar nacional a una empresa brasileña, comenta Andrade.

La mayor parte del financiamiento proveniente de la FAPESP en el primer proyecto, de alrededor de 300 mil reales del total de poco más de 450 mil reales, se usó para fabricar la glovebox. Además de ese equipamiento, desarrollamos un robot para la deposición de capas mediante una técnica conocida como automontaje, y adaptamos una impresora comercial para depositar los polímeros (una técnica conocida como ink-jet deposition).

Los investigadores del GEM han producido varios tipos de Oleds de distintos colores, usando más de 20 tipos de polímeros. El trabajo del grupo, de acuerdo con Fonseca, está a medio camino entre la investigación básica, el descubrimiento científico y la industria. Nuestro objetivo no es producir dispositivos listos para salir al mercado, sino avanzar más allá de la investigación básica, de manera tal que se desarrollen tecnologías para que luego las industrias las puedan desarrollar y fabricar en gran escala. A tal fin, el gran reto que debe sortearse consiste en ampliar el tiempo de vida de los Oleds, que aún es de pocas horas, no solamente apuntando a las aplicaciones inmediatas, sino también a promover una mayor estabilidad en el  material y una buena luminancia. Otro desafío del grupo consiste en producir un Oled que emita en color blanco, una hazaña que intentan empresas e instituciones de investigación de todo el mundo. No es tarea fácil producir este tipo de dispositivo. Se debe lograr una combinación equilibrada de las emisiones de los colores primarios, rojo, verde y azul, y esto es difícil, dice Andrade. El grupo está intentando dos maneras de lograrlo. En una de ellas, los componentes se mezclan para producir una emisión cercana a la luz blanca. En la otra se produce un Oled con más de un polímero emisor, y cada uno emite un color, lo que implica más etapas de proceso.

Según Andrade, el surgimiento de este emisor de luz blanca revolucionará nuestro modo de vida, pues alterará profundamente la forma en que se iluminarán los ambientes. Hoy en día, todos están acostumbrados con el uso de lámparas convencionales como las incandescentes, y más recientemente con las fluorescentes compactas, pero éstas podrán en el futuro ser reemplazadas por dispositivos planos muy delgados, de un espesor equivalente al de una hoja de papel sulfito, y que consumirán menos energía, una característica importante si se tiene en cuenta que los recursos naturales serán cada vez más limitados.

Los proyectos
1.
Investigación y desarrollo de dispositivos electroluminescentes con polímeros semiconductores (nº 03/07454-5); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Adnei Melges de Andrade USP; Inversión R$ 352.347,45 y US$ 51.268,94 (FAPESP)
2. Estudio y desarrollo de LEDs orgánicos, células solares, transistores de películas finas y sensores elaborados con polímeros semiconductores (nº 09/05589-7); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Adnei Melges de Andrade USP; Inversión R$ 135.293,81 y US$ 121.643,95 (FAPESP)

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