Eletrônica de Polímeros - O Único Caminho de Plásticos a Eletrônicos

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Hoje, podemos encontrar polímeros quase em todos os lugares em nosso dia-a-dia, como plásticos, borracha, adesivos, fibras ou tintas, como proteção de isolamento, janelas, bolsas, garrafas ou brinquedos. Mas, também encontramos na natureza polímeros incrivelmente otimizadas como DNA, celulose e proteínas, que são da maior importância para toda a vida na terra.

Polímeros (do Grego polumeres = muitas partes) são grandes moléculas com uma estrutura regular de pequenas unidades repetidas em uma longa cadeia. As propriedades de seu estado sólido são determinadas principalmente pela estrutura química, mas também pelo grau de cristalinidade e comprimento da cadeia polimérica. Conseqüentemente, os polímeros podem ser duros e vítreos, por exemplo, Plexiglas (acrílico), ou macios e flexíveis como o polietileno. Portanto, os polímeros têm uma vasta gama de propriedades interessantes.

Figura 1: Desenvolvimento de OLEDs desempenho e dimensão de displays orgânicos

Polímeros condutoresOs polímeros foram considerados como eletricamente isolantes por um longo tempo, mas em 1977 Heeger e seus colaboradores descobriram que por poliacetileno de dopagem tipo n ou p, poderia se conseguir um aumento de condutividade por ordens de magnitude com o resultado sendo comparável à condutividade do cobre [1, 2]. Essas descobertas pioneiras estabeleceram um novo e importante campo para a química e a física, o campo de "polímeros condutores", que lançou as bases para a eletrônica de polímeros.

Desde então, muita pesquisa tem sido modificada para esclarecer a relação entre a estrutura molecular e a estrutura supramolecular de polímeros e suas propriedades elétricas. Uma das principais contribuições foi feita por Heeger, MacDiarmid e Shirakawa, que ganharam o Prêmio Nobel em Química em 2000 por suas descobertas e desenvolvimento de polímeros condutivos [3]. Desde 1977, vários dispositivos e aplicações baseados em polímeros foram pesquisados e estão agora em vários estágios de pesquisa e transferência de tecnologia.

No entanto, muitos dos tópicos centrais de Pesquisa e Desenvolvimento ainda incluem o desenvolvimento de materiais, o desenvolvimento de tecnologias de dispositivos e

fabricação e integração do sistema.

Desenvolvimento e preparação de materiaisO campo da "eletrônica de polímeros" inclui não apenas polímeros, mas também pequenas moléculas orgânicas. Tanto os polímeros como as pequenas moléculas são leves e flexíveis e oferecem a possibilidade única de manipular suas propriedades elétricas, óticas e formação de filme de uma maneira que não é possível com os semicondutores ou metais inorgânicos convencionais.

Em contraste aos polímeros que têm um peso molecular alto, até centenas de milhares de gramas por mol, as pequenas moléculas orgânicas têm um peso molecular muito baixo. As pequenas moléculas normalmente têm uma estabilidade inferior aos polímeros e formam cristais mais facilmente.

Os primeiros polímeros sintetizados eletroquimicamente como o poliacetileno, politiofeno, polifenileno ou polipirrol não eram muito atrativos para o processamento de filme fino. Mas esforços sintéticos dos químicos com relação à adição e modificações dos substituintes da cadeia lateral resultaram em materiais que são solúveis em solvente orgânico ou mesmo em solução aquosa.

Conseqüentemente, são aplicadas técnicas que permitem a fundição de filmes finos, homogêneos e condutores em uma ampla variedade de substratos sem limitações de fatores de forma. Mesmo a mistura de polímeros com pequenas moléculas ou nanopartículas é apropriada para otimizar propriedades elétricas ou óticas dos filmes orgânicos finos.

As técnicas de preparação aplicadas aos polímeros são principalmente soluções baseadas em técnicas de revestimento por rotação, pulverização e impressão. Em comparação com os polímeros, as pequenas moléculas são principalmente processadas a vácuo, por exemplo, por deposição orgânica por feixe molecular orgânico ou evaporação (OMBD).

Atualmente, as propriedades materiais são certamente boas o suficiente para os dispositivos de baixo desempenho e sistemas de baixa complexidade. Principalmente os materiais para dispositivos emissores de luz progrediram em relação a aplicações de disponibilidade comercial comparados com o material para transistores poliméricos ou CIs.

Dispositivos e AplicaçõesO desenvolvimento de dispositivos está estritamente relacionado ao desenvolvimento dos materiais. Devido às limitações atuais dos polímeros no que se refere ao desempenho elétrico (mobilidade do portador de carga, condutividade), confiabilidade bem como eletroluminescência ou eficiência de conversão de energia, o desenvolvimento de novos métodos e conceitos de dispositivos são de grande importância.

Por exemplo, no caso de aplicação de técnicas de impressão com resolução de µm, os novos padrões de dispositivos têm que ser desenvolvidos para estruturas de transistor e possibilitar tamanhos para assegurar um desempenho apropriado.

Mesmo para todos os displays de matriz ativa polimérica, onde os pixels emissores têm que ser empilhados nos transistores de acionamento para economizar a área do substrato, novos conceitos de dispositivo vem sendo discutidos. Os novos conceitos não têm somente o

objetivo de assegurar o desempenho necessário, mas também para explorar a vantagem de um grau maior de integração de funções. Isto inclui também, por exemplo, a combinação das funções do sensor (biológicas ou químicas) com a eletrônica de polímeros.

Uma das primeiras tentativas para comercializar polímeros condutores foi o armazenamento de energia eletroquímica em baterias [4], mas por causa das rupturas de outros materiais, como íon de lítio e híbrido de metal, as baterias de polímero condutor não foram estabelecidas com sucesso no mercado, mesmo tendo elas a vantagem do peso reduzido. No entanto, os eletrônicos poliméricos têm um enorme potencial para a exploração tecnológica e comercial e o potencial de aplicação no mercado é enorme. Durante os últimos dez a quinze anos, obteve-se um marcante progresso nos campos de:

Dispositivos baseados em transistor orgânico Dispositivos emissores, como diodos emissores de luz (OLEDs) e displays

orgânicos Dispositivos de energia, como células e baterias solares orgânicas Sensores e acionadores, mas também em ótica não linear, polímeros fotorefrativos

para armazenamento de dados holográficos e elementos passivos como resistores, condensadores, diodos retificadores e antena.

A aplicação considerada varia de aplicações 3G (presentes, truques, jogos), até produtos eletrônicos descartáveis (etiquetas de identificação e transponder), sistemas eletrônicos flexíveis ou dobráveis (cartões inteligentes), mas também displays planos, leves e flexíveis, e-paper ou telas grandes de TV. Também, células solares de grande área para sistemas auto-sustentáveis abrangendo todos os tipos de superfície têm um enorme potencial para aplicações.

O potencial comercial, por exemplo, para displays orgânicos é estudado várias vezes. Um anúncio recente da DisplaySearch, por exemplo, estimou o potencial para os OLEDs (dispositivos orgânicos emissores de luz) em pequenos dispositivos de displays como telefones móveis ou PDAs como sendo de $2.5 bilhões em 2006 [5].

A Figura 1 mostra o desenvolvimento de OLEDs com referência ao seu desempenho, bem como o display de matriz ativa e passiva em relação ao seu tamanho. A vantagem dos displays orgânicos provém desde sua configuração: os displays orgânicos são baseados em LEDs miniaturizados. Portanto, eles reduziram o consumo de energia, são mais finos (até flexíveis), têm um ângulo de visão maior, são leves e mais luminosos com um maior contraste e tempo de resposta mais rápido que os LCDs.

Uma vez que eles não precisam de polarizadores e filtros adicionais, espera-se que sejam de 10 a 20% mais baratos. No entanto, no campo de OLEDs e displays orgânicos, ainda há problemas a ser resolvidos com o desempenho de cor, eficiência e estabilidade a longo prazo, especialmente para emissão de azul. No entanto, os anúncios de demonstradores e protótipos variam desde colorido completo à displays com capacidade de vídeo e alta resolução.

Os primeiros displays orgânicos estiveram comercialmente disponíveis em 1999 como displays de rádio de carros da Pioneer baseados em pequenas moléculas orgânicas, seguidos pelo display para telefones celulares da Motorola. Em março de 2003, a Kodak

comunicou que um display OLED de matriz ativa totalmente colorido de 2,2 polegadas seria incorporado em uma câmara digital. Em maio de 2003, a E Ink, desenvolvedora de displays eletrônicos como papel com sede nos EUA, anunciou seu mais recente protótipo - um livro eletrônico de alta resolução (160 pixels por polegada), desenvolvido juntamente com a Philips.

Esta listagem é capaz de ser estendida, porque praticamente todos os dias são anunciados novos desenvolvimentos e protótipos. Analisando os cenários de aplicação, os polímeros também são de grande importância para aplicações de baixo custo e de baixo desempenho, como etiquetas de identificação de rádio freqüência (RF ID) e transponders. No futuro, esses dispositivos de comunicação serão incorporados em uma maior variedade de objetos, como por exemplo: em roupas, malas, bilhetes de transporte, equipamentos de escritório, etc. e mesmo em todos os produtos os supermercados e armazéns.

Isto assegura que os sistemas inteligentes para monitorar o rastreamento completo de logística, por exemplo, transporte, entrega e armazenamento irá melhor os sistemas para segurança e proteção, bem como sistemas de autenticação e influenciarão todos os subsistemas inteligentes do modo de viver, escritórios, lojas e depósitos e lares inteligentes.

O mercado para esses dispositivos é enorme. O pesquisador de mercado Frost & Sullivan projetou que o setor de etiquetas de Identificação RF terá crescido de US$ 664,3 milhões em 1999 para US$ 2 bilhões até 2006.

De acordo com Frost & Sullivan, as principais forças que impulsionam este crescimento estão diminuindo os preços, inovações e progresso com a padronização. As etiquetas de identificação RF são normalmente descartáveis; há, portanto, considerável pressão para manter os preços baixos, mas, até agora, nenhuma solução de preço competitivo está disponível.

Hoje, os chips de silício já estão disponíveis para essas etiquetas de identificação RF. O alto custo, entretanto, é que impede que o processamento de soluções baseadas em silício possa competir com o código de barra.

Várias estimativas mostraram que por causa dos requisitos adicionais de tempo e máquinas, o custo de colocação do chip nos produtos é muito mais alto do que os consumidores aceitariam pagar.

O custo de um código de barra é muito baixo, porque o código de barra é normalmente uma parte integrante da embalagem de um produto. Para competir com a tecnologia de código de barra estabelecida, o preço de uma etiqueta RF tem que estar em uma faixa de 0,02$, por exemplo, o preço de uma etiqueta baseada em silício tem que ser reduzido à pelos menos um fator de 10.

Portanto, muitos especialistas acreditam que a aplicação da eletrônica de polímeros será a possível solução. Já foi provado que o desempenho dos polímeros em dispositivos e componentes básicos como transistores de efeito de campo são adequados para operar a 50kHz. Além disso, foi apresentada uma integração monolítica de transistores com dispositivos emissores de luz.

A partir disso, as abordagens recentes irão mais além e enfocarão a aplicação de processos

de fabricação em linha que estão no caminho promissor para objetivar requisitos de baixo custo e alto volume para competir com as abordagens tradicionais como o código de barras.

Pesquisa e FinanciamentoO campo da eletrônica de polímeros foi identificado como atividade de pesquisa com enormes potenciais para comercialização de aplicações inovadoras. É fortemente apoiado por programas de financiamento nacionais bem como europeus.

Na Alemanha, um grande programa de financiamento "Eletrônica de Polímeros" foi criado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF). Ele inclui um total de 21 projetos de pesquisa por um período de tempo entre 1999 e 2005.

O volume financeiro deste programa é de 11,4 milhões (suporte de financiamento 7,6 milhões) para eletrônicos poliméricos e 20,4 milhões (apoio de financiamento 13,1 milhões) para displays OLED para um projeto de 3 anos de duração. Informações detalhadas sobre o programa de financiamento BMBF e seus subprojetos podem ser encontrados na página da internet www.polytronik.fhg.de.

No nível europeu, várias atividades de Pesquisa e Desenvolvimento no campo da eletrônica de polímeros foram apoiadas, como FREQUENT (01/09/1997 - 01/09/2000) ou PLASTRONIX (01/01/2000 - 01/01/2002). Sob o projeto PolyScene (IST-2001-37412) financiado pela Comissão Européia, estão sendo identificados os futuros cenários de aplicação para eletrônicos poliméricos e os principais incentivadores para a pesquisa e desenvolvimento nesta área.

A Comissão Européia também planeja apoiar outros projetos enfocados em eletrônicos poliméricos ou displays orgânicos sob o programa da estrutura 6, especialmente nas propriedades "Tecnologias da Sociedade de Informação" (IST) e "Nanotecnologias, Materiais inteligentes e Processos de Produção".

As atividades de desenvolvimento de eletrônicos poliméricos nos EUA são conduzidas por empresas interessadas em fornecer uma solução de baixo custo para os produtos existentes utilizando um CI de silício.

Embora este seja um financiamento cauteloso, os fornecedores de solução de silício incumbidos reduzirão seus custos criando uma barreira em potencial para a entrada e difusão de eletrônicos poliméricos no mercado.

A abordagem proposta pela União Européia é complementar para uma tecnologia verdadeiramente disruptiva e permite a criação de uma nova plataforma de produto.

ConclusãoConcluindo, os eletrônicos poliméricos não são um substituto das tecnologias convencionais de silício. Devido a suas propriedades exclusivas, os eletrônicos poliméricos permitem a combinação e a integração de novas funcionalidades como flexibilidade ou processamento de uma área ampla, mas por causa das limitações no desempenho enfocam os mercados para dispositivos de baixo custo e baixo desempenho. Entretanto, os polímeros têm duas grandes vantagens:

1. A possibilidade de se aplicar técnicas de preparação de solução simples (para polímeros) ou a vácuo (para pequenas moléculas) para fabricar filmes finos, homogêneos e

2. A possibilidade de otimizar as propriedades de formação de filme, elétricas e óticas

dos polímeros e pequenas moléculas manipulando suas estruturas químicas.

Sempre devemos lembrar: não é possível revestir por rotação (spin-coat) uma camada transparente de cobre de uma solução em grandes substratos flexíveis e não se pode fazer uma regulagem mais exata das propriedades elétricas e óticas do silício otimizando sua estrutura química.

Os potenciais de aplicação para os eletrônicos poliméricos são diversos e as possibilidades para desenvolvimentos inovadores são extensas. Já é concebível que a aplicação de polímeros na eletrônica influencie todos os ramos, não somente os produtos, mas também as cadeias de valor e seu gerenciamento.

No momento, os mercados mais promissores para a eletrônica de polímeros parece ser os micro-displays e etiquetas de identificação de baixo preço e alto volume.