Mediante el uso de materiales semiconductores orgánicos en vez de silicio rígido, es posible fabricar células solares y pantallas de ordenador flexibles, eficientes en cuanto a energía y de peso ligero. Sin embargo, la fabricación de dispositivos a partir de materiales orgánicos requiere una inversión financiera en un tipo de equipamiento totalmente nuevo, puesto que los materiales orgánicos normalmente acaban siendo destruidos por los abrasivos componentes químicos necesarios para la fotolitografía convencional.

Orthogonal, una compañía con sede en Ithaca, Nueva York, está desarrollando unos tipos de materiales que permitirán que los componentes electrónicos puedan ser manufacturados usando el mismo tipo de equipo que se usa para fabricar los componentes electrónicos de silicio. Esto también posibilitaría la construcción de componentes orgánicos más complejos. La compañía ha hecho una demostración de cuatro dispositivos prototipo, entre los que se incluyen diodos emisores de luz, fabricados mediante el uso de unos nuevos componentes químicos de fotolitografía que son compatibles con los materiales orgánicos.

Los transistores y los píxeles de las pantallas hechos con materiales orgánicos tales como los polímeros son más lentos que los fabricados con silicio, aunque también necesitan menos energía para funcionar, pesan menos y se pueden construir sobre soportes flexibles, haciéndolos muy atractivos para su uso en pantallas y paneles solares. No obstante, su manufactura requiere el uso de un nuevo tipo de equipamiento como, por ejemplo, las impresoras de inyección de tinta industriales. “El hecho de que gran parte del equipamiento necesario se construya a mano es decididamente un problema para los diodos orgánicos emisores de luz y otros componentes electrónicos orgánicos,” afirma Paul Semenza, vicepresidente senior en DisplaySearch, una compañía de investigación de mercado. Para los fabricantes, la compra de equipamiento completamente nuevo es un gasto enorme. “Si se pudiese usar la fotolitografía para construir estos dispositivos, potencialmente se podría superar ese problema,” afirma.

La fotolitografía es el método estándar para construir componentes electrónicos de silicio, aunque normalmente es incompatible con los materiales orgánicos puesto que requiere el uso de componentes químicos abrasivos que acaban descomponiéndolos. Para poder crear un patrón sobre una superficie como la de una oblea de silicio, en primer lugar la superficie se debe cubrir con un componente químico sensible a la luz llamado fotoresistencia. Después se hace que la luz brille sobre la superficie a través de una máscara con un patrón, y se aplica disolvente para erosionar las partes expuestas de la fotoresistencia, dejando tras de sí un patrón.

Orthogonal ha comprado la licencia de una técnica de fotolitografía desarrollada por un equipo de investigadores en la Universidad de Cornell, compatible con materiales orgánicos. La técnica, llamada litografía ortogonal, fue inventada por Christopher Ober y George Malliaras, ambos profesores de ciencias de los materiales e ingeniería en Cornell. Tanto la fotoresistencia como el disolvente que la erosiona durante el proceso de grabado están hechas de una clase poco frecuente de moléculas llamadas hidrofluoréteres—componentes que interaccionan entre sí pero no con los materiales semiconductores orgánicos. Por tanto el disolvente y la fotoresistencia que han desarrollado los investigadores de Cornell no degrada las capas de semiconducción durante el proceso de litografía.

Orthogonal espera poder vender los componentes químicos para la fabricación de dispositivos electrónicos orgánicos mediante el uso de la fotolitografía convencional a las compañías que se dediquen a la manufactura de pantallas y otros aparatos. La compañía está trabajando con varios fabricantes de pantallas y dispositivos solares para desarrollar productos que utilicen el método de manufactura.

“En vez de construir nuevas plantas y desarrollar nuevos procesos, queremos permitir a los fabricantes que utilicen el equipamiento y los conocimientos relacionados con un proceso ya existente,” afirma Fox Holt, director general de Orthogonal.

Ober, que se encargó del desarrollo de la fotoresistencia y el disolvente, afirma que Malliaras ha “tomado este proceso y lo ha mejorado para aplicarlo a la producción de transistores orgánicos, sensores, células solares y osciladores de anillo de gran complejidad” (dispositivos que convierten la corriente directa en corriente alterna). En la actualidad Orthogonal está mostrando estos cuatro prototipos a clientes potenciales. Hasta ahora, el proceso ha demostrado ser compatible con todos los materiales semiconductores orgánicos que el grupo ha puesto a prueba. Ober afirma que los disolventes también son benignos a nivel medioambiental, y es fácil trabajar con ellos. Aunque puede que los nuevos disolventes cuesten más que aquellos utilizados para fabricar los componentes electrónicos de silicio, el precio de la fotoresistencia debería ser equivalente. En general, el proceso debería ser más económico que la fabricación de componentes electrónicos de silicio.

El rendimiento de los dispositivos fabricados usando la litografía ortogonal es equivalente al de los dispositivos orgánicos fabricados utilizando otras técnicas, afirma el director tecnológico de Orthogonal, John de Franco. Los primeros productos de la compañía, que esperan poder vender de aquí a un año, serán materiales para la fabricación de diodos emisores de luz orgánicos. Orthogonal ha construido unos prototipos de píxeles utilizando esta técnica. “Su eficiencia es comparable a los dispositivos estándar, y en la actualidad nos estamos centrando en su ciclo vital,” que con los materiales orgánicos para pantallas puede llegar a ser un problema, señala de Franco.

Ober espera que la litografía ortogonal haga posible la fabricación de componentes electrónicos orgánicos más avanzados, con dispositivos capaces de llevar a cabo operaciones más complejas. Cuando los dispositivos orgánicos multi-capa se fabrican utilizando técnicas de impresión tales como la impresión por inyección de tinta, cada capa acaba perturbando a la anterior, afirma. Sin embargo el disolvente, que tiene que imprimir capas sucesivas, puede interactuar con los semiconductores que ya han sido impresos, con graves consecuencias para el rendimiento. La intermezcla entre capas no resulta problemática cuando se fabrican dispositivos multi-capa utilizando litografía ortogonal puesto que los disolventes fluorados sólo interactúan con la fotoresistencia, y no con el semiconductor orgánico. “Cada capa se puede colocar sin que haya intermezcla,” afirma Ober.

Zhenan Bao, profesora asociada de ingeniería química en la Universidad de Stanford, afirma que el método de la compañía es único. Existen otros grupos que se han centrado en el desarrollo de tecnologías de manufactura más baratas—si no se tiene en cuenta la inversión inicial en equipamiento, la impresión por inyección de tinta y otra serie de técnicas son más económicas. No obstante, Bao cree que Orthogonal podría afianzarse en el mercado de las pantallas. “Este tipo de productos no van a ser necesariamente baratos y desechables, por lo que la litografía puede que aún siga siendo rentable,” afirma. “Además, el uso de la infraestructura existente podría ser algo ventajoso, especialmente para las compañías dedicadas a la construcción de pantallas.”