Cracking de sustrato en PSC flexibles doblados. Crédito: NPJ Flexible Electronics (2025). Doi: 10.1038/s41528-025-00470-z
Desde monitores de salud y relojes inteligentes hasta teléfonos plegables y paneles solares portátiles, la demanda de electrónica flexible está creciendo rápidamente. Pero la durabilidad de esos dispositivos, su capacidad de defender miles de pliegues, flexos y rollos, es una preocupación significativa.
Una nueva investigación realizada por ingenieros de la Universidad de Brown ha revelado detalles sorprendentes sobre cómo se forman las grietas en dispositivos electrónicos flexibles multicapa. El equipo muestra que las pequeñas grietas en la frágil capa de electrodos de un dispositivo pueden conducir grietas más profundas y más destructivas en la capa de sustrato de polímero más resistente en la que se encuentran los electrodos. El trabajo anula una suposición de larga data de que los sustratos de polímero generalmente resisten el agrietamiento.
“El sustrato en dispositivos electrónicos flexibles es un poco como la base en su casa”, dijo Nitin Padture, profesor de ingeniería de Brown y autor correspondiente del Estudio publicado en NPJ Electrónica flexible. “Si está agrietado, compromete la integridad mecánica de todo el dispositivo. Esta es la primera evidencia clara de grietas en un sustrato de dispositivo causado por una película quebradiza encima”.
Las capas utilizadas en electrónica flexible tienen trabajos específicos. La capa superior conduce electricidad en la superficie para mantener el dispositivo en funcionamiento. Esa capa generalmente está hecha de materiales especiales de óxido de cerámica porque son transparentes y también buenos conductores, lo cual es esencial para cosas como pantallas de exhibición, sensores y células solares. Pero las cerámicas son frágiles y propensas a agrietarse, por lo que el trabajo del sustrato es agregar algo de dureza. Los sustratos generalmente están hechos de materiales de polímero que son altamente flexibles y resisten el agrietamiento.
Mientras usa estos materiales para hacer células solares flexibles, Anush Ranka, un investigador postdoctoral de Brown que realizó el trabajo como Ph.D. El estudiante en la ciencia de los materiales, se hizo más curioso sobre el mecanismo por el cual la fatiga puede degradar el rendimiento. Decidió echar un vistazo más de cerca a los procesos de agrietamiento.
Para el estudio, RankA hizo pequeños dispositivos experimentales utilizando varios tipos de electrodos de cerámica y sustratos de polímeros. Luego los sometió a pruebas de flexión y usó un potente microscopio electrónico para examinar las grietas. En lugares donde encontró grietas en la capa de cerámica, utilizó un haz de iones enfocado, un tipo de arena a nanoescala, para grabar la cerámica y revelar el sustrato directamente debajo de una grieta de cerámica.
El trabajo mostró que las grietas en la capa de cerámica a menudo conducen grietas más profundas en el sustrato. El efecto se produjo a través de combinaciones de cerámica y polímero, lo que sugiere que este es un mecanismo de lucha común y sorprendente en la electrónica flexible.
Una vez que se forman grietas en el polímero, dicen los investigadores, se convierten en defectos estructurales permanentes. Con la flexión repetida, estas grietas se amplían, desalinean o se llenan de escombros, lo que evita que las caras de grietas de cerámica se vuelvan a conectar. Eso hace que la resistencia eléctrica al aumento y el rendimiento del dispositivo se degraden.
Una imagen de microscopio muestra cómo las grietas que se forman en la capa superior de cerámica de un dispositivo electrónico flexible pueden penetrar profundamente en el sustrato de polímero debajo. Resolver las grietas de sustrato minimizando sería una electrónica flexible más duradera. Crédito: Universidad Brown
Trabajando con Haneesh Kesari, un profesor de ingeniería marrón que se especializa en mecánica teórica y aplicada, y Mecánica Sólida Ph.D. Estudiante Sayaka Kochiyama, los investigadores analizaron este problema de crujido. Mostraron que un desajuste en las propiedades elásticas de las dos capas conducía el fenómeno de agrietamiento profundo en el sustrato. Comprender el mecanismo de agrietamiento llevó al equipo hacia una solución potencial: agregar una tercera capa de material entre la cerámica y el sustrato que mitiga el desajuste elástico.
“Creamos un mapa de diseño que identificó cientos de polímeros que, con el grosor correcto, podrían mitigar este desajuste elástico y evitar grietas en una amplia gama de combinaciones de sustratos de electrodos”, dijo Padture, quien lidera la iniciativa de Brown para obtener energía sostenible. “Usando este mapa de diseño, pudimos elegir un polímero específico para la tercera capa y demostrar experimentalmente la viabilidad de nuestro enfoque”.
Los investigadores esperan que el diagrama de diseño cree dispositivos más duraderos. Sin embargo, igual de importante es el descubrimiento de que las grietas afectan los sustratos de polímeros, un hecho que no era evidente antes de esta investigación.
“Básicamente estamos resolviendo un problema que la gente no sabía que tenían”, dijo Padture. “Creemos que esto podría mejorar significativamente la vida cíclica de los dispositivos flexibles”.
Más información: Anush Ranka et al, agrietamiento en sustratos de polímeros para dispositivos electrónicos flexibles y su mitigación, NPJ Electrónica flexible (2025). Doi: 10.1038/s41528-025-00470-z
Proporcionado por la Universidad de Brown
Cita: las grietas en la electrónica flexible funcionan más profundamente de lo esperado: Puntos de estudio a la solución potencial (2025, 9 de septiembre) Recuperado el 10 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09 Flexible- Electronics-eperperent-potential.html
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