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Vol.5, Issue 18, (pp. 54-62)
ISSN-e: 2737-6419
Flor O. El papel de los materiales avanzados en la electrónica flexible
El papel de los materiales avanzados en la electrónica flexible
Correspondence author: omar.flor@udla.edu.ec
Received (23/08/2024), Accepted (17/10/2024)
Resumen: La electrónica flexible ha emergido como una de las áreas de mayor interés en la ciencia de
materiales y tecnología debido a su potencial para revolucionar sectores como la salud, la energía, y la
electrónica de consumo. Este artículo explora el papel crucial que desempeñan los materiales avanzados en
el desarrollo de esta tecnología, incluyendo polímeros conductores, nanomateriales y películas delgadas.
Además, se analizan las propiedades clave que deben cumplir estos materiales, así como las aplicaciones
actuales y futuras de la electrónica flexible. La investigación utiliza una revisión sistemática de literatura y
propone simulaciones computacionales para evaluar las capacidades de materiales seleccionados de
estudio.
Palabras clave: nanomateriales, polímeros conductores, películas delgadas.
The role of advanced materials in flexible electronics
Abstract: Flexible electronics has emerged as one of the most promising areas in materials science and
technology due to its potential to revolutionize healthcare, energy, and consumer electronics. This article
explores the critical role of advanced materials, including conductive polymers, nanomaterials, and thin
films, in developing flexible electronics. Key material properties, as well as current and future applications,
are discussed. The research employs a systematic literature review and proposes computational simulations
to evaluate the capabilities of selected materials.
Keywords: nanomaterials, conductive polymers, thin films.
Omar Flor
https://orcid.org/0000-0002-3455-5982
omar.flor@udla.edu.ec
Universidad de las Américas
Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas
Quito-Ecuador
https://doi.org/10.47460/athenea.v5i18.85document type: artículo de investigación
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I. INTRODUCCIÓN
La transición de la electrónica rígida a la flexible es esencial para aplicaciones emergentes en energías
renovables, biomedicina y dispositivos como pantallas plegables. La rigidez de los componentes
electrónicos tradicionales limita su integración en superficies curvas o dinámicas, restringiendo su uso en
tecnologías portátiles y en sistemas que requieren adaptabilidad. En el ámbito de las energías renovables,
la incorporación de materiales avanzados como el grafeno ha permitido el desarrollo de paneles solares
flexibles y transparentes, mejorando la eficiencia y versatilidad de la captación de energía solar [1][2].
Otra área en que la flexibilidad de los dispositivos electrónicos es crucial, es en la biomedicina. Allí, se
requieren para crear sensores que se adapten a la piel o a tejidos internos, permitiendo una monitorización
más precisa y menos invasiva. Asimismo, en la industria de las pantallas, la demanda de dispositivos más
compactos y versátiles ha impulsado la investigación en materiales que permitan la fabricación de pantallas
plegables y enrollables, ofreciendo nuevas posibilidades en el diseño de dispositivos electrónicos [2].
La nanotecnología desempeña un papel fundamental en esta transición, permitiendo la manipulación de
materiales a escala nanométrica para desarrollar componentes electrónicos más pequeños, eficientes y
flexibles [3]. Sin embargo, la integración de estos materiales en sistemas electrónicos plantea desafíos
significativos, como la necesidad de garantizar la estabilidad y durabilidad de los dispositivos flexibles, así
como la compatibilidad con los procesos de fabricación existentes. A pesar de estos retos, los avances en
materiales avanzados y nanotecnología continúan impulsando el desarrollo de la electrónica flexible,
abriendo nuevas oportunidades en diversas aplicaciones tecnológicas.
II. MATERIALES AVANZADOS EN LA ELECTRÓNICA FLEXIBLE
A. Polímeros Conductores
Los polímeros conductores han demostrado ser fundamentales para el desarrollo de la electrónica flexible
gracias a su capacidad de combinar propiedades mecánicas, eléctricas y químicas únicas. El poliacetileno
(PA), por ejemplo, destaca como el precursor de los polímeros conductores debido a su alta conductividad
eléctrica obtenida mediante dopaje. Sin embargo, su baja estabilidad ambiental limita su uso práctico en
aplicaciones a largo plazo [4]. De manera similar, el poli(tiofeno) (PTh) combina estabilidad térmica y
ambiental con propiedades ópticas y electrónicas ajustables, lo que lo convierte en un material clave para
supercapacitores, sensores y celdas solares. No obstante, sus costos de producción elevados dificultan su
escalabilidad [5].
Otro polímero prominente es la polianilina (PANI), conocida por su flexibilidad mecánica, buena
conductividad y estabilidad térmica. Esto la hace ideal para aplicaciones en sensores y recubrimientos
anticorrosivos, aunque su baja solubilidad en solventes comunes representa un obstáculo significativo [6].
Por su parte, el polipirrol (PPy) ofrece alta estabilidad redox y facilidad de síntesis, siendo ampliamente
utilizado en biosensores y recubrimientos conductores. Sin embargo, su baja estabilidad mecánica y
sensibilidad a la humedad limitan su durabilidad en ciertas aplicaciones [7].
En el caso del poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), su alta transparencia óptica y bajo potencial redox lo
hacen indispensable en electrodos transparentes, dispositivos OLED y textiles conductores. No obstante,
los costos asociados a su síntesis y las limitaciones en su funcionalización requieren atención en
investigaciones futuras [8]. Asimismo, el poli (fenileno vinileno) (PPV) se destaca por sus propiedades de
electroluminiscencia y estabilidad ambiental, siendo usado en OLEDs y celdas solares orgánicas. A pesar de
estas ventajas, su baja eficiencia cuántica y susceptibilidad a la degradación por luz ultravioleta restringen
su rendimiento [9].
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El poli(fenileno) y el poli(parafenileno) (PPP) ofrecen alta cristalinidad y estabilidad química, características
valiosas para dispositivos electrónicos. Sin embargo, su alta rigidez y complejidad en el procesamiento
representan desafíos técnicos que deben superarse [10]. Estas limitaciones generales de los polímeros
conductores resaltan la necesidad de seguir investigando formulaciones híbridas y nuevas técnicas de
fabricación que optimicen su rendimiento y viabilidad económica en aplicaciones prácticas.
El PEDOT: PSS (poli(3,4-etilenodioxitiofeno) polisulfonato de estireno) es un polímero conductor
ampliamente estudiado y utilizado debido a su combinación única de propiedades. Se compone de dos
polielectrolitos: el PEDOT, que fue citado anteriormente y que proporciona la conductividad eléctrica; y el
PSS, que actúa como un dopante y facilita la procesabilidad en solución acuosa [11]. Esta combinación
resulta en un material transparente, flexible y con una conductividad eléctrica moderada, lo que lo hace
atractivo para diversas aplicaciones. Entre sus potencialidades destaca su capacidad para formar películas
delgadas y uniformes mediante técnicas de recubrimiento sencillas como el spin-coating o la impresión por
inyección de tinta, lo que abarata su producción y facilita su integración en dispositivos. Además, su relativa
estabilidad ambiental y su biocompatibilidad (aunque con ciertas reservas) amplían aún más su abanico de
aplicaciones. El PEDOT: PSS ha encontrado uso en diversas áreas, incluyendo pantallas táctiles, dispositivos
electrocrómicos, células solares orgánicas, biosensores y electrónica flexible. Su capacidad para reemplazar
al óxido de indio y estaño (ITO), un material frágil y costoso, en ciertas aplicaciones de electrodos
transparentes es una de sus ventajas más significativas [11].
Sin embargo, el PEDOT: PSS también presenta limitaciones importantes. Su conductividad, aunque
adecuada para muchas aplicaciones, es generalmente inferior a la de los metales conductores tradicionales.
Además, la presencia del PSS puede afectar negativamente la estabilidad a largo plazo del material,
especialmente en ambientes húmedos, debido a su higroscopicidad. La morfología del PEDOT: PSS, que
consiste en una mezcla compleja de dominios ricos en PEDOT y PSS, influye significativamente en sus
propiedades eléctricas y mecánicas, y su control preciso es un desafío. Otro aspecto crucial es la
biocompatibilidad. Si bien se considera biocompatible en ciertas aplicaciones, estudios han demostrado
que la presencia del PSS puede inducir respuestas inflamatorias en algunos sistemas biológicos, lo que
limita su uso en implantes a largo plazo o aplicaciones que requieran contacto directo con tejidos vivos.
Por lo tanto, la modificación del PEDOT: PSS, mediante la adición de aditivos, el postratamiento o la síntesis
de nuevos copolímeros, es un área de investigación activa para superar estas limitaciones y explotar al
máximo su potencial.
B. Nanomateriales
Los nanomateriales, definidos como estructuras con al menos una dimensión entre 1 y 100 nanómetros
[12], han revolucionado el campo de la ciencia de materiales debido a sus propiedades únicas. Aunque sus
orígenes se remontan a aplicaciones antiguas como los vidrios coloreados romanos, el concepto moderno
de nanotecnología fue propuesto por Richard Feynman en 1959, seguido por importantes descubrimientos
como los fullerenos (1985), nanotubos de carbono (1991) y el grafeno (2004). Estas estructuras exhiben
características excepcionales, como una superficie específica extremadamente alta, propiedades
electrónicas y ópticas dependientes del tamaño, y comportamientos únicos en términos de resistencia
mecánica y conductividad térmica [13].
En la actualidad, los avances en nanomateriales han permitido desarrollos significativos en múltiples
campos, aunque su producción enfrenta desafíos importantes. Los nanotubos de carbono, el grafeno y los
emergentes MXenes han demostrado aplicaciones prometedoras en electrónica flexible, sensores y
almacenamiento de energía [14]. Sin embargo, la industria aún lucha con obstáculos como la producción
de estructuras libres de defectos a escala industrial, la escalabilidad de métodos de síntesis y la
sostenibilidad de los procesos de fabricación, lo que ha impulsado la búsqueda de técnicas más económicas
y ecológicas.
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Las aplicaciones de los nanomateriales son vastas y continúan expandiéndose, abarcando desde el
almacenamiento de energía hasta la medicina. Se utilizan en baterías y supercapacitores para mejorar la
densidad energética, en tratamiento ambiental como catalizadores, en electrónica para crear transistores
más eficientes, y en medicina para la liberación controlada de fármacos. El futuro del campo se orienta hacia
la creación de materiales híbridos multifuncionales y aplicaciones sostenibles, como celdas solares
mejoradas y materiales para captura de carbono, aunque superar las barreras económicas y técnicas
mediante la automatización y métodos de fabricación ecológicos sigue siendo un objetivo crucial para
expandir su impacto en tecnologías futuras [15].
C. Películas Delgadas
Las películas delgadas, tanto de óxidos metálicos como de materiales orgánicos, lideran la evolución de
dispositivos electrónicos avanzados debido a su capacidad para combinar propiedades ópticas y eléctricas
en una estructura ultrafina. Los óxidos metálicos como el óxido de indio y estaño (ITO) son especialmente
valorados en la industria tecnológica por su alta transparencia en el rango visible del espectro
electromagnético y su excelente conductividad eléctrica. Estas características los convierten en
componentes clave para pantallas táctiles, paneles OLED y celdas solares flexibles [16]. En el caso de los
materiales orgánicos, como los derivados del poli(fenileno vinileno) y los materiales basados en fullereno,
las películas delgadas han permitido la integración de tecnologías más sostenibles y económicas. Estas
películas pueden ser procesadas a bajas temperaturas y depositadas sobre sustratos flexibles, abriendo
nuevas posibilidades en el diseño de dispositivos portátiles y ligeros. Además, los avances en técnicas de
deposición, como la evaporación térmica y el recubrimiento por rotación, han mejorado significativamente
la uniformidad y el rendimiento de estas capas ultrafinas [17].
La combinación de transparencia óptica y conductividad eléctrica que ofrecen estas películas es esencial
para aplicaciones como las pantallas OLED. En estos dispositivos, las películas delgadas permiten el paso
de la luz emitida por las capas emisoras internas, mientras que las capas conductoras facilitan la inyección
eficiente de carga. Asimismo, en las celdas solares flexibles, estas películas no solo maximizan la captura de
luz, sino que también optimizan el transporte de carga, lo que resulta en una mayor eficiencia energética
[18]. A pesar de estas ventajas, las películas delgadas enfrentan desafíos como la degradación en
condiciones ambientales adversas y la dependencia de materiales como el indio, que es costoso y tiene
reservas limitadas. Las investigaciones actuales están explorando alternativas basadas en óxidos metálicos
dopados y materiales híbridos orgánico-inorgánicos para superar estas limitaciones y mejorar la
sostenibilidad de estas tecnologías [19].
III. METODOLOGÍA
Este estudio adopta un enfoque de revisión sistemática de literatura para examinar el papel de los
materiales avanzados, como polímeros conductores, nanomateriales y películas delgadas, en el desarrollo
de la electrónica flexible. La revisión abarca artículos recientes sobre las propiedades clave que deben
cumplir estos materiales, tales como conductividad, flexibilidad y durabilidad, y las aplicaciones actuales y
emergentes de esta tecnología. Adicionalmente, se realizarán simulaciones computacionales para evaluar
el rendimiento de los materiales seleccionados. Estas simulaciones se llevarán a cabo utilizando modelos
computacionales avanzados, con el objetivo de predecir el comportamiento de los materiales en
condiciones operativas reales y proporcionar una base para futuras investigaciones experimentales.
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IV. RESULTADOS
La selección bibliográfica realizada para este estudio se llevó a cabo mediante un proceso riguroso que
garantizó la relevancia, calidad y actualidad de las fuentes consultadas. En primer lugar, se empleó una
revisión sistemática de literatura que abarcó artículos científicos, libros y recursos en línea especializados,
con el fin de identificar las investigaciones más relevantes y actuales sobre los materiales avanzados en
electrónica flexible, específicamente los polímeros conductores, nanomateriales y películas delgadas.
El proceso comenzó con una búsqueda exhaustiva en bases de datos académicas como IEEE Xplore,
ScienceDirect, SpringerLink y Google Scholar. Se utilizaron términos clave como "conductive polymers",
"nanomaterials in flexible electronics", "thin films for flexible devices", "MXenes", "graphene", y
"PEDOT:PSS", entre otros, para asegurar la cobertura de los aspectos fundamentales del tema. A partir de
esta búsqueda, se seleccionaron aquellos artículos que presentaban estudios experimentales, revisiones
críticas o avances significativos en la comprensión de las propiedades y aplicaciones de los materiales
avanzados en electrónica flexible. Se prestó especial atención a la calidad de las publicaciones, priorizando
artículos revisados por pares y de alto impacto en revistas especializadas. Además, se incluyeron
investigaciones que abordaran tanto las aplicaciones prácticas de estos materiales como los desafíos
técnicos y económicos que enfrentan en la fabricación y escalabilidad de las tecnologías. La selección
también consideró la diversidad de fuentes, abarcando desde estudios de laboratorio hasta aplicaciones
industriales, para proporcionar una visión completa y balanceada del estado actual y las perspectivas futuras
de estos materiales.
El proceso de selección también contempló el análisis de la relevancia temporal de las publicaciones,
priorizando aquellas que fueron publicadas en los últimos cinco años, dado el ritmo acelerado de la
innovación en el campo de la electrónica flexible. Finalmente, se integraron recursos de fuentes confiables
en línea para complementar la información científica, asegurando que la revisión bibliográfica estuviera
alineada con las tendencias más recientes y las necesidades tecnológicas emergentes en el ámbito de la
electrónica flexible.
De lo anterior se puede indicar que los polímeros conductores han emergido como materiales clave en el
desarrollo de la electrónica flexible, debido a su capacidad para integrar propiedades mecánicas, eléctricas
y químicas únicas. El poliacetileno, precursor destacado en este campo, es conocido por su alta
conductividad eléctrica, lograda a través del dopaje, aunque su baja estabilidad ambiental limita su uso a
largo plazo. En un contexto similar, el poli(tiofeno) sobresale por su estabilidad térmica y ambiental, junto
con propiedades ópticas y electrónicas ajustables, lo que lo convierte en un material fundamental en
aplicaciones como supercapacitores, sensores y celdas solares. Sin embargo, sus costos de producción
elevados representan una barrera para su implementación a gran escala. Otros polímeros como la
polianilina, conocida por su flexibilidad mecánica y estabilidad térmica, y el polipirrol, valorado por su
estabilidad redox, también presentan aplicaciones prometedoras, aunque sus limitaciones como la baja
solubilidad en solventes y la sensibilidad a la humedad aún deben ser superadas para una adopción más
amplia. Asimismo, el poli(3,4-etilendioxitiofeno), ampliamente utilizado en electrodos transparentes y
dispositivos OLED, enfrenta desafíos en términos de costos de síntesis y funcionalización. A pesar de los
avances en estos materiales, sigue siendo necesario continuar con la investigación para superar sus
limitaciones y mejorar su rendimiento y viabilidad económica.
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Por otro lado, los nanomateriales han revolucionado el campo de la ciencia de materiales gracias a sus
propiedades excepcionales, como su alta superficie específica y sus comportamientos únicos en términos
de resistencia mecánica y conductividad térmica. Estos materiales, como los nanotubos de carbono, grafeno
y los emergentes MXenes, han demostrado ser prometedores en aplicaciones de electrónica flexible,
sensores y almacenamiento de energía. No obstante, la producción de estructuras libres de defectos a
escala industrial sigue siendo un desafío significativo, y la escalabilidad de los métodos de síntesis continúa
siendo un obstáculo. A pesar de ello, los avances recientes en nanotecnología han permitido desarrollos
importantes, con aplicaciones que abarcan desde la mejora en la densidad energética de baterías y
supercapacitores hasta su uso en la medicina, como en la liberación controlada de fármacos. En este sentido,
el futuro de los nanomateriales apunta a la creación de materiales híbridos multifuncionales y sostenibles,
a la par que se busca superar las barreras económicas y técnicas a través de la automatización y métodos
de fabricación más ecológicos.
En cuanto a las películas delgadas, estas han emergido como componentes esenciales en la evolución de
dispositivos electrónicos avanzados, gracias a su capacidad para integrar propiedades ópticas y eléctricas
en una estructura ultrafina. Los óxidos metálicos, como el óxido de indio y estaño, son particularmente
valorados por su alta transparencia y excelente conductividad eléctrica, lo que los convierte en materiales
clave para pantallas táctiles, paneles OLED y celdas solares flexibles. Por su parte, los materiales orgánicos,
como los derivados del poli(fenileno vinileno) y los basados en fullereno, han permitido el desarrollo de
tecnologías más sostenibles y económicas, ya que pueden procesarse a bajas temperaturas y depositarse
sobre sustratos flexibles. Sin embargo, las películas delgadas aún enfrentan desafíos, como la degradación
en condiciones ambientales adversas y la dependencia de materiales costosos, como el indio. Las
investigaciones actuales se concentran en encontrar alternativas basadas en óxidos metálicos dopados y
materiales híbridos orgánicos-inorgánicos que mejoren la sostenibilidad de estas tecnologías y optimicen
su rendimiento.
Propuestas de simulaciones
Se seleccionaron tres materiales representativos por su relevancia en las áreas de electrónica flexible,
almacenamiento de energía y dispositivos optoelectrónicos, además de su potencial para superar los retos
actuales en términos de costos, rendimiento y sostenibilidad. Las simulaciones se centran en entender cómo
optimizar sus propiedades y mejorar la viabilidad económica y técnica de su implementación en
aplicaciones de vanguardia. Estos materiales son el poli(tiofeno), debido a su estabilidad térmica y
propiedades electrónicas ajustables, que pueden ser muy útiles en supercapacitores y sensores. El grafeno,
con su alta conductividad y resistencia mecánica, lo que es ideal para evaluar su integración en dispositivos
flexibles de alto rendimiento. Por último, se eligió el óxido de indio y estaño (ITO), el cual es fundamental
para pantallas táctiles y celdas solares, a pesar de sus desafíos de costo y degradación, con el objetivo de
explorar alternativas sostenibles y optimizar su rendimiento. Estas simulaciones permitirán obtener
conclusiones sobre su viabilidad y comportamiento.
El procedimiento propuesto se resume en la tabla 1, donde se muestran los pasos y elementos
constitutivos del experimento.
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Tabla 1. Configuración y ejecución de las simulaciones para los materiales propuestos.
Elemento
Programas de
Simulación
Parámetros a
Considerar
Condiciones y
Limitantes
Procedimiento
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CONCLUSIONES
Las investigaciones sobre materiales avanzados han mostrado un potencial significativo en el ámbito de la
electrónica flexible, destacándose por su capacidad para integrar propiedades mecánicas, eléctricas y
ópticas de manera innovadora. Estos materiales no solo permiten la fabricación de dispositivos más
eficientes y adaptables, sino que también abren la puerta a soluciones más sostenibles en diversas
aplicaciones tecnológicas. Sin embargo, a pesar de los avances conseguidos, la integración de estos
materiales en aplicaciones comerciales enfrenta retos importantes, como la mejora de la estabilidad a largo
plazo, la optimización de su desempeño y la reducción de los costos asociados a su producción. Para hacer
frente a estas limitaciones, es necesario continuar con la investigación para perfeccionar los procesos de
fabricación y fomentar la producción a gran escala sin comprometer las propiedades esenciales de los
materiales.
En este contexto, las investigaciones futuras deben orientarse hacia el desarrollo de materiales híbridos que
aprovechen las propiedades complementarias de los polímeros y los nanomateriales. Estos materiales
híbridos pueden ofrecer una mejor combinación de flexibilidad, conductividad y estabilidad, abriendo
nuevas posibilidades para su aplicación en dispositivos más versátiles y económicos. Asimismo, la
optimización de las técnicas de fabricación, incluyendo la mejora de los procesos de dopaje, la deposición
y la escalabilidad de la producción, es crucial para reducir los costos y aumentar la viabilidad comercial de
los dispositivos fabricados con estos materiales. Un desafío adicional es la evaluación del impacto ambiental
de estos materiales, ya que su implementación a gran escala debe ser sostenible y no comprometer los
recursos naturales ni generar efectos adversos a largo plazo. En conjunto, estos esfuerzos contribuirán a un
futuro más prometedor para la electrónica flexible, garantizando que los avances en este campo sean tanto
innovadores como sostenibles.
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