¿Qué es el diseño de película delgada?

El diseño de película delgada es una técnica de fabricación para depositar capas muy delgadas sobre una base o material de sustrato. El proceso puede usarse para recubrimientos de pintura, piezas electrónicas o células solares para crear electricidad a partir de la luz. Una película delgada describe el proceso de agregar cantidades muy finas de producto en capas repetidas, no necesariamente qué tan grueso es el producto terminado.

Los primeros aparatos electrónicos utilizaron tubos de vacío pesados ​​y voluminosos y otras piezas para fabricar televisores y aparatos electrónicos a mediados del siglo XX. Con el tiempo, los semiconductores y los dispositivos de estado sólido estuvieron disponibles, permitiendo que la electrónica use circuitos pequeños y livianos. En el siglo XXI, las continuas mejoras en el diseño de circuitos electrónicos condujeron a dispositivos con tamaños más pequeños y mayor capacidad informática. El diseño de película delgada es importante por su capacidad de utilizar pequeñas cantidades de materias primas caras para hacer circuitos a un costo relativamente bajo.

A pesar del concepto de que el diseño de película delgada se trata del proceso, no del tamaño de la pieza, un mercado en crecimiento a principios del siglo XXI fue el desarrollo de circuitos flexibles. En lugar de tener que usar placas de circuito rígidas, los desarrolladores ahora podrían crear piezas electrónicas en plásticos muy delgados y flexibles. Un mercado que se benefició de esta mejora fue la electricidad solar.

Los paneles solares de principios a mediados del siglo XX eran paneles pesados ​​y rígidos hechos con vidrio sólido y gruesas capas de materiales generadores de electricidad. Con el tiempo, el diseño de película delgada condujo a paneles rígidos con un peso mucho menor que redujo el tiempo y los gastos de instalación. Además, las películas delgadas permitieron colocar paneles solares en calculadoras portátiles, radios y teléfonos celulares o cargadores a bajo costo. A finales del siglo XX, las células solares se produjeron por primera vez en una película de plástico, lo que permitió que el panel se enrollara para su almacenamiento o se instalara como la superficie exterior de un edificio o vehículo.

La eficiencia energética, una medida de cuánta luz solar se convierte en electricidad, fue baja en los primeros diseños solares. La electricidad producida a partir de paneles solares generalmente se almacenaba en baterías que tenían sus propias limitaciones de eficiencia. Era importante maximizar la eficiencia energética de los diseños solares, y el diseño de película delgada permitió que las eficiencias aumentaran por encima del 20 por ciento a principios del siglo XXI, y se esperaban mejoras adicionales a medida que se probaban nuevos materiales.

En el siglo XXI, las películas delgadas solares usaban una mezcla de silicio cristalino y no cristalino o amorfo. El silicio cristalino podría compararse con la arena, donde las moléculas tienen una estructura fija y regular. Un material amorfo es como el vidrio, donde las moléculas son más aleatorias con diferentes propiedades físicas y eléctricas.

Al mismo tiempo, se desarrollaron mezclas de metales que podrían generar electricidad a partir de la luz para las células solares. El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el telururo de cadmio (CdTe) fueron dos tecnologías utilizadas como alternativa al silicio. Estos metales, aunque tóxicos en algunos casos, se fijaron rígidamente en el diseño de película delgada, y en ese momento no se consideraron riesgos ambientales. En todos los casos, los fabricantes eligieron un diseño particular para crear la mayor eficiencia por costo unitario, con el fin de obtener una ventaja en el mercado.

Algunos productos se pueden rociar de manera similar a la pintura sobre una base de vidrio o película. Las capas alternas de materiales conductores y no conductores de electricidad pueden crear circuitos electrónicos. Otro proceso para depositar películas delgadas es la pulverización catódica, donde el material se vaporiza y recibe una carga eléctrica, donde se atrae al material base con una carga opuesta. La luz láser se puede utilizar para vaporizar materiales que se depositarán sobre un sustrato. El plasma, una descarga eléctrica de alta energía, se puede utilizar para transferir materiales en algunos diseños de película delgada.