Development of functional inks and printed devices for transient and eco-friendly electronics

Abstract

L'electrònica de consum és la principal causa de l'excés de residus electrònics que impulsa la necessitat de sistemes més sostenibles. Una manera de mitigar aquest problema és incorporant materials ecològics i biodegradables a l'electrònica quotidiana. Això s'aconsegueix a través d'un procés de substitució on cada capa, com ara el substrat i les capes conductores, dielèctriques i semiconductores s'aborden metodològicament en termes de fabricació, materials i caracterització elèctrica. Aquest procés es va iniciar pel substrat on es van considerar una àmplia gamma de materials flexibles, des de polímers naturals fins a sintètics, molts dels quals presentaven temperatures de transició vítria baixes (< 100 °C). Això fa que siguin difícils de processar mitjançant tècniques de microfabricació convencionals que sovint consumeixen energia i produeixen residus perillosos. L'adopció de tecnologies d'impressió com la impressió d'injecció de tinta ofereixen una alternativa ecològica per fabricar components electrònics, ja que no hi ha restriccions de temperatura ni estructurals. A més, permet la impressió directa sobre qualsevol substrat escollit utilitzant tintes com les tintes de nanopartícules o de descomposició organo-metàl·lica. Entre els diversos metalls biodegradables existents es van triar el zinc (Zn) i el molibdè (Mo) per les seves conductivitats elevades. Tanmateix, com que no estan disponibles comercialment, es van formular aquestes tintes metàl·liques mitjançant proves iteratives d'estabilitat de dissolvents, reològiques i d'impressió. Però com que aquests metalls tendeixen a presentar altes temperatures de sinterització (> 400 °C), es van investigar tècniques alternatives de sinterització per ser compatibles amb substrats sensibles a la temperatura. En ambdues tintes es va aplicar el curat fotònic per augmentar les seves respectives conductivitats. Aquesta tesi també introdueix una nova classe de tintes anomenades tintes de descomposició de sal metàl·lica (MSD) que es van reduir mitjançant la sinterització de plasma d'oxigen i la sinterització química lleugera. En el cas de la primera tècnica, es va provar una àmplia gamma de sals metàl·liques en funció del seu potencial de reducció amb un enfocament particular en l'or (Au), el platí (Pt) i la plata (Ag). Cadascuna es va reduir amb èxit a les seves respectives formes elementals i es van caracteritzar mostrant una bona conductivitat. La versatilitat d'aquestes tintes es va demostrar en substrats no planars i no convencionals, com ara polímers, papers i tèxtils que van formar pel·lícules conformals independentment de la rugositat del substrat. Les temperatures de sinterització no van superar els 37 °C resultant en processos de sinterització gairebé a temperatura ambient. No obstant això, aquesta tècnica va resultar superada per la segona on es va produir un creixement de la pel·lícula Au in situ dipositada sobre un substrat reductor com el PVA. El mecanisme de reducció depenia de dos factors com la reacció química entre la capacitat reductora dels grups hidroxil del PVA i la tinta d'Au MSD de nanopartícules sintetitzades que junt amb la llum contribuïen al procés de sinterització, desenvolupant per tant una pel·lícula Au connectada i altament conductora. Tot i que el PVA es podria utilitzar directament per les seves propietats dielèctriques, aquesta capa es va millorar encara més mitjançant el desenvolupament d'un gel iònic basat en PVA combinat amb un líquid biodegradable d'ions choline-malate per facilitar el desenvolupament de transistors amb electròlit com a porta. Finalment, es va demostrar una capa de semiconductor orgànic produïda amb TMTES-pentacè i dipositada amb una tècnica de menisc. Amb això, es va demostrar una àmplia gamma d'aplicacions en dispositius electrònics com pistes conductores, elèctrodes, sensors de tensió, biosensors, antenes i transistors. Creiem que aquest treball tindrà implicacions en el futur de l'electrònica impresa per a aplicacions portàtils, aplicacions biomèdiques i electrònica sostenible.

La electrónica de consumo es la principal causa del exceso de residuos electrónicos impulsando la necesidad de sistemas más sostenibles. Una forma de mitigar este problema es incorporando materiales ecológicos y biodegradables a la electrónica cotidiana. Esto se logra a través de un proceso de sustitución en el que cada capa, como el sustrato y las capas conductoras, dieléctricas y semiconductoras se abordan metodológicamente en términos de fabricación, materiales y caracterización eléctrica. Este proceso se inició por el sustrato donde se consideraron una amplia gama de materiales flexibles, desde polímeros naturales hasta sintéticos, muchos de los cuales presentaban bajas temperaturas de transición vítrea (< 100 °C). Esto hace que sean difíciles de procesar mediante técnicas de microfabricación convencionales que a menudo consumen energía y producen residuos peligrosos. La adopción de tecnologías de impresión como la impresión de inyección de tinta ofrecen una alternativa ecológica para fabricar componentes electrónicos, puesto que no existen restricciones de temperatura ni estructurales. Además permite la impresión directa sobre cualquier sustrato escogido utilizando tintas como las tintas de nanopartículas o de descomposición organometálica. Entre los diversos metales biodegradables existentes se eligieron el zinc (Zn) y el molibdeno (Mo) por sus elevadas conductividades. Sin embargo, al no estar disponibles comercialmente, se formularon estas tintas metálicas mediante pruebas iterativas de estabilidad de disolventes, reológicas y de impresión. Pero dado que estos metales tienden a presentar altas temperaturas de sinterización (> 400 °C), se investigaron técnicas alternativas de sinterización para ser compatibles con sustratos sensibles a la temperatura. En ambas tintas se aplicó el curado fotónico para aumentar sus respectivas conductividades. Esta tesis también introduce una nueva clase de tintas llamadas tintas de descomposición de sal metálica (MSD) que se redujeron mediante la sinterización de plasma de oxígeno y la sinterización química ligera. En el caso de la primera técnica, se probó una amplia gama de sales metálicas en función de su potencial de reducción con un enfoque particular en el oro (Au), el platino (Pt) y la plata (Ag). Cada una se redujo con éxito a sus respectivas formas elementales y se caracterizaron mostrando una buena conductividad. La versatilidad de estas tintas se demostró en sustratos no planares y no convencionales, como polímeros, papeles y textiles que formaron películas conformales independientemente de la rugosidad del sustrato. Las temperaturas de sinterización no superaron los 37 °C resultando en procesos de sinterización casi a temperatura ambiente. Sin embargo, esta técnica resultó superada por la segunda en la que se produjo un crecimiento de la película Au in situ depositada sobre un sustrato reductor como el PVA. El mecanismo de reducción dependía de dos factores como la reacción química entre la capacidad reductora de los grupos hidroxilo del PVA y la tinta de Au MSD de nanopartículas sintetizadas que junto a la luz contribuían al proceso de sinterización, desarrollando por tanto una película Au conectada y altamente conductora. Aunque el PVA podría utilizarse directamente por sus propiedades dieléctricas, esta capa se mejoró aún más mediante el desarrollo de un gel iónico basado en PVA combinado con un líquido biodegradable de iones choline-malate para facilitar el desarrollo de transistores con electrolito como puerta. Por último, se demostró una capa de semiconductor orgánico producida con TMTES-pentaceno y depositada con una técnica de menisco. Con ello, se demostró una amplia gama de aplicaciones en dispositivos electrónicos como pistas conductoras, electrodos, sensores de tensión, biosensores, antenas y transistores. Creemos que este trabajo tendrá implicaciones en el futuro de la electrónica impresa para aplicaciones portátiles, aplicaciones biomédicas y electrónica sostenible.

Disposable consumer electronics are the main cause of excessive electronic waste that drives the need for more sustainable systems. One way to mitigate this problem is by incorporating eco-friendly and biodegradable materials into everyday electronics. This is achieved through a step-by-step process where each layer such as the substrate, conductive, dielectric, and semiconductor layers were approached methodologically in terms of fabrication, materials, and electrical characterization. Intrinsically, this begins with the substrate where a large range of flexible materials were considered from natural to synthetic polymers, much of which exhibited low glass transition temperatures (< 100°C). This makes them difficult to process using conventional microfabrication techniques which are often energy intensive and produce hazardous waste. In contrast, the adoption of printing technologies such as inkjet printing provides an eco-friendly alternative to fabricate electronic components as there are no temperature nor structural restrictions. Additionally, it enables direct printing onto any chosen substrate using inks often categorized as either nanoparticle or metal organic decomposition inks. There are several biodegradable metals from which zinc (Zn) and molybdenum (Mo) were chosen based on their respectively high conductivities. However, because they are not commercially available, ink formulation for each metal ink included iterative solvent stability, rheological, and printability testing. However, because these metals tend to exhibit high sintering temperatures (> 400°C), alternative sintering techniques must be enacted to be compatible with temperature sensitive substrates. Therefore, both inks were subjected to photonic curing to increase their respective conductivities. This thesis also introduces a new class of inks named Metal Salt Decomposition (MSD) inks that were reduced using oxygen plasma sintering and chemical-light sintering. In the case of the former technique, a wide range of metal salts were tested based on their reduction potential with a particular focus on gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag). Each were successfully reduced to their respective elemental forms and characterized for their materials characteristics displaying good conductivity. The versatility of such inks could even be demonstrated on non-planar and non-conventional substrates such as polymers, papers and textiles which formed conformal films regardless of the substrate rugosity. Sintering temperatures here never surpassed 37°C achieving almost room temperature sintering temperatures. However, this technique paled in comparison to the latter where in situ Au film growth occured when placed onto reducing substrate such as PVA. The reduction mechanism was dependent on 2 factors where the chemical reaction between the reducing ability of hydroxyl groups from PVA to the Au MSD ink synthesized nanoparticles whereby then light contributed to the sintering process, therefore developing a connected and highly conductive Au film. Although PVA could be used directly for its dielectric properties, this layer was further enhanced through the development of a PVA-based ion gel combined with a biodegradable choline-malate ion liquid to facilitate the development of electrolyte gated transistors. Lastly, an organic semiconductor layer produced with TMTES Pentacene and deposited with a meniscus driven technique was demonstrated. With this, a broad range of applications such as electronic devices such as conductive tracks, electrodes, strain sensors, biosensors, antennas, and transistors were demonstrated. It is believed that this work will have implications in the future of printed electronics for wearable applications, biomedical, and electrical fields.