Gallium-Indium Nanoparticle Inks For Printed Electronics

Abstract

A Eletrónica Impressa é um mercado em crescimento com aplicações na saúde, embalamento inteligente, Internet das Coisas (IdC), sensoriamento, captação de energia e visores flexíveis. Só em 2018, foram vendidas mais de 10 mil milhões de etiquetas de Identificação por Radiofrequência (RFID). O mercado crescente tem sido uma grande motivação para o aumento da sua investigação, especialmente no desenvolvimento de tintas condutoras e dos respetivos métodos de impressão. De entre estes, a técnica de \textit{inkjet} é das mais populares devido à existência de sistemas de impressão avançados e altamente controláveis. A cabeça de uma impressora \textit{inkjet} requer a utilização de tintas pouco viscosas (\textless{20}cP) carregadas com nanopartículas usualmente com diâmetros inferiores a 200nm. A maioria das tintas comerciais são feitas à base de prata, existindo também outras à base de ouro ou de cobre. Os metais líquidos compostos por gálio, tais como a liga eutética de gálio e índio (EGaIn), têm recentemente ganhado interesse devido à sua aplicação em electrónica extensível, às suas propriedades de auto-regeneração, bem como à elevada condutividade elétrica e ao seu estado líquido à temperatura ambiente. Durante a última década, vários estudos têm focado a sua atenção na síntese, estabilização, impressão e sinterização de tintas de Nanopartículas de EGaIn (EGaIn NPs). Contudo, estas nanopartículas encontram-se rodeadas por uma fina camada de Ga\textsubscript{2}O\textsubscript{3} (0.5-3.0 nm), o que aumenta a probabilidade da ocorrência de agregados de partículas. O Ga\textsubscript{2}O\textsubscript{3} é um semicondutor, necessitando as nanopartículas de um processo de sinterização capaz de romper o invólucro oxidado das partículas para produzir vias condutoras. Esta dissertação tem como objetivo o estudo dos materiais e métodos para a impressão de circuitos condutores com tintas de nanopartículas de EGaIn. Foram sintetizados dois tipos de tintas e aplicadas três técnicas de impressão e duas técnicas de sinterização. Relativamente às tintas, uma delas é constituída por um solvente orgânico (etanol) enquanto que a outra é uma tinta aquosa. As técnicas aplicadas para depositar as partículas foram a impressão \textit{inkjet}, a impressão eletrohidrodinâmica e o revestimento por \textit{spray}. Por fim, a sinterização inclui a utilização de um laser de CO\textsubscript{2} e um laser de fibra. A combinação das técnicas desenvolvidas teve vários graus de sucesso que são apresentados e discutidos nesta dissertação. Resultados relativos à caracterização das tintas, incluindo a distribuição do tamanho das partículas nelas dispersas são, também, apresentados. Durante o desenho de padrões, efetuado com o laser de fibra, os resultados revelaram-se muito interessantes. Um substrato coberto com nanopartículas de EGaIn foi totalmente sinterizado com o laser, formando um padrão condutor. Por outras palavras, através de uma correta parametrização do laser, foi possível não só tornar as nanopartículas condutoras ao longo do padrão desenhado, como também remover praticamente todo o material à volta. Desta forma, é possível obter padrões condutores e limpos em menos de 5 minutos.

Printed Electronics is a growing market with application in health, smart packaging, Internet of Things, sensing, energy harvesting, and flexible displays. Over 10 billion Radio Frequency identification (RFID) tags were sold in 2018 alone. The growing market has been a major motivation for the increasing research, focusing mostly on conductive inks and printing techniques. Among them Inkjet printing is a popular technique due to the existence of advanced and highly controllable printing systems. An inkjet printing head requires low-viscosity inks (\textless{20}cP) loaded with Nanoparticles (usually less than 200nm in diameter). Most of the commercial inks are based on silver, while a few gold and copper inks also exist. Gallium based liquid metals, such as Eutectic Gallium Indium (EGaIn), have recently gained interest due to their application in stretchable electronics, their self-healing properties, their high electrical conductivity and their liquid phase in the room temperature. During the last decade, many studies have focused on synthesis, stabilization, printing, and sintering of EGaIn Nanoparticle (EGaInNP) inks. Nevertheless, EGaInNPs are surrounded by a thin layer of Ga\textsubscript{2}O\textsubscript{3} (0.5-3.0nm), which increases the chances of particle aggregation. Ga\textsubscript{2}O\textsubscript{3} is a semiconductor, giving rise to the need for a sintering process that ruptures the oxide skin in order to create conductive paths.The focus of this dissertation is to study materials and methods for printing conductive circuits with EGaInNP inks. We study two type of inks, three printing/deposition techniques, and two sintering techniques. EgaInNp inks synthesized in this work include a water based and an ethanol based ink. The printing/deposition techniques are inkjet printing, electrohydrodynamic printing and spray coating. Finally, the sintering step includes sintering with a CO\textsubscript{2} laser and a fiber laser. The combination of these techniques had various degrees of success that are reported and discussed in this dissertation. Results from the characterization of the synthesized inks, including the particle size distribution are also presented. Very interesting results were obtained during patterning with the fiber laser. A substrate fully coated with the EGaInNP conductive ink was fully patterned with the fiber laser. In other word, by fine tuning the laser parameters, not only it was possible to sinter the ink on the areas of the interest to create conductive patterns, but also the remaining non-sintered ink could be almost completely ablated from the rest of the substrate. In this way conductive and clean circuits can be created in less than 5 minutes.