Senzor plynů a vlhkosti na bázi CuO připravený výhradně inkoustovým tiskem na ohebném polymerním substrátu

Ing. Petr Krčmář

Doctoral thesis

Fully inkjet printed gas and humidity CuO sensor on flexible polymer substrate

Abstract:

The thesis is concerned with material printing methods, among which the greatest attention is paid to the inkjet printing. The main advantage of inkjet printing consists of the possibility of using wide range of printing liquids (solutions or dispersions) called inks, which however meet relatively limited range of requirements for suitable viscosity and surface tension. The work concentrates on preparation of inkjet ink based on copper oxide nanoparticles for material printing on polymer flexible substrates and its possible application as a sensor of humidity and volatile organic compounds at room temperature. The ink composition was developed on the basis of measurement of viscosity and surface tension which were optimized by addition of polymeric steric surfactants. The printing process was optimized with the help of dimensionless criteria and the aid of drop watch camera system integrated in used "Dimatix DMP 2800 series" printer which allows manipulation of the electronic pulses to the piezo jetting device for controlling of the drop characteristics as it is ejected from the nozzle. Polyethylene terephthalate (PET) film was selected as the most representative substrate used in polymer electronics. Silver nano-ink was used for printing of an interdigitated pattern which was overprinted by the copper oxide ink obtaining thus a flexible flat sensor for detecting alcohol vapours. Printed layers and motives on the substrate were characterized microscopically and the conductivity was evaluated by four-point probe method. Effectiveness of prepared sensor was demonstrated by measuring its response to the vapours of water and alcohols. A specific low temperature sensing mechanism was revealed. The applicability of prepared sensing devices was demonstrated by fabrication and testing of a sensor field integrating a 3 x 3 matrix of sensing elements on the PET substrate. Further investigation in this direction is envisaged and an overview of results achieved so far is included.

Abstract:

Předložená práce se zabývá metodami tisku, z nichž byla největší pozornost věnována tisku inkoustovému. Hlavní výhoda inkoustového tisku spočívá v možnosti využití širokého spektra inkoustů (roztoky nebo disperze), které ovšem splňují poměrně úzký rozsah požadavků na vhodnou viskozitu a povrchové napětí. Práce se soustředí na přípravu inkoustu na bázi oxidu měďnatého pro materiálový tisk na flexibilní polymerní substráty a jeho možné aplikace. Inkoust byl vyvinut na základě měření viskozity a povrchového napětí a s použitím bezrozměrných kritérií. Vlastnosti inkoustu byly optimalizovány přidáním polymerních sterických povrchově aktivních látek. Proces tisku byl dále optimalizován pomocí drop-watch kamerového systému integrovaného v použité tiskárně "Dimatix DMP 2800 series", umožňující manipulaci piezo prvků na základě elektronických impulsů pro zajištění správného charakteru kapky i samotného procesu tisku. Substrát z polyetylen tereftalátu (PET) byl vybrán jako nejčastěji používaný substrát v polymerní elektronice. Tištěné vrstvy a motivy na substrátu byly charakterizovány mikroskopicky a vodivost byla hodnocena čtyřbodovou metodou. Pro přípravu flexibilního plochého sensoru pro detekci par alkoholu byl inkoustem z nanočástic stříbra vytištěn vzor hřebenových elektrod, a ten byl překryt sensorickou vrstvou s použitím inkoustu z nanočástic oxidu měďnatého. Účinnost připraveného sensoru byla prokázána měřením odezvy na přítomnost par vody a alkoholů. Byl prostudován a popsán nízkoteplotní mechanismus funkce senzoru. Aplikační potenciál připravených senzorů bylů demonstrován výrobou a testováním pole senzorů integrujícího 3x3 matici senzorickcýh prvků na PET substrátu. Teze dále předjímají budoucí výzkum v tomto směru a přináší přehled dosavadních výsledků.

Keywords

Inkjet, tisk, interdigit, senzor, vlhkost, alkohol, páry, oxid měďnatý, nanostrukturovaný, disperse, ohebný, polymerní substrát.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 4. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2019
• Supervisor: doc. Ing. et Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D. et Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds