Fabrication et caractérisation d’encres à base de graphène pour l’électronique souple

Fabrication and Characterization of graphene-based ink for flexible electronic

• Auteur / Autrice : Mohd Saidina Dandan Satia
• Direction : Claire Hérold, Mariatti Jaafar, Sébastien Fontana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/08/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Universiti Sains Malaysia (Malaisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Fauziah Ahmad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jesús Santos Peña, . Md. Sidin Ahmad Ishak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jesús Santos Peña, . Md. Sidin Ahmad Ishak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique -- Matériaux

Circuits imprimés souples

Graphène

Encre polymère

Mots clés libres

Polymères

Encres

Graphène

Graphite

Électronique souple

Polymer

Ink

Graphène

Graphite

Flexible elctronics

Résumé

L'objectif principal de la présente étude est de développer des encres à base de graphène présentant d'excellentes propriétés de stabilité, électriques et physiques pour l'électronique d'impression en utilisant des techniques de revêtement par pulvérisation et d'impression par jet d'encre. Premièrement, la comparaison des différents types de matériaux similaires au graphène a montré que la mousse de graphène (GF) présentait la plus grande surface spécifique avec une valeur de 2136 m2g-1. Par ailleurs, les nanoplaquettes de graphite (GNPs) et le graphite synthétique (SG) présentaient des structures hautement cristallines avec la présence d'un pic aigu et étroit (002) et de particules de haute qualité avec un rapport ID/IG inférieur. Deuxièmement, les résultats ont montré que la viscosité et l'angle de contact des encres conductrices augmentaient significativement avec l'augmentation des charges de GF, GNPs et SG dans un liant de vernis polyester (PV). L'incorporation de 10 % en volume de PNB a amélioré la conductivité électrique du PV de 186 %, et seulement 40 % pour la SG et 10 % pour le GF avec la même charge de remplissage. Ensuite, il a été constaté que les PNB dispersés dans l'éthylène glycol (EG) présentaient une meilleure stabilité avec une diminution de 85% de la concentration initiale après un mois, une viscosité et une mouillabilité supérieures à celles du propylène glycol (PG) et du 2-propanol (IPA). D'autre part, le GF dispersé dans un solvant mélangé IPA:EG avec un rapport de 1:1 n'a montré qu'une diminution de 50 % par rapport à la concentration initiale après un mois comparant à ceux des encres GNP dans le même rapport de mélange. Dans la dernière partie, l'encre hybride GF/poly(3,4-éthylènedioxythiophène) poly(styrène-sulfonate) (PEDOT:PSS) a montré une meilleure stabilité que l'encre hybride GF et l'encre hybride GF/nanoparticules d’argent (AgNPs) où l'encre a montré 30 % de réduction de concentration après un mois, 100 % d'amélioration en termes de conductivité superficielle à 50 couches imprimées et un facteur de gauge de 4.3. En conclusion, l'encre hybride imprimée GF/PEDOT:PSS a le potentiel d'être utilisée pour les applications de capteurs de contrainte.

The main aim of the present study is to develop graphene-based ink with excellent stability, electrical and physical properties for printing electronics by utilizing spray coating and inkjet printing techniques. Firstly, comparison on the different types of graphene-like materials showed that graphene foam (GF) exhibited the highest surface area with the value of 2136 m2g-1. Meanwhile, graphite nanoplatelets (GNPs) and synthetic graphite (SG) displayed highly crystalline structures with the presence of sharp and narrow (002) peak, and high-quality particles with lower ID/IG ratio. Secondly, results showed that viscosity and contact angle of the conductive inks increased significantly with increasing GF, GNPs and SG filler loadings in a polyester varnish (PV) binder. The incorporation of 10 vol.% GNPs improved the electrical conductivity of PV by 186 %, and only 40 % for SG and 10 % for GF at the same filler loading. Next, it is found that GNPs dispersed in ethylene glycol (EG) exhibited better stability with 85 % decrement of the initial concentration after a month, viscosity and wettability than those of propylene glycol (PG) and 2-propanol (IPA). On the other hand, GF dispersed in IPA:EG mixed solvent at ratio of 1:1 showed only 50 % decrement from the initial concentration after a month compared to those of GNPs inks at the same mixed ratio. In the last part, GF/poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) hybrid ink exhibited better stability than GF ink and GF/silver nanoparticles (AgNPs) hybrid ink where the ink showed 30 % decrement from the concentration after a month, 100 % improvement in surface conductivity at 50 printed layers and gauge factor of 4.3. As a conclusion, printed GF/PEDOT:PSS hybrid ink has the potential to be used for strain sensor applications.