Materials and processes for 3D printed electronics

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de MateriaisThe traditional manufacturing of electronic components consists of complex and with high environmental impact methods. Those materials are potentially dangerous for both environmental and public health, during the manufacturing process and at the end of the product lifetime when not correctly handled. Thus, the goal consists of producing in a simpler/cheaper way and with lower environmental impact, materials to be used into electronic components. In this work inks based of a natural polymer (carrageenan) and ultrapure water (a “green” solvent) were used to produce more environmentally friendly printable electronic components. To achieve magnetic, conductive and dielectric properties CoFe2O4 (CFO), multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and BaTiO3 (BTO) nanoparticles were added, respectively. To promote a better dispersion and, therefore, to improve the properties of the final product, Triton X-100 was used as a surfactant. Trition X-100 was selected among other surfactants, since it has shown better results on initial selection tests. For the printing process, the most suitable parameters were selected according to the ink viscosity to improve the process as well as to optimize the method to introduce the ink into the syringe. Morphological, thermal, and mechanical tests were performed in order to evaluate the effects of fillers addition and concentration. Dielectric tests were carried out to the samples with BTO. The higher dielectric constant has been obtained for the sample with 20 wt.% BTO content, reaching 1.3 x 104 at 10 kHz. The electrical conductivity evaluation in the samples with MWCNTs shows that a DC conductivity of 0.026 S.m-1 is achieved for the sample with 5 wt.% MWCTNs content. Vibrating sample magnetometer (VSM) test was performed to analyse the magnetic behaviour of the composite samples with CFO, a saturation magnetization of 11 emu.g-1 being obtained for the samples with 20 wt.% CFO content. The inks developed on this work highlights the relevance of the implementation of natural materials as a base for the development of functional and multifunctional materials. Adding to that, this work can also act as an incentive to the study of materials and manufacturing procedures with lower environmental risks with the capacity of still answering society’s needs.A manufatura tradicional de componentes eletrónicos consiste em métodos complexos, com elevado impacto ambiental, quer por gasto energético quer pelos materiais usados que são potencialmente nocivos para o ambiente e para a saúde pública, durante o processo de fabrico e no final de vida do produto, quando não corretamente processados. Visto isto, o objetivo deste projeto consiste em produzir de um modo simples, com baixo custo e com menor impacto ambiental materiais que possam ser usados em componentes eletrónicos. Assim, neste trabalho foram desenvolvidas tintas à base de um polímero natural (carragenina) e água ultrapura (usada como solvente “verde”) para produzir componentes eletrónicos impressos mais amigos do ambiente. De modo a fornecer propriedades magnéticas, condutivas e dielétricas foram adicionadas nanopartículas de CoFe2O4 (CFO), Multicamadas de Nanotubos de Carbono (MWCNTs) e BaTiO3 (BTO), respetivamente. Para promover uma melhor dispersão foi usado Triton X-100 como surfactante. No processo de impressão foram estudados os parâmetros mais adequados de acordo com a viscosidade da tinta para tornar o processo mais rentável assim como tentar encontrar o melhor método para introduzir a tinta dentro da seringa com a menor formação de bolhas possível. Os testes morfológicos, térmicos e mecânicos foram feitos para todas as amostras para comparar as propriedades fornecidas pela adição das partículas, avaliando a sua interferência com o aumento da concentração de filler. Os testes dielétricos foram realizados para as amostras de BTO. A constante dielétrica com valor mais elevado foi obtido para a amostra com concentração de 20 wt.% BTO, atingindo 1.3 x 104 a 10 kHz. A avaliação dos testes de condutividade elétrica nas amostras de MWCNTs, mostraram uma condutividade DC de 0.026 S.m-1 foi obtida para a mostra com concentração de 5 wt.% MWCTNs. O teste de mapeamento de fluxo de valor (VSM) foi realizado para analisar o comportamento magnético do compósito com partículas de CFO, a magnetização de saturação de 11 emu.g-1 foi obtida para a amostra com concentração de 20 wt.% CFO . As tintas desenvolvidas neste trabalho veem dar relevância à implementação de materiais naturais como base para o desenvolvimento de materiais funcionais e multifuncionais. Vem também promover o estudo de materiais e métodos de produção com menos impacto ambiental e que consigam manter a resposta às necessidades da sociedade