Cork as a novel material for Printed Electronics

Abstract

Cork is one of the oldest materials used by Man, with exceptional characteristics that allow its introduction in the field of electronics as a material that is not only innovative but also sustainable. Composite cork agglomerates from cork industrial waste have all the intrinsic properties of natural cork, making it a great starting point for introducing cork into electronics. Motivated by the growing need in the use of new natural and self-sustainable materials, it was developed with the use of another ecological and innovative material, cellulose nanofibers, a simple, low energy and low-cost method of surface planarization, which improves significantly the surface characteristics of cork for later use as an electronic substrate. Several surface studies were carried out on the cork agglomerate at various stages of the planarization process to optimize each step of the overall process. Due to the hydrophobicity of cork surface, oxygen low-pressure plasma treatment was performed as an essential initial step for surface activation, followed by an extensive surface analysis through SEM, ATR-FTIR spectrum, contact angle measurements, and surface energy calculation to understand the induced changes. Subsequently, several types of thin cellulose nanofibers layers were applied over the activated cork agglomerate surface, significantly reducing the surface roughness hitherto presented, with improved adhesion. As a result, planarized cork agglomerate substrates display lower surface roughness, being optimized to be used in a wide range of electronic devices. Proving its applicability in electronic devices, the produced planarized substrates were successfully used alongside carboxymethyl cellulose and zinc oxide in the development of screen- printed ultraviolet sensors, presenting high production replicability, higher photocurrents than the equivalent substrate without any type of treatment, and stable performances over continuous use cycles.

A cortiça é um dos materiais mais antigos utilizados pelo Homem, com características excecionais que possibilitam a sua introdução no campo da eletrónica como um material não só inovador, mas também totalmente sustentável. Aglomerados compósitos de cortiça provenientes do desperdício industrial apresentam todas as propriedades intrínsecas da cortiça natural, sendo assim um ótimo ponto de partida para a introdução da cortiça na eletrónica. Motivado pela crescente necessidade que a indústria eletrónica apresenta na utilização de novos materiais naturais e autossustentáveis, foi desenvolvido com a utilização de outro material ecológico e inovador, as nanofibras de celulose, um método de planarização superficial simples e de baixo custo energético, que melhora de forma significativa as características superficiais da cortiça para posterior utilização como substrato eletrónico. Em primeiro lugar, foram realizados diversos estudos superficiais ao aglomerado de cortiça em várias etapas do processo de planarização, a fim de aperfeiçoar cada passo do processo global. Devido à hidrofobia da cortiça, foi realizado como etapa inicial do processo um tratamento de plasma a baixa pressão com oxigénio essencial para a ativação superficial, juntamente com uma extensa análise superficial através de SEM, espectro ATR-FTIR, medição do ângulo de contato e cálculo da energia superficial de modo a analisar as alterações provocadas. Posteriormente, diversos tipos de camadas finas de nanofibras de celulose foram aplicadas sobre a superfície ativada da cortiça, diminuindo de forma acentuada a rugosidade superficial até então apresentada. Como resultado, foram obtidos substratos planarizados que apresentam rugosidades muito inferiores às iniciais, estando otimizados para utilização num vasto leque de dispositivos eletrónicos. Comprovando a sua aplicabilidade num dispositivo eletrónico, os substratos planarizados foram utilizados com sucesso na criação, através de screen-printing, de sensores ultravioleta de carboximetilcelulose e óxido de zinco. Estes sensores possuem elevada reprodutibilidade de produção, fotocorrentes superiores ao substrato equivalente sem qualquer tipo de tratamento e performances estáveis ao longo de ciclos contínuos de utilização.