Analytic circuit model for thermal drying behavior of electronic inks
Creators
- 1. National Technological University
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 3. Universidad Nacional del Sur
- 4. Planta Piloto de Ingeniería Química
- 5. Silicon Austria Labs (Austria)
Description
Understanding the sintering process of conductive inks is a fundamental step in the development of sensors. The intrinsic properties (such as thermal conductivity, resistivity, thermal coefficient, among others) of the printed devices do not correspond to those of the bulk materials. In the field of biosensors porosity plays a predominant role, since it defines the difference between the geometric area of the working electrode and its electrochemical surface area. The analysis reported so far in the literature on the sintering of inks are based on their DC characterization. In this work, the shape and distribution of the nanoparticles that make up the silver ink have been studied employing a transmission electron microscopy. Images of the printed traces have been obtained through a scanning electron microscope at different sintering times, allowing to observe how the material decreases its porosity over time. These structural changes were supported through electrical measurements of the change in the trace impedance as a function of drying time. The resistivity and thermal coefficient of the printed tracks were analyzed and compared with the values of bulk silver. Finally, this work proposes an analytical circuit model of the drying behavior of the ink based on AC characterization at different frequencies. The characterization considers an initial time when the spheric nanoparticles are still surrounded by the capping agent until the conductive trace is obtained. This model can estimate the characteristics that the printed devices would have, whether they are used as biosensors (porous material) or as interconnections (compact material) in printed electronics.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعد فهم عملية تلبيد الأحبار الموصلة خطوة أساسية في تطوير أجهزة الاستشعار. لا تتوافق الخصائص الجوهرية (مثل الموصلية الحرارية والمقاومة والمعامل الحراري، من بين أمور أخرى) للأجهزة المطبوعة مع خصائص المواد السائبة. في مجال أجهزة الاستشعار الحيوية، تلعب المسامية دورًا سائدًا، لأنها تحدد الفرق بين المساحة الهندسية للقطب الكهربائي العامل ومساحة سطحه الكهروكيميائية. يعتمد التحليل الذي تم الإبلاغ عنه حتى الآن في الأدبيات المتعلقة بتلبيد الأحبار على توصيف DC الخاص بها. في هذا العمل، تمت دراسة شكل وتوزيع الجسيمات النانوية التي تشكل الحبر الفضي باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال. تم الحصول على صور الآثار المطبوعة من خلال المجهر الإلكتروني الماسح في أوقات تلبيد مختلفة، مما يسمح بملاحظة كيف تقلل المادة من مساميتها بمرور الوقت. تم دعم هذه التغييرات الهيكلية من خلال القياسات الكهربائية للتغير في معاوقة التتبع كدالة لوقت التجفيف. تم تحليل المقاومة والمعامل الحراري للمسارات المطبوعة ومقارنتها بقيم الفضة السائبة. أخيرًا، يقترح هذا العمل نموذج دائرة تحليلية لسلوك تجفيف الحبر بناءً على توصيف التيار المتردد عند ترددات مختلفة. يأخذ التوصيف في الاعتبار الوقت الأولي عندما لا تزال الجسيمات النانوية الكروية محاطة بعامل التغطية حتى يتم الحصول على الأثر الموصل. يمكن لهذا النموذج تقدير الخصائص التي ستتمتع بها الأجهزة المطبوعة، سواء تم استخدامها كمستشعرات حيوية (مادة مسامية) أو كتوصيلات (مادة مدمجة) في الإلكترونيات المطبوعة.Translated Description (French)
Comprendre le processus de frittage des encres conductrices est une étape fondamentale dans le développement des capteurs. Les propriétés intrinsèques (telles que la conductivité thermique, la résistivité, le coefficient thermique, entre autres) des dispositifs imprimés ne correspondent pas à celles des matériaux en vrac. Dans le domaine des biocapteurs, la porosité joue un rôle prédominant, car elle définit la différence entre la surface géométrique de l'électrode de travail et sa surface électrochimique. L'analyse rapportée jusqu'à présent dans la littérature sur le frittage des encres est basée sur leur caractérisation DC. Dans ce travail, la forme et la distribution des nanoparticules qui composent l'encre d'argent ont été étudiées en utilisant une microscopie électronique à transmission. Des images des traces imprimées ont été obtenues au microscope électronique à balayage à différents temps de frittage, permettant d'observer comment le matériau diminue sa porosité au fil du temps. Ces changements structurels ont été soutenus par des mesures électriques de l'évolution de l'impédance des traces en fonction du temps de séchage. La résistivité et le coefficient thermique des pistes imprimées ont été analysés et comparés aux valeurs de l'argent en vrac. Enfin, ce travail propose un modèle de circuit analytique du comportement de séchage de l'encre basé sur la caractérisation CA à différentes fréquences. La caractérisation considère un temps initial où les nanoparticules sphériques sont encore entourées par l'agent de coiffage jusqu'à l'obtention de la trace conductrice. Ce modèle peut estimer les caractéristiques que les dispositifs imprimés auraient, qu'ils soient utilisés comme biocapteurs (matériau poreux) ou comme interconnexions (matériau compact) dans l'électronique imprimée.Translated Description (Spanish)
Comprender el proceso de sinterización de las tintas conductoras es un paso fundamental en el desarrollo de sensores. Las propiedades intrínsecas (como conductividad térmica, resistividad, coeficiente térmico, entre otras) de los dispositivos impresos no se corresponden con las de los materiales a granel. En el campo de los biosensores la porosidad juega un papel predominante, ya que define la diferencia entre el área geométrica del electrodo de trabajo y su área superficial electroquímica. El análisis informado hasta ahora en la literatura sobre la sinterización de tintas se basa en su caracterización DC. En este trabajo se ha estudiado la forma y distribución de las nanopartículas que componen la tinta de plata empleando un microscopio electrónico de transmisión. Las imágenes de las trazas impresas se han obtenido a través de un microscopio electrónico de barrido en diferentes tiempos de sinterización, lo que permite observar cómo el material disminuye su porosidad con el tiempo. Estos cambios estructurales fueron apoyados a través de mediciones eléctricas del cambio en la impedancia de la traza en función del tiempo de secado. Se analizó la resistividad y el coeficiente térmico de las pistas impresas y se comparó con los valores de plata a granel. Finalmente, este trabajo propone un modelo de circuito analítico del comportamiento de secado de la tinta basado en la caracterización de CA a diferentes frecuencias. La caracterización considera un tiempo inicial en el que las nanopartículas esféricas todavía están rodeadas por el agente de recubrimiento hasta que se obtiene la traza conductora. Este modelo puede estimar las características que tendrían los dispositivos impresos, ya sea que se utilicen como biosensores (material poroso) o como interconexiones (material compacto) en la electrónica impresa.Files
pdf.pdf
Files
(1.8 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:2087a90bbb9f96358e9d27ccef55fa23
|
1.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج الدائرة التحليلية لسلوك التجفيف الحراري للأحبار الإلكترونية
- Translated title (French)
- Modèle de circuit analytique pour le comportement de séchage thermique des encres électroniques
- Translated title (Spanish)
- Modelo de circuito analítico para el comportamiento de secado térmico de tintas electrónicas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4313595452
- DOI
- 10.3389/felec.2022.1060197
References
- https://openalex.org/W1985878185
- https://openalex.org/W1997585234
- https://openalex.org/W2025283853
- https://openalex.org/W2067157960
- https://openalex.org/W2079975399
- https://openalex.org/W2081608928
- https://openalex.org/W2113418581
- https://openalex.org/W2149955678
- https://openalex.org/W2400100982
- https://openalex.org/W2501594490
- https://openalex.org/W2525787693
- https://openalex.org/W2606035816
- https://openalex.org/W2739773396
- https://openalex.org/W2925803900
- https://openalex.org/W3004719824
- https://openalex.org/W4206746811
- https://openalex.org/W4221002625