Magnetically responsive inks for printed electronics components and devices: integration into fully printed magnetic sensors

Abstract

Flexível”, “extensível” e “dobrável” são alguns dos conceitos que podem alterar a nossa relação com o mundo que nos rodeia, num futuro muito próximo. Entre as técnicas que podem permitir estes desenvolvimentos, o destaque científico tem-se centrado em todas aquelas relacionadas com a impressão, uma vez que estas possibilitam a obtenção de dispositivos com um custo reduzido e com menor impacto ambiental, bom desempenho, permitindo também o seu processamento em grandes áreas e, ainda, o uso de substratos flexíveis. Desta forma, as técnicas de impressão estão a tornar-se num fator chave para a indústria, comércio e consumidores finais. Apesar das vantagens acima mencionadas, os sensores impressos disponíveis atualmente, apresentam várias limitações em comparação com os sensores convencionais, nomeadamente o baixo tempo de vida útil e de operação, a baixa sensibilidade, o baixo alcance e o elevado ruído. Além disso, com a necessária redução da pegada ecológica em todos os tipos de setores, é cada vez mais importante o desenvolvimento de tintas com alternativas aos solventes tóxicos utilizados, rumo a abordagens “ecologicamente mais sensatas”. Neste contexto, o presente trabalho centra-se no desenvolvimento de materiais magneticamente responsivos para o desenvolvimento de sensores magnéticos impressos. Assim, um compósito magnetoelétrico (ME) flexível e transparente foi preparado com base em microfios magnetostritivos Fe72.5Si12.5B15 e poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno), P(VDF-TrFE). A alta magnetostrição de Fe72.5Si12.5B15 (35 ppm) permitiu uma elevada resposta de tensão ME (65 mV cm−1 Oe− 1) obtida no campo magnético longitudinal crítico igualando a anisotropia transversal (14500 Am−1) na camada externa do microfio. Este é um caminho interessante para a eletrónica transparente. Além disso, um novo material ME flexível e totalmente impresso, foi desenvolvido com base em P(VDF-TrFE) e PVDF-CFO, exibindo um comportamento ferromagnético com magnetização de saturação de 16 emu g− 1, resposta piezoelétrica −26 pC N− 1 e um coeficiente ME (α) de 164 mV cm−1 Oe−1 a uma frequência de ressonância longitudinal de 16,2 kHz. Este comportamento otimizado demonstra a compatibilidade do material desenvolvido para aplicações, incluindo sensores impressos, atuadores e armazenamento de energia. Após estes resultados promissores, o passo seguinte foi a redução do impacto ambiental nos materiais desenvolvidos. Foi demonstrado que nanocompósitos de P(VDF-TrFE) / CoFe2O4 podem ser preparados por fusão de solvente utilizando 3 solventes diferentes: dimetilsulfóxido (DMSO), N, N′-dimetilpropilenoureia (DMPU) e trietilfosfato (TEP). A sensibilidade dos nanocompósitos ME propostos, em condições específicas de HAC (2188 μV T-1), duplicou relativamente aos valores reportados na literatura para solventes não verdes (1280 μV T-1), abrindo caminho para o desenvolvimento de sensores e atuadores mais ecológicos. Finalmente, foi também desenvolvido um sensor de proximidade magnética baseado em compósitos ME de PVDF/Metglas® e uma bobina impressa. O sensor de proximidade magnética proposto apresentou um α = 50,2 V cm−1 Oe−1, uma resposta linear AC (R2 = 0,997) e uma saída de tensão máxima de 362 mV, adequado para aplicações de deteção de proximidade em diversas áreas, tais como aerospacial e automóvel. Como conclusão, o presente trabalho demonstrou a compatibilidade do desenvolvimento de tintas inteligentes com resposta funcional otimizada para a fabricação de dispositivos magnéticos e ME por tecnologias de manufaturação aditiva.

“Flexible”, “stretchable”, “foldable” and “usable” are just some of the most common concepts that can change our relationship with other people and with the world around us. Among all the techniques that allowed those developments, the highlight goes to all those related to printing, since they make it possible to obtain devices with a reduced cost and reduced environmental impact, good performance, still allowing processing in large areas and flexible substrates, thus becoming a key factor for industry, commerce and consumers. Despite the advantages mentioned above, the available printed sensors nowadays, have several limitations in comparison with conventional sensors, namely the short useful and operating life, low sensitivity, low range, and high noise. Further, with the needed reduction of the ecological footprint in all types of sectors, it is increasingly important the development of inks with alternatives to conventionally used toxic solvents, heading towards “environmentally friendly” approaches. In this context, the present work focuses on the development of magnetically responsive materials for the development of printable magnetic sensors. Thus, a flexible and transparent magnetoelectric (ME) composite was prepared based on magnetostrictive Fe72.5Si12.5B15 microwires and piezoelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) P(VDF–TrFE). The high magnetostriction of Fe72.5Si12.5B15 (35 ppm) enabled superior ME voltage response (65 mV cm−1 Oe−1) obtained at the critical longitudinal magnetic field equating the transverse anisotropy (14500 A m−1) on the external shell of the microwire. This is an interesting path towards transparent electronics. Also, a novel screen-printed, and flexible ME material was developed based on P(VDF–TrFE) and PVDF–CFO. The all-printed ME composite exhibited a ferromagnetic behavior with 16 emu g−1 saturation magnetization, −26 pC N−1 piezoelectric response and a ME voltage coefficient (α) of 164 mV cm−1 Oe−1 at a longitudinal resonance frequency of 16.2 kHz. Such optimized behavior demonstrates the suitability of the developed material for applications including printed sensors, actuators, and energy harvesters. After such promising results, the next step was the reduction of the environmental impact of the developed high-performance materials. It was reported that P(VDF-TrFE)/ CoFe2O4 nanocomposite films can be prepared by solvent casting using Dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N′-Dimethylpropyleneurea (DMPU) and Triethyl phosphate (TEP). The sensitivity of the proposed ME nanocomposites under specific HAC conditions (2188 μV T-1) almost doubled the highest values reported in the literature (1280 μV T-1), opening the path for the development of environmentally friendlier sensors and actuators. Finally, a magnetic proximity sensor was developed based on ME PVDF/Metglas® composites and an excitation-printed coil. The proposed magnetic proximity sensor showed a maximum resonant α = 50.2 V cm−1 Oe−1, an AC linear response (R2 = 0.997) and a maximum voltage output of 362 mV, which suggests suitability for proximity-sensing applications in a variety of areas, such as aerospace and automotive. As a conclusion, the present work has demonstrated the suitability of developing smart inks with tailored functional response for the fabrication of magnetic and ME devices by additive manufacturing technologies.