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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Fabricação de trilhas condutoras através de tecnologia de impressão 3D
Title Alternative: Fabrication of conductive tracks using 3D printing technology
Author: Gäal, Gabriel, 1992-
Advisor: Riul Júnior, Antonio, 1968-
Abstract: Resumo: Hoje em dia um dos maiores desafios na área de fabricação de eletrodos é o desenvolvimento de novos materiais e métodos alternativos às técnicas tradicionais. Neste cenário, a eletrônica impressa aparece como alternativa interessante devido à simplicidade e robustez para deposição de trilhas condutoras em designs diversos. Aliado a tal fato, o desenvolvimento de novos materiais e novas tecnologias de impressão 3D facilita a aplicação dessa técnica no desenvolvimento de dispositivos, diminuindo custos, etapas de fabricação e tempo de prototipagem. Nesse projeto apresentamos o desenvolvimento de eletrodos interdigitados (IDEs, do inglês interdigitated electrodes) impressos utilizando uma impressora 3D Mendel90, totalmente montada pelo nosso grupo de pesquisa em colaboração com o Prof. Varlei Rodrigues. Utilizamos um filamento comercial a base de ácido polilático (PLA) dopado com fibras de grafeno para a impressão das trilhas condutoras, além de PLA transparente, também comercial, para impressão do suporte sobre o qual os IDEs foram impressos. Conseguimos imprimir IDEs em ~ 10 minutos, algo impraticável com técnicas fotolitográficas. Alternativamente, realizamos a funcionalização química das trilhas condutoras utilizando um banho de 2 h em solução de KMnO4 diluído em H2SO4, seguido por uma limpeza em água ultrapura e nova lavagem em HCl. Finalmente, para remoção do permanganato residual da superfície dos eletrodos, banhamos rapidamente as trilhas em solução de H2SO4 com H2O2 em proporção de 25% para 75% respectivamente. Realizamos caracterizações morfológicas, composição química, medidas elétricas e eletroquímicas das trilhas impressas e dos eletrodos funcionalizados quimicamente, comparando com resultados de IDEs de ouro de geometria idêntica. Em particular, verificamos diferenças significativas na impedância dos eletrodos impressos em relação aos de ouro, devido a baixa capacidade de formação de dupla-camada elétrica nos IDEs impressos. Foi observado também que o tratamento químico proposto modifica a resposta elétrica, aproximando o espectro de impedância dos eletrodos impressos ao obtido com os IDEs de ouro. Verificamos que a funcionalização química aumenta o desbalanceamento de cargas na superfície dos eletrodos impressos, favorecendo a formação de dupla-camada elétrica na interface eletrodo/eletrólito. Aproveitando esse desbalanceamento, realizamos a deposição de filmes poliméricos nanoestruturados visando o desenvolvimento de uma língua eletrônica totalmente impressa. Como etapa final, utilizamos esse sensor na distinção de amostras de solos com diferentes tipos de macro nutrientes, obtendo resultados semelhantes aos obtidos por sensores tradicionais. Com esta prova de conceito esperamos contribuir para uma metodologia mais simples, barata e rápida na fabricação de eletrodos e dispositivos explorando as facilidades da técnica de impressão 3D, permitindo sua prototipagem em geometrias complexas e tridimensionais que possam ser futuramente aplicados em sensoriamento e biossensoriamento

Abstract: Nowadays, one of the biggest issues addressed to sensor fabrication is build up efficient electrodes as an alternative way to the complex and expensive processes required by traditional techniques. Within this context, printed electronics arises as an interesting alternative due its simplicity and robustness to put electrodes on various surfaces. Furthermore, the development of new materials and technologies to 3D printing techniques eneables its exploration as a cheap and accessible technology to fabricate electrodes and potentiates several fields with more creative ideas, cost-effective and alternative materials for a rapid prototyping of complex devices. We show here the fabrication of fully 3D printed interdigitate electrodes (IDE) using a standard home-made Mendel90 Fused Deposition Modeling 3D printer, assembled in our research group in collaboration with Prof. Varlei Rodrigues. We used a commercial polylactic acid (PLA) filament doped with graphene fibers to print the conductive tracks and transparent PLA filament to print the electrodes substrate. As a result, we were able to develop fully 3D printed IDEs within 10 minutes, something impossible to achive with photolitographic techniques. We also applied a chemical functionalization to the electrodes with a 2 hours bath of KMnO4 dissolved in a H2SO4 solution, followed by a cleaning process with ultra-pure water and HCl. The IDEs were then immersed in a 25% H$2SO4 and 75% H2O2 solution in order to remove the potassium permanganate thin film adhered to the IDE surface. Finally, we carried out morphological, chemical composition, electrical and electrochemistry characterizations of the 3D printed IDEs, besides the functionalized electrodes and the results were compared with identical gold IDEs. In particular, we noticed a great difference between the electrical impedance response of the gold IDE compared with the 3D printed due to its low capacity to form electrical double layer. Moreover, we verified that the chemically treated IDEs show a similiar impedance behavior compared with the gold electrodes due a higher unbalance of superficial charges. Therefore, we explored this higher surface charge distribution to deposit polimeric nanostructured films aiming the development of a fully 3D printed electronic tongue. Lastly, we used this sensor to distinguish different soil samples fertilized with different macro nutrients. We obtained a distinguish equivalent to a tradicional e-tongue system built with microfabrication techniques. With this proof of concept, we expect to contribute with a simpler, cheaper and faster thecnique of electrode and device fabrication that explore the facilities and strengths of 3D printing technologies, eneabling their development in complex and 3D geometries for its appication in sensing and biosensing devices
Subject: Impressão tridimensional
Eletrodos
Língua eletrônica
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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