Ανάπτυξη εκτύπωσης μεταλλικών και άλλων υλικών με χρήση laser για την κατασκευή εύκαμπτων οργανικών φωτοβολταϊκών

Abstract

This work focuses on the study and application of the Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) technique for the fabrication of flexible electronic devices. Through its chapters, the research covers theoretical foundations, experimental implementation, and results in practical applications. The first chapter introduces the significance of the LIFT technique in developing flexible electronic devices. The research objectives are presented, highlighting the challenges in the industrial production of organic photovoltaics (OPVs) and organic thin-film transistors (OTFTs), as well as the need for efficient printing techniques. The second chapter delves into the theory underlying the LIFT technique, with emphasis on the physics of droplet impact and spreading, energy absorption in materials, heat transfer via thermal conductivity, and the characteristics of organic photovoltaics. The chapter outlines key concepts governing sintering and laser-material interaction. The third chapter describes the materials and methods used. Metallic nanoparticle inks (such as silver and copper), flexible substrates (PET, Kapton), and two-dimensional materials are analyzed in detail. The donor fabrication process and the LIFT technique are explained, along with the characterization methods for materials and printed structures. The fourth chapter focuses on the experimental application of the LIFT technique. An advanced laser printing setup equipped with an Nd:YAG source (532 nm) and a galvanometric scanner was employed. The experiments included the printing of individual droplets and lines, laser-induced sintering of nanoparticles, and the analysis of the inks’ physicochemical and electrical properties. The fifth chapter highlights practical applications of the LIFT technique, such as the fabrication of electrodes for OPVs and OTFTs. The results demonstrate efficiencies above 9% for OPVs and comparable electrical properties to conventional methods. Additionally, the printing of lines with heights below 500 nm and widths under 90 μm is identified as a crucial feature for high-precision applications. The sixth chapter summarizes the findings, emphasizing the potential of the LIFT technique for industrial applications in flexible electronics. The capabilities of this technology include high flexibility and efficient use of advanced materials, making it ideal for the development of innovative electronic devices.

Η εργασία αυτή επικεντρώνεται στη μελέτη και την εφαρμογή της τεχνικής Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) για την κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών διατάξεων. Μέσα από τα επιμέρους κεφάλαια της, η έρευνα καλύπτει θεωρητικές βάσεις, πειραματική εφαρμογή και αποτελέσματα σε πρακτικές εφαρμογές. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται εισαγωγή στη σημασία της τεχνικής LIFT για την ανάπτυξη εύκαμπτων ηλεκτρονικών διατάξεων. Παρουσιάζονται οι στόχοι της έρευνας, οι προκλήσεις στη βιομηχανική παραγωγή οργανικών φωτοβολταϊκών (OPVs) και οργανικών τρανζίστορ λεπτού φιλμ (OTFTs), και η ανάγκη για αποτελεσματικές τεχνικές εκτύπωσης. Το δεύτερο κεφάλαιο εστιάζει στη θεωρία πίσω από την τεχνική LIFT, με έμφαση στη φυσική της πρόσκρουσης και εξάπλωσης σταγόνας, την απορρόφηση ενέργειας από υλικά, τη μεταφορά θερμότητας μέσω θερμικής αγωγιμότητας, και τα χαρακτηριστικά των οργανικών φωτοβολταϊκών. Παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες που διέπουν τη θερμοσυσσωμάτωση και την αλληλεπίδραση λέιζερ-υλικού.Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει τα υλικά και τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Τα μελάνια μεταλλικών νανοσωματιδίων (όπως ασήμι και χαλκός), εύκαμπτα υποστρώματα (PET, Kapton), και δισδιάστατα υλικά αναλύονται λεπτομερώς. Εξηγείται η διαδικασία δημιουργίας δοτών και η τεχνική LIFT, ενώ παρουσιάζονται οι μέθοδοι χαρακτηρισμού των υλικών και των παραγόμενων δομών. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στην πειραματική εφαρμογή της τεχνικής LIFT. Χρησιμοποιήθηκε προηγμένη διάταξη εκτύπωσης με πηγή Nd:YAG (532 nm) και γαλβανομετρικό σαρωτή. Τα πειράματα περιλάμβαναν την εκτύπωση μεμονωμένων σταγόνων και γραμμών, τη θερμοσυσσωμάτωση των νανοσωματιδίων με λέιζερ, και την ανάλυση των ηλεκτρικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων των μελανιών. Το πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις πρακτικές εφαρμογές της τεχνικής LIFT, όπως την κατασκευή ηλεκτροδίων για OPVs και OTFTs. Τα αποτελέσματα δείχνουν αποδόσεις άνω του 9% για τα OPVs και συγκρίσιμες ηλεκτρικές ιδιότητες με παραδοσιακές μεθόδους. Επίσης, η εκτύπωση γραμμών με ύψος μικρότερο από 500 nm και πλάτος κάτω από 90 μm αναδεικνύεται ως κρίσιμο χαρακτηριστικό για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας. Το έκτο κεφάλαιο συνοψίζει τα αποτελέσματα, υπογραμμίζοντας την προοπτική της τεχνικής LIFT για βιομηχανική εφαρμογή σε εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Επισημαίνονται οι δυνατότητες της τεχνολογίας αυτής στην ανάπτυξη καινοτόμων διατάξεων και προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα.