Printed and Coated Functionality on Natural Fibre Based Substrates

Mass-produced, paper-based printed electronics can provide a solution for the manufacturing of flexible and disposable electronic applications of the future. Traditional recyclable, high throughput, and low-cost roll-to-roll paper coating and printing processes were originally designed around conventional paper, graphics and packaging industry. Control over surface wetting properties is essential for several paper-related processes such as printing, coating and laminating. Good control over wettability, i.e. control over surface chemistry and structure, creates new possibilities for surface engineering. In this respect, printed functionality sets specific requirements on paper substrates and functional inks. This requires fundamental understanding of how to modify the surface chemistry and structure of the specialty paper qualities and the corresponding functionalized inks. In this work, the effect of surface modification on ink transfer and consecutively, electrical conductivity of the water-based conductive polymer ink PEDOT:PSS was studied. Conventional PEDOT:PSS is applied on a transparent surface such as glass or plastic film. In Paper I, the PEDOT:PSS was printed using flexography on a TiO2 liquid flame spray (LFS) nanoparticle coated paperboard. The wetting behaviour of the TiO2 nanoparticle treated surface can be controlled between highly hydrophilic and superhydrophobic states when exposed to UV-light or thermal energy, respectively. The LFS nanoparticle deposition method is also compatible with the roll-to-roll process flow typically applied in paper and paperboard production. Paper coating is the most common way to adjust the paper or paperboard surface properties. As such, the coating layer is the first component to interact with functional inks. The mineral pigment particles used in the coating formulations are typically covered by polyelectrolytes. Therefore, enhancement or adverse effects from the interaction between PEDOT:PSS and polyelectrolytes was studied in Paper II. The polyelectrolyte concentrations in paper coatings and especially on pigment particle surfaces tend to be fairly low and, therefore, difficult to reproduce under controlled laboratory conditions. At higher concentrations, the conductivity of PEDOT:PSS was greatly enhanced by the presence of an oppositely charged cationic electrolyte. The mechanism is identical to the one caused between oppositely attracted species in the layer-by-layer deposition technique. The interaction between two adjacent, tuneable layers had been limited to wetting differences or attraction of opposite species. Introducing PEDOT:PSS on top of nanofibrillated cellulose (NFC) mixed with glycerol, which are both active functional materials, provided additional alternative approaches, as shown in Paper III. By altering the coating structure, the NFC can be converted into a barrier layer which, however, does not provide additional conductivity enhancement to PEDOT:PSS. NFC can also be used as a reservoir layer designed to release constituents into the PEDOT:PSS layer leading to a conductivity improvement. The NFC barrier and reservoir layer approaches provide possibilities for organic thin film electronics applications, both as stand-alone and/or stacked configurations. Finally, in Paper IV a new design for permanent, low-cost, and planar fluidic channels on LFS TiO2 nanoparticle coated paperboard (introduced in Paper I) was demonstrated. The reversible wettability characteristics of the TiO2 nanoparticle layer was made permanent by using a wetting step after the first stage UV irradiation. Hereby, the LFS deposited TiO2 nanoparticles are partially removed from the surface forming a permanent channel. The approach can provide avenues for disposable and biodegradable point-of-care diagnostics based on planar fluidic channels.Masstillverkad tryckt elektronik på papper kan erbjuda en lösning för framställningen av framtida flexibla elektroniska engångsartiklar. Traditionella pappersbestrycknings- och tryckprocesser kännetecknas av återvinning, hög produktionskapacitet och kontinuerliga rullbaserade lågkostnads tillverkningsmetoder, som en gång i tiden skapades för att bemöta den konventionella pappers-, grafiska, och förpackningsindustrins krav. Kontroll över ytans vätningsegenskaper har avgörande betydelse i flera pappersrelaterade processer som tryckning, bestrykning och laminering. God kontroll över vätning, dvs. kontroll över ytans kemi och struktur, kan skapa nya möjligheter för tekniskt avancerad framställning av ytor. Tryckt funktionalitet och smarta egenskaper ställer i detta avseende särskilda krav på huruvida och i vilken grad ytkemin och bestrykningsskiktets struktur hos papperssubstrat bör kunna modifieras samt tryckfärger funktionaliseras. I detta arbete studerades ytmodifieringens inverkan på överföringen av den vattenbaserade polymeren/tryckfärgen PEDOT: PSS och dess elektriska ledningsförmåga. Konventionell PEDOT: PSS appliceras på en genomskinlig yta som glas eller plastfilm. I Publikation I flexotrycktes PEDOT: PSS på TiO2 -nanopartikel vätskeflambesprutad (LFS) kartong. TiO2 – behandlade ytans vätningsegenskaper kan producera omställbara superhydrofila och superhydrofoba vätningstillstånd då denna utsätts för UV-ljus respektive värmebehandling. LFS-metoden är förenlig med kontinuerliga pappers- och kartongtillverkningens rullbaserade tillverkningsprocesser. Ytegenskaperna hos papper och kartong justeras vanligtvis med bestrykningsskikt. Det är således bestrykningsskiktet som i första hand som kommer i kontakt och växelverkar med funktionella tryckfärger. Mineralpigmentpartiklarna i bestrykningssmeten är typiskt täckta med polyelektrolyter. Förbättringar eller negativa konsekvenser till följd av växelverkan mellan PEDOT:PSS och polyelektrolyter studerades i Publikation II. Pappersbestrykningar och speciellt pigmentpartikelytor tenderar mot låga polyelektrolythalter som är svåra att reproducera under kontrollerade laboratoriebetingelser. PEDOT:PSS ledningsförmåga förbättrades markant i närvaro av högre halter av motsatt laddade katjoniska elektrolyter. Mekanismen är identisk med denna i layer-by-layer -ytbeläggningsmetoden där ett nytt skikt bildas som resultat av attraktion mellan motsatt laddade arter. Växelverkan mellan två intilliggande, justerbara skikt hade hittills begränsats till vätnings- eller attraktionsskillnader. Publikation III demonstrerar appliceringen av PEDOT:PSS ovanpå nanofibrillerad cellulosa (NFC) med glycerol, där båda utgör aktiva funktionella material, och tillhandahåller flera alternativa strategier. Genom att justera NFC’s bestrykningsstruktur kan detta konverteras till ett barriärskikt utan någon vidare bidrag till förbättring av ledningsförmågan hos PEDOT: PSS. NFC kan också bistå som ett reservoarskikt som har som uppgift att frigöra glycerol och vatten i in PEDOT: PSS -skiktet och därpå följande utökning av elektrisk konduktivitet. Barriäroch reservoaregenskaperna hos NFC kan bana väg för organiska applikationer för tunnfilmsbaserad elektronik, både som fristående och/eller på varandra staplade konfigurationer. Arbetet avrundades med att i Publikation IV demonstrera en nydesignad billig tvådimensionell flödeskanal av bestående karaktär på TiO2-nanopartikel vätskeflambesprutad (LFS) kartong (presenterad i Publikation I). Det reversibelt omställbara TiO2-nanoskiktets vätningstillstånd låstes genom ett första stegs UV-bestrålning och vätning. TiO2-nanopartiklarna röjs delvis från ytan under processens gång vilket blottlägger en bestående kanal. Tillvägagångssättet kan bana väg för nedbrytbara diagnostiska engångsartiklar som baserar sig på tvådimensionella flödeskanaler

Roll-to-roll manufacturing of disposable surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensors on paper based substrates

We present two cost-effective routes for roll-to-roll (R2R) manufacturing of silver nanoparticle based surface-enhanced Raman scattering (SERS) active substrates on paper utilizing either inkjet printing or liquid flame spray (LFS) nanoparticle deposition. Paper is cost-effective, renewable, recyclable, and biodegradable that can easily be disposed after the SERS analysis. Paper based substrates can have a strong luminescence that can overshadow the rather weak SERS signal. Two solutions are presented here that solve the luminescence issue of the base paper substrate. A full silver coverage by inkjet printing or alternatively a simple flexography carbon coating can suppress the background luminescence allowing a reliable SERS characterization. The detection limit of the sample analyte crystal violet was 100 nM corresponding to 100 fmol in a 1 µl sample volume. These approaches can provide a cost-effective route towards disposable, point-of-care SERS active substrates.publishedVersionPeer reviewe

Planar fluidic channels on TiO2 nanoparticle coated paperboard

A new design for permanent, low-cost, and planar fluidic channels on TiO2 nanoparticle coated paperboard is demonstrated. Initially superhydrophobic TiO2 nanoparticle coatings can be converted to hydrophilic by ultraviolet (UVA) light, and fluidic channels can be generated. A simple water treatment after the UVA illumination converts the channels permanent when nanoparticles are removed from the illuminated and wetted areas as shown by water contact angle, FE-SEM, XPS, and ToF-SIMS analysis. This suggests new routes for inexpensive, easy to use point-of-care diagnostics based on planar fluidic channels