DEVELOPMENT OF IONIC CONDUCTIVE CELLULOSE MAT BY SOLUTION BLOW SPINNING AND LASER-INDUCED GRAPHENE FROM PINEAPPLE NANOCELLULOSE FOR USE IN FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICES
In the face of environmental issues and aiming at electronic devices of rapid production at low
cost, this doctoral thesis proposed two new and innovative approaches to obtain substrates, dielectrics,
and electrodes from a single biopolymer: cellulose. In a first moment, a simple approach
to produce low-cost flexible ionic conductive cellulose mats (ICCMs) using solution blow spinning
(SB-Spinning) is reported. The electrochemical properties of the ICCMs were adjusted through
infiltration with alkali hydroxides (LiOH, NaOH, or KOH), which enabled of ICCMs application as
dielectric and substrate in oxide-based field effect transistors (FETs) and pencil-drawn resistorloaded
inverters. The FETs showed good electrical performance under operating voltage <2.5 V,
which was strictly associated with the type of alkali ion incorporated, presenting satisfactory performance
for the ICCM infiltrated with K+ ion. The inverters with K+ ions also presented good
dynamic performance, with a gain close to 2. Regarding the cellulose-based electrodes, a second
innovative approach is reported to synthetize laser-induced graphene (LIG) structures from carboxymethyl
cellulose (CMC)-based ink containing LIG obtained from cellulose nanocrystals
(CNCs) extracted from pineapple leaf fibers (PALFs). To prove this concept, zinc oxide ultraviolet
(ZnO UV) sensors were designed varying the amount of LIG from CNCs. Sensor obtained from
LIG written directly on paper substrate were also performed. The ZnO UV sensors designed with
CMC-based ink showed responsivity 40-fold higher than that of paper direct-written LIG, as well
as excellent electrical performance under flexion. These findings may open new promising possibilities
for low-consumption wearable electronics, allowing the use of concepts such as the "Internet
of Things" and opening the possibility of generating 100% organic cellulose-produced electronic
devices.Frente às questões ambientais e visando dispositivos eletrônicos de rápida produção e baixo
custo, este projeto de pesquisa de doutorado propôs duas abordagens inovadoras para a obtenção
de substratos, materiais dielétricos e eletrodos a partir de um único biopolímero: a celulose.
Em um primeiro momento relata-se uma abordagem simples para produzir mantas condutoras
iônicas de celulose (ICCM) flexíveis aplicando fiação por sopro em solução (SB-Spinning) seguido
da infiltração com hidróxidos alcalinos (LiOH, NaOH ou KOH), permitindo sua aplicação
como dielétrico e substrato em transistores e inversores com resistor desenhado a lápis. Os
transistores exibiram um bom desempenho sob tensão de operação abaixo de 2,5 V, apresentando
desempenho satisfatório para as mantas infiltradas com K+, além do inversor apresentar
um ganho próximo de dois. Visando também eletrodos oriundos da celulose, este projeto relatou
uma abordagem inovadora para sintetizar grafeno induzido por laser (LIG) a partir de tinta à base
de carboximetilcelulose (CMC) contendo LIG obtido de nanocristais de celulose (CNCs) do abacaxi.
Como prova de conceito, sensores de ZnO UV foram projetados variando a quantidade de
LIG dos CNCs na tinta a base de CMC, assim como sensores obtidos por escrita direta de LIG
em substrato de papel. Os sensores de ZnO UV flexíveis formulados com tinta apresentaram
responsividade 40 vezes maior que os sensores contendo LIG direto do papel. Essas descobertas
podem inaugurar uma nova Era na geração de eletrônicos vestíveis de baixo consumo, permitindo
conceitos como "Internet das Coisas", e abrindo a possibilidade de dispositivos 100%
orgânicos oriundos da celulose
