Processing and Characterization of Novel Graphene Containing Inks

Abstract

Scientific and industrial community currently has an increased interest in printed electronics due to its many advantages. Metallic nanoparticles and conductive polymers are mostly used in the processing of commercial conductive inks. There is extensive research and development efforts on alternative materials as conductive fillers due to high cost, chemical instability in air and liquid media of widely used fillers. Graphene materials comprised of a single layer or multiple layers of graphene flakes have recently attracted great interest and used in applications as an excellent conductive filler due to its optical transparency, high conductivity, and flexibility. The aim of this MSc work was to prepare graphite and carbon black based conductive inks. Effects of graphite (G) to carbon black (CB) ratio and the use of exfoliation liquid on conductivity, rheology and particle size distribution were investigated for graphite containing conductive inks. Inks with the lowest resistance of 0.02 kΩ was obtained by using ball milling in N-metil-2-pirrolidon (NMP) as exfoliation liquid with the lowest particle size with an average of 18.0 µm. Inks prepared in this work showed shear thinning behavior independent of the exfoliation liquid used in their preparation. The highest thixotropy was measured in water exfoliated ink with 1801 Pa.s-1 and this dispersion had the lowest conductivity. A series of inks with different graphite to carbon black ratios were prepared under similar conditions. The lowest resistance 0.045 kΩ was determined at a graphite to carbon black ratio of 1 by using ethylene glycol as an exfoliation liquid. The use of ethylene glycol in commercial ink preparation may be advantageous due to its lower cost and environmentally friendly chemical properties. The highest degree of thixotropy and viscosity was measured in ink prepared at G/CB ratio of 0.5. This ink also had the highest resistance due to low amount of graphite compared to carbon black which indicated the critical importance of G/CB ratio.

Günümüzde birçok avantajı nedeniyle basılı elektroniklere olan ilgi bilimsel ve endüstriyel topluluk tarafından artmıştır. Ticari iletken mürekkeplerin işlenmesinde çoğunlukla metalik nanopartiküller ve iletken polimerler kullanılır. Yaygın olarak kullanılan bu dolgu maddelerinin yüksek maliyeti, hava ve sıvı ortamdaki kimyasal kararsızlığı nedeniyle başka alternatif malzemeler üzerinde kapsamlı araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Tek bir katmandan veya çok sayıda grafen pul katmanından oluşan grafit malzemeleri, son zamanlarda optik şeffaflığı, yüksek iletkenliği ve esnekliği nedeniyle uygulamalarda mükemmel bir iletken dolgu maddesi olarak kullanıldığı için büyük ilgi görüyor. Bu yüksek lisans çalışmasının amacı, grafit ve karbon siyahı bazlı iletken mürekkepler hazırlamaktır. Grafitin karbon karası oranına ve eksfoliasyon sıvısının iletkenlik, reoloji ve parçacık boyutu dağılımı üzerindeki etkileri, grafit içeren iletken mürekkep için araştırılmıştır. Eksfoliasyon sıvısı olarak N-metil-2-pirrolidon (NMP) içinde bilyeli öğütme kullanılarak en düşük partikül boyutuna ve ortalama 18.0 µm ile 0.02 kΩ ile en düşük dirence sahip mürekkepler elde edilmiştir. Bu çalışmada hazırlanan mürekkepler kesme gerilimi altında incelme davranışı göstermektedir ve bu özellik kullanılan eksfoliasyon sıvısından bağımsızdır. En yüksek tiksotropi, 1801 Pa.s-1 ile suyla eksfoliasyon edilmiş mürekkepte ölçülmüştür ve bu dispersiyon en düşük iletkenliğe sahiptir. Benzer koşullar altında farklı grafit-karbon siyahı oranlarına sahip bir dizi mürekkep hazırlanmıştır. En düşük direnç 0.045 kΩ, eksfoliasyon sıvısı olarak etilen glikol kullanılarak grafitin karbon siyahına oranını 1 olduğunda ölçülmüştür. Etilen glikolün ticari mürekkep hazırlamada kullanılması, düşük maliyeti ve çevre dostu kimyasal özellikleri nedeniyle kullanılması avantajlı olabilir. En yüksek tiksotropi ve viskozite derecesi, 0.5 G/CB oranında hazırlanan mürekkepte ölçülmüştür. Bu mürekkep ayrıca G/CB oranının kritik önemini gösteren karbon siyahına kıyasla düşük grafit miktarı nedeniyle en yüksek dirence sahiptir.