Graphene based stretchable electronics

Abstract

Esnek elektronik bileşenler, geleneksel sert elektroniklere karşı, gerilme kuvvetlerine maruz kaldıklarında mekanik stresle başa çıkabilen elektronik bileşenlerdir. Giyilebilir teknolojinin ortaya çıkmasıyla birlikte, uyumlu elektroniklere olan ihtiyaçları nedeniyle önem kazanmışlardır. Dalgalı, ada ve Kirigami'den ilham alan tasarımlar gibi yapısal genişletilebilirlik sağlamak için çeşitli malzeme tasarımları araştırılmaktadır. Esnek ve iletken kompozitlerde malzeme seçimi kritik öneme sahiptir; bu genellikle metaller, karbon nanotüpler ve grafen gibi nanomalzemelerle doldurulmuş elastomerler kullanılarak gerçekleştirilir. Dikkat çeken özel bir malzeme tasarımı, poliimid gibi substratlar üzerinde farklı lazer dalga boyları kullanılarak üretilen lazer kaynaklı grafendir. Bu yöntem, ölçeklenebilirlik ve üretim açısından potansiyel avantajlar sunar. Bu çalışmanın amacı, esnetilebilir elektroniklerin gelişimini tartışmak ve lazer kaynaklı grafen (LIG) ve Kirigami'den ilham alan desenler kullanarak yeni tasarımları keşfetmektir. Bu hedefe ulaşmak için LIG, morfolojisini analiz etmek için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımı Spektrometresi (EDX), Raman Spektroskopisi ve X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) gibi ileri teknikler kullanılarak karakterize edilir. Bileşimi, kusurları ve bağlanma özellikleri incelenir. Ayrıca, bu çalışma için özel olarak oluşturulan benzersiz bir tasarım da dahil olmak üzere, Kirigami'den ilham alan çeşitli tasarımlar, performanslarını değerlendirmek için mekanik testlere tabi tutuldu. Uygun bir örnek seçildikten sonra, iki farklı cihaz tasarımı elektriksel performans testine tabi tutuldu. Karakterizasyon testlerinin sonuçları, LIG'nin başarılı bir şekilde üretildiğini gösterdi. Mekanik testler, benzersiz olarak oluşturulan tasarımın yüksek mekanik performansını gösterdi. Performans değerlendirmesi, çizgi deseninin gerilme kuvvetlerine maruz kaldığında dirençte daha az değişiklik gösterdiğini ortaya koyarken, her iki tasarımın da alt tabaka deformasyonu nedeniyle döngüler boyunca dirençte bir artış gösterdiğini ortaya çıkardı.Stretchable electronic components are electronic components that, unlike traditional rigid electronics, can withstand mechanical stress when subjected to stretching forces. They have become important with the advent of wearable technology, which requires compliant electronics. Various material designs are being investigated to ensure structural extensibility, such as Wavy, island and Kirigami-inspired designs. Material selection is critical in stretchable and conductive composites, which commonly use elastomers filled with nanomaterials such as metals, carbon nanotubes, and graphene. One particular material design that has attracted attention is laser-induced graphene, which is produced using different laser wavelengths on substrates such as polyimide. This method offers potential advantages in terms of scalability and manufacturing. The aim of the present thesis is to discuss the development of stretchable electronics and explore new designs using laser-induced graphene (LIG) and Kirigami-inspired patterns. To achieve this goal, LIG is characterized using advanced techniques such as Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX), Raman spectroscopy and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) to analyze its morphology, composition, defects, and bonding properties. In addition, various Kirigami-inspired designs, including a unique design created specifically for this thesis, were subjected to mechanical testing to evaluate their performance. Once an appropriate sample was selected, two different device designs were subjected to electrical performance testing. The results of the characterization tests showed the successful production of LIG. The mechanical tests highlighted the high mechanical performance of the uniquely created design. Performance evaluation revealed that the line pattern exhibits less change in resistance when subjected to stretching forces, although both designs showed an increase in resistance over cycles due to substrate deformation.