Organic complementary logic and analog circuits

The technological development electronics faced in the last 50 years brought to disruptive applications that changed everyday life for most of the world pop- ulation. This trend is neither stopping nor slowing down, with daily discoveries that may thoroughly modify the way we interact with technology. One of these paradigm shifting technologies is organic electronics and, specifically, printed elec- tronics. This technology may enable flexible and low-cost applications on large- area and, ideally, on any substrate. Main target applications are flexible displays, integrated systems for distributed and wearable sensing and interactive surfaces, with applications in automation, health-care, industrial diagnostic and security. One of the major concerns about printed electronics is the need for robust electronic devices. Decades of silicon electronics development brought to choose complementary-transistor-based architectures for their robustness, low-power dis- sipation and immunity to signal variations. However, in printed electronics – and in organic electronics in general – very few are the demonstrations of fully-printed complementary circuits. Even fewer, the proposed integrated systems that make proficient use of them. This thesis proposes a method to successfully implement fully-printed and all-polymer complementary circuits on plastic substrates. After a study on the charge injection engineering for ambipolar semiconductors for complementary logic applications, the research focuses onto a fully-printed approach using only R2R compatible techniques such as ink-jet printing and bar-coating. After a deep explanation of the fabrication procedure and the demonstration of complementary circuits both on thin and ultra-thin substrates, the realization of a twilight switch – a complex fully-printed analog system integrating multiple circuital elements – is proposed. This study demonstrates the suitability of printed electronics for everyday-life applications and its growing readiness to consumer market application.

Lo sviluppo tecnologico degli ultimi 50 anni ha portato ad applicazioni sensazionali che hanno radicalmente modificato lo stile di vita di gran parte della popolazione mondiale. Questo trend non accenna a fermarsi o rallentare, con scoperte continue che potrebbero modificare notevolmente il modo con cui interagiamo con la tecnologia. Una di queste tecnologia rivoluzionare è l'elettronica organica e, nello specifico, l'elettronica stampata. Questa potrebbe permettere la realizzazione di applicazioni elettroniche flessibili e a basso costo, su larga area e, potenzialmente, su qualsiasi substrato. Le applicazioni principali sono display flessibili, sistemi integrati per sensing distribuito e indossabile e superficie interattive, con campi d'applicazione che vanno dall'automazione alla biomedica e dalla diagnostica industriale alla sicurezza. Uno dei principali problemi dell'elettronica stampata, è la necessità di avere dispositivi elettronici robusti. Decenni di sviluppo dell'elettronica in silicio hanno portato a scegliere architetture basate su transistori complementari per la loro elevata robustezza, basso consumo di potenza e immunità alle variazioni di segnale. Tuttavia, in elettronica stampata - e più in generale nell'elettronica organica - poche sono le dimostrazioni di circuiti complementari interamente stampati. Ancora meno, i lavori che propongono sistemi integrati che fanno buon uso di questa tecnologia. Questa tesi propone un metodo per implementare in maniera robusta dei circuiti elettronici digitali e analogici completamente stampati con materiali polimerici su substrati flessibili. A valle di uno studio sullo sfruttamento appropriato di layer di iniezione di carica per semiconduttori ambipolari, questa ricerca si focalizza su un'approccio fully-printed utilizzando solo processi compatibili con tecniche di scala (roll-to-roll compatible) come la stampa a getto di inchiostro e il bar-coating. Dopo una spiegazione del processo di fabbricazione e la dimostrazione di circuiti complementari su substrati sottili e ultra-sottili, è proposta la realizzazione di un sensore crepuscolare: un sistema analogico completamente stampato che integra diversi elementi circuitali. Questo studio dimostra come l'elettronica stampata sia arrivata ormai ad uno stato di maturazione tale da poter essere utilizzata per applicazioni di uso quotidiano.