Inkjet printing as an alternative fabrication technique for energy storage and MEMS devices

In the framework of additive manufacturing, inkjet printing has attracted great interest both from the academic and industrial point of view. This work was focused on investigating inkjet printing as a possible alternative fabrication technique, that could guarantee simplicity, easy integrability, versatility and flexibility combined with limited material waste, typical of additive manufacturing techniques. In particular, two different fields were explored through an extensive study of how inkjet printing could be adopted in the production of energy storage devices and MEMS components. On one hand, the adoption of inkjet printing as a non-traditional fabrication technique is justified by the increasing demand in thin, flexible energy storage devices that are able to power complex-shaped objects. This is particularly relevant in the ambit of the Internet of Things, where systems and everyday objects should be able to collect and interpret data without the need of human participation. Of course, the integration of traditional rigid batteries is challenging, as their form factor as well as their adaptability to complex-shaped surfaces is in fact limited. From this context, the idea to implement IJP as a non-traditional battery production technique has motivated this study, where the final goal was the obtainment of a thin-film battery device, that could retain its electrochemical performances even under different degree of deformation. On the other hand, the idea of implementing inkjet printing in the electronic fabrication has motivated the study related to the production of a polymeric vibration damping layer on a spring present on MEMS. In particular, wherever non-restraining resolution requirements are acceptable, traditional fabrication techniques can be substituted by inkjet printing, in an optic of facilitating the process and reducing material waste. The present work was structured in six chapters and results section was divided in three paper-like sections. The first two chapters present an in-depth literature research related to the inkjet printing technology and its working mechanisms and limitations and the state of the art related to its two applications in energy storage and MEMS fields. Chapter 3 explains the motivations and the purpose of the work in the contexts explained in the first two chapters. Chapter 4 presents the work that paved the way for the realization of the final device. A fundamental study in terms of optimization of the ink formulation was presented, which was the one that was adopted through the entire project. Chapter 5 is a study reporting two fundamental topics: the possibility to adopt Ti3C2Tx MXene as an alternative current collector and the characterization of the final printed device, showing flexibility properties, completing the work started in Chapter 4. Ultimately, Chapter 6 reports the work performed on the optimization and printing of a polymeric ink on a spring present on MEMS, with vibration damping properties.

Nel contesto della manifattura additiva, la stampa a getto d’inchiostro ha attratto grande interesse sia nell’ambito accademico che industriale. Questo lavoro, nello specifico, si è focalizzato sullo studio della stampa a getto d’inchiostro come una possibile tecnica di fabbricazione alternative, che potesse garantire semplicità, facile integrabilità nelle linee di processo, versatilità e flessibilità, combinata con la possibilità di evitare sprechi di materiale, problematica tipica della manifattura additiva. In particolare, sono state esplorate due applicazioni attraverso uno studio approfondito su come la stampa a getto d’inchiostro potesse essere adottata nella produzione di sistemi di accumulo di energia e componenti per MEMS. Da una parte, l’utilizzo della stampa a getto d’inchiostro come tecnica di fabbricazione non tradizionale è giustificato dalla continua domanda di dispositivi per accumulo di energia sottili e flessibili, in grado di alimentare oggetti di forme complesse. Questo aspetto è particolarmente rilevante nell’ambito dell’Internet delle cose, una struttura digitale in cui sistemi e oggetti di tutti i giorni sono in grado di collezionare e interpretare dati senza la partecipazione o contributi umani. Per questo motivo, l’integrazione di batterie tradizionalmente rigide è complessa, in quanto la loro capacità di adattamento a superfici di geometria complessa è di fatto limitata. Da questa cornice, l’idea di implementare la stampa a getto d’inchiostro ha motivato questo studio, dove l’obiettivo finale era quello di ottenere una batteria a film sottile e flessibile, in grado di mantenere le sue performance elettrochimiche sotto gradi di deformazione diversi. Dall’altro lato, l’idea di implementare la stampa a getto d’inchiostro nel contesto della fabbricazione dell’elettronica ha motivato lo studio relativo alla produzione di uno spessore polimerico in grado di assorbire vibrazioni su una molle presente su un MEMS. In particolare, laddove non ci siano particolari restrizioni in termini di risoluzione, le tecniche di fabbricazione tradizionali potrebbero essere di fatto sostituite dalla stampa a getto d’inchiostro, in un’ottica di agevolazione del processo produttivo e di riduzione degli sprechi. Il presente lavoro è strutturato in sei capitoli e una sezione dei risultati divisa in sezioni che rispecchiano la struttura di articoli scientifici. I primi due capitoli presentano un’approfondita ricerca della letteratura esistente riguardo la tecnologia di stampa, i suoi meccanismi di funzionamento e limitazioni, così come lo stato dell’arte relativo alle due applicazioni nel contesto della stampa a getto d’inchiostro: sistemi di stoccaggio di energia e MEMS. Il capitolo 3 illustra le motivazioni e gli obiettivi del lavoro rispetto ai contesti introdotti nei primi due capitoli. Il capitolo 4 presenta il lavoro fondamentale che ha consentito poi la realizzazione del dispositivo finale, in termini di formulazione e ottimizzazione degli inchiostri che verranno poi utilizzati per stampare il dispositivo finale. Il capitolo 5 si riferisce a uno studio che riguarda due argomenti cardini: la possibilità di adottare il titanio carburo MXene Ti3C2Tx come materiale alternativo per collettori di corrente e la caratterizzazione del dispositivo finale, che mostra proprietà di flessibilità, completando il lavoro iniziato nel capitolo 4. Infine, il capitolo 6 riporta il lavoro svolto sull’ottimizzazione e la stampa di un inchiostro polimerico su una molla presente su un dispositivo MEMS, che mostrasse proprietà di smorzamento di vibrazioni.