Hybrid Materials for Wearable Electronics and Electrochemical Systems

Flexible electronic systems such as wearable devices, sensors and electronic skin require power sources and sensing units that are mechanically robust, operational at low bending radius, and environmentally friendly. Recently, there has been an enormous interest in active materials such as thin film semiconductors, conductive polymers, and ion-electron conductors. These materials can be deposited with both printing and microfabrication techniques onto the flexible substrates such as plastics and paper. In addition, paper-based composites with nanofibrillated cellulose are favorable due to their mechanical strength, porosity, and solution-processability. Printing of such systems enables mass-production of large area electrochemical devices i.e., batteries, supercapacitors and fuel cells. Moreover, designing ultrathin devices for such concepts are promising for implantable and skin-like conformable electronics. The aim of this thesis is the development of flexible electronic devices where, both organic and inorganic materials are explored, and examples of smart packaging and wearable electronics are demonstrated. Within the thesis, two different fabrication approaches are presented to achieve flexible electronics: (1) fabrication of porous paper electrodes for printable, wearable supercapacitor applications, where our efforts towards sustainable solutions for energy storage and (2) development of ultraflexible devices for electronic skin and implantable electronics to attain miniaturized, ultrathin device concepts. Overall, high performance electronic devices and demonstrators shown here have a significant impact on portable hybrid systems and flexible electronics applications.
Flexibla elektroniska system såsom kroppsburna enheter, sensorer och elektronisk hud kräver strömkällor och sensorenheter som är mekaniskt robusta, fungerar i böjt tillstånd och är miljövänliga. På senare tid har detta lett till ett enormt intresse för aktiva material som tunnfilmshalvledare, ledande polymerer och kombinerade jon- och elektronledare. Dessa material kan deponeras med både tryck- och mikrotillverkningstekniker på flexibla substrat som plast och papper. Vidare är pappersbaserade kompositer med nanofibrillerad cellulosa intressanta på grund av deras mekaniska styrka, porositet och möjlighet att processa i lösning. Tryckning av sådana system möjliggör massproduktion av elektrokemiska enheter med stor yta, dvs batterier, superkondensatorer och bränsleceller. För att ge hudliknande formbarhet och biokompatibilitet för implanterbara enheter är ultratunna enheter ett lovande koncept. Syftet med denna avhandling är att utveckla flexibla elektroniska enheter där både organiska och oorganiska material utforskas, och att demonstrera exempel på smarta förpackningar och kroppsburen elektronik. I avhandlingen presenteras två olika tillverkningsmetoder för flexibel elektronik: (1) tillverkning av porösa papperselektroder för tryckbara, kroppsburna superkondensatorer, syftande till hållbara lösningar för energilagring och (2) utveckling av ultraflexibla enheter för elektronisk hud och implanterbar elektronik för att uppnå miniatyriserade, ultratunna enhetskoncept. Sammantaget kan de högpresterande elektroniska enheter och demonstratorer som visas här ha stor betydelse för utvecklingen av bärbara hybridsystem och flexibel elektronik.