In-Situ Electropolymerization for Smart Label Applications

Abstract

This body of work explores a recently emerging subset of electrochromic devices (ECDs): namely irreversible electrochromic indicators. In contrast to conventional ECDs which produce a reversible color change in response to an applied voltage, irreversible elec- trochromic indicators generate a single permanent color change in response to an applied voltage. This format of irreversible electrochromic indicator is envisioned for use in a broad range of applications including healthcare, food packaging, logistics, and authenticity labeling. The approach taken herein to produce irreversible electrochromic indicators is in situ electropolymerization, where a polymer film is deposited inside of a pre-assembled solid-state ECD. An initial study investigates the influence of a gel polymer electrolyte (GPE), which is commonly employed in ECDs, on the electrodeposition process. Potential step methods, and cyclic voltammetry performed in a 3-electrode cell show that the addition of an ethylene oxide (EO)-propylene oxide (PO)-allyl glycidyl ether (AGE) matrix lowers the potential for film formation during electropolymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) by 0.1 V, compared to a similar liquid electrolyte. Furthermore, in a device, the gel matrix improves the coloration efficiency and the homogeneity of the color change. Several variations of irreversible electrochromic indicators are then reported and characterized for a range of different monomer precursors. Higher coloration efficiencies and lower activation potentials are achieved by using oligomers of EDOT and thiophene - however, this comes at the expense of long-term stability. Then, fine-tuning of the indicator color states is demonstrated via electropolymerizing mixtures of EDOT, anthracene, and pyrene to form multichromic copolymers. The culmination of the developments for the irreversible indicators is their integration into a flexible smart label prototype designed for temperature sensing in cold-chain applications. Here, printed supercapacitors (SCs) and a chemical thermal sensor to control current flow upon temperature change are successfully used to trigger irreversible indicators in a flexible printed circuit. The final embodiment of this work investigates in situ electropolymerization as a simple manufacturing technique for fully printed reversible electrochromic devices. In this case, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) indicators are produced which can achieve 100,000 cycles with a modest loss in performance.

Este trabalho explora um novo subconjunto de dispositivos electrocrómicos (ECDs): nome- adamente indicadores eletrocrómicos irreversíveis. Ao contrário de ECDs convencionais que produzem uma mudança de cor reversível em resposta à aplicação de um estímulo elétrico, os indicadores electrocrómicos irreversíveis geram uma mudança de cor perma- nente. Este novo tipo de indicador electrocrómico irreversível foi desenvolvido para uma ampla gama de aplicações, incluindo aplicações médicas, embalagem alimentar, logística e transporte e verificação de autenticidade de produtos. A abordagem adoptada neste trabalho para desenvolver indicadores electrómicos irreversíveis é a electropolimerização in situ, onde um filme polimérico é depositado dentro de um ECD de estado sólido. Numa primeira abordagem foi investigado a influência de um gel electrólito polimérico (GPE), usado tipicamente em ECDs, no processo de electrodeposição. Métodos de crono- amperometria e voltametria cíclica realizados numa célula de 3 elétrodos mostram que a adição de uma matriz polímerica do polímero EO-PO-AGE reduz o potencial de formação do filme durante a electropolimerização de EDOT em 0,1 V em comparação com um eletrólito equivalente líquido. Além disso, em dispositivos, o gel eletrólito polimérico melhora a eficiência de coloração e a homogeneidade da mudança de cor. Diversas variações de indicadores electrocrómicos irreversíveis foram exploradas e caracterizadas para uma variedade de diferentes monómeros. Maiores eficiências de coloração e menores potenciais de ativação são alcançados usando oligómeros de EDOT e tiofeno, no entanto, tal ocorre às custas da estabilidade a longo prazo. Em seguida, o ajuste fino dos estados de cor do indicador é demonstrado através de misturas de electropolimerização de EDOT, antraceno e pireno para formar copolímeros multicrómicos. O desenvolvimento dos indicadores irreversíveis neste trabalho culmina na sua demonstração num trabalho de integração num protótipo flexível de uma etiqueta inteligente concebida para a detecção de temperatura em aplicações de transporte de frio. Neste demonstrador supercondensadores impressos e um sensor térmico químico foram usados com sucesso para ativar indicadores irreversíveis num circuito impresso flexível. A concretização final deste trabalho explora a electrodeposição in situ como uma técnica simples de fabricação de dispositivos eletrocrómicos reversíveis impressos. Neste trabalho, são produzidos indicadores PEDOT que podem atingir 100.000 ciclos com perda mínima de desempenho.