Sustainable Materials Applied To Flexible Electronics Using A Laser-Induced Modular Platform

Abstract

Wearable electronics and miniaturized devices have become integral to modern life. The next step is scaling these innovations for larger systems while maintaining efficiency, flexibility, and energy performance, especially as smart cities expand and demand eco-friendly solutions to reduce electronic waste and environmental impact. This thesis bridges advanced electronics and sustainability by using renewable materials and low-cost, eco-friendly methods for large-scale applications. Through a one-step direct laser writing (DLW) technique, three-dimensional porous green laser-induced graphene (gLIG) is produced. Optimization strategies, including precursor selection, substrate pretreatment, and laser parameter tuning, yield robust, thin, and flexible conductive patterns of high quality with low sheet resistances: 55.4 ohm sq-1 (for paper), 45.5 ohm sq-1 (for lignin-enriched paper), and 10.6 ohm s-1 (for cork). These properties make gLIG suitable for applications such as energy storage devices, sensors, and energy harvesting systems. Micro-supercapacitors (MSCs) developed in this work achieved capacitance values of 1.35–10 mF cm-2 and energy densities of 0.13–0.85 μWh cm-2, with power densities up to 80 μW cm-2. Stability tests revealed a capacitance retention of ≈80–85% over extended charge-discharge cycles, highlighting their reliability during prolonged operation. Additionally, these devices maintained stable performance under mechanical deformation, demonstrating their versatility for dynamic applications. Cork-based piezoresistive sensors further enhance this work, showcasing exceptional pressure sensitivity (0.38 mV Pa-1 at 15–35 kPa and 0.286 mV Pa-1 at ≥35 kPa) and functionality as triboelectric nanogenerators (TENGs), efficiently charging 0.47 and 4.7 μF capacitors. These results highlight their potential for powering small electronics and supporting sustainable energy solutions. Finally, this work underscores the importance of integrating sustainable, high-performance technologies into future infrastructure, paving the way for eco- friendly, self-sustaining platforms in smart cities and beyond.

Eletrónica vestível e dispositivos miniaturizados tornaram-se parte integrante da vida moderna. O próximo passo é escalar essas inovações para sistemas de maior dimensão, mantendo a eficiência, flexibilidade e desempenho energético, especialmente à medida que as cidades inteligentes se expandem e demandam soluções ecológicas para reduzir o desperdício eletrónico e o impacto ambiental. Esta tese conecta a eletrónica avançada e sustentabilidade, utilizando materiais renováveis e métodos de baixo custo e ecológicos para aplicações em larga escala. Através de uma técnica de escrita direta a laser (DLW) de um único passo, é produzido grafeno verde induzido por laser (gLIG) com uma estrutura tridimensional porosa. Estratégias de otimização, incluindo a seleção do precursor, o pré-tratamento do substrato e o ajuste dos parâmetros do laser, resultam em padrões condutores robustos, finos e flexíveis, de alta qualidade e com baixas resistências de folha: 55.4 Ω sq−1 (para papel), 45.5 Ω sq−1 (para papel enriquecido com lignina) e 10.6 Ω sq−1 (para cortiça). Essas propriedades tornam o gLIG adequado para aplicações como dispositivos de armazenamento de energia, sensores e sistemas de colheita de energia. Os micro-supercondensadores (MSCs) desenvolvidos neste trabalho alcançaram valores de capacitância de 1.35–10 mF cm−2 e densidades de energia de 0.13–0.85 μWh cm−2, com densidades de potência de até 80 μW cm−2. Testes de estabilidade revelaram uma retenção de capacitância de ≈80–85% ao longo de ciclos prolongados de carga e descarga, destacando a sua fiabilidade durante operações de longa duração. Além disso, esses dispositivos mantiveram desempenho estável sob deformação mecânica, demonstrando a sua versatilidade para aplicações dinâmicas. Sensores piezoresistivos à base de cortiça reforçam ainda mais este trabalho, apresentando uma sensibilidade excecional à pressão (0.38 mV Pa−1 entre 15–35 kPa e 0.286 mV Pa−1 para ≥35 kPa) e funcionalidade como nanogeradores triboelétricos (TENGs), carregando de forma eficiente condensadores de 0.47 e 4.7 μF. Esses resultados destacam o seu potencial para alimentar pequenos dispositivos eletrónicos e apoiar soluções energéticas sustentáveis. Por fim, este trabalho sublinha a importância de integrar tecnologias sustentáveis e de alto desempenho nas infraestruturas futuras, abrindo caminho para plataformas ecológicas e autossustentáveis em cidades inteligentes e além.