Inkjet Printing of Optoelectronic and Biocompatible Materials for Wearable Devices and Environmental Monitoring

Die Fortschritte in der Medizintechnologie haben zweifellos die Gesundheitsergebnisse und die Lebensqualität verbessert. Allerdings bleibt der ökologische Fußabdruck dieser Innovationen eine bedeutende Herausforderung. Diese Arbeit behandelt die Schnittmenge von Hochleistungslösungen im Gesundheitswesen und Nachhaltigkeit durch eine Kombination aus Materialinnovation, Fertigungstechniken und Geräteoptimierung. Tintenstrahldruck bietet Flexibilität, Präzision sowie Material- und Energieeffizienz und ist damit ein idealer Kandidat, um die Umweltbelastung durch elektronische Herstellungsprozesse zu verringern. ... mehrDurch den Fokus auf organische Halbleiter zeigt diese Arbeit, wie Tintenstrahldruck zur Herstellung von organischen Photodioden und Feuchtigkeitssensoren genutzt werden kann, während Ressourcenverbrauch und Abfall minimiert werden. Die Arbeit geht auf zentrale Herausforderungen der gedruckten Elektronik ein, einschließlich Prozessoptimierung und Materialauswahl, um zuverlässige und hochwertige elektrische Bauteile zu erreichen. Darüber hinaus wurden vollflächig gedruckte, spektralselektive organische Photodioden (OPDs) hergestellt, die Fortschritte in der Photoplethysmographie und Pulsoximetrie unter Umgebungslichtbedingungen ermöglichen, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Die auf einem transparenten Donor-Polymer und nicht-fullerenhaltigen Akzeptoren basierenden optoelektronischen Bauelemente wurden auf flexible Substrate gedruckt und erreichten Detektionsgeschwindigkeiten im Bereich von 500 kHz, Dunkelstromdichten von weniger als 1 nA cm$^{-2}$ sowie spektrale Empfindlichkeiten von bis zu 18 mA W$^{-1}$ ohne angelegte Spannung. Durch ihre schmalbandige Absorption wurde eine filterfreie Pulsoximetrie unter Verwendung von Umgebungslichtquellen ohne externe Vorspannung mit Genauigkeiten von innerhalb ± 2 % erreicht. Die Sensoren zeigten eine hohe Leistung für zukünftige Anwendungen im Gesundheitswesen, während gleichzeitig der ökologische Fußabdruck durch energieeffiziente Herstellung reduziert wurde. Diese Arbeit untersuchte zusätzlich die Verwendung biobasierter Materialien für eine nachhaltige Elektronik. Melanin, das als Nebenprodukt aus dem Lebenszyklus der Schwarze Soldatenfliege gewonnen wurde, wurde zusammen mit einem biokompatiblen Salz gedruckt, um einen flexiblen Feuchtigkeitssensor auf silbernen Interdigitalelektroden herzustellen. Die Sensoren wiesen Empfindlichkeiten von 170 auf sowie schnelle Detektions- und Erholungsgeschwindigkeiten von 0,8 s. Ihre Verwendung in Anwendungen wie der Überwachung der Atemfunktion und Bodenfeuchtigkeit konnte demonstriert werden, mit einem Potenzial für die Integration in Kreislaufwirtschaften und biologisch abbaubare Produkte. Zusammengefasst präsentiert diese Arbeit einen umfassenden Ansatz für nachhaltige organische Elektronik, bei dem Tintenstrahldruck als Grundpfeiler für die Herstellung leistungsfähiger Geräte dient und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck reduziert. Die Integration biobasierter Materialien, innovativer Sensordesigns und optimierter Fertigungsprozesse unterstreicht das Potenzial dieser Technologie. Durch die Bewältigung sowohl technischer als auch ökologischer Herausforderungen ebnet diese Arbeit den Weg für nachhaltigere Fortschritte in der organischen Elektronik und entspricht dabei globalen Bestrebungen in Richtung Kreislaufwirtschaft und reduzierter Elektroschrottmengen.

The advancements in healthcare technology have undeniably improved health outcomes and quality of life. However, the environmental footprint of these innovations remains a critical challenge. This dissertation addresses the intersection of high-performance healthcare solutions and sustainability through a combination of material innovation, fabrication techniques, and device optimization. Inkjet printing offers flexibility, preci-sion, and material and energy efficiency, making it an ideal candidate for reducing the environmental impact of electronic manufacturing processes. ... mehrBy focusing on organic semiconductors, this work demonstrates how inkjet printing can be used to fabricate or-ganic photodiodes and humidity sensors while minimizing resource consumption and waste. The dissertation addresses key challenges in printed electronics, including process optimization and material selection, to achieve reliable and high-quality electrical devices. Furthermore, fully printed spectrally-selective organic photodiodes (OPDs) were fabricat-ed for advancements in photoplethysmography and pulse oximetry under ambient light conditions for reduced power consumption. The optoelectronic devices based on a trans-parent donor polymer and non-fullerene acceptors were printed onto flexible substrates and achieved detection speeds in the range of 500 kHz, dark current densities below 1 nA cm$^{-2}$, and spectral responsivities of up to 18 mA W$^{-1}$ at neutral bias. Through their narrowband absorption, filterless pulse oximetry using ambient light sources without external biasing was achieved with accuracies within ± 2 %. The sensors demonstrated high performance for future healthcare applications while reducing environmental impact through energy-efficient fabrication. This work additionally explored the use of bio-sourced materials for sustainable electronics. Melanin extracted as a byproduct from black soldier fly life cycles was printed with a biocompatible salt to fabricate a flexible humidity sensor on silver interdigitated electrodes. The sensors exhibited sensitivities of 170 and fast detection and recovery speeds of 0.8 s. Their use in applications such as breath and soil-humidity monitoring could be demonstrated, with potential integration into circular economies and biodegradable products. In conclusion, this dissertation presents a compre-hensive approach to sustainable organic electronics, where inkjet printing serves as a cornerstone for fabricating high-performance devices while reducing environmental im-pact. The integration of bio-sourced materials, innovative sensor designs, and optimized fabrication processes underscores the potential of this technology. By addressing both technical and environmental challenges, this work paves the way for more sustainable advancements in organic electronics, aligning with global efforts toward circularity and reduced e-waste.