Printability and Electrical Response of the Sepia Melanin Bio-Pigment on Paper for Sustainable Printed Electronics

Key words: Bio-pigment, printed organic electronics, sustainability, bio-sourced ink, Sepia melanin. Natural organic materials are keys for the eco-design of electronic devices and their powering elements (batteries). Printing natural organic materials on paper paves the way for composting electronic devices. This enables to alleviate the accumulation of Electrical and Electronic Equipment Waste (E-waste) whose effects on human health and the environment are harmful. Sepia melanin is one of the natural forms of eumelanin, a black-brown bio-pigment of the melanin family. Melanin bio-pigments are ubiquitous in nature; they are key to diverse bio-functions in fauna and flora. Sepia melanin is extracted from cuttlefish (i.e. Sepia Officinalis) ink. It is mainly constituted of indole-based monomers. After several steps of hierarchical development, Sepia melanin building blocks feature nanometric granular structure. Recently, printed films including Sepia melanin showed predominant electronic transport. This work focuses on the printability of films of Sepia melanin-based ink on Kromekote® paper and their electrical response. Paper substrates are pre-patterned by flexographic printing featuring electrode pairs with an interelectrode distance of about 100 µm. Ink printability study on paper relies on ink rheology and wettability tests. The electrical response is obtained from potentiostatic (I-t at constant voltage) and current-voltage (I-V) characteristics for applied electrical biases ranging between 0.1 V and 10 V and different voltage sweeping rates (1 - 500 mV/s. Humidity’s influence on the electrical response is studied through these same electrical measurement protocols in different controlled conditions (dry nitrogen, wet air and ambient air). Preliminary results show a remarkable electrical conductivity of the films, paving the way towards more sustainable electronic devices.

Résumé

Mots clés: Biopigment, électronique organique imprimée, développement durable, encre biosourcée, Sépia melanine. Les matériaux électroniques organiques représentent un intérêt pour le développement de technologies durables dans les domaines de l’électronique et du stockage électrochimique d’énergie. Les déchets liés aux équipements électroniques et électriques, par leur accumulation, peuvent engendrer des effets toxiques sur la santé et l’environnement. L’impression de matériaux électroniques organiques sur papier se révèle être une alternative compostable, permettant de réduire ces déchets. La Sépia mélanine est une des formes naturelles de l’eumélanine, un pigment foncé (noir-marron), pouvant être extrait à partir de l’encre de seiche (Sepia Officinalis). Ce pigment est abondant par sa présence au sein de beaucoup d’espèces vivantes, en particulier pour les fonctions biologiques qu’elle apporte. La Sépia mélanine est principalement constituée d’unités monomériques telles que des groupes fonctionnels d’indoles. Après plusieurs étapes de polymérisation et d’arrangement structurel de ces unités, des granules de taille nanométrique peuvent être formées. Récemment, l’impression de fines couches d’encres à base de Sépia mélanine ont permis de démontrer la prédominance d’un transport de porteurs de charge de type électronique dans ce pigment. Ce qui est inusuel pour de matériaux d’origine biologique dont le type de transport est souvent ionique. Ce travail implique l’étude de l’imprimabilité sur support papier Kromekote®, ainsi que des réponses électriques d’encres à base de Sépia mélanine. Le support papier est pré-imprimé par flexographie avec un motif d’électrode dont la distance inter-électrode est de l’ordre d’une centaine de micromètres. L’étude de l’imprimabilité des encres à base de Sépia mélanine repose sur des tests rhéologiques et de mouillabilité. Les réponses électriques, quant à elles, sont obtenues à partir de mesures potentiostatiques (courant-temps à voltage constant, I-t) et de caractéristiques courant-potentiel (I-V) conduites entre 0 et 10 V à différentes vitesses de balayage du voltage de 1 à 500 mV/s. L’influence de l’humidité sur la réponse électrique est étudiée au travers de ces mêmes mesures électriques dans différentes conditions atmosphériques (azote sec, air ambiant et air humide). Les premiers résultats témoignent d’une conductivité des dispositifs prometteuse, offrant des opportunités pour une électronique plus respectueuse de l’environnement.