جوهرهای رسانا و لوازم الکترونیکی انعطاف‌ پذیر

 وسایل الکترونیکی منعطف و پوشیدنی چاپ‌شده در سال های اخیر مورد توجه گسترده در صنعت الکترونیک قرار گرفته‌اند و کاربرد‌های متنوع و گسترده‌ی آن شامل LED ها، سنسور‌ها، آنتن‌ها و ابرخازن‌های منعطف می‌باشد. تکنولوژی چاپ مدار‌های الکترونیکی که در مقایسه با روش‌های معمول مثل لیتوگرافی جدید‌تر است، برای تهییه وسایل الکترونیکی منعطف استفاده میشود. مهم‌ترین مزیت این روش آن است که بر خلاف روش های سابق، به مراحل وقت‌گیر و دشوار اچ کردن، تهییه ماسک و… نیاز ندارد.

یکی از مهم‌ترین ملزمات یک مدار الکترونیکی منعطف اتصال مناسب و پایدار الکتریکی بین اجزای مدار است، از این رو این مدار ها با استفاده از چاپ جوهر های کاربردی که دارای پرکننده های رسانای محلول یا معلق هستند تولید میشوند. با توجه به روند رو­به­رشد تقاضا برای لوازم الکترونیکی منعطف لازم است که مواد و روش­های نوین برای ساخت و چاپ این جوهر‌های رسانا مورد بررسی قرار­گیرند.

اجزاء لوازم الکترونیکی منعطف

برای تولید لوازم الکترونیکی منعطف، اجزاء الکترونیکی و اتصالات با طرح مشخص بر روی یک زیر لایه منعطف چاپ شده و پس از پخت و حرارت دهی کپسوله سازی می­شوند. با استفاده از روش تولید رول به رول تمام مراحل بالا یکپارچه سازی شده و تولید با تیراژ بالا و هزینه مقرون به صرفه امکان­پذیر می­شود.

این لوازم با توجه به کاربرد­های به خصوصشان باید از خواص مختلفی برخوردار باشند که مهم ترین آن­ها عبارت­اند از:

• زیست­سازگاری و عدم مضر بودن برای بدن
• مقاومت در برابر خمش و تا شدن
• عدم استفاده از مواد سمی و مضر در جوهر ها
• امکان چاپ با سرعت بالا و در دمای پایین
• امکان ایجاد طرح ها با دقت و رزولوشن بالا

برای حصول خواص فوق با هزینه مناسب و کارایی بالا لازم است از ترکیب بهینه از جوهر های رسانا، زیرلایه منعطف و شیوه چاپ استفاده شود که هر کدام از این موارد نیازمند تحقیقات گسترده می­باشد.

زیرلایه­‌های منعطف

زیرلایه­های پلیمری رایج ترین زیرلایه­های منعطف استفاده­شده می­باشند. پلیمر­هایی مثل پلی­ایمید(PI)، پلی­اتیلن ترفتالات(PET)، پلی کربنات و پلی­اورتان به علت خواص مکانیکی مناسب و شفافیت و همچنین قیمت کم برای استفاده به عنوان زیرلایه منعطف بسیار مناسب هستند.

باید توجه داشت که مقاومت حرارتی و ضریب انبساط گرمایی از پارامتر­های بسیار مهم برای استفاده در وسایل الکترونیکی منعطف می­باشند زیرا در حین فرایند تولید در مراحلی قطعات باید در دما­های بالای 300 درجه سلسیوس قرار گیرند. همچنین علی رغم خواص مناسب این پلیمر­ها، اکثر اوقات اصلاح سطحی برای بهبود ترشوندگی و چسبندگی جوهر استفاده می­شود.

از مواد غیرپلیمری مثل کاغذ و پارچه هم میتوان به عنوان زیرلایه­های منعطف  استفاده نمود. کاغذ علی­رغم مقاومت حرارتی پایین، به علت ارزان بودن، سازگاری با محیط زیست و انعطاف بالا در قطعات ارزان­قیمت­تر استفاده میشود. مهم ترین مزیت پارچه سازگاری با پوست انسان است که باعث میشود در وسایل پوشیدنی مورد توجه قرار گیرد.

جوهر­های رسانا

جوهر­های رسانا یکی از مهم­ترین اجزا در ساخت مدار های الکترونیکی منعطف هستند زیرا اتصال بین اجزاء مختلف مدار را ایجاد می­کنند. نانوذرات رسانا  اصلی­ترین بخش جوهر هستند و خواص مکانیکی و الکتریکی اتصالات را تعیین میکنند. برای سنتز جوهر ها از نانوذرات فلزی، پلیمر های رسانا یا مواد کربنی مثل نانولوله­ها و گرافن استفاده میشود. یک جوهر رسانا با توجه به نوع زیرلایه و تکنولوژی چاپ باید خواص مختلفی از جمله رئولوژی، چسبندگی، دمای فرایند، خواص الکتریکی مناسب داشته باشند.

گرافن که یک صفحه دو­بعدی از اتم های کربن میباشد به علت خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر­­­­به­فرد توجه گسترده­ای را برای استفاده در حوهر­های رسانا دریافت کرده است. اصلی ترین چالش در راه استفاده از جوهر­­های رسانای بر پایه گرافن نیاز به حلال های آلی مثل DMF و DMSO و NMP است. این حلال ها برای داشتن جوهر پایدار الزامی هستند اما دمای تبخیر بالای آن­ها استفاده از آن­ها را بر زیرلایه پلیمری را دشوار میکند همچنین این حلال ها بسیار سمی هستند. بنابراین استفاده از حلال های متداول مثل آب و استون مطلوب میباشد و نیاز مند تحقیقات بیشتر می­باشد.

برای بهبود رسانش و خواص  مکانیکی جوهر میتوان از جوهر های رسانای هیبریدی استفاده کرد. اضافه کردن نانوذرات فلزی یا پلیمر های رسانا باعث بهبود چشم­گیر خواص جوهر های برپایه گرافن می­شوند. نانوذرات و نانوسیم­های نقره گسترده­ترین استفاده را در جوهر های ترکیبی دارند و رسانایی جوهر­های گرافن را بهبود میبخشند.

روش های چاپ

تکنولوژی چاپ از پارامتر های موثر در تولید وسایل الکترونیکی منعطف میباشد و با توجه به هزینه و خواص مدنظر از روش های مختلف استفاده می­شود. روش هایی که به صورت گسترده استفاده می­شوند و به صورت رول به رول قابل اجرا هستند عبارت اند از:

• چاپ صفحه ای (screen printing)
• چاپ با گراور (gravure printing)
• چاب با جوهر افشان (ink-jet printing)

در چاپ صفحه­ای یک استنسیل سیلیکونی با طرح مورد نظر بر روی زیرلایه قرار میگیرد وجوهر به مقدار لازم در یک طرف استنسیل ریخته میشود سپس یک تیغه با حرکت افقی روی استنسیل جوهر را به درون شیار های روی استنسیل میریزد. این روش نسبت به سایر روش ها سریع تر و ساده تر است و سال هاست که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد اما حداقل پهنای خط چاپ شده بزرگ است و ماده زیادی اتلاف میشود. در صورت استفاده از روش رول به رول غلتک بالایی دارای طرح مورد نظر است و مثل استنسیل عمل میکند و جوهر و تیغه درون غلتک هستند.

در روش چاپ با گراور طرح مورد نظر روی یک غلتک حک میشود و غلتک باچرخیدن در منبع جوهر، جوهر را جمع­آوری می­کند و طرح مورد نظر روی زیرلایه ایجاد میشود. این روش به سادگی به صورت رول به رول قابل اجراست اما معایبی از جمله رزولوشن پایین، ایجاد خراش روی لایه­ها و هزینه بالای تعویض طرح دارد.

روش افشانه جوهر از روش های دیگر جدید تر است و بیشترین رزولوشن و کمترین میزان اتلاف جوهر را دارد. در این روش قطرات بسیار ریز جوهر با استفاده از برنامه رایانه ای طرح مورد نظر را با دقت بالا بر روی زیرلایه ایجاد می­کنند. در این روش مشخصات جوهر باید به دقت تعیین شوند تا باعث مسدود شدن نازل جوهر نشوند.

منبع