کاربرد گرافن در جوهر رسانا - ایران گرافن

کاربرد گرافن در جوهر رسانا یکی از کاربرد های جالب آن می باشد.جوهر رسانا رنگی است که حاوی ذرات نقره، کربن و … است. این ذرات رسانای طبیعی الکتریسته هستند و مسئول دادن خاصیت رسانایی به این جوهر / رنگ هستند. جوهر پس از افزودن این مواد، همان خواص رسانایی را به خود می گیرد.

هنگامی که بر روی یک سطح اعمال می شود، الکتریسیته می تواند به راحتی از طریق جوهر در هنگام اتصال به یک منبع الکتریکی جریان یابد. پیشبینی می شود که این جوهرها می توانند جایگزین سیم ها و مسیرهای مسی در مدارها شوند. به این ترتیب به جای استفاده از سیم های مسی با یک جوهر و قلم امکان رسم مدار مورد نظر خواهد بود.

دلیل استفاده از گرافن در جوهر رسانا چیست؟

مشاهده شده است که در میان نانومواد مختلف، نانومواد مبتنی بر کربن پتانسیل بسیار زیادی برای استفاده در الکترونیک چاپی و انعطاف پذیر دارند. به‌ویژه، نانولوله‌های کربنی در مقایسه با سایر نانومواد به دلیل ناهمگن بودن الکتریکی (چه فلزی و چه نیمه‌رسانا) توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، پایداری پراکندگی CNT در آب همچنان موضوعی نگران کننده است، زیرا نانوذرات اغلب به دلیل جاذبه قوی واندروالسی و بروز مشکلات سم شناسی، به سرعت تجمع می یابند.

از سوی دیگر، گرافن به دلیل ویژگی‌های جذاب و بی‌عیب آن، بیشترین مطالعه‌شده‌ترین ماده است که آن را برای ساخت وسایل الکترونیکی چاپی بسیار مطلوب می‌کند. جوهرهای پلیمری رسانا، جوهرهای فلزی و سایر جوهرهای مبتنی بر کربن در بیشتر مواقع سازگار با محیط زیست نیستند و همچنین نیاز به هزینه بالایی دارند. از این رو جایگزینی آنها با جوهرهای گرافنی می تواند انقلابی در زمینه هادی های چاپی باشد.

جوهر رسانای گرافنی چیست؟

جوهر رسانای گرافنی یک خمیر ترموپلاستیک غلیظ از نانوذرات رسانا (گرافن، گرافیت، کربن و بسیاری موارد دیگر) است که با افزودن حلال‌ها، سورفکتانت‌ها و پودر گرافن ساخته می‌شود. این محصول بیشترین کاربرد خود را در زمینه الکترونیک چاپی دارد. حلال ها و سورفکتانت هایی که مواد رسانا را در کنار هم نگه می دارند آنها را نیز به خطر می اندازد. به طور معمول، در هنگام کاربرد، حلال و سورفکتانت ها باید تبخیر شوند و مواد رسانا را پشت سر بگذارند.

گرافن دارای ساختار 2 بعدی و شکل شبکه لانه زنبوری است و دارای پیوند C-C است که به کربن با پیوند محکم sp2 کمک می کند. این امر باعث می‌شود گرافن انعطاف‌پذیرترین، نازک‌ترین و قوی‌ترین ماده موجود باشد که گرما و الکتریسیته را با پتانسیل بالایی هدایت می‌کند. می تواند بارهای رسانا را روی سطحی غیر رسانا حمل کند.به همین دلیل گرافن در جوهر رسانا کاربرد پیدا کرده است.

خواصی که گرافن در جوهر رسانا ایجاد میکند؟

از آنجایی که گرافن در جوهر رسانا خواص زیادی ایجاد میکند و تمام خواص گرافن در جوهر رسانا یافت می شود. بنابراین، ثابت می کند که یک محصول قابل اعتماد است.

• رسانایی الکترونیکی فوق العاده ای دارد و می تواند شارژ را برای مدت طولانی حمل و ذخیره کند.

• رسانایی حرارتی قابل توجهی دارد و بنابراین به عنوان یک مانع بین عناصر گرمایش عمل می کند.

• به ابزار کمک می کند تا گرما را حفظ کند و همچنان کارآمد باشد.

• از نظر شیمیایی، محصول بی اثر است و باعث می شود که محصول نسبت به سایر عناصر واکنش نشان ندهد. بنابراین، می توان آن را برای هر برنامه ای به راحتی استفاده کرد.

کاربردهای جوهر رسانای گرافنی

به کار گیری گرافن در جوهر رسانا باعث شده است که جوهر رسانای گرافنی کاربردهای متعددی پیدا کند. در زیر چند نمونه از هر یک آورده شده است.

• حسگرها – محصول به دلیل خواصی که دارد به ساخت حسگرها کمک می کند. محبوب ترین نوع رسانه چاپ چاپگر جوهرافشان است. سنسورهای دما، حسگرهای گاز، حسگرهای آتش و غیره چند نمونه از سنسورها هستند.

• ترانزیستورها و خازن ها – از آنجایی که محصول در استفاده انعطاف پذیر است، به کاربردهای جزئی ترانزیستورها یا خازن ها و ترانزیستورهای لایه نازک که جایگزین ترانزیستورهای حجیم می شوند، کمک می کند. این یک برنامه با ارزش در دستگاه های پوشیدنی مانند ساعت های هوشمند، پنل های صفحه نمایش لمسی، پنل های LED و بسیاری موارد دیگر ایجاد می کند.

• پوشش های اسپری – محصول با کیفیتی استثنایی در ارائه هر فلز، یک پوشش محافظ در برابر عوامل محیطی که می تواند منجر به تخریب فلز شود، می شود. بنابراین، برای اعمال یک لایه محافظ بر روی خودرو، هواپیما، کشتی ها و تانکرها مفید است.

• مدارهای چاپ – به چاپ بردهای مدار بر روی کاغذ، پلاستیک، پلیمر، سرامیک و غیره کمک می کند، علاوه بر این، در تکنیک عمومی مانند چاپ صفحه با ارزش است.

• نساجی – استفاده از محصول روی پارچه آن را در برابر آب مقاوم می کند. نانوذرات اجازه عبور مولکول ها را نمی دهند. در ساخت آنتن های فرکانس رادیویی و ماهواره ها بهترین کاربرد را دارد.

گرافن در تجهیزات الکترونیک قابل کشش

دامنه الکترونیک انعطاف پذیر از دستگاه های ذخیره سازی کششی، منعطف و تاشو قبلی به دستگاه های پیشرفته با قابلیت بسیار بیشتر در مقایسه با الکترونیک صلب معمولی گسترش یافته است. ابزارهای پوشیدنی شیوه نظارت بر اعمال افراد را متحول کرده است. به طور مشخص، اطلاعات دقیق و کارآمد در مورد رفتار و اعمال فرد مورد بررسی قرار می گیرد؛ به عنوان مثال سیستم نظارت برای سنجش پارامترهای فیزیولوژیکی فرد مانند ضربان قلب و تنفس که برای انتقال داده به صورت بی سیم عمل می کند.

توسعه الکترونیک قابل کشش عمدتاً به عملکرد قطعات متصل به هم بستگی دارد، که باید قادر به حفظ رسانایی الکتریکی حتی پس از قرار گرفتن در معرض تغییر شکل زیاد باشند. به ویژه، اتصال قابل کشش یک جزء کلیدی در ساخت آنتن ها و حسگرها برای وسایل الکترونیکی پوشیدنی است. توانایی حفظ عملکرد دستگاه‌ها بدون مشکل در اثر تغییر شکل ناشی از حرکات بدن برای لوازم الکترونیکی مراقبت‌های بهداشتی بسیار حیاتی است. معمولاً اتصالات متقابل اجزای غیرفعال در الکترونیک هستند و در مقایسه با اجزای فعال مانند مدارهای مجتمع یا حسگرها می‌توانند به راحتی تغییر شکل‌ها را در خود جای دهند.

با تقاضای رو به رشد برای پایداری و قابلیت حمل کالاهای الکترونیکی، لوازم الکترونیکی پوشیدنی اخیراً به مرکز توجه تبدیل شده‌اند، به ویژه بر اساس کاربردهای بالقوه گسترده آن در زمینه‌های رباتیک نرم، لباس‌های الکترونیکی، مواد پزشکی القایی، ابزارهای ردیابی سلامت، هوشمند ، منسوجات و غیره. از این رو، یک نسخه سنسور کششی و انعطاف پذیر بسیار ضروری است که گرافن می تواند این خاصیت را برای تجهیزات الکتریکی به ارمغان آورد.

به طور کلی، ساخت مدارهای قابل کشش بسیار چالش برانگیز است زیرا شامل الگوبرداری از خطوط رسانای الکتریکی بر روی یک بستر قابل کشش و همچنین اتصال سنسور با مدارهایی برای انتقال نیرو، تهویه سیگنال و دریافت داده از بیرون دستگاه است.

چالش های گرافن و جوهرهای رسانای آن

در طول 10 سال گذشته، انواع مختلفی از جوهرهای رسانای مبتنی بر گرافن فرموله شده و به عنوان الگوهای رسانا بر روی بسترهای انعطاف‌پذیر مختلف پوشانده شده‌اند. با این حال، هنوز محدودیت‌های قابل توجهی برای استفاده از فرمول‌ها در کاربردهای عملی وجود دارد.

یکی از محدودیت‌های اصلی کاربرد گرافن در جوهر رسانا، سازگاری جوهر با تکنیک‌های چاپ پیشرفته، به‌ویژه برای فرآیند چاپ جوهرافشان رایج است. ویژگی شکل موج نازل های چاپ را می توان به گونه ای تغییر داد که یک قطره جوهر کروی شکل بگیرد اما خواص سیال جوهرها از حد مطلوب فاصله دارد.

ثانیاً، بارگذاری کم گرافن در جوهرهای گرافن موجود، معمولاً در محدوده 0.002 تا 1 درصد وزنی استفاده می‌شود که منجر به هدایت الکتریکی پایین مدار حاصل برای کاربردهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر می‌شود. ثالثاً، دمای پخت بالای جوهرها استفاده از آنها را در طیف گسترده‌ای از بسترها ممنوع می‌کند و در نتیجه کاربرد عملی آنها را برای دستگاه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر و پوشیدنی کاهش می‌دهد. چهارم، فرمولاسیون فعلی جوهرهای گرافن به دلیل استفاده از حلال های سمی مانند DMF و NMP سازگار با محیط زیست نیستند.

برای توسعه جوهرهای مبتنی بر گرافن کاملاً سازگار با محیط زیست، نقطه جوش کم، غیر سمی، از جمله آب و الکل، در حال بررسی است. بنابراین، برای دستیابی به جوهرها و الگوهای مبتنی بر گرافن با توان عملیاتی بالا و پایدار برای کاربردهای تجاری، بررسی های زیادی باید انجام شود.

منبع:

DOI 10.1007/s12274-011-0123-z