جوهر رسانا چیست؟ - ایران گرافن

جوهر رسانا نوعی جوهر است که حاوی مواد رسانایی مانند نقره، مس یا گرافیت است که به آن امکان رسانایی الکتریسته را می دهد. می توان آن را روی سطوح مختلف از جمله کاغذ، پلاستیک و منسوجات اعمال کرد و می توان از آن برای ایجاد مدارهای انعطاف پذیر، حسگرها و سایر قطعات الکترونیکی استفاده کرد. جوهر رسانا از مخلوط کردن یک ماده رسانا مانند نقره یا پودر مس با یک چسب مایع مانند حلال آلی یا رزین پلیمری ساخته می شود. مخلوط به دست آمده را می توان با استفاده از انواع تکنیک های چاپ، از جمله چاپ جوهر افشان و چاپ فلکسوگرافی روی یک بستر چاپ کرد.

یکی از مزایای کلیدی جوهر رسانا قابلیت چاپ مستقیم آن بر روی مواد منعطف مانند منسوجات است که آن را برای استفاده در فناوری پوشیدنی ایده آل می کند. همچنین می توان از آن برای ایجاد مدارها و اجرای بسیار دقیق استفاده کرد. علاوه بر این می تواند در ضخامت های مختلف برای دستیابی به سطوح مختلف رسانایی استفاده شود.

جوهر رسانا می تواند با استفاده از مواد مختلفی ساخته شود، از جمله:

1- نانو ذرات نقره: اینها به دلیل رسانایی و پایداری بالا، متداول ترین مواد مورد استفاده در جوهر رسانا هستند.

2- نانو ذرات مس: این نانو ذرات ارزان تر از نقره هستند و رسانایی مشابهی دارند، اما بیشتر در معرض اکسیداسیون قرار دارند.

3- کربن سیاه: کربن سیاه یک جایگزین ارزان تر برای جوهرهای رسانای مبتنی بر فلز است، اما رسانایی کمتری دارد.

4- گرافن: گرافن ماده بسیار رسانا است و می توان از آن در مقادیر کم برای افزایش رسانایی مواد دیگر استفاده کرد.

5- پلیمرهای رسانا: پلیمرهای رسانا مواد آلی هستند که می توانند به عنوان جایگزینی برای جوهرهای رسانای مبتنی بر فلز استفاده شوند.

6- تکه های فلز: این ذرات فلزی بزرگتر هستند و می توانند در جوهر رسانا استفاده شوند، اما ممکن است به اندازه نانو ذرات رسانایی نداشته باشند.

7-اکسید قلع ایندیم (ITO): اکسید قلع ایندیم یک هادی شفاف است که می تواند در برنامه هایی که شفافیت مهم است مانند صفحه نمایش لمسی و صفحه نمایش استفاده شود.

کاربردهای جوهر رسانا

جوهر رسانا کاربردهای گسترده ای دارد که برخی از آن ها عبارتند از:

1. تخته مدار چاپی (PCB): جوهر رسانا در بردهای مدار چاپی PCB برای ایجاد مسیرهای الکتریکی بین اجزا و قطعات مختلف برد استفاده می شود. با استفاده از فرآیند چاپ روی سطح تخته اعمال می شود و سپس برای ایجاد یک مسیر رسانا پخت می شود. سازندگان می توانند به کمک جوهر رسانا مدارهای پیچیده و دقیقی را بر روی PCB ایجاد کنند که امکان استفاده از دستگاه های الکترونیکی کارآمدتر و قابل اعتماد تر را فراهم می کند. علاوه بر این، جوهر رسانا را می توان برای تعمیر مدارهای آسیب دیده یا افزودن اجزای جدید به برد موجود بدون نیاز به شروع از ابتدا استفاده کرد.
2. سنسورها: جوهر رسانا را می توان برای ایجاد حسگرهایی استفاده کرد که تغیرات دما، فشار یا رطوبت را تشخیص می دهند. این حسگرها در کاربردهای مختلفی از جمله دستگاه های پزشکی، سیستم های خودرو و نظارت بر محیط زیست استفاده می شوند. جوهر رسانا انعطاف پذیر است و می توان آن را بر روی سطوح مختلف چاپ کرد و برای ایجاد حسگرهایی که می توانند با اشکال و اندازه های مختلف مطابقت داشته باشند، ایده آل است. علاوه بر این جوهر رسانا مقرون به صرفه است و ساخت آن آسان است و آن را به انتخابی محبوب برای ایجاد حسگرها در مقادیر زیاد تبدیل می کند.
3. برچسب های RFID: جوهر رسانا برای ایجاد آنتن برای برچسب های RFID استفاده می شود. این برچسب ها در لجستیک و سایر صنایع برای ردیابی محصولات و موجودی استفاده می شود. در مقایسه با روش های سنتی حکاکی آنتن های فلزی روی یک بستر، فرآیند تولید مقرون به صرفه تر و کارآمدتر را امکان پذیر کرده است. علاوه بر این، جوهرهای رسانا را می توان برای مطابقت با الزامات خاص برچسب RFID مانند فرکانس و برد سفارشی کرد. آن ها همچنین در طراحی، انعطاف پذیری دارند و می توانند روی سطوح منحنی یا اشکال نامنظم چاپ شوند.
4. 4-      فناوری پوشیدنی: جوهر رسانا برای ایجاد مدار روی پارچه ها استفاده می شود که امکان ایجاد فناوری پوشیدنی مانند لباس های هوشمند و ردیاب های تناسب اندام را فراهم می کند. جوهرهای رسانا در فناوری پوشیدنی به دلیل ایجاد مدارهای انعطاف پذیر و دوام بسیار بالا استفاده می شوند. این ها می توانند در برابر خم شدن و کشش مکرر بدون ترک خوردن و شکستن مقاومت کنند.
5. الکترونیک چاپی: جوهر رسانا برای ایجاد نمایشگرهای انعطاف پذیر، صفحه نمایش لمسی و سایر قطعات الکترونیکی که می توانند بر روی سطوح مختلف چاپ شوند استفاده می شود. وقتی جوهر رسانا روی یک بستر چاپ شده و خشک می شود، یک مسیر رسانای الکتریکی تشکیل می دهد که انتقال سیگنال های الکتریکی و قدرت را ممکن می سازد.
6. سلول های خورشیدی: جوهر رسانا برای ایجاد تماس های روی سلول خورشیدی استفاده می شود که امکان انتقال موثر الکتریسته از سلول به بقیه سیستم را فراهم می کند. جوهر رسانا مسیری با مقاومت کم برای عبور جریان الکتریکی فراهم می کند و به حداکثر رساندن کارایی سلول خورشیدی کمک می کند. این جوهرها همچنین برای اتصال سلول های خورشیدی به یکدیگر و به شبکه برق مورد استفاده قرار می گیرند و آن ها را به یک جزء ضروری در تولید پنل خورشیدی تبدیل می کند.
7. چاپ سه بعدی: جوهر رسانا را می توان در چاپ سه بعدی برای ایجاد اجزای الکترونیکی کاربردی مانند سنسورها و آنتن ها استفاده کرد، که می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند و سیگنال ها را منتقل کند. جوهرهای رسانا امکان ایجاد مدارهای مجتمع پیچیده با هندسه ها و اشکال پیچیده را فراهم می کند که ممکن است با روش های تولید سنتی امکان پذیر نباشد.

معایب جوهر رسانا

در حالی که جوهر رسانا دارای مزایای بسیاری است، استفاده از آن در برخی کاربردها دارای معایب بالقوه ای نیز می باشد. در اینجا به چند مورد اشاره می شود:

1- رسانایی محدود: در حالی که جوهر رسانا قادر است الکتریسته را هدایت کند، ممکن است به اندازه مواد دیگر مانند مس یا آلمینیوم رسانا نباشد. این بدان معناست که ممکن است برای کاربردهای پرقدرت یا مواردی که به مقاومت بسیار پایین نیاز دارند مناسب نباشد.

2- نگرانی های زیست محیطی: برخی از جوهرهای رسانا حاوی فلزات سنگینی مانند نقره یا مس هستند که در صورت عدم دفع مناسب می توانند برای محیط زیست مضر باشند. علاوه بر این، حلال ها و سایر مواد شیمیایی مورد استفاده در فرآیند تولید نیز در صورت عدم استفاده صحیح می توانند برای محیط زیست مضر باشند.

3- دوام: در حالی که جوهر رسانا انعطاف پذیر است و می توان آن را بر روی سطوح مختلف چاپ کرد، ممکن است مانند مواد دیگر دوام نداشته باشد. ممکن است در طول زمان مستعد ترک خوردن یا لایه برداری باشد.

4- هزینه: جوهر رسانا می تواند گران تر از سایر مواد مانند سیم مسی یا تخته های مدار سفت و سخت باشد. این ممکن است آن را برای برخی از برنامه ها، به ویژه برنامه هایی که تولید بزرگ تری دارند، کمتر عملی کند.

به طور کلی جوهرهای رسانا از تکنولوژی های اخیر می باشد که با وجود معایبی که دارد همچنان مورد توجه بوده و روز به روز بر قابلیت های آن افزوده می شود. از این رو می توان روزی را متصور شد که جوهرهای رسانا کاربردهای بیشماری در صنعت داشته باشد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/conductive-ink

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201200196