کاربردهای فناوری نانو در صنعت جوهرهای رسانا مورد استفاده در مدارهای الکتریکی

الکترونیک چاپی، فناوری جدید که با سرعت خیره کننده­ای در حال توسعه است و روند تغییرات آن در سال­های اخیر بسیاری از صنعت­گران و مصرف کنندگان را به آینده این فناوری امیدوار کرده است. الکترونیک چاپی به صورت سنتی ادوات الکترونیکی با استفاده از فتولیتوگرافی[1]، فرایندهای ابکاری بدون برق ساخته می­شدند و در زمینه­های مختلف خودروسازی، حمل و نقل، انرژی و الکترونیک مصرفی، تبلیغات به کار ­می­رود؛ همچنین امکان ساخت قطعات الکترونیکی مثل ترانزیستورها را روی مواد مختلف و در اندازه­های مختلف فراهم می­کند، با پشرفت آن روز به روز بر سرمایه­گذاری در این فناوری افزوده می­شود. از پیشرفت­های کثیر این فناوری می­توان به پیشرفت در صنعت الکترونیک اشاره کرد، که موجب ارزان­سازی، انعطاف­پذیری، کم وزنی، مصرف پایین محصولات می­شود. روش چاپ جوهر افشان با جوهر­های چاپگر رسانا و نیمه رسانا، به عنوان روشی ارزان و سریع در ایجاد مدارات الکترونیکی چاپ معرفی می­شود. جوهرهای این چاپگرهای جوهر افشان به طور معمول حاوی ترکیبات رسانای الکتریکی در یک فاز سیال آلی یا آبی است. اخیرا جوهرهایی با سایز ذرات بهینه، پایداری همراه با عدم تجمع ذرات در چاپگر جوهر افشان، تولید شده است. امروزه تمام فناوری­های جوهر افشان مبتنی بر کنترل دیجیتالی است، (همانند تولید و خروج قطره­های جوهر از یک نازل با قطر 50-80 میکرومتر بر روی بستر). این شامل دو فناوری اصلی: مداوم (CIJ) و قطره بر روی تقاضا[2] (DOD) است. در فناوری CIJ یک پمپ فشار بالا جوهر مایع را از یک مخزن از طریق یک تفنگ و یک نازل میکروسکوپی هدایت می‌کند و یک جریان پیوسته از قطرات جوهر از طریق Plateau-Rayleigh ایجاد می­کند]1-3[.

اکنون از الکترونیک چاپی در باتری­های، روشنایی در صفحه کلید کامپیوتر و یا تابلو­های مسیریابی، تامین گرما، بسته­بندی و سامانه بازشناسی بی­سیم امواج رادیویی (RFID)، سلول­های خورشیدی، الکترودهای شفاف، صفحه نمایش لمسی استفاده می­شود]4-8[ از مهم­ترین مزیت­های این نوع جوهرها آسانی ­ساخت و قابلیت ادغام در صنایع مختلف و قیمت پایین آن­هاست. علاوه بر­این برای ایجاد اتصال الکتریکی در جاهای حساس به گرما که نمی­توان از هویه استفاده کرد، روشی کارامد و مناسب است.

جوهر رسانا یک سیستم چند جزئی است که حاوی مواد رسانا در یک مایع حامل ( اب یا حلال آلی) و افزودنی­های مختلف (مانند روان کننده­ها) است که موجب بهبود عملکرد دستگاه چاپ و بستر می­شود]4،8[

مواد رسانا که در بالا ذکر شد، ممکن است نانو ذرات پراکنده شونده، ترکیب فلزهای آلی (ترکیبات شیمیایی شامل حداقل یک پیوند کربن- فلز) و یا یک پلیمر رسانا ( در هر دو نقش ،محلول و پراکنده شونده) باشند]4،9[.

انتخاب این مواد رسانا به طور عمده توسط خواص فیزیکی مورد نیاز الگوی چاپ شده (مانند رسانایی، نوری، شفافیت، انعطاف­پذیری و چسبندگی) به خصوص در صنعت الکترونیک منعطف و خواص شیمیایی جوهر مانند تجمع و ثبات و سازگاری با دستگاه چاپ تعیین می­شود. نانو مواد مورد استفاده به عنوان مواد رسانا در جوهر رسانا در محدوده اندازه 1-100 نانومتر باید باشد]10[ و به عنوان یک قاعده کلی برای جلوگیری از اشباع و انسداد هد­های چاپگر، اندازه ذرات جوهر، باید کمتر از 0.1 تا 0.01 قطر چاپگر باشد. با وجود اینکه ذرات کوچک­تر بهتر هستند ولی ذرات با اندازه متوسط 30-50 نانو­متر ترجیح داده می­شود]11[.

یک نوع از نانو موادها در این صنعت، نانو ذرات فلزی می­باشد. روش­های شیمیایی جدید در تولید نانو مواد فلزی در ابعاد بزرگ به عنوان فرمول­سازی جوهر افشان­ها برای چاپ رسانا امکان پذیر است]8،10[. به عنوان مثال جوهرهای نانو نقره، که امروزه به طور گسترده به عنوان چاپگر رسانا، مورد استفاده قرار می­گیرد]4،8[. خانواده دیگری از نانومواد­ها برای چاپگرهای رسانا، نانومواد بر پایه کربن 1- نانولوله­های کربنی[3] (CNT)، 2- گرافن[4] است]12،13[.

نانولوله­ها و ورقه­های گرافن، به علت ویژگی­های منصر به فرد خود مانند هدایت الکتریکی و مکانیکی بالا، انعطاف­پذیری و کم هزینه بودن، برای ساخت وسایل الکترونیکی مانند چاپگرهای الکترونیکی به کار می­رود]14،15[.

• الزامات و چالش­های نانو فناوری در جوهرهای رسانا:

استفاده از روش جوهر افشان، برای رسوب مواد کاربردی نیاز به فرمول­سازی جوهر مناسب دارد و جوهر­های رسانا نیز مشابه جوهر­های گرافیکی باید چسبندگی خوب به بستر، وضوح بالا و عمر طولانی داشته باشند. بنابراین خواص مهم مانند گرانروی[5]، تنش سطحی، چسبندگی به بستر برای بهینه کردن عملکرد چاپ باید تنظیم شود]16[.

به عنوان مثال در چاپگرهای پیزوالکتریک، گرانروی جوهر باید در محدوده 8-15 cp باشد در حالی ­که هدهای چاپگرهای حرارتی نیاز به جوهرهایی با گرانروی کمتراز 3 cp دارند.

چالش­های مختلفی در این صنعت وجود دارد که باید بر آن­ها غلبه کرد، یکی از این چالش­ها در استفاده از نانو ذرات به عنوان جز اصلی جوهر­های رسانا، پایداری در برابر تجمع و ته­نشینی جوهر به منظور بازیافت آن است. در نتیجه معمولا (ماده پلیمری، و یا ماده سورفکتانت) را به عنوان عامل تثبیت کننده به جوهر اضافه می­کنند. این تثبیت کننده برای پراکندگی فلزهایی با 20-60 درصد وزنی به کار می­روند. این نوع جوهرها با عامل تثبیت کننده، به فلزهایی با تراکم زیاد برای الگوهای چاپی نیاز دارند تا هدایت الکتریکی بالایی را فراهم کنند. بنابراین همانطورکه در ادامه بیان خواهیم کرد، حضور این تثبیت کننده با توجه به هدایت بالا معمولا یک مشکل اساسی است.

علاوه بر این جوهرهای رسانا مبتنی بر نانو ذرات برای الگو چاپ باید هدایت الکتریکی خوبی را فراهم کنند؛ بنابراین واضح است که بهترین نامزد برای مواد هادی فلزاتی با رسانایی بالا مانند (Ag, Cu, Au, Al) هستند. درحال حاضر نقره، در جوهرهای رسانا بیش­ترین استفاده را در صنعت داشته است. با توجه به هزینه بالای آن، بزرگ­ترین چالش در این زمینه جایگزینی نقره و دیگر فلزات خاص با فلزات ارزان­تر مانند مس و الومینیوم است. برای موفقیت در این چالش باید از اکسیداسیون در شرایط محیطی معمولی جلوگیری کرد، در غیر این صورت به فضای بی اثری نیاز است]4،17[.

به عوان مثال الومینیوم در هوا سریع (در حدود 100  پیکوثانیه) اکسید می­شود و لایه نازک آمورف Al₂O₃ با ضخامت 2-6 nm بر روی سطحش شکل می­گیرد]18[، که منجر به از دست دادن هدایت الکتریکی می­شود، این باعث می­شود نانو ذرات الومینیوم برای ساخت جوهر رسانا غیر قابل استفاده شود. اکسیداسیون مس در مقایسه با الومینیوم سریع­تر است به خصوص در حضور بیش از یک عامل کاهنده که این امر باعث می­شود، برای نگهداری نانو ذرات مس پایدار در دراز مدت از پوشاندن یک لایه متراکم از مواد بسته­بندی (الکان اتیل، اسیدهای چرب با زنجیره طولانی پلیمرها) یا یک فلز پایدار با هوا به منظور کاهش یا جلوگیری از نفوذ اکسیژن به سطح نانو ذرات استفاده شود]17،19-24[.

چالش دیگر در استفاده از نانو ذرات فلزی، نیاز به یک فرایند پس از چاپ است تا نانو ذرات برای به دست اوردن فاز پیوسته فلزی، با مسیرهای متعدد نفوذ بین ذرات فلزی در الگوهای چاپ شده رسوب کند. این مرحله معمولا یک مرحله ضروری است، زیرا حضور عوامل ثبات دهنده و دیگر اجزای جوهر نزدیک نانو ذرات به دلیل وجود لایه­های عایق بندی آلی که نانو ذرات را احاطه می­کنند از تماس الکتریکی در نزدیکی نانو ذرات جلوگیری می­کند. روش متداول برای سفت شدن نانو ذرات فلزی روش گرمایشی است. با این حال در مورد زیر بناهای حساس به حرارت (به عنوان مثال کاغذ، پلاستیک)، حرارت دادن در دمای بالاتر از 120-150 درجه سانتی­گراد قابل اجرا نیست و از این رو روش­های غیر مخرب برای سفت شدن مورد نیاز است.

بنابراین جوهر­های رسانا با پایه گرافن و نانولوله می­توانند جایگزین مناسب برای نانوذرات فلزی باشند. با توجه به خواص الکتریکی، نوری، مکانیکی گرافن و نانولوله­ها به عنوان یک ماده جذاب در صنعت نانو الکترونیک و الکترونیک نوری معرفی می­شوند]14،15[. هدایت الکتریکی نانو لوله به صورت تکی نزدیک به رسانایی فلزات است، اما با این حال با توجه به نسبت بزرگی ابعاد نیروهای واندروالسی باعث می­شود که ان­ها با یکدیگر بچسبند و زنجیره بزرگ و طولانی را تشکیل دهند]25[. شکل­گیری چنین زنجیره­های بزرگی سبب مسدود شدن نازل چاپگر می­شود و حضور نانو لوله­های بزرگ ویسکوزیته جوهر را بسیار بیشتر از آنچه که برای چاپ جوهر افشان لازم است، افزایش می­دهد. همانطور که هدایت الکتریکی بالای الگوهای چاپ شده جوهرهای فلزی مهم است برای نانولوله­های کربنی در چاپگرهای الکترونیکی نیز حائز اهمیت است. با این حال گزارش شده است که برای نانولوله­های کربنی به هم پیوسته جریان الکتریکی تنها در لوله­های خارج از قسمت زنجیره یا بسته برقرار شود، در حالی که لوله­های داخلی در جریان فعلی کمکی نمی­کند]12،14[.

بنابراین چالش اصلی در فرمول­سازی جوهرهای رسانا، اماده­سازی عوامل پراکندگی CNT­ها بدون اصلاح شیمیایی، اسیب­های مکانیکی (به عنوان مثال خم شدن) و تغییرات کایرالیتی[6] که برای هدایت الکتریکی بالا مهم است]26[.

تعدادی از چالش­هایی که در تولید مقادیر زیاد فیلم­های گرافنی چاپی، جوهرهای رسانا که باید برطرف شوند عبارتند از: 1- گرافن پراکند شونده تمایل شدیدی به تجمع لایه­های گرافنی به دلیل وجود نیروهای قوی بین ورقه­ای واندوالسی دارد. برای غلبه بر این مشکل سطح ورقه­های گرافن باید مطابق با حلال پراکنده شونده باشد]27،28[.

2-غلظت گرافن دست نخورده (PG[7]) معمولا کمتر از 0.01 درصد وزنی است بنابراین ده­ها لایه چاپی برای تهیه فیلم­های با یک عملکرد مناسب لازم است. علاوه بر این بیشتر مطالعات در مورد چاپ گرافنی، براساس گرافن اکسید است که نیاز به کاهش پس از چاپ به منظور به دست اوردن خواص الکتریکی بهتر گرافن دارد. بنابراین استفاده مداوم از گرافن برای چاپ الکترونیکی نیاز به فرمول­سازی جوهر با گرافن زیاد است که باید در برابر تجمع پایدار باشد]29-34[.

در ادامه روش­های اماده­سازی جوهرهای فلزی، گرافنی و نانولوله کربنی که برای الکترونیک چاپی مناسب است و روش­های پردازش پس از چاپ برای دستیابی به هدایت الکتریکی بالا شرح داده می­شود و به چالش­های فوق پاسخ می­دهد.

• فرمول­سازی جوهر­های رسانا:

جوهر، جوهر افشان برای الکترونیک چاپ شده شامل نانو مواد رسانا، محلول آلی یا آبی، افزودنی­های مختلف که عملکرد مطلوب را فعال می­کند. از انجا که جوهر باید با هدایت الکتریکی بالا الگوها را چاپ کند ضروری است که محتوای هدایت الکتریکی نانو مواد بالا باشد، در یک قطره از جوهر، هرچه غلظت در جوهر بالاتر، هدایت بهتر می­شود، علاوه بر این حضور مواد غیر رسانا بین ذرات مانند تثبیت کننده­های پلیمر آلی یک پیش شرط برای رسیدن به یک لایه چاپی رسانا است. در نانو ذرات فلزی فرایند سفت شدن به عنوان مثال گرم کردن و تجزیه مواد عایق مرحله پایانی چاپ الکترونیک است ]4[.

• جوهر رسانا مبتنی بر فلز

جوهر باید دارای مقدار فلز زیادی در محدوده 20-80% وزنی باشد]9[. اگرچه هدایت الکتریکی نهایی الگوهای چاپ شده به عوامل متعددی از جمله روش سفت و خشک شدن و تعداد لایه­های چاپ شده، فرمول­سازی فلز موجود در جوهر بستگی دارد. معمولا هدایت الکتریکی بالا در چاپ یک لایه، به علت این­که پراکندگی نانو ذرات فلزی بیشتر متمرکز است. تعداد بیش­تری از نقاط تماس و مسیرهای نفوذ بین نانو ذرات در لایه­های چاپ شده وجود دارد.

تعداد گزارشات کمی در مورد تهیه مستقیم و متمرکز شده پراکندگی نانو ذرات فلزی وجود دارد. به همین دلیل اکثر روش­های اماده­سازی جوهر با مقدار زیاد بر اساس روش دو مرحله­ای انجام می­گیرد. در مرحله اول نانو ذرات سنتز شده توسط سانتیفیوژ یا به وسیله ته­نشینی با الکل (متانول، اتانول، ایزوپروپانول) یا استون، پس از شستشو با یک حلال مناسب، تثبیت کننده­های پراکندگی­های اضافی حذف می­شوند. در مرحله دوم، نانو ذرات به دست امده در یک مایع مناسب (این مایع حاوی مواد افزودنی مورد نیاز) پراکنده می­شوند. این روش به طور موفق آمیزی برای تهیه جوهرهای مبتنی بر Ag ]35-37[ و Cu ]22،23[ استفاده شد. نانو پودرهای فلزی همچنین می­تواند توسط روش­های فاز گاز] 38[، تبخیر لیزی] 39،40[ و روش­های مکانیکی ]41،42[ برای فرمول­سازی جوهر رسانا استفاده شوند. معمولا حلال­هایی مانند اب ]43،44[، هیدروکربن­ها ]45،46[ الکل­ها و دیگر حلال­های اکسیژنه ]47،48[ برای جوهرهای مبتنی بر فلز به کار می­روند. بنابراین جهت تمیزکردن جوهر جوهر افشان برای عملکرد بهتر چاپ، معمولا مخلوطی از حلال­هایی مانند اب با الکل ]49،50[ و گلیکول ]51[ و همچنین ترکیبات چند جزئی حاوی آب، حلال­های آلی و گلیکول ]37[ استفاده می­شود.

• جوهر رسانا مبتنی بر گرافن:

PG معمولا توسط التوراسونیک گرافیت در اب یا حلال­های آلی مانند ترپینیول ]29[، N-methylpyrrolidone، γ-butyrolactone، 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone ]15،49،50[، o–dichlorobenzene ]50[ و اتانول ]52[ پراکندگی پایدار و مناسبی برای فرمول­سازی جوهر جوهر افشان ایجاد می­کند. همچنین از عوامل مختلف تثبیت کننده مانند: هیدروکربن­های اروماتیک چند حلقه­ای ]28[، سورفکتانت­هایی[8] مانند سدیم دودسیل سلوفات[9] (SDS) ]34[، سدیم دودسیل بنزن سولفات[10] (NaDDBS) ]53[، سدیم دزوکسی کولات[11] ]50[، سدیم کولات و CTAB، پلیمرهایی مانند PVP ]54[ و PVA ]55[ و اتیل سلولز ]29،52[ استفاده می­شود. یکی از معایب اصلی چنین پراکندگی مقدار درصد وزنی کم گرافن است که معمولا دارای 0.1-0.002 درصد وزنی است ]28[. [12]GO حاوی گروه­هایی مانند هیدروکسیل، اپوکسی، کربونیل و کربوکسیلیک است، که باعث می­شود این پراکندگی به خوبی در اب ]29،56[ و حلال­های آلی قطبی مانند N,N –dimethylformamide (DMF)، N -methyl-2-pyrrolidone (NMP)، tetrahydrofuran (THF) و اتیلن گلیکول ]57[ پخش شود. اماده سازی پراکندگی GO پایدار نیاز به عوامل تثبیت کننده ندارد، بنابراین مزیت اشکار جوهرهای مبتنی بر GO در مقایسه با با جوهرهای PG، غلظت GO است، در جوهرهای GO معمولا درصد وزنی گرافن اکساید در حدود 0.1-1.0 درصد وزنی است که در مقایسه با درصد وزنی PG مقدار بیشتری است در نتیجه هدایت الکتریکی الگوهای چاپی بهتری دارد ]30،31[.

• جوهر رسانا مبتنی بر نانولوله­ها:

همانطور که قبلا ذکر شد چالش اصلی در شکل دادن به جوهر­های CNT پایداری پراکندگی­های نانو لوله در سیستم مایع با گرانروی کم است، از انجا که CNTها بسیار آب گریز[13] هستند، سه راه برای دستیابی به چنین پراکندگی ارائه شده است:

• پراکندگی CNT در حلال­های آلی بدون عوامل پراکنده شونده ]58-60[
• پراکنده شدن CNT­ها در محلول­های ابی با استفاده از پراکنده­ها مانند سورفکتانت­ها (انیونی، کاتیونی، غیر یونی) یا پلیمر­ها ]61-63[
• اصلاح شیمیایی CNT که به تعاملات CNT با محیط پراکنده کمک می­کند ]64[ به عنوان مثال برای پایداری CNT ها در اب، معمولا برای کربوکسیل، کربنیل و هیدروکسیل­های حاوی اکسیژن بر روی سطح نانو لوله از اسید نیتریک استفاده می­شود ]65،66[.

روشی که به طور گسترده برای تهیه پراکندگی­های همگن CNT استفاده می­شود، التوراسونیک برای مدت طولانی است.

در جوهر­های CNT برای چاپ رسانا افزودنی­های مناسب با توجه به روش چاپ مورد نیاز و بهبود عملکرد چاپ استفاده می­شود. در یک سیستم مایع از حلال­های آلی مانند DMF ]58،59[، N -methyl-2-pyrrolidone ]60[، γ-butyrolactone ]64[ و یا محلولی از این حلال­ها استفاده می­شود.

به طور معمول محتوای CNT­ها در فرمول­سازی جوهر در محدوده­ی وسیعی از غلظت 0.01-10 g/L است ]67[. لازم به ذکر است که در بسیاری از گزارش­ها غلظت واقعی CNT ذکر نشده است زیرا پراکندگی CNT یا فیلتر می­شود یا قبل از چاپ بسته­های CNT بزرگ ته­نشین می­شوند. محدودیت غلظت در روش­های چاپ که نیاز به جوهر با گرانروی کم دارند مانند جوهرافشان­ها یا فلکسو، کمتر اهمیت دارد.

 

• کاربرد جوهر رسانا:

در بخش­های زیر ما چندین سیستم کاربردی از نانو مواد رسانا برای سیستم­های دارای الکترونیک چاپ را مورد بحث قرار خواهیم داد:

این سیستم­های کاربردی شامل الکترودهای رسانای شفاف[14] (TE)، که امروزه در بسیاری از دستگاه­های اپتوالکترونیک و جوهر افشان چاپ شده مانند برچسب­های RFID، سیستم­های نوری، ترانزیستورهای نازک و سلول­های خورشیدی به کار می­رود.

• برچسب RFID :

برچسب RFID سیستمی است که ذخیره داده­ها و خواندن داده­ها از راه دور را از اقلام مجهز به چنین برچسبی فراهم می­کند. عناصر اصلی یک برچسب RFID، میکرو چاپ سیلیکونی و یک موج­گیر است که عهده­دار برقراری ارتباط با یک دستگاه خواندن است ]68،69[.

چاپ مستقیم جوهر موج­گیر بر روی زیرلایه پلاستیکی و کاغذی با استفاده از جوهر­های نانو ذرات فلزی، یک رویکردی امید بخش برای تولید برچسب­های RFID ارزان قیمت است. از انجایی که موج­گیر باید مقاومت کمی داشته باشد، جوهرهایی با نانوذرات نقره گزینه­ی بهتری است. فرایندهای مناسبی برای چاپ موج­گیر با استفاده از این جوهرها ارائه شده است ]69،70[. علی­رغم دانش زیاد در این زمینه، جوهرهای نانو فلزی به دلیل هزینه­ی بالای نقره کاربرد تجاری زیادی ندارد، به تازگی از چاپ جوهر مبتنی بر گرافن در موج گیر RFID ها استفاده می­شود ]71[.

• ترانزیستورهای لایه نازک[15]:

نانو مواد رسانا در هر دو صورت ترانزیستورهای لایه نازک آلی و غیر آلی استفاده می­شوند. به عنوان مثال، تمامی CNT-TFT­ها توسط جوهرهای چاپی با پراکندگی­های SWCNT در ویفر سیلیکونی ساخته شده­اند. الکترودها توسط رسوب شبکه متراکم SWCNT (100  لایه چاپی) تهیه می­شوند درحالی­که فیلم­های نیمه هادی با رسوب 2 لایه چاپی از SWCNT به دست می­آیند ]58[.

TFTهای ارگانیک با جوهرهای چاپی از نقره الکترودهایی بر روی فیلم­هایی از هیدروکربن­های اروماتیک چند حلقه­ای بر روی Pl و زیرلایه شیشه­ای تولید می­شوند سپس در درمای 130 تا 140 درجه سانتی­گراد عملیات پخت و سفت شدن را انجام می­شود. مقاومت الکترودهای چاپ شده کمتر از  2.5  و  3 اهم می­باشد ]72،73[.

دیگر الکترودهای نقره که بر روی TFTهای مبتنی بر SWCNT چاپ شده بودند، دارای مقاومتی در حدود 1 اهم بعد از پخت در دمای 180 درجه سانتی­گراد هستند ]74[. همچنین از مخلوط نانو ذرات Ag-Cu برای چاپ الکترودهای منبع/تخلیه، برای ترانزیستورهای اورگانیک مبتنی با poly(3-hexylthiophene استفاده می­شود ]75[. به­تازگی ساخت الکترودهای منبع/تخلیه با روش چاپ جوهرافشان که دارای جوهری از ترکیبات GO و PVA برای ترانزیستورهای اورگانیک شفاف منعطف قطعی شد ]76[.

• دستگاه­های نوری[16]:

سیستم نور افشانی الکتریکی[17] (ELD) از یک لایه نیمه هادی بین دو الکترود تشکیل شده و نور را در پاسخ به جریان الکتریکی منتشر می­کنند. چراغ­های مورد استفاده برای نور پردازی نیاز به یک شبکه بسیار رسانا (shunting lines) برای توزیع یکنواخت جریان در اطراف دستگاه روشنایی دارد. این مدارها را می­توان بر روی زمینه­های مختلف از جمله پلاستیک، با فرایندهای مختلف چاپ با استفاده از نانومواد رسانا ساخت. به عنوان مثال الکترودهای نقره با استفاده از جوهر افشان حاوی پراکندگی نانو ذرات نقره بر روی ELD انعطاف پذیر 4 لایه تشکیل شده است. اعمال ولتاژ بین انتهای ITO و بالای الکترودهای Ag منجر به انتشار شدید (90 cd/sqm) نور می­شود ]77[. شکل (1) این فرایند را به صورت شماتیک نشان می­دهد.

اخیرا ELD ­ها با دو الکترود چاپ شده  CNT (الکترود عقبی شفاف از یک فیلم نازک MWCNT پوشیده شده با میله و الکترود مقابل توسط جوهر چاپی ساخته شده است) که بعد از اعمال ولتاژ بین دو الکترود MWCNT یک انتشار شدید نوری مشاهده می­شود، شکل (2) تصویر ELD منعطف با الکترودهایی از نانولوله­ها را نشان می­دهد. به تازگی دیود نوری با الکترودهای چاپ شده با جوهر گرافنی نیز ساخته شده است ]78[.

شکل (1) شکل بالا، ترکیب ELD با الکترود Ag چاپ شده با جوهر افشان، شکل پایین، ELD قابل انعطاف ]79[

شکل (2). ELD منعطف با الکترودهای MWCNT

• سلول­های خورشیدی[18]:

سلول­های خورشیدی (SCs) دستگاه­های فوتوولتائیک هستند که تابش خورشید را به جریان الکتریکی تبدیل می­کند. سلول­های خورشیدی در واقع دیودهای نیمه هادی بزرگی هستند که عمدتا بر روی سیلیکون بلوری قرار دارند (بیش از 85% از بازار جهانی). با این حال SCها با زیرلایه سیلیکون به صورت پلی کریستالی و امورف که کارایی کمتری نسبت به حالت بلوری زیرلایه دارد به طور گستردده استفاده می­شود ]4[. جریان الکتریکی توسط الکترودهای فلزی که در قسمت جلویی SC چاپ شده­اند فراهم می­شود. در حال حاضر این الکترودها با استفاده از دانه­های نقره چاپ شده با افزودنی­های مناسب تولید می­شوند که در تماس با سیلیکون فعال می­شوند. در سال­های اخیر نانو ذرات CNT  نیز در تولید سلول­های خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته­اند ]64[. جالب است توجه داشته باشید که نانوذرات الومینیوم علی­رغم اکسیداسیون سریع آن­ها در هوا نیز می­توانند مورد استفاده قرار بگیرند. برای غلبه بر این، نانو ذرات الومینیومی قبل از چاپ بر روی سیلیکون با hexafluoroacetylacetone برای حذف اکسید­های سطحی پرداخت شیمیایی[19] می­شود ]80[.

• الکترودهای شفاف:

در طول دهه گذشته بازار الکترودهای شفاف (TE) به دلیل گسترش صفحه نمایش­های LCD، لمسی و سلول­های خورشیدی نازک و دستگاه­های نوری مورد استقبال قرار گرفته است. از جمله موادی که بیش­ترین کاربرد را در این صنعت دارند اکسیدهای فلزی است که در این میان اکسید تیتانیوم (ITO) بیش از 97% از سهم بازار پوشش­های شفاف را به خود اختصاص داده است ]81[. پوشش­های ITO دارای مقاومت کم و در حدود 90 درصد شفاف نوری در محدوده قابل مشاهده است؛ اما پوشش­های ITO دارای نقایص عمده­ای مانند هزینه­های بالا، تولید گران و شکنندگی است، که این شکنندگی باعث ایجاد محدودیت­های شدید در استفاده از ان در الکترونیک منعطف ایجاد می­کند ]82[. علاوه بر این در حال حاضر تلاش­های زیادی برای پیدا کردن جایگزین برای ITO که مبتنی بر نانومواد باشد و مستقیما بر روی سطوح مختلف بدون فرایند پرداخت شیمیایی چاپ شود، شده است. این جایگزین ایده ال باید ارزان، انعطاف­پذیر، نازک و فرایند تولید ساده­ای داشته باشد. بسته به کاربرد ورقه­ها برای نمایشگرهای لمسی، سلول­های خورشیدی و OLED شفافیت بیش از 90% مورد نیاز است؛ TEهای رسانا مبتنی بر نانومواد (نانو ذرات فلزی، گرافن و نانو لوله­ها) ساخته می­شوند ]83،84[.

 

• بازار جوهرهای رسانا مبتنی بر نانو مواد:

 

• شرکت­های تولیدکننده جوهر رسانا مبتنی بر نانومواد فلزی

 

• شرکت [20]Electroninks Incorporated:

شرکت Electroninks Incorporated قلمی را با نام(Circuit Scribe)  طراحی و تهیه کرده است که توسط جوهر رسانای نقره به شما امکان می‌دهد هر مداری را که دوست دارید به آسانی بر روی کاغذ ترسیم کنید. برای این کار به سیم، صفحه الکتریکی[21] و لحیم­کاری نیازی نیست. برای کار با این قلم تنها چیزی که لازم دارید یک طرح اولیه است. سپس می‌توانید با قیمتی کمتر و سرعتی بالاتر مدار‌های الکترونیکی خود را تست کنید.

• جوهر رسانا مبتنی بر فلز Ag با نانو ذراتی با ابعاد حدود 2-200 نانومتر و مقدار فلز 10-60 درصد وزنی در حال حاضر توسط شرکت­های زیر تولید می­شوند:
• [22]Cabot (USA)
• NovaCentrix (USA)[23]
• Sun Chemical (USA)[24]
• NanoMas (USA)[25]
• [26]Applied Nanotech (USA)
• InkTec (Korea)[27]
• Harima Chemicals (Japan)[28]
• Advanced Nano Products (Korea)[29]
• Samsung Electro-Mechanics (Korea)[30]
• Cima NanoTech[31]
• PV Nano Cell and XJet Solar (Israel)[32]
• جوهرهای رسانای مبتنی بر فلز Cu با ابعاد 25-130 نانومتر و درصد وزنی 10-40 درصد نیز توسط شرکت­های زیر تولید می­شوند:
• NovaCentrix (USA)
• Intrinsiq Materials (USA)[33]
• Applied Nanotech (USA)
• Samsung Electro-Mechanics (Korea)

 

• شرکت­های تولید کننده جوهر رسانا مبتنی بر نانولوله کربنی

در رابطه با جوهرهای مبتنی بر CNT دانش بسیار خوبی وجود دارد ولی به صورت تجاری، تعداد بسیار کمی از محصولات در بازار وجود دارد. این جوهرهای حاوی نانو لوله­های کربنی ساخته شده از عامل کربوکسیل (COOH) در یک سوسپانسیون ابی با حداقل غلظت مواد افزودنی است تا بتوانند پایداری طولانی مدتی را فراهم کند.

• اخیرا جوهر افشان­هایی با عملکرد مناسب چاپ، g/L 10 نانولوله MWCNT در اب با استفاده از 0.5 درصد وزنی پراکنده شونده پلیمری توسط شرکت SOLSPERSE 46000 of Lubrizol, (USA)[34] و با 0.1 درصد وزنی پراکنده شونده توسط شرکت آلمانی Byk 348 of Byk-Chemie GmbH, (Germany) تولید می‌شود
• تعدادی از جوهر­های چاپی نانو کامپوزیتی شامل CNT به همراه نانو ذرات نقره، CNT وPEDOT-PSS  نیز گزارش شده است ]85،86[.
• شرکت NanoLab Inc. (USA)[35] موفق به تولید دو نوع جوهر رسانا مبتنی به نانولوله­های SWCNT،

Nink-100 (MWCNT ink) و Nink-1100 (SWCNT ink)  شد.

 

• خلاصه مدیریتی:

همان­طور که بیان شد تعدادی از نانو مواد مختلف با منشاء شیمیایی (فلزی، کربنی) و مورفولوژی (نانو ذرات، نانولوله­ها، نانو ورقه) می­توانند بر روی زیرلایه­های مختلف ذخیره شوند تا الگوهای رسانایی را در دستگاه­های الکترونیکی و اپتوالکترونیک ایجاد کنند. علی­رغم پیشرفت­های قابل توجه علمی در فرایندهای اماده­سازی و کاربرد نانو مواد رسانا، هنوز در صنایع به طور انبوه استفاده نمی­شوند. قیمت بالای فعلی جوهر­های تجاری که به طور عمده بر پایه نقره تولید می­شوند، مانع از استفاده گسترده ان­ها برای الکترونیک چاپ شده می­شود. بنابراین تحقیق و توسعه نانو مواد جدید و فرمول­سازی جوهر باید در راستای انتخاب فلزات کم هزینه با هدایت الکتریکی بالا مانند مس، نیکل، الومینیوم باشد. که این نیازمند غلبه بر اکسیداسیون سطحی این فلزات با فرایندهایی است که می­تواند در مقیاس صنعتی انجام شود. از انجایی که الگوهای رسانا توسط جوهرهای فلزی در بسترهای پلاستیکی انعطاف­پذیر و کاغذ نیازمند پخت در درجه حرارت پایین است، توسعه تکنیک­های جدید پخت که با فرایندهای چاپ R&R (فوتونیک، پلاسما، شیمیایی و..) سازگار است و در صنعت الکترونیک پلاستیکی مانند صفحه نمایش­های انعطاف­پذیر بسیار اهمیت دارند. و با جایگزینی نانو مواد رسانا مانند نانو ذرات فلزی، نانو لوله­های کربنی و گرافن به جای اکسیدهای الاییده فلزی سنتی مانند اکسید تیتانیوم برای الکترودهای شفاف می­تواند تاثیری انقلابی در اپتوالکترونیک مدرن بگذارد. امروزه بسیاری از تحقیقات به سمت و سوی مواد رسانا مبتنی بر CNTها هدایت می­شوند. از انجا که خواص اپتوالکترونیک نانو لوله­ها توسط پارامترهای متعدد (مانند خلوص CNT ، کیفیت شبکه کربنی نانولوله، نسبت ابعاد و…) تعیین می­شود، این پارامترها باید بیشتر بهینه­سازی شوند. به عنوان مثال توسعه روش­های جدید برای جداسازی در مقیاس صنعتی و مقرون به صرفه CNTهای فلزی و نیمه هادی و همچنین سنتز مستقیم CNT­های فلزی می­تواند فرایندهای تولید ساده و عملکرد بهتر دستگاه­های چاپی را امکان­پذیر سازد.

در سال­های اخیر بسیاری از فعالیت­های علمی بر روی گرافن به عنوان یک ماده با خواص شگفت انگیز متمرکز شده است، بنابراین می­تواند پیشرفت­هایی را در اینده صنعت الکترونیک چاپی با استفاده از ترکیب گرافن و نانو لوله­های کربنی انتظار داشت. استفاده از گرافن به صورت یکنواخت برای الکترونیک چاپی نیازمند فرمول­سازی جوهر افشان با مقدار گرافن زیاد که در برابر انباشتگی پایدار باشد. یکی دیگر از دیدگاه­های مهم در کاربرد نانو مواد رسانا در الگوهای رسانای چاپ سه بعدی است. امروزه این زمینه در مراحل اولیه تحقیق و توسعه قرار دارد و جستجو برای نانو مواد جدید و ابزار­های مناسب سازه­های سه بعدی، یک چالش برای علم نانو مواد است.

[1] Photolithography

[2] Drop-on-demand

[3] carbon nanotubes

[4] Graphene

[5] viscosity

[6] chirality

[7] pristine graphene

[8] Surfactant

[9] Sodium dodecyl sulfate

[10] Sodium dodecylbenzenesulfonate

[11] sodium deoxycholate

[12] Graphene Oxide

[13] Hydrophobic

[14] Transparent electrode

[15] Thin film transistors

20 Optical device

[17] electroluminescent devices

[18] Solar Cells

[19] Etching

[20] electroninks.com

[21] board

[22] cabotcorp.com

[23] novacentrix.com

[24] sunchemical.com

[25] chemeurope.com

[26] appliednanotech.net

[27] inktec.com

[28] bloomberg.com

[29] anapro.com

[30] samsungsem.com

[31] www.crunchbase.com

[32] www.hanwha.com

[33] intrinsiqmaterials.com

[34] berrymanchemical.com

[35] nano-lab.com

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• گروه صنعتی کاربردهای فناوری نانو در صنعت برق و انرژی

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================