1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

الکترونیک چاپی؛ روش‌ها، مواد و کاربردها

افراد مقاله : ‌ مترجم - صادق قربان زاده , مترجم - زهرا اکرمی

موضوع : آموزش و ترویج - علم و پژوهش - صنعت و بازار کلمات کلیدی : الکترونیک چاپی - چاپ جوهر افشان تاریخ مقاله : 1398/10/20 تعداد بازدید : 1151

این مقاله‌ی مروری بر کاربرد نانوذرات نقره، نانوسیم‌های نقره، گرافن و نانولوله‌های کربنی از جمله نانولوله‌های تک دیواره و چند دیواره به‌عنوان مواد انتخابی برای الکترونیک چاپی، با تاکید بر ساخت آن‌ها با تکنولوژی‌های مختلف چاپ متمرکز است.

 

مقدمه
الکترونیک چاپی[1] (PE) نوعی از اداوت الکترونیکی است که با فناوری چاپ متداول ساخته می‌شود و در سال‌های اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. از مزایای کلیدی PE می‌توان به تولید کم هزینه و بازده بالا، سازگاری با سیستم‌های انعطاف‌پذیر (مثلا ساخت الکترونیک سطح وسیع و سیستم‌های هیبریدی روی زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر و کشسان، با استفاده از مواد ارگانیک، غیرارگانیک و زیست الگو) و مجتمع‌سازی نسبتا آسان اشاره کرد. در مقابل، فناوری میکرو ساخت مبتنی بر سیلیکون، از جمله تکنیک‌های مبتنی بر خلاء و لیتوگرافی نوری (مثلا تبخیر، اسپاترینگ و رسوب شیمیایی بخار) ، معمولا نیازمند فرآیندهای تولید پیچیده و هزینه‌های نسبتا زیاد هستند. PE برای تولید دستگاه‌های الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان با استفاده از جوهرهای چاپی که شامل مواد محلول یا پراکنده هستند، مورد بررسی قرار گرفته که در لایه‌های رسانای شفاف[2] (TCFها) ، جمع‌آوری و ذخیره‌ی منعطف انرژی، ترانزیستورهای لایه نازک[3] (TFTها) ، دستگاه‌های الکترولومینسانس و سنسورهای پوشیدنی، کاربردهای بسیاری دارد. بازار جهانی PE که 14.0 میلیارد دلار در سال 2017 بود، بایستی تا سال 2022 به 26.6 میلیارد دلار با نرخ رشد سالانه 13.6% برسد.

دستگاه‌های الکترونیک چاپی با فناوری‌های چاپ متفاوتی ساخته می‌شوند. فناوری‌های چاپ معمولی را می‌توان به دو دسته‌ی گسترده تقسیم کرد: چاپ غیرتماسی (یا الگو زنی مبتنی بر نازل) و چاپ مبتنی بر تماس. تکنیک‌های غیرتماسی شامل چاپ جوهرافشان، الکتروهیدرودینامیک[4] (EHD) ، آیروسول جت و چاپ با نازل تیغه‌ای[5] است؛ چاپ صفحه‌ای، گراوور و فلکسوگرافیک مثال‌هایی از تکنیک‌های تماسی هستند. هر کدام از این تکنیک‌ها مزایا و معایب خود را دارند، اما همگی بر مبنای مفهوم انتقال جوهر به زیرلایه توسعه یافته‌اند. آگاهی از ویژگی‌ها و پیشرفت‌های اخیر هر یک از این تکنیک‌ها برای پیشبرد هرچه بیشتر PE حائز اهمیت است. علاوه‌براین، برای ارتقای فناوری چاپ از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی، چاپ رول به رول (R2R[6]) که یکی از روش‌های تولید لایه‌های بزرگ با هزینه‌ی کم و دوام عالی است، توجه جامعه‌ی صنعتی و پژوهشی را به خود جلب کرده است.

تقریبا تمام دستگاه‌های مبتنی بر الکترونیک چاپی نیاز به ساختار رسانا، اتصال بین قطعات و اتصالات بیرونی دارند. بنابراین، اجزایی با رسانایی بالا، شفافیت زیاد و رزولوشن بالا که با استفاده از مواد چاپی رسانا ساخته می‌شوند، یکی از مهمترین اجزاء در دستگاه‌های الکترونیک چاپی هستند. انواع نانومواد رسانای قابل چاپ، ازجمله نانومواد فلزی (مثلا نانوذرات فلزی یا نانوسیم‌های فلزی) و نانومواد کربنی (مثلا گرافن و نانولوله‌های کربنی) به ‌طور گسترده‌ای بررسی شده‌اند و در زمره مواد اصلی مورد استفاده در الکترونیک چاپی قرار می‌گیرند. به‌کارگیری فناوری چاپ در لایه‌نشانی نانومواد رسانا نیازمند فرمولاسیون پایدار جوهر است. بعد از لایه‌نشانی جوهرها روی زیرلایه‌های مختلف، به‌منظور دستیابی به الگویی با رسانایی بالا، فرآوری  بعد از چاپ، معمولا زینترینگ حرارتی، الزامی است. جهت سازگاری با زیرلایه‌های منعطف و الاستیک رایج، و همچنین برای کاهش هزینه‌ی تولید و زمان فرآیند، نیازمند جایگزین برای روش‌های زینترینگ موجود هستیم. بنابراین، این مقاله‌ی مروری بر کاربرد نانوذرات نقره، نانوسیم‌های نقره، گرافن و نانولوله‌های کربنی از جمله نانولوله‌های تک دیواره و چند‌دیواره به‌عنوان مواد انتخابی برای الکترونیک چاپی، با تأکید بر ساخت آن‌ها با فناوری‌های مختلف چاپ متمرکز است. نانومواد رسانا را می‌توان به طور گسترده در شاخه‌های متنوع الکترونیک منعطف و کشسان چاپی مورد استفاده قرار داد. نقشه‌ی راه تاریخی و کوتاهی که بر نانومواد قابل چاپ رسانا تمرکز دارد، در شکل 1 نشان داده شده است.

 

فناوری‌های چاپ؛ مواد و پیشرفت‌های اخیر
اجزای رسانا، نیمه‌رسانا و دی‌الکتریک همه با چاپ قابل ساخت ‌هستند. اجزای رسانا،  جزء اصلی دستگاه‌های الکترونیک منعطف و کشسان به شمار می‌روند.

 

نانومواد رسانای قابل چاپ
در میان نانومواد رسانا، فلزات انتخاب اصلی هستند. نقره بالاترین رسانایی الکتریکی در دمای اتاق را دارد، که به موجب آن نانومواد نقره، از جمله نانوذرات و نانوسیم‌های نقره بیش از دیگر نانوساختارهای فلزی به‌عنوان رساناها یا الکترودهای الکترونیک چاپی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. از آنجاییکه مس رسانایی فوق‌العاده‌ (تنها 6% کمتر از نقره) و قیمت بسیار پایین تری دارد، نانوذرات و نانوسیم‌های مس نیز برای الکترونیک چاپی مورد توجه قرار گرفته‌اند. علاوه‌براین، شبکه‌‌های  فلزی بر پایه‌ی شبکه‌های نانوذرات و نانوسیم‌های فلزی که دارای نسبت طول به قطر بالا هستند، میزان عبور نور بالا، رسانایی خوب و سازگاری مکانیکی فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند. علاوه‌بر نانومواد فلزی، نانومواد کربنی نظیر نانولوله‌ها نیز به دلیل ویژگی‌های منحصربفرد، از جمله توان انتقال جریان بالا و انعطاف‌پذیری مکانیکی، در امر الکترونیک منعطف و کشسان نویدبخش هستند.

 

چاپ جوهر افشان
فرآیند چاپ جوهر افشان متداول
در چاپ جوهرافشان، نانومواد به صورت کلوئیدی از طریق نازل میکرومتری، لایه‌نشانی می‌شوند. مزایای چاپ جوهرافشان عبارتند از: لایه‌نشانی سریع و دقیق طیف گسترده‌ای از مواد کاربردی در مساحت وسیع و با هزینه‌ی کم، امکان لایه‌نشانی مقدار بسیار کم از مواد (مثلا لایه‌نشانی قطره‌های پیکولیتری) و مجتمع‌سازی آسان مواد مختلف روی زیرلایه‌ی یکسان. به‌علاوه، به‌عنوان تکنیک لایه‌نشانی غیرتماسی و بدون ماسک، آلودگی زیرلایه به حداقل می‌رسد.

دو سازوکار اصلی برای تولید قطره‌ با چاپگرهای جوهرافشان وجود دارد: چاپ جوهر افشان پیوسته[7] (CIJ) و چاپ جوهرافشان نقطه‌ای[8] (DOD). در حالت CIJ (شکل 2الف) ، جوهر تحت فشار از طریق نازل و تنش سطحی به قطرات یکنواختی شکسته می‌شود. در حالت DOD، اندازه‌ی قطره کوچک‌تر و دقت مکانی بیشتر است. در این حالت قطرات با پالس فشار تولید شده در حفره‌ی پراز مایع که در پشت نازل چاپی قرار گرفته، خارج می‌شوند. پالس فشار که محرک تشکیل قطره است را می‌توان با پالس حرارتی که موجب تشکیل حباب بخار می‌شود (شکل 2ب) یا با عملگر مکانیکی پیزوالکتریک (شکل 2ج) تولید کرد. در حال حاضر چاپگرهای جوهرافشان حالت CIJ، ابزارهای صنعتی قدرتمندی هستند و به‌طور گسترده برای کاربردهای گرافیکی پرسرعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. هرچند به دلیل آلودگی بالقوه‌ی جوهر بعد از بازیافت و تعداد محدود مایعات برای لایه‌نشانی، در کاربردهای علم مواد به ندرت به کار رفته‌اند. از این رو، این مقاله‌ی مروری بر کاربردهای چاپ جوهر افشان DOD در علم مواد می‌پردازد.

 

فرآیند چاپ جوهر افشان دو مرحله‌ای
یک روش چاپ جوهر افشان جدید به نام چاپ جوهر افشان دو مرحله‌ای توسعه یافته که تولید محصول مدنظر را در مکان و با الگوی موردنیاز امکان‌پذیر می‌کند. این تکنیک از دو نازل جوهرافشان استفاده می‌کند که دو نوع جوهر را در یک مکان لایه‌نشانی می‌کند. همان‌طور که در شکل 3الف نشان داده شده، با استفاده از فرآیند چاپ جوهر افشان دو مرحله‌ای، لایه‌های نازک نیمه‌رسانای ارگانیک تک بلوری و یکنواخت روی ویفرهای سیلیکونی با الگوهای مشخص ساخته شده است. قطره‌ی نامحلول ابتدا با یک نازل روی زیرلایه لایه‌نشانی شد (مرحله 1) ، و سپس محلول نیمه‌رسانا با استفاده از نازل دیگر در همان مکان روی آن چاپ شد و قطره‌ای مخلوط و چسبیده روی سطح زیرلایه تشکیل داد (مرحله 2). در قطرات مخلوط، لایه‌ی نیمه‌رسانا ابتدا تشکیل و بعد از چند دقیقه با تبخیر حلال خشک شد (مرحله 3). در آخر، لایه‌ی نیمه‌رسانای بلوری با ضخامت یکنواخت 200 نانومتری روی آن ناحیه تشکیل شد (مرحله 4). ماهیت یکنواخت لایه را می‌توان به اختلاف زمانی میان تبلور حل‌شونده و تبخیر حلال در قطره‌ی چاپ شده نسبت داد. تصاویر لایه‌های نازک تک بلوری چاپ شده با استفاده از چاپ جوهرافشان دو مرحله‌ای در شکل 3ب نشان داده شده است. چاپ جوهر افشان دو مرحله‌ای اصولا برای ساخت لایه‌های پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

چاپ جوهر افشان واکنش‌پذیر
چاپ جوهر افشان واکنش‌پذیر که از دو نازل استفاده می‌کند، فرآیند لایه‌نشانی ماده را با واکنش شیمیایی ترکیب می‌کند. این روش نیز به دلیل قیمت مناسب و کنترل پذیری بالا برای ساخت الگو، اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. چاپ جوهر افشان واکنش‌پذیر ابزار سنتزی به حساب می‌آید. همان‌طور که در شکل4 الف و ب نشان داده شده، نانوذرات طلا را می‌توان در دو مرحله فرآیند چاپ، سنتز کرد. چاپ جوهر افشان واکنش‌پذیر برای لایه‌نشانی ساختارهای پلیمری پیچیده‌ی سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

چاپ الکتروهیدرودینامیک[9]
فناوری چاپ الکتروهیدرودینامیک برای ایجاد جریان سیال مورد نیاز به‌منظور تحویل جوهر به زیرلایه و در نتیجه چاپ با رزولوشن بالا، از میدان الکتریکی استفاده می‌کند. چاپ الکتروهیدرودینامیک می‌تواند قطره‌هایی دو تا پنج برابر کوچکتر از اندازه‌ی نازل تولید کند. علاوه‌براین، میدان الکتریکی بین نازل و زیرلایه اثر مثبتی بر کنترل شکل نانوذرات سامان یافته در قطرات چاپ شده دارد. همچنین، از چاپ الکتروهیدرودینامیک برای تولید افزاینده‌ی ساختارهای سه‌بعدی در مقیاس میکرومتر با رزولوشن بالا نیز استفاده می‌کنند. اجزای اصلی برای چاپگر الکتروهیدرودینامیک عبارتند از تنظیم‌کننده‌ی فشار، محفظه‌ی جوهر، نوک نازل و زیرلایه (شکل 5).

 

چاپ آیروسول جت
چاپ آیروسول جت برای لایه‌نشانی سوسپانسیون‌های کلوئیدی یا محلول‌های پیش‌ماده‌ی شیمیایی با رزولوشن بالا، از مفاهیم آیرودینامیک استفاده می‌کند. جت در این روش چاپی به‌جای یک قطره، از قطرات بی‌شماری با قطر 2-5 میکرومتر تشکیل شده است. چاپ آیروسول جت در ساخت مواد ساختاری و کاربردی با چاپ جوهرافشان و چاپ الکتروهیدرودینامیک رقابت می‌کند، همچنین لایه‌نشانی غیرتماسی و بدون ماسک را نیز امکان‌پذیر می‌سازد. علاوه‌براین، به دلیل فاصله‌ی زیاد نازل تا زیرلایه، چاپ آیروسول جت برای زیرلایه‌های غیرصفحه‌ای نیز قابل استفاده است. همچنین می‌توان الگوها و ساختارهای پیچیده را با این روش روی سطوح بافتی، پله‌ای یا خمیده با عرض خط تقریبا ثابت چاپ کرد. شماتیکی از فرآیند چاپ آیروسول جت در شکل 6 نشان داده شده است. برای اتمیزه کردن سوسپانسیون‌ها یا محلول‌های پیش‌ماده در قطرات یک تا پنج میکرومتری از افشانه‌ی التراسونیک و پنوماتیک استفاده می‌شود.

 

 چاپ با نازل تیغه‌ای
چاپ با نازل تیغه‌ای برای لایه‌نشانی لایه‌های همگن خیس با یکنواختی جهت دار، روشی غیرتماسی و قابل استفاده در سطوح وسیع است. این روش می‌تواند گستره‌ی وسیعی از ویسکوزیته‌ها از کمتر از یک میلی پاسکال تا چندین هزار پاسکال را با سرعت پوشش‌دهی کمتر از یک متر بر دقیقه تا بیش از 600 متر بر دقیقه مدیریت کند. همان‌طور که در شکل 7 نشان داده شده، در پوشش‌دهی با نازل تیغه‌ای، جوهر از شکاف خطی ریزی در سر نازل نزدیک به صفحه، پمپ می‌شود. بعد از تشکیل هلال‌ در محل شکاف، که با پمپاژ مداوم حفظ می‌شود، زیرلایه‌ی متحرک موجب لایه‌نشانی لایه‌ی همگن در طول صفحه می‌شود. این امر منجر به پوشش‌دهی پیوسته‌‌ای با ضخامت تقریبا یکسان در مساحتی وسیع خواهد شد.

 

چاپ صفحه‌ای
چاپ صفحه‌ای[10] روش چاپ انبوهی است که با عبور جوهر از درون شابلونی با یک تِی انجام می‌شود. تی خلاف صفحه حرکت می‌کند و جوهر را از شابلون عبور می‌دهد (شکل 8الف). بارزترین ویژگی چاپ صفحه‌ای در مقایسه با دیگر روش‌های چاپ‌، نسبت ابعادی بالا در الگوهای چاپ شده است. ضخامت معمولی لایه‌ی خیس بین 10-500 میکرومتر است که برای الکترونیک چاپی که نیازمند رسانایی بالاست، مناسب است. ویسکوزیته‌ ی جوهر، ترشوندگی زیرلایه و دیگر پارامترها، کارایی این روش را تعیین می‌کنند. چاپ صفحه‌ای دورانی که یک روش چاپ رول به رول واقعی است، کارآیی خروجی را در مقایسه با چاپ مسطح[11] به‌طرز فوق‌العاده‌ای بهبود می‌بخشد (شکل 8ب). جوهر داخل استوانه‌ای چرخان محبوس شده و کمتر در معرض محیط قرار می‌گیرد. رزولوشن چاپ صفحه‌ای به شدت به کیفیت ماسک صفحه‌ای بستگی دارد که معمولا با پلیمرهای چاپی فتوشیمیایی روی مش صفحه‌ای به دست می‌آید.

 

چاپ گراور
چاپ گراور با انتقال مستقیم جوهرهای کاربردی از طریق تماس فیزیکی ساختارهای حکاکی شده با زیرلایه انجام می‌شود. این روش الگوزنی رول به رول چاپ مواد را با سرعت و بازده بالا انجام می‌دهد. مبنای عملی چاپ گراور در شکل 9الف نشان داده شده است. غلتک چاپ (که استوانه نیز نامیده می‌شود) سلول‌های چاپ شده روی سطح را حکاکی می‌کند. غلتک چاپ خلاف جهت تیغه‌ی داکتر[12] که جوهر اضافی را از روی سطح غلتک پاک می‌کند، حرکت می‌کند. جوهر در فشار بینابین غلتک چاپ و غلتک فشاری به سطح زیرلایه منتقل می‌شود. انواع دیگر چاپ گراور که به چاپ گراور جهت معکوس[13] معروف است در شکل 9ب نشان داده شده است. در چاپ گراور جهت معکوس، به جای استفاده از غلتک برای انتقال الگوها، از صفحه‌ی مسطحی برای انتقال آن‌ها به زیرلایه‌ی روی غلتک طرح زنی استفاده می‌شود.

 

چاپ فلکسوگرافی
چاپ فلکسوگرافی فرآیندی است که از صفحه‌ی انعطاف‌پذیر (کلیشه) برای فرآیند چاپ استفاده می‌کند. سلول‌های حکاکی شده روی سیلندر آنیلوکس جوهر را می‌کشد و مواد اضافی روی سطح آنیلوکس با تیغه‌ی داکتر پاک می‌شود. سپس جوهر داخل سلول‌ها به صفحه‌ی انعطاف‌پذیر منتقل می‌شود و متعاقبا به زیرلایه‌ی رول شده انتقال می‌یابد. تصویری شماتیک از فرآیند چاپ فلکسوگرافی در شکل 10 نشان داده شده است. چاپ فلکسوگرافی با انواع مختلفی از جوهرها انجام می‌شود، و چاپ روی طیف گسترده‌ای از زیرلایه‌های متخلخل و غیرمتخلخل امکان‌پذیر است. اخیرا گزارشی از روش جدید چاپ فلکسوگرافی که الگوهایی ریزمیکرومتری روی سطوح سخت و منعطف تولید می‌کند، ارائه شده است.

 

چاپ رول به رول
چاپ رول به رول روشی بالغ است و به دلیل ماهیت افزودنی و سرعت بالای فرآیند آن، برای تولید دستگاه‌های الکترونیک در سطح وسیع، به ‌طور گسترده‌ مورد استفاده قرار می‌گیرد. در میان فناوری‌های چاپ که پیشتر ذکر شد، چاپ با نازل تیغه‌ای، چاپ صفحه‌ای دورانی، چاپ گراور و فلکسوگرافی به‌طور ذاتی با چاپ رول به رول سازگار هستند. تنها تکنیک چاپ غیرتماسی که تاکنون به‌طور گسترده برای فرایند رول به رول مورد استفاده قرار گرفته، چاپ جوهرافشان است. برای مثال، چاپگرهای جوهرافشان در مقیاس صنعتی که به سرهای چاپ صنعتی مجهز هستند و با واحد سینترینگ فلش فوتونی ترکیب شده‌اند، می‌توانند فرآیند چاپ رول به رول را انجام دهند. در این روش الگوهای نقره با حداکثر سرعت 10 متر بر دقیقه تولید شدند.

 

چاپ جوهرهای مبتنی بر نانومواد رسانا
چاپ جوهرافشان
چاپ جوهرافشان با جوهرهای نانوذرات فلزی، به‌ویژه جوهر نانوذرات نقره، به‌طور گسترده برای مدارها و رساناهای چاپی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اخیرا علایق پژوهشی و صنعتی زیادی متوجه کاربرد زیرلایه‌های کاغذی در الکترونیک چاپی شده است، چراکه فراوانی طبیعی، وزن سبک، تجدیدپذیری، انعطاف‌پذیری مکانیکی و سمی نبودن آن‌ را یک سر و گردن بالاتر از همتایان خود قرار داده است. اثر حلقه قطره[14] که اغلب نامطلوب است، در فرآیند چاپ جوهرافشان دیده می‌شود. هرچند در چند سال گذشته، پژوهشگران از آن برای دستیابی به الگوهایی با رسانایی بسیار بالا استفاده کرده‌اند. در کنار استفاده از جوهر‌های مبتنی بر نانوذرات نقره چاپ جوهرافشان نانوسیم‌های نقره، گرافن و نانولوله‌های کربنی نیز مورد توجه علاقه‌مندان دانشگاهی قرار گرفته است. در ادامه، ما بر مزایای چاپ جوهرافشان با جوهرهای نانوذرات فلزی روی زیرلایه‌ی کاغذی تمرکز می‌کنیم؛ سپس پیشرفت تشکیل لایه‌های رسانا را با استفاده از اثر حلقه قطره توضیح می‌دهیم؛ در آخر، پیشرفت‌های اخیر در حوزه‌ی چاپ جوهرافشان با جوهرهای مبتنی بر نانوسیم‌های نقره و نانومواد کربنی را مورد بحث قرار می‌دهیم.

 

چاپ جوهرافشان الگوهای رسانا روی زیرلایه‌های کاغذی
زیرلایه‌های کاغذی، به‌ویژه کاغذهای عکس (کاغذ جوهرافشان) گلاسه، خاصیت خشک شوندگی سریع دارند و در الکترونیک چاپی با چاپ جوهرافشان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سانگ و همکارانش با استفاده از یک چاپگر رنگی صنعتی ارزان قیمت (Epson Stylus Photo R230) ، به‌منظور ساخت مدارهای رسانا از جوهر نانوذرات نقره بر پایه‌ی آب را روی کاغذ عکس استفاده کردند. یکی از مزایای زیرلایه‌ی کاغذی نسبت به زیرلایه‌ی پلاستیک، جذب مایع است که سریعتر از پخش اولیه و تبخیر نهایی اتفاق می‌افتد و اثر حلقه‌ی قطره کمتر دیده می‌شود. هرچند خیس شدن، مشکل پخش شدن جوهر لایه‌نشانی شده روی زیرلایه‌ی کاغذی را به وجود آورده و رزولوشن را کاهش می‌دهد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی زیرلایه‌های کاغذی را می‌توان با افزودنی‌های شیمیایی یا تغییر در مواد و همچنین با استفاده از پوشش‌دهی با کاربرد مدنظر و جوهر خاصی تطبیق داد.

 

چاپ جوهرافشان الگوهای رسانا با استفاده از اثر حلقه‎‌ی قطره
با کنترل انتقال نانوذرات نقره درون قطرات تبخیر شده، با تنظیم خیس‌شوندگی زیرلایه‌ها، انواع ساختارهای پیچیده از جمله نوع جدید TCFهای حاوی حلقه، حفره و ساختارهای دو بعدی مشبک، با استفاده از چاپ جوهرافشان ساخته شدند. مگداسی و همکارانش پیشروان این روش هستند. برای مثال، همان‌طور که در شکل 11 نشان داده شده، قطرات نانوذرات نقره چاپ شده با جوهر افشان، به دلیل اثر حلقه‌ی قطره، حلقه‌های خودسامانی شکل دادند. لبه‌ی حلقه‌ها شامل نانوذرات نقره‌ی خودسامان و چسبیده بهم بود.

 

چاپ جوهرافشان شبکه‌های نانوسیم نقره
چاپ جوهرافشان نانوسیم‌های نقره به دلیل طول نانوسیم‌ها که معمولا ده‌ها میکرومتر است، بسیار چالش‌برانگیز است، چراکه به راحتی باعث گرفتگی نازل می‌‎شوند. تلاش‌های بسیاری برای دستیابی به الگوهای رسانا صورت گرفته است. اولین تلاش برای چاپ جوهرافشان جوهر نانوسیم نقره، افزودن نانوسیم‌ها به جوهر نیترات نقره بود تا غلظت نیترات نقره کاهش و ویسکوزیته‌ی جوهر افزایش پیدا کند.

 

چاپ جوهرافشان نانومواد کربنی
چاپ اولین قطعه الکترونیکی مبتنی گرافن با چاپگر جوهرافشان را فراری و همکارانش گزارش کردند، که گرافن پراکنده شده در حلال خالص متیل پیرولیدون را برای چاپ ترانزیستورها مورد استفاده قرار دادند. بعد از آن، پیشرفت‌های جدیدی به دست گروه‌های پژوهشی دیگر حاصل شد. همین گروه برای چاپ گرافن با رسانایی الکتریکی، دوام مکانیکی و پایداری محیطی بالا، از نیتروسلولوز به‌عنوان پیوند دهنده‌ی جوهر استفاده کردند. حداکثر رسانایی الکتریکی 40000 زیمنس بر متر و سینترینگ حرارتی 350 درجه سانتی‌گراد برای این لایه‌های گرافن گزارش شده است. اخیرا، جوهر گرافن زیست‌سازگار بر پایه‌ی آب برای چاپ دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفته است.

 

چاپ الکتروهیدرودینامیک
چاپ الکتروهیدرودینامیک محدودیت‌های چاپ جوهر افشان را به لحاظ اندازه‌ی آرایش نازل، چسبندگی جوهر و اندازه‌ی قطره ندارد. چاپ الکتروهیدرودینامیک راهی موثر برای چاپ الگوهایی با رزولوشن بالاست. روگرز و همکارانش اولین کسانی بودند که با استفاده از چاپ الکتروهیدرودینامیک و نازل‌هایی به قطر داخلی 30 میکرومتر، نقطه‌های نانولوله تک دیواره با قطر تقریبا 8 میکرومتر را گزارش کردند. علاوه‌براین، با استفاده از نازل‌های بسیار کوچکتر (قطر تقریبا 2 میکرومتر) و سرعت چاپ (تقریبا 20 میکرومتر بر ثانیه) توانستند به نقاطی به قطر 2 میکرومتر دست پیدا کنند.

 

چاپ الکتروهیدرودینامیک ساختارهای سه‌بعدی پیچیده
چاپ الکتروهیدرودینامیک پتانسیل منحصربفردی در ساخت الگوهای سه‌بعدی دارد. با کنترل فرایند چاپ و سینترینگ، الکترودهای شفاف شبکه‌ی طلا و نقره با عرض 500-80 نانومتر و ارتفاع 1.5-0.2 میکرومتر، به‌ترتیب، با استفاده از جوهرهای نانوذرات طلا و نقره ساخته شدند. این فرایند چاپ، قابلیت چاپ ساختارهایی با نسبت ابعادی بالا (مثلا نانودیوارها) ، با رزولوشن بالا و مقاومت صفحه‌ای کم، و در عین حال حفظ شفافیت نوری بالا، را نشان داد. همان‌طور که در شکل 12الف نشان داده شده، بعد از سینترینگ حرارتیِ شبکه‌ی چاپ شده‌ی نقره در دمای 200 درجه‌ی سانتی‌گراد، با مهندسی تعادل بی‌نقص بین جوهر نانوذرات نقره و میدان الکترومغناطیسی، الکترود شفاف با مقاومت صفحه‌ای Ω sq-1 58 و میزان عبور نور 98% حاصل خواهد شد. برای استفاده از الکتروهیدرودینامیک در چاپ سه‌بعدی، سطح نازل با لایه‌ی آب گریز پوشش دهی می‌شود تا جوهر نتواند دیواره‌ی داخلی نازل را خیس کند. به‌علاوه، برای تسهیل خشک شدن فوری قطره، از حلال فرّار در جوهر استفاده شد؛ بنابراین قطره جوهر پیش از رسیدن به زیرلایه خشک می‌شد، و ساختارسازی عمودی مواد جوهر را امکان‌پذیر می‌کرد. همان‌طور که در شکل 12ب نشان داده شده، نانودیوارهای شامل نقره و آنتراسن را می‌توان جهت تشکیل الگوی سه‌بعدی مربع شکل نیز مورد استفاده قرار داد. اخیرا، چاپ الکتروهیدرودینامیک یک مرحله‌ای برای چاپ ساختارهای سه‌بعدی در مقیاس زیرمیکرومتری توسعه پیدا کرده است.

 

چاپ الکتروهیدودینامیک شبکه‌های نانوسیم‌های نقره
اخیرا برای چاپ نانوسیم‌های نقره از چاپ الکتروهیدرودینامیکی استفاده شد. یکی از این پژوهش‌ها بر هم تراز کردن نانوسیم‌های نقره با چگالی بسیار کم نانوسیم‌ها (3 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر) متمرکز بود. همان‌طور که در شکل 13الف نشان داده شده، با ترکیب جریان سیال و میدان الکتریکی داخل جت الکتروهیدرودینامیک، نانوسیم‌های نقره با موفقیت هم تراز و چاپ شدند. با تطبیق چندین جوهر و پارامترهای چاپ، مثلا ویسکوزیته‌ی جوهر، تراکم نانوسیم‌ها، فاصله‌ی توقف، سرعت چاپ، ولتاژ، اندازه‌ی نازل و فشار، الگوهای پیچیده‌ای روی انواع زیرلایه‌ها نظیر پلاستیک، الاستومر و کاغذ لایه‌نشانی شد (شکل 13ب). اسپری الکتروهیدرودینامیکی که برای اتمیزه کردن مایع از میدان الکتریکی استفاده می‌کند، رویکرد دیگری برای لایه‌نشانی الگوهای نانوسیم نقره است.

 

چاپ آیروسول جت
چاپ آیروسول جت به‌عنوان تکنیکی مستقیم و غیرتماسی، اصولا برای چاپ مدارها و اجزاء رسانا روی زیرلایه‌های مختلف به‌کار می‌رود.

 

چاپ آیروسول جت نانومواد فلزی
الکترودهای شانه‌ای[15] نقره با استفاده از جوهر نانوذرات نقره و روش چاپ آیروسول جت، روی بوردهای مدار چاپی لایه‌نشانی شدند. به دلیل ارتفاع نسبتا بالای نازل چاپگر از زیرلایه و فاصله‌ی کانونی زیاد شار مواد خارج شده از نازل، چاپ آیروسول جت راه‌حلی ایده‌آل برای چاپ روی سطوح غیرصفحه‌ای است. لایه‌نشانی اجزای  رسانا در دمای اتاق با کمک الگوهای پلاسما و نانوسیم‌های نقره محقق شد. این الگوها شبکه‌ای با بهم‌پیوستگی بالا ایجاد کرده‌اند که شکاف‌های عمیق و سطحی میان فیبرهای پلاستیکی زیرلایه‌های غیرصفحه‌ای سه‌بعدی را می‌پوشاند. علاوه‌بر چاپ روی زیرلایه‌های غیرصفحه‌ای سه‌بعدی، چاپ آیروسول جت را می‌توان برای ساخت ساختارهای سه‌بعدی نیز به کار گرفت.

 

چاپ آیروسول جت نانومواد کربنی
برای دستگاه‌های الکترونیکی، اتلاف توان در نانوساختارها بسیار مهم است. اخیرا، اتلاف توان و از کار افتادگی الکتریکی در اتصالات گرافن چاپ شده با چاپ آیروسول جت بررسی شده است. خواص میکروساختارها و زیرلایه در اتلاف توان و از کار افتادگی الکتریکی این اتصالات نقش به سزایی داشت. از کار افتادگی الکتریکی به احتمال زیاد به دلیل پیوند بین لایه‌ای ضعیف میان ورقه‌های گرافن و تخلخل زیاد بود که گازها و حلال‌ها را درون اتصالات به دام می‌انداخت.

 

چاپ با نازل تیغه‌ای
سنسورهای کرنش پیزومقاومتی با پوشش‌دهی جوهر نانوذرات نقره روی زیرلایه‌ی انعطاف‌پذیر با استفاده از روش نازل تیغه‌ای و به دنبال آن فرآیند خشک کردن با لامپ NIR ساخته می‌شوند. از روش چاپ با نازل تیغه‌ای می‌توان برای پوشش‌دهی جوهرهای نانوذرات نقره جهت تشکیل لایه‌های الکترود، از جمله الکترود معکوس برای سلول‌های خورشیدی استفاده کرد. ویژگی‌های جوهر و پارامترهای پوشش‌دهی را می‌توان برای دستیابی به کیفیت رضایت بخش لایه‌ بهینه کرد.

 

چاپ صفحه‌ای
چاپ صفحه‌ای تکنیکی بالقوه برای تولید انبوه اجزای  الکترونیک چاپی است و برای تولید الکترونیک رسانا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است.

 

چاپ صفحه‌ای نانومواد فلزی
فلزپوشانی با چاپ صفحه‌ای رایج‌ترین تکنیک تشکیل تماس برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تجاری است. ورقه‌های ریز نقره کامل‌ترین فناوری است و درحال‌حاضر، همچنان به‌عنوان رایج‌ترین تکنیک مورد استفاده در تولید اجزای  رسانا به کار می‌رود. هرچند این ورقه‌ها یا ذرات اجازه چاپ با رزولوشن بالا با عرض خطی کمتر از 70 میکرومتر را نمی‌دهند، که منجر به تلفات سایه بالا می‌شود. برای بهبود رزولوشن الگوهای چاپ شده‌ی نقره با چاپ صفحه‌ای، تاکنون چندین روش به کار گرفته شده: (1) افزایش دمای زیرلایه به‌منظور کاهش پخش شوندگی جوهر لایه‌نشانی شده، (2) اصلاح سطح مش به‌منظور کنترل چسبندگی جوهر روی مش و (3) کاهش عرض دهانه‌ی شابلون. توجه بسیاری نیز به سنتز جوهرهای نانوسیم نقره برای چاپ صفحه‌ای معطوف شده است. حداقل اندازه‌ به دست آمده برای عرض خطی و فاصله میان خطوط چاپ شده 50 میکرومتر است. رسانایی اولیه خطوط نانوسیم نقره چاپ شده S cm-1 104 × 4.67 اندازه‌گیری شده است. به دلیل اهمیت فناورانه قابل‌توجه نانومواد نقره چاپ شده با چاپ صفحه‌ای در الکترونیک چاپی، بررسی سازوکار چسبندگی میان لایه‌ی نقره و زیرلایه ضروری است. انرژی شکستگی فصل مشترک معمولا به‌منظور درک سازوکار چسبندگی اندازه‌گیری می‌شود، که در مورد الگوهای نقره روی زیرلایه‌ی سیلیکونی، تحت تأثیر دو عامل اساسی است؛ سختی سطح فصل مشترک و رسوب ارگانیک میانی در فصل مشترک.

 

چاپ صفحه‌ای نانومواد کربنی
هانگ و همکارانش با پراکنده کردن صفحات اکسید گرافن احیا شده (RGO)در ترپینئول و استفاده از اتیل سلولز به‌عنوان پیوند دهنده، برای اولین بار جوهر RGO چاپ شده با چاپ صفحه‌ای را تولید کردند که به‌عنوان الکترود خنثی برای سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ قابل استفاده بود. با توجه به کاربرد، علاوه‌بر اتیل سلولز، پلیمرهای دیگری را نیز می‌توان به عنوان پیوند دهنده به گرافن اضافه کرد. برای مثال، برای الکترودهای مبتنی بر گرافن چاپ صفحه‌ای در ابرخازن‌ها، پلی آنیلین (PANI) به ورقه‌های نانو گرافن اضافه شد.

 

 چاپ گراور
چاپ گراور تکنیکی جالب برای چاپ با رزولوشن و سرعت بالا است.

 

چاپ گراور نانومواد فلزی
مانند چاپ صفحه‌ای، جوهر ورقه‌ی نقره و جوهر نانوذرات نقره اغلب برای چاپ گراور مورد استفاده قرار می‌گیرند. تفاوت در مشخصات جوهر، به تفاوت در قابلیت چاپ و عملکردهای الکتریکی دو جوهر می‌انجامد. لایه‌ی نانوذرات نقره چاپ شده با چاپ رول به رول آفست گراور روی زیرلایه‌ی PET با فرآیند سینترینگ لیزری سریع در شرایط محیطی، به‌عنوان جایگزینی برای فرایند سینترینگ حرارتی، مطرح شده است. همچنین توجه زیادی به چاپ گراور نانوسیم‌های نقره شده است. شبکه‌ی نانوسیم نقره از طریق چاپ گراور و با استفاده از صفحات حکاکی شده مبتنی بر مس با شیارهای اچ شده، روی زیرلایه‌ی PET چاپ شد.

 

چاپ فلکسوگرافی
چاپ فلکسوگرافی، فناوری پربازده نویدبخشی است که اغلب برای ساخت سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از الکترودهای تولید شده مبتنی بر روش فلکسوگرافی می‌توان به عنوان الکترود شفاف برای انواع سلول‌های خورشیدی استفاده کرد. در ساخت الکترودهای سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ با استفاده از چاپ فلکسوگرافی گرافن روی زیرلایه‌ی PET، گرافن چاپ شده به عنوان لایه‌ی کاتالیست نیمه‌رسانا عمل می‌کند. مقایسه‌ی ویژگی‌های تکنیک‌های متفاوت چاپ در نانومواد رسانای چاپی در جدول 1 نشان داده شده است.

 

کاربردها: دستگاه‌های انعطاف‌پذیر و کشسان
در این بخش ما چند کاربرد نانومواد رسانا را برای دستگاه‌های چاپی انعطاف‌پذیر و کشسان توضیح می‌دهیم. این توضیح شامل ساخت و ویژگی‌های لایه‌های رسانای شفاف (TCFها) و الکترودهای رسانای شفاف (TCEها) می‌شود که امروزه برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیک نوری نظیر سلول‌های خورشیدی، هیترهای لایه‌ای شفاف (TFHها) ، دستگاه‌های الکترولومینسانس، ترانزیستورهای لایه نازک، تگ‌های‌شناسایی امواج رادیویی (RFID) و سنسورهای پوشیدنی ضروری هستند.

 

 الکترودهای رسانای شفاف
TCEهایی که به‌طور همزمان نور را عبور می‌دهند و جریان الکتریکی را هدایت می‌کنند (بیشتر در طیف مرئی) ، برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیک نوری که در دهه‌ی گذشته به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفتند، جزئی حیاتی هستند. پرکاربردترین TCEها از اکسید قلع ایندیوم (ITO) ساخته شده‌اند که چندین اشکال اساسی نظیر هزینه‌ی بالا و شکنندگی دارند. شکنندگی به‌ویژه کاربرد آن‌ها برای دستگاه‌های الکترونیک نوری انعطاف‌پذیر را محدود می‌کند. TCEهای مبتنی بر نقره‌ی نانوساختار، از جمله لایه‌‌های نقره، شبکه‌‌های  نقره و شبکه‌‌های نانوسیم‌های نقره عملکرد بسیار خوبی مانند میزان عبور نور بالا، مقاومت صفحه‌ای پایین و انعطاف‌پذیری مکانیکی فوق‌العاده از خود نشان می‌دهند. شبکه‌ی نقره و شبکه‌ی نانوسیم‌های نقره بایستی چند چالش مهم را پشت سر بگذارند: سختی سطح بالا، اکسیداسیون سریع و چسبندگی ضعیف به زیرلایه. پیشرفت‌های اخیر نشان می‌دهد که چاپ لایه‌های هیبریدی ممکن است راه‌حلی برای این چالش‌ها ارائه دهد. نانوکامپوزیت‌های هیبریدی در مقایسه‌ با نانومواد ساده، شفافیت نوری و رسانایی الکتریکی بهتر و قابلیت اطمینان مکانیکی قابل توجهی دارند.

 

سلول‌های خورشیدی
در میان انواع سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی ارگانیک (OSCها) و سلول‌های خورشیدی پروسکایت به‌طور ویژه برای لایه‌نشانی با استفاده از تکنیک‌های چاپ مناسب هستند. TCEهای قابل چاپ مبتنی بر نانوذرت نقره و نانوسیم‌های نقره ‌به‌طور گسترده در الکترودهای شفاف برای سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ابعاد و رسانایی شبکه‌ی نقره‌ی چاپ شده را می‌توان با استفاده از سرعت چاپ، دمای چانک و تعداد لایه‌های پرینت، کنترل و بهینه کرد. علاوه‌بر الکترودهای شفاف که با فناوری‌های چاپ متفاوتی ساخته شده‌اند، تمام سلول‌های بنیادی چاپ شده نیز از طریق چاپ جوهر افشان ساخته می‌شوند. بنابراین، چاپ جوهرافشان تولید سلول‌های خورشیدی کم‌هزینه و کاملا مجتمع شده را امکان‌پذیر می‌کند. برای تولید انبوه OSCها و PSCها، چاپ توری و چاپ با نازل تیغه‌ای چشم‌اندازی نویدبخش ارائه می‌دهند.

 

هیترهای لایه‌ای شفاف
هیتر لایه‌ای شفاف، لایه‌ رسانای شفافی است که با جریان گرم می‌شود. اخیرا به دلیل ظهور کاربردهایی در یخ‌زدایی و مه‌زدایی پنجره‌های وسایل نقلیه‌ و پنل نمایش در فضای باز، توجه بسیار زیادی معطوف TFHهای انعطاف‌پذیر شده است. هیتر لایه‌ای انعطاف‌پذیر بسیار شفاف و رسانا مبتنی بر ساختار هیبریدی گرافن انتقال یافته به روش پرس داغ و گرید نقره‌ی چاپ شده به روش EHD گزارش شده است. با کاهش ضخامت لایه‌ی هیترهای گرید نقره/گرافن از 750 تا 150 میکرومتر، بیشینه دمای پایدار هیتر از 30 تا 145 درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. علاوه‌براین، گرافن به انتشار گرما از مرکز گرید نقره کمک می‌کند تا به توزیع دمایی با بازه‌ی کوچک برسد. چاپ EHD با ساخت شبکه‌ی متناوب (عرض 7 میکرومتر و ضخامت 100 میکرومتر) روی شیشه‌ی لنز محدب با میزان عبور نور 83.5%، برای تولید هیترهای سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت این هیتر لایه‌ای در کنترل حرارت است که آن را به جزء حرارتی مناسبی در دستگاه‌های میکروفلوئیدیک تبدیل می‌کند.

 

ترانزیستورهای لایه نازک (TFT)
ترانزیستورهای لایه نازک از سه پایانه (سورس، درین، گیت) ، کانال‌های نیمه‌رسانا و دی‌الکتریک گیت ساخته شده‌اند. معمولا کانال نیمه‌رسانا میان الکترودهای سورس/درین قرار داده شده و دی‌الکتریک بین پایانه گیت و کانال نیمه‌رسانا تعبیه شده است. توسعه‌ی ترانزیستورهای لایه نازک چاپی و مدارها به روش فناوری چاپ با رزولوشن بالا برای دستگاه‌های چاپی بسیار مهم است. جوهرهای نانوذرات و نانوسیم‌های نقره اغلب به‌عنوان سورس، درین و دی‌الکتریک گیت چاپ می‌شوند؛ نانولوله‌های کربنی، گرافن، مواد نیمه‌رسانای ارگانیک و نیمه‌رساناهای اکسید فلزی، اصلی‌ترین انتخاب‌ها برای کانال نیمه‌رسانای قابل چاپ هستند؛ مواد دی‌الکتریک‌ ارگانیک، مواد دی‌الکتریک‌ اکسید فلزی و الکترولیت‌ها به عنوان سه کاندید خوب برای دی‌الکتریک‌ گیت، قابل چاپ هستند. برای ساخت ترانزیستورهای لایه نازک کاملا چاپی تلاش‌های بسیاری صورت گرفته است. جوهرهای نانوذرات و نانوسیم‌های نقره اغلب به‌عنوان سورس، درین و دی‌الکتریک گیت چاپ می‌شوند. برای مثال، گزارشی از ساخت ترانزیستور اثر میدانی پلیمری مبتنی بر چاپ گراوور منتشر شده است. در این پژوهش چهار لایه‌ی متفاوت شامل پلیمر فعال P3HT به‌عنوان کانال نیمه‌رسانا، دو لایه‌ی عایق و یک گیت جوهر نقره متعاقبا روی زیرلایه‌ی منعطف پلی‌اترسولفون به روش چاپ گراوور چاپ شد. نتایج حاکی از رویکردی امیدبخش برای تحقق الکترونیک منعطف و پوشیدنی است که از طریق فرآیند کاملا چاپی قابل دستیابی است.

 

 دستگاه‌های الکترولومینسانس (EL)
الکترولومینسانس پدیده‌ای نوری و الکتریکی است که در آن ماده در پاسخ به جریان الکتریکی یا میدان الکتریکی از خود نور ساطع می‌کند. دستگاه‌های الکترولومینسانس از یک لایه‌ی نیمه‌رسانا که بین دو الکترود قرار دارد ساخته شده‌اند. از نانوذرات و نانوسیم‌های نقره چاپ شده و پوشش داده شده به روش R2R می‌توان به‌عنوان الکترودهای الکترولومینسانس استفاده کرد. برای مثال با چاپ جوهرافشان جوهر نانوذرات نقره روی دستگاه الکترولومینسانس چهار لایه (PET: ITO: ZnS: BaTiO3) ، بعد از اعمال 10 ولت بین الکترود ITO تحتانی و الکترود نقره‌ی فوقانی، می‌توان انتشار نور شدیدی ایجاد کرد. همچنین می‌توان با چاپ جوهرافشان الکترود و مواد حساس به نور، آشکارساز نوری UV ساخت.

 

 تگ‌های‌شناسایی با امواج رادیویی (RFID)
تگ RFID دستگاهی است که ذخیره‌سازی و خوانش از راه دور داده‌های آیتم‌های مجهز به این تگ‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. تگ‌های غیرفعال بدون باتری هستند و با آنتن شارژ می‌شوند، درحالیکه تگ‌های فعال RFIDبا باتری شارژ شده و مسافت خوانش بیشتری دارند. اجزای  اصلی تگ‌های معمولی RFID، میکروچیپ سیلیکون و آنتن هستند. آنتن‌های منعطف و کشسان که با تکنیک‌های چاپی مختلف ساخته می‌شوند، اخیر توجه زیادی به خود جلب کرده‌اند. با چاپ جوهر افشان جوهر نانوذرات نقره روی زیرلایه‌ی کاغذ عکاسی، و سپس پرس و چسباندن چندین کاغذ عکاسی روی هم، مدارهای مجتمعی شکل می‌گیرند که می‌توان از آن‌ها در آنتن‌های RFID با فرکانس بسیار بالا استفاده کرد. با چاپ گراور جوهر نانوذرات نقره روی زیرلایه‌ی کاغذ شفاف، الگوهای چاپ شده را می‌توان به‌عنوان آنتن RFID قرار داد و پاسخ خوبی دریافت کرد. چاپ گراوور R2R آنتن RFID روی فویل‌های پلاستیکی با استفاده از جوهرهای نانوذرات متفاوت، رویکردی امیدبخش برای تولید تگ‌های RFID ارزان قیمت است. همچنین با استفاده از چاپ EHD جوهرهای نانوذرات نقره روی زیرلایه‌ی پلیمری، فرامواد تراهرتزی برای استفاده در کاربردهای فرکانس بالای RF،  ساخته شدند.

 

سنسورهای پوشیدنی
سنسورهای پوشیدنی برای جمع‌آوری داده‌های فیزیولوژیکی و حرکتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بنابراین کنترل سلامت و فعالیت فردی را ممکن می‌سازد. دستگاه‌های الکترونیکی کشسان برای به کارگیری روی بدن انسان به‌عنوان دستگاهی پوشیدنی، پتانسیل نویدبخشی از خود نشان می‌دهند. تکنیک‌های چاپ جوهرافشان و لایه‌نشانی چاپی، اغلب در ساخت الکترودهای رسانا برای سنسورهای پوشیدنی قابل استفاده است. هم با لایه‌نشانی مستقیم جوهرهای رسانا روی زیرلایه‌های الاستومری، و هم با لایه‌نشانی روی زیرلایه‌ی دیگر در ابتدا، و سپس انتقال آن روی زیرلایه‌ی الاستومری می‌توان از این روش‌ها استفاده کرد. در پژوهشی، با استفاده از چاپ الکتروهیدرودینامیک نانوسیم‌های نقره در الگوی فراکتالی روی 300 میکرومتر زیرلایه‌ی ضخیم PDMS، الکترود نوار قلب خشک مبتنی بر نانوسیم‌های نقره ساخته شد (شکل 13الف). سیگنال‌های نوار قلب که با الکترود خشک نانوسیم نقره‌ی چاپی ثبت شده بود، در مقایسه با نوار قلب گرفته شده با الکترود خیس تجاری عملکرد فوق‌العاده‌ای نشان داد (شکل 13الف). از آنجاییکه الکترودهای نانوسیم‌های نقره چاپی "خشک" هستند (بدون ژل الکترولیتی که در صورت استفاده‌ی طولانی پوست را اذیت می‌کند) برای کنترل بلندمدت نوارقلب مناسبند. اخیرا بافت الکترونیکی قابل‌ شتسشو ساخته شده با لایه‌نشانی چاپی، به‌عنوان سنسور الکتریکی خود‌توان برای سیستم ارتباط انسان-ماشین توسعه پیدا کرده است. همان‌طور که در شکل 13ب نشان داده شده، لایه‌ی نانولوله‌ی کربنی ساخته شده با لایه‌نشانی چاپی که از آن به‌عنوان الکترود استفاده می‌شود، بین دو لایه‌ دی‌الکتریک ابریشمی و نایلونی ساندویچ شده است. حساسیت بالای سنسور (شکل 13ج) به سطح زبر تشکیل شده از میکرو فیبرهای فراوان به بافت و نانولوله‌های کربنی نسبت داده می‌شود.

 

 خلاصه و چشم‌انداز
الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان در شاخه‌های گسترده‌ای از جمله سلامت، انرژی و دفاع، پتانسیل قابل توجهی دارد. این فناوری تنها با توسعه‌ی مواد جدید و پیشرفت در تولید تحقق پیدا می‌کند. تعدادی از مقالات مروری پیشین، جنبه‌ی توسعه‌ی مواد را توضیح داده‌اند. البته هدف این مقاله‌ی مروری، بررسی پیشرفت‌های اخیر در تولید، به‌ویژه چاپ، الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان بود.

برخلاف پیشرفت‌های الهام‌بخش، همچنان چالش‌های قابل ملاحظه‌ای باقی است. سنتر مقیاس‌پذیر نانومواد رسانای قابل چاپ می‌تواند به‌طور قابل توجهی به پیشرفت الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان کمک کند. برای نانومواد فلزی، سنتز تنظیم‌پذیر برای کنترل ابعاد نانوذرات و نانوسیم‌ها مطلوب است. برای نانومواد کربنی، مثلا، سنتز تک‌لایه‌ها‌ی گرافن بایستی بهینه شود. نانومواد فلزی پایداری بلند مدت نسبتا ضعیفی دارند، چراکه اغلب تحت شرایط محیطی، در نتیجه‌ی سطح ویژه‌ی زیاد، اکسید یا سولفید می‌شوند. الگوهای چاپی را بایستی دور از فاکتورهای محیطی تخریب‌کننده قرار داد. به بیانی دیگر، کپسوله کردن الگوهای چاپی بسیار مهم است. برخی از روش‌های جدید فرآوری  پس از چاپ به زمان فرآوری نسبتا زیادی احتیاج دارند (برای مثال 30 دقیقه استفاده از بخار شیمیایی) ، که گام محدودکننده‌ی مهمی به حساب می‌آید (با فرآیند چاپ رول به رول سازگار نیستند).

برای پیشبرد هر چه بیشتر چاپ نانومواد برای الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان، نیاز مبرمی به بهبود در چندین حوزه‌ وجود دارد. یکی از این حوزه‌ها چاپ با رزولوشن و بازده بالاست. فناوری‌های مختلف چاپ می‌توانند جوهر را با ویژگی‌های رئولوژیکی متفاوتی به‌کار گیرند. هرچند رزولوشن چاپ به‌ویژه در عملیات پرسرعت، مانعی رایج است. تولید رول به رول روش صنعتی محبوبی برای بازده بالا و تولید انبوه است. فرآیند چاپ کامل رول به رول برای تولید کم هزینه و پربازده الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان در مقیاس بالا جالب توجه است. شایان ذکر است که تولید رول به رول در حال حاضر، با بعضی از فناوری‌های چاپ سازگار نیست. توسعه‌ی چاپ رول به رول سازگار و فرآوری  پس از چاپ با تعداد زیادی زیرلایه بسیار مهم است. ایجاد اجزای  الکترونیک به شکل سه‌بعدی یا ترکیب الکترونیک با اشیا سه‌بعدی (برای مثال الکترونیک منعطف سه‌بعدی با قابلیت تطبیق شکل) مسیر جذابی برای الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان است. قطعا نانومواد رسانای قابل چاپ به توسعه‌‌ی شکل‌های جدید دستگاه‌های الکترونیکی کمک می‌کند. فناوری‌های چاپ پتانسیل قابل توجهی در لایه‌نشانی جوهرهای کاربردی روی بافت دارند. به‌علاوه، ترکیب یکپارچه‌ی اجزاء دستگاه‌های الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان (برای مثال رساناها، سنسورها، ترانزیستورها و منبع تغذیه) حائز اهمیت است.

 

منبع

Huang, Q., & Zhu, Y. (2019). Printing Conductive Nanomaterials for Flexible and Stretchable Electronics: A Review of Materials, Processes, and Applications. Advanced Materials Technologies, 4 (5) , 1800546.