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

مروری بر نانومواد غیرآلی در صنعت نوین الکترونیک چاپی

افراد مقاله : ‌ مترجم - فاطمه عبدیان

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : الکترونیک چاپی - جوهر تاریخ مقاله : 1398/11/15 تعداد بازدید : 127

با توجه به هزینه بالا و انعطاف ناپذیری قطعات الکترونیکی سیلیکونی، ساخت قطعات الکترونیک چاپی (PE) بر روی زیرلایه منعطف، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این روش ساده و مقرون به صرفه می‌تواند موجب بهبود روش‌های کنونی ساخت سطوح الگودار با استفاده از نانومواد شده و امکان ساخت قطعات کاربردی کاملا چاپ شده و به خصوص تولید قطعات ارزان قیمت و منعطف را فراهم سازد. این مقاله خلاصه‌ای از کارهایی که تاکنون بر بکارگیری نانومواد غیرآلی در حوزه الکترونیک چاپی انجام شده را بررسی می‌کند و بر استفاده از جوهرهای بر پایه نانومواد غیرآلی در آماده‌سازی الگوهای چاپ شده، الکترودها، حسگرها، ترانزیستورهای فیلم نازک (TFTs) و دیگر قطعات در مقیاس نانو/میکرو تمرکز دارد. تکنیک‌های چاپ، روش‌های زینتر و چاپ‌پذیر بودن جوهرهای مورد استفاده و چالش‌های مرتبط با آن‌ها مورد بحث قرار گرفته است.

 

1- مقدمه
الکترونیک چاپی به مجموعه‌ای از قطعات الکترونیکی تولید شده به وسیلۀ تکنیک‌های چاپ سنتی اطلاق می‌شود. مهمترین مزیت این فناوری، ساخت کم هزینه و در حجم بالای آن است. در مقایسه با قطعات الکترونیک معمولی، فناوری الکترونیک چاپی امکان تولید قطعات میکرو/نانو به روشی بسیار ساده‌تر، سریع‌تر و مقرون به صرفه‌تر را به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از فرآیندهای پیچیده سنتی و روش‌های چاپ مدرن در ساخت آنتن‌های شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) استفاده می‌شود. روش سنتی شامل حکاکی کردن فیلم فلزی برای تشکیل آنتن است؛ که موجب تولید ضایعات اسیدی زیادی می‌شود. همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، روش‌های چاپ می‌توانند منجر به صرفه‌جویی در انرژی و کاهش نیروی کار شوند.

مطالعات اخیر نشان دادهاند که روش الکترونیک چاپی در حال تبدیل شدن به یک روش مؤثر برای ساخت قطعات الکترونیکی با سطح و انعطاف زیاد، از طریق ایجاد الگو‌هایی به وسیله ی جوهرهای حاصل از مواد کاربردی است. قطعات الکترونیکی منعطف، و اینترنت اشیا (IoT) به عنوان یک فناوری نوآورانه در حال جلب توجه بسیار بالایی هستند، که به شدت زندگی ما را تغییر خواهند داد. محور اصلی پژوهش حاضر، توسعه جوهرهای چاپ‌پذیر کاربردی و قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر و یا نازک است. همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است، فناوری الکترونیک چاپی در کاربردهای مختلف از جمله خطوط رسانا یا الکترودها، دستگاه‌های تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی (سلول‌های خورشیدی، خازن‌ها و غیره) ، نمایشگرهای قابل انعطاف، حسگرها، ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) چاپی و بسته‌بندی هوشمند و تعاملی به کار رفته‌اند. هم اکنون الکترونیک چاپی شامل مجموعه‌ای از کاربردها – از قطعات الکترونیکی میکرو/نانو گرفته تا قطعات با سطح گسترده- بوده و شامل گستره تولیدات بسیار زیادی است. نوآوری در فناوری چاپ، ساخت قطعات الکترونیکی حجیم با هزینه کم و بر روی مواد نرمی نظیر پلاستیک، کاغذ و یا پارچه را ممکن ساخته است. این امر، منجر به پیوستن قطعات چاپ شده و منعطف به اقلام روزمره خواهد شد؛ امری که پیش از این رویایی بیش نبود.

در این مقاله پیشرفت‌های اخیر در زمینه فناوری‌های الکترونیک چاپی بر پایه نانومواد غیرآلی برای چندین قطعه چاپی بررسی شده است؛ که شامل تکنیک‌های چاپ، ملزومات چاپ‌پذیری، عملیات زینتر و ساخت قطعات است. به علاوه، از نقطه نظر کاربردی بودن قطعات، دوام و عمر قطعه چاپی امری حائز اهمیت است. بنابراین، تحقیقات بنیادی بر روی نانومواد غیرآلی چاپ‌پذیر و/یا مکانیزم عمل آن‌ها و کاربردهای عملی (ساخت قطعات کم هزینه و منعطف) برای پیشرفت تکنیک‌های الکترونیک چاپی ضروری هستند. امید است تا ویژگی‌های مشخصه این تحقیقات، به خصوص فرآیندهای ساخت، به خوبی درک شوند.

 

2- فناوری چاپ و نانومواد قابل چاپ؛ ملزومات و چالش ها
به طور کلی، چاپ کردن یک فرآیند سازنده است که در آن برای انتقال اطلاعات، جوهرها بر روی سطح زمینه نشانده می‌شوند (مانند تصاویر، متن، گرافیک) ، و اشکال با استفاده از وسیله (واسط) حمل تصویر (مانند صفحه چاپ) در لایه‌های متفاوت ظاهر می‌شوند و تکرارپذیری تولید در روش‌های چاپ سنتی بسیار مهم است. با این حال، الکترونیک چاپی با استفاده از جوهرهای خاص برای ساخت ابزارها و قطعات با سطح زیاد و دستگاه‌های قابل انعطاف مورد استفاده قرار گرفته است. بنابراین، الکترونیک چاپی به یک تکنیک مهم تبدیل می‌شود که در زمینه‌های الکترونیکی، تعداد زیادی از کاربردهای جدید و خلاقانه را از طریق ادغام نانومواد فعال با فناوری‌های چاپ معمول ایجاد خواهد کرد. مواد کاربردی و چاپ‌پذیر مختلفی برای روش‌های چاپ سنتی، توسعه یافته و بهینه‌سازی شده‌اند همانند چاپ صفحه‌ای[1] و چاپ جوهرافشان.

 

2-1- چاپ صفحه‌ای
چاپ صفحه‌ای یک فناوری فوق‌العاده است که به ویژه برای چاپ جوهرها روی بسترهای سفت و سخت یا انعطاف‌پذیر مورد استفاده واقع می‌شود ؛ و کل روش بسیار ساده، چند منظوره و ارزان است. در واقع، چاپ صفحه‌ای روشی سریع است که در طول فرآیند چاپ، جوهرها از میان شابلون عبور می‌کنند و روی بستر زمینه قرار می‌گیرند. مش‌بندی ریز اغلب از پارچه نایلونی متخلخل ساخته می‌شود و کل صفحه درون یک قاب آلومینیومی یا چوبی کشیده می‌شود.

جوهرهای قابل چاپ می‌توانند در مناطق الگوی طراحی شده نفوذ کنند زیرا این مناطق باز هستند و مناطق دیگر با استفاده از مواد حساس به نور مسدود شدهاند و یک صفحه شابلونی تشکیل داده‌اند. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، صفحۀ شابلون در بالا قرار گرفته و تا زمانی که تمام دهانه‌های مش پرشوند، جوهرها روی صفحه قرار دارند. سپس اپراتور از یک رنگ‌کِش برای حرکت مش به سمت بستر استفاده می‌کند و آن را روی قسمت پشت صفحه فشار می‌دهد. در دهانه‌های مش، جوهرها به وسیله ی اثر مویینگی پمپ می‌شوند و یا به مقدار قابل کنترل بر روی بستر فشرده می‌شوند. هنگامی که رنگ‌کِش به جلو حرکت می‌کند، تنش در قسمت پشت صفحه کاهش می‌یابد و مش را از زیر بستر خارج می‌کند، و جوهرها را روی سطح بستر باقی می‌گذارد. سپس می‌توانیم الگوهای طراحی شده روی بستر را به دست آوریم که می‌توانند در مرحله بعد استفاده شوند. در فرآیند چاپ، جوهرها چهار مرحله را پشت سر می‌گذارند: پرکردن، تماس، چسبندگی و رها سازی. با استفاده از چاپ صفحه‌ای، چاپ هر دو نوع لایۀ غیر آلی و آلی امکان‌پذیر است. به عنوان مثال، سکیتانی[2] و همکاران با استفاده از یک ترانزیستور آلی چاپ شده و یک سوئیچ MEMS پلاستیکی، یک صفحه انتقال قدرت بی‌سیم با مساحت بزرگ را ساختند. کو[3] و همکاران راندمان تبدیل سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ تولید شده با استفاده از الکترودهای چاپی مختلف (PWE) با استفاده از یک صفحه فولاد زنگ نزن (SSCS) را با یک صفحه صفحه‌ای (SS) مقایسه کردند. نتایج نشان داد که یک PWE سه لایه ساخته شده با استفاده از SSCS، سلولی با بازده تبدیل 46/5 درصد می‌دهد؛ در مقابل، یک PWE تک لایه ساخته شده با استفاده از SS، یک سلول با بازده تبدیل 3/5 درصد می‌دهد. اگرچه چندین گروه از ساخت قطعات کاربردی مختلف با استفاده از روش چاپ صفحه‌ای گزارش کرده‌اند، هنوز وضوح قابل دستیابی بسیار کم است. در فرایند چاپ صفحه‌ای سنتی، عرض خط چاپی در محدوده 30-100 میکرومتر است و در هنگام استفاده از صفحه نمایش فلزی با وضوح بالا می‌تواند به حدود 10 میکرومتر برسد.

 

2-2- چاپ جوهرافشان
همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است، چاپگرهایDOD[4] تنها در صورت درخواست سیگنال دیجیتال، قطرهای جوهر بیرون می‌دهد. جوهر از طریق دو روش مختلف از نازل خارج می‌شود. در مدل چاپ جت حبابی، یک واحد گرمایشی داخل سر چاپگر، حباب جوهر را آماده کرده و قطره جوهر را از نازل به بیرون می‌راند. در مدل چاپ پیزوالکتریک، یک کاشی پیزوالکتریک سرامیکی در نازل، به درون مخزن جوهر خم شده و قطره را از نازل خارج می‌کند. به عنوان یک ابزار تحقیقاتی ارزان، چاپ جوهرافشان DOD مجموعه‌ای از مهارت‌ها و روش‌ها را برای تسهیل توسعه الکترونیک چاپی در آزمایشگاه‌های بیشمار سراسر جهان به ارمغان می‌آورد. جذابیت این تکنیک در الگوسازی بدون تماس این روش نهفته است: کل فرایند نیازی به استفاده از ماسک (پوشانه) ندارد. انواع فیلم‌های نازک الگودار، به طور مستقیم می‌توانند از طریق چاپ جوهرافشان بر روی بستر قرار گیرند و الگوهای طراحی شده به راحتی به وسیله ی رایانه قابل تغییر هستند. جذابیت‌های دیگر این روش کاهش اتلاف نانومواد، ارزان بودن و مقیاس پذیری در ساخت سطوح بزرگ است. در چاپ جوهرافشان، عکس عدد اونسورگ (Z)، نقش مهمی در تعیین توانایی جوهرافشان در تولید قطره دارد. مقدار Z عددی بدون بُعد است و داده‌های به دست آمده می‌توانند به ویسکوزیته و کشش سطحی جوهرهای چاپی مربوط باشند. این عدد به این صورت تعریف می‌شود:

که در آن µ، ρ و ویسکوزیته، چگالی و کشش سطحی جوهر هستند. L قطر قطره بوده و Re و We نیز به ترتیب عدد رینولدز و عدد وبر هستند. در حین چاپ جوهرافشان، ممکن است قطراتی بعد از قطرات اولیه تولید شوند که برای ساخت قطعات الکترونیک چاپی مضر هستند زیرا می‌توانند باعث ایجاد مدار کوتاه در خطوط مجاور شوند. هنگامی که 2<Z<4، چاپ پایدار و بدون قطرات مضر حاصل می‌شود.

 در شکل 5، دو خط شکسته موازی منطقه 1<Z<10 را نشان می‌دهند که معمولاً فرآیندهای چاپ در این منطقه به خوبی انجام می‌شوند. با این حال، برای ساخت PE، مقدار Z ممکن است از 14 بزرگتر باشد زیرا ترکیب محلول بسیار پیچیده است (مانند Z=24 برای جوهر EG/گرافن). این امر نشان می‌دهد که 1<Z<14 شرایط کافی، اما نه لازم برای چاپ DOD است. چاپ جوهرافشان مستقیم با استفاده از نانومواد کاربردی می‌تواند روشی جایگزین برای تولید کم هزینه مدارهای مجتمع و قطعات میکرو/نانو ارائه دهد. به عنوان مثال، فین[5] و همکاران، شبکه‌های نانوسیم نقره را با خطوط و الگوهای پیچیده و از پیش تعریف شده با استفاده از روش چاپ جوهرافشان ساختند. جوهرها از نانوسیم نقره و ذرات ایزوپروپیل الکل و دی اتیلن گلیکول بهینه‌سازی شده ساخته شده بودند. خطوط چاپ شده، عملکرد الکتریکی عالی با مقاومت صفحه‌ای اندک و رسانایی بالا از خود نشان دادند. سیرینگاس[6] و همکارانش تولید کامل مدارهای ترانزیستور را با چاپ مستقیم جوهرافشان DOD نشان دادند. اخیرا کیم[7] و همکاران یک FET دوقطبی به کمک روش چاپ جوهرافشان ساختند. این ساختار دو لایه، امکان انتقال الکترون را در لایه ZTO و انتقال حفره را در لایه SWCNT ایجاد می‌کند. FET‌ها تحرک خوبی در ولتاژ کاری کم از خود نشان دادند. اخیراً برخی از چاپگرهای با دقت بالا برای چاپ عناصر ساختاری بسیار دقیق فیلم‌های نازک در دسترس قرار گرفته اند؛ که در آن عرض خط می‌تواند به مقیاس زیر میکرومتر برسد، که انگیزه خوبی برای توسعه تکنیک‌های الکترونیک چاپی است. علاوه‌بر تکنیک چاپ معمولی جوهرافشان، از چاپ جت آیروسل (AJP) و چاپ جت الکتروهیدرودینامیکی (EHD) نیز در الکترونیک چاپی استفاده می‌شود. AJP فناوری چاپ جدیدی است که در سال‌های اخیر توسعه یافته است و شامل تشکیل آیروسل جوهر و به دنبال آن پاشیدن آیروسل بر روی سطح بستر است. میزان ویسکوزیته مورد نیاز برای جوهرها بسیار کم بوده و به دلیل اندازه چاپ شده -که عموماً در محدوده 1 تا 5 میکرومتر است- وضوح بسیار مناسب است و این امر سبب تسهیل چاپ الگوهای ریز الکترونیک چاپی می‌شود. با این حال چاپ آیروسل دارای یک اشکال قابل توجه است: نمی‌تواند از جوهر چاپی با حلالی با نقطه جوش کم استفاده کند. علاوه‌بر این، تکنیک AJP نیاز به کنترل تعدادی از پارامترهای فرآیند دارد که شامل مواردی از جمله: سرعت جریان گاز حامل که ذرات آیروسل را به بستر منتقل می‌کند، سرعت جریان گازی که ذرات آیروسل را به یک پرتوی باریک همگرا می‌کند و سرعت جابه‌جایی بستر در زیر پرتو است. در فناوری چاپ الکتروهیدرودینامیکی میدان الکتریکی، جریان سیال لازم را القا و تولید می‌کند و قطرات نانومواد فعال از میکرونازل به سمت بستر خارج می‌شوند؛ بنابراین به دست آوردن الگوهای با وضوح بالا (<10 میکرومتر) و ساخت قطعات الکترونیک چاپی در مقیاس میکرو و نانو محقق می‌شود. واضح است که AJP و EHD به منظور تکمیل کاستی‌های چاپ سنتی جوهرافشان و برای بالا بردن وضوح الگو‌های چاپی به مقیاس میکرو و یا ریزتر از آن ایجاد شدهاند. روش چاپ توزیعی، موادی خمیری را از طریق مویرگ‌هایی بر روی بستر اعمال می‌کند. مواد اعمال شده بر بستر، خشک شده و یا بسته به نوع ماده، زینتر می‌شوند. مواد معمول شامل فلزات، نیمه‌رساناها، پلیمرها، سرامیک‌ها و کامپوزیت‌ها هستند. از مهمترین مزایای این روش چاپ آن است که مادهای تلف نشده و راندمان انرژی بیشتری دارد.

 

2-3- روش چاپ رول به رول
چاپ رول به رول یا R2R یک فناوری چاپ کلاسیک است که در آن خطوط یا الگوهای مورد نظر روی صفحه چاپی که اغلب روی غلتک گذاشته می‌شود، طراحی و تشکیل می‌شوند. الگوهای الکترونیکی از طریق چاپ R2R و با انتقال جوهرهای عاملدار به صفحه چاپ تولید می‌شوند. به طور کلی چهار فناوری چاپ R2R وجود دارد: حکاکی، فلکسوگرافی، چاپ صفحه‌ای افست و غلتکی. همان طور که در شکل 6 نشان داده شده است، جوهرهای کاربردی قابل چاپ در ناحیه تماس حرکت داده می‌شوند. وابسته به فرآیند، فشار تماسی کافی (کنترل شده به وسیله ی غلتک فشاری) لازم است و این فشار می‌تواند مستقیما با کنترل غلتک فشاری و از طریق غلتک چاپ صفحه ناشی شود که با بستر در تماس است، و یا مانند چاپ افست با استفاده از غلتک میانی تأمین شود. سپس جوهرهای فعال که هنگام چاپ با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، به بستر منتقل می‌شوند. فناوری‌های معمولی R2R برای تولید قطعات الکترونیک چاپی با حجم بالا و در مقیاس بزرگ بسیار مناسب هستند. بنابراین، R2R کلاس مهمی از فرآیندهای تولید مبتنی بر بستر است که در آن می‌توان از فرآیندهای افزودن و کاستن برای ساخت سازه‌ها و الگوهای پیچیده به طور پیوسته استفاده کرد. توان بالا و هزینه پایین از خصوصیاتی است که باعث تمایز تولید R2R از تولید معمول می‌شود که به دلیل چندین مرحله‌ای بودن، کندتر و پرهزینه‌تر است. از میان روش‌های چاپ R2R، ویژگی منحصربه‌فرد تکنیک چاپ حکاکی این است که الگوهای چاپ مورد نظر روی سطح غلتک حکاکی، که قبل از چاپ در جوهر غوطه‌ور شده و با جوهر پرشده است، حک می‌شوند (شکل a6). جوهرها در سلول‌های تصویر ذخیره شده و جوهرهای اضافی برداشته می‌شوند. جوهر در سلول‌های تصویر باقی می‌ماند و تحت عمل غلتک فشاری، جوهرها از سلول خارج شده و به دلیل فشار چاپ و نیروهای چسبندگی داخلی، روی بستر چاپ می‌شوند و در آخر پس از خشک شدن، الگوهای چاپی را تشکیل می‌دهند. فناوری چاپ حکاکی امکان تولید و تکرار مناسب تصویر و چاپ با عمق و سطح متغیر را فراهم می‌کند و می‌توان از آن برای چاپ روی بسترهای مختلف سخت یا انعطاف‌پذیر و جاذب یا غیر جاذب استفاده کرد. هزینه‌های بسیار زیاد غلتک‌های حکاکی بیانگر این است که از چاپ حکاکی فقط می‌توان در تولید قطعات الکترونیک چاپی با حجم بالا استفاده کرد. تکنیک چاپ حکاکی اغلب برای ساخت TFT در آزمایشگاه استفاده می‌شود. در چاپ فلکسوگرافی، الگوهای چاپی لازم در صفحه، در بالای مناطق غیر چاپی قرار می‌گیرند. همان طور که در شکل b6 نشان داده شده است، نواحی تصویر روی صفحه چاپ نرم/انعطاف پذیر، به وسیله ی یک غلتک آنیلوکس[8] با یک لایه جوهر فعال پوشش داده شدهاند. سپس جوهرها با فشار چاپ (ناشی از غلتک فشاری) به بستر منتقل شده و درنهایت الگوهای چاپی ایجاد می‌شوند. در ساخت PE، شبکه‌های رسانای الگودار میکرومتری موجود بر بسترهای رسانای شفاف می‌توانند با چاپ فلکسوگرافی تهیه شوند و ضخامت فیلم آن‌ها را می‌توان با استفاده از مشخصات آنیلوکس کنترل کرد. در مقابل در روش چاپ افست، جوهرها ابتدا به یک حامل میانی انعطاف‌پذیر منتقل و سپس بر روی بستر چاپ منتقل می‌شوند (شکل c6). از ویژگی‌های بارز چاپ افست این است که الگوها مطابق فیزیک سطح و اندرکنش بین جوهر و صفحه چاپ می‌شوند. با این حال، گزارش‌های مربوط به ساخت قطعات الکترونیک چاپی به وسیله ی چاپ افست بسیار کم هستند. همان طور که در شکل d6 نشان داده شده است، چاپ غلتکی با چاپ مسطح[9] معمولی متفاوت است زیرا صفحه مورد استفاده استوانه‌ای بوده و غلتک چاپ، بستر و غلتک فشاری همزمان حرکت می‌کنند. جوهرها از طریق صفحه چاپ استوانه‌ای از منبع داخلی جوهر وارد شده و سپس به سطح بستر منتقل می‌شوند. چاپ R2R به عنوان یکی از کاندیداهای اصلی برای ساخت قطعات انعطاف‌پذیر و کم هزینه الکترونیک چاپی در آیندهای نزدیک در نظر گرفته می‌شود.

 

2-4- الزامات نانومواد قابل چاپ
شکل 7 ظرفیت وضوح سطح را در بین روش‌های مختلف چاپ با یکدیگر مقایسه می‌کند. در مقیاس آزمایشگاهی، پرینترهای جدید جوهرافشان قادر به تشکیل ساختارهایی به کوچکی یک میکرومتر هستند اما هنوز به مرحله تولید نرسیدهاند. به تازگی، چاپ جت آیروسل و چاپ جوهرافشان الکتروهیدرودینامیکی نیز مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند زیرا حداقل ابعاد چاپ شدۀ آن‌ها می‌تواند کوچکتر از یک میکرومتر باشد. در روش‌های مختلف چاپ باید از خصوصیات رئولوژیکی مختلف جوهر استفاده کرد، بنابراین دامنه ویسکوزیته جوهرها و ضخامت به دست آمده از لایه چاپی قبل از چاپ باید در نظر گرفته شود. جوهرهای الکترونیک چاپی مورد نظر باید دارای چاپ‌پذیری عالی بوده و مطابق با شرایط زیر باشند: اولا، فرآیند تهیه جوهرها باید هم ساده و هم پربازده باشد. ثانیا، ویسکوزیته و کشش سطحی جوهرهای قابل چاپ باید در یک محدوده مناسب قرار داشته باشد تا آن‌ها را با انواع فناوری‌های چاپ سازگار سازد. ثالثا، جوهر باید بتواند ماه‌ها بدون رسوب کردن ذرات، در دمای اتاق (RT) پایدار بماند. برای جوهرهای رسانا، الگوهای چاپی باید در دمای اتاق از رسانایی بالایی برخوردار بوده و در هنگام پخت در دماهای پایین‌تر (<150°C) ، هدایت حجمی (bulk) به دست آورند. جوهرهای عایق باید بهترین خواص نارسانایی را داشته باشند، که اغلب برای جلوگیری از اکسیداسیون جوهر فلز در حین ساخت الکترونیک چاپی استفاده می‌شوند. تا به امروز، مواد مختلفی از قبیل پلیمرهای رسانا، کربن و نانوذرات فلزی سنتز شده و استفاده از آن‌ها به عنوان جوهرهای کاربردی نشان داده شده است. این جوهرهای کاربردی اخیراً در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی، نساجی و قطعات الکترونیک چاپی مبتنی بر بستر کاغذی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و در تحقیقات قطعات الکترونیکی چاپی به کانون توجه تبدیل شدهاند.

 

3- جوهرهای بر پایه نانومواد غیرآلی؛ سنتز و خواص
توسعه جوهرهای فعال کم هزینه با چاپ‌پذیری بالا برای تحقق تولید قطعات الکترونیک چاپی و کاوش در کاربردهای مختلف الکترونیک چاپی بسیار مهم است. مهم‌ترین بخش تکنیک‌های چاپ، که هم بر شرایط چاپ و هم بر وضوح الگو تأثیر گذار است، جوهر و خصوصیات فیزیکی آن همانند ویسکوزیته و کشش سطحی است. انواع نانومواد کاربردی برای ساخت الکترونیک چاپی مورد نیاز هستند از جمله فلزات دارای رسانایی بالا برای الکترودها و اتصالات، دی الکتریک ظرفیت بالا/دارای نشت کم برای ابررساناها و TFT‌ها و نیمه‌هادی‌های نوع n و نوع p برای مدارهای مکمل، کم قدرت و سلول‌های خورشیدی. در بین مواد غیرآلی ذکر شده، نانومواد غیرآلی قابل چاپ رایج شامل نانوذرات فلزی، نانومواد کربنی، نانومواد نیمه‌هادی و جوهرهای رآکتیو هستند.

علاوه‌بر این، جوهر چاپ ترکیبی از اجزاء پیچیده است که برای حصول خصوصیات مطلوب، طبق یک فرمول خاص با یکدیگر ترکیب می‌شوند. به طور کلی، وظیفه نانومواد غیرآلی، تأمین خواص الکترونیکی قطعات الکترونیک چاپی است. برای تهیه جوهرها از رزین، روغن یا حامل، مواد افزودنی و حلال نیز استفاده می‌شود، رزین اغلب به عنوان عاملی برای چسباندن نانومواد به بستر چاپ استفاده می‌شود، روغن یا حامل وسیله‌ای برای انتقال نانومواد و رزین است و از مواد افزودنی و حلال‌ها برای کنترل خصوصیات رئولوژیکی جوهر استفاده می‌شود. از نظر فرمولاسیون جوهر، انتخاب حلال بسیار مهم است و در حال حاضر فشار به سمت استفاده از آب وجود دارد زیرا این ماده یک حلال غیرسمی، ارزان و سازگار با محیط زیست است. با این وجود، تولید جوهرهای مناسب بر پایه آب برای چاپ بر روی بسترهای پلاستیکی چالش‌های خاصی دارد، زیرا انرژی سطحی بسترهای پلاستیکی معمولی بسیار پایین‌تر از آب بوده و منجر به ترشوندگی ضعیف این بسترها به وسیله ی جوهرهای بر پایه آب می‌شود. تلاش‌های زیادی برای بهینه‌سازی پارامترهای مختلف جوهر صورت گرفته و استفاده از بسیاری از نانومواد غیرآلی در چاپ قطعات الکترونیکی را تسهیل کرده است.

 

3-1- نانوذرات فلزی
انواع جوهرهای بر پایه نانوذرات فلزی مختلف مورد استفاده واقع شدهاند که شامل نانوذرات طلا، نقره، مس، نیکل و آلیاژها یا نانوذرات کامپوزیتی آن‌ها هستند. یکی از ویژگی‌های مهم در تعیین آنکه از کدام نانوذره فلزی استفاده شود، سهولت دستیابی به جوهر قابل چاپ است، زیرا نانوذرات فلزی نسبت به مواد توده (بالک) ، دمای ذوب کمتری از خود نشان می‌دهند. برای ساخت جوهرهای فعال بر پایه نانوذرات فلزی، اولین کار تهیه نانوذرات فلزی در مقیاس بزرگ با روش‌های "از بالا به پایین" (TD) و "پایین به بالا" (BU) است. همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است، در روش TD، فلزات حجمی به مقادیر نانو تقسیم می‌شوند و با روشی مناسب مانند آسیاب مکانیکی و فرسایش با لیزر پراکنده می‌شوند. به دست آوردن نانوذرات با کیفیت بالا و اندازه یکنواخت کار سختی است و قیمت محصولات به دلیل مصرف بالای انرژی و همچنین نیاز به استفاده از تجهیزات گران قیمت، بسیار بالا است. در روش BU، پیش سازه‌های یون فلزی اغلب با عوامل کاهنده واکنش داده و یا مستقیماً در یک محیط مرطوب شیمیایی تجزیه می‌شوند و در نهایت به شکل نانوذره در می‌آیند. به طور معمول، محصولات در محلول پراکنده شده و به شکل کلوئیدها یا رسوبات در می‌آیند و باید به ویژگی‌های مختلف آن‌ها از جمله توزیع اندازه، مورفولوژی و پایداری ذرات توجه کرد. با کنترل پارامترهای آزمایش می‌توان این خصوصیات را تغییر داد. در واقع عملکرد الکترونیکی جوهرهای نانوذرات فلزی به شدت به ویژگی‌های ذرات بستگی دارد. در حال حاضر بیشترین گزارش‌های موجود مربوط به نقره هستند زیرا هدایت الکتریکی قابل توجه نقره از کل فلزات بالاتر است، قیمت نقره از طلا پایین‌تر و پایداری آن در هوا نسبت به مس بیشتر است. در مورد جوهرهای بر پایه نانوذرات فلزی، تثبیت این ذرات برای جلوگیری از آگلومره شدن آن‌ها به یک عامل اصلی تبدیل می‌شود زیرا برخی پلیمرهای زنجیره بلند روی سطح ذرات، تشکیل شده یا آن‌ها را پوشش می‌دهند. برای افزایش رسانایی، یک فرآیند زینتر اضافی جهت تجزیه ترکیبات آلی موجود در جوهر لازم است. در واقع، ترکیبات آلی اغلب به شدت روی سطح نانوذرات فلزی جذب می‌شوند و زدودن آن‌ها در دمای اتاق یا دماهای پایین، بسیار دشوار است. علاوه‌بر این، تخلخل‌های زیادی در اثر تجزیه ترکیبات آلی تشکیل می‌شوند که مانع از فشردگی و لذا رسانایی الکتریکی بالای نانوذرات فلزی می‌شوند.

 

3-2- نانوجوهرهای اکسید رسانای شفاف (TCO)
در میان تمام جوهرهای TCO، اکسید ایندیوم-قلع (ITO) عمدتاً برای تولید جوهر رسانا و پوشش‌های شفاف برای نمایشگرهای الکترونیکی و پوشش‌های منعکس‌کننده گرما برای معماری، اتومبیل و شیشه لامپ مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌های مبتنی بر ITO، به خصوص تکنیک‌های چاپ، کاندیدایی قدرتمندی برای ساخت کم هزینه قطعات الکترونیک چاپی هستند. علاوه‌بر ITO، سایر مواد TCO استفاده از ایندیوم را بسیار کاهش می‌دهند زیرا ایندیوم یک فلز نادر بوده و از این رو بسیار گران است. بنابراین انتظار می‌رود که این جوهرها، نسل بعدی مواد سازنده الکترود باشند و جایگزین آنهایی شوند که از فلزات نادر و گران برای تولید الکترونیک چاپی استفاده می‌کنند. تعداد زیادی روش برای سنتز نانوذرات TCO استفاده می‌شود اما راحت‌ترین راه، تجزیه کمپلکس‌های فلزی در یک واکنش مرطوب شیمیایی است. در حال حاضر، چاپ با نانوذرات TCO برای دستیابی به الکترودهای شفاف و انعطاف‌پذیر معرفی شدهاست اما کاربرد محدودی دارد. به عنوان مثال مقاومت ورق TCO بسیار بالاتر از فیلم‌های سنتی با شفافیت مشابه است که با کندوپاش به دست می‌آیند. برای حل این مسائل، پیشرفت‌های بیشتری در زمینه‌های روش سنتز، توزیع، ذخیره‌سازی و چاپ نانوذرات TCO مورد نیاز است.

 

3-3- نانومواد کربنی
نانومواد کربنی در محیط‌های مختلف شیمیایی و فیزیکی مانند محیط اسیدی و همچنین در دماها و فشارهای بالا از پایداری به شدت بیشتری برخوردار هستند. برای بیست سال، جوهرهای کربن برای چاپ الکترودهای الکتروشیمیایی بسیار جذاب بودهاند زیرا قیمت آن‌ها نسبتا پایین و عملکرد الکتروشیمیایی آن‌ها مناسب است (جریان‌های پس زمینه کم و محدوده پتانسیل کاری گسترده). این جوهرها اغلب از ذرات گرافیتی، یک چسب پلیمری و سایر مواد افزودنی (به منظور توزیع، چاپ و چسبندگی) تشکیل شدهاند. در نتیجه، نانولوله‌های کربنی (CNT) به دلیل خاصیت الکتریکی بی‌نظیر و پتانسیل آن‌ها برای کاربردهای مختلف، در ساخت قطعات چاپی به کار گرفته شدهاند. اغلب از چاپ جوهرافشان و چاپ صفحه‌ای برای چاپ گرافیت و CNT استفاده می‌شود. به عنوان مثال کوردس[10] و همکاران گزارش دادند که مخلوط آبی CNT‌های عامل دارشده، به روش جوهرافشان بر روی سطح کاغذ و بسترهای پلاستیکی چاپ شده و می‌توان با آن الگوهای رسانای الکتریکی ساخت. مطالعات مختلف نشان دادهاند که قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر و شفاف، از ورق گرافن با کیفیت بالا قابل تولید هستند. همان طور که در شکل 9 نشان داده شده است، هوانگ[11] و همکاران الگوهایی را بر روی بسترهای انعطاف‌پذیر مختلف (از جمله کاغذ، PET و پلی ایمید (PI) ) با استفاده از جوهرهایی متشکل از اکسید گرافن تک لایه (GO) و محلول‌های آبی GO چند لایه چاپ کردند. الگوهای چاپ شده کیفیت تصویر بالاتری را نشان داده و به روش آسان و ارزان چاپ جوهرافشان به دست آمدند. در میان سه بستر، الگوهای چاپ شده بر روی بسترهای PI هدایت الکتریکی بالایی را از خود به نمایش گذاشتند.

اخیرا، مطالعات بیشتری بر روی کاربرد گرافن در چاپ قطعات الکترونیکی متمرکز شدهاند. ویژگی‌های گرافن یا مشتقات آن نقش مهمی در خواص جوهرها دارند زیرا عملکرد الکتریکی و مکانیکی الگوهای چاپی را تعیین می‌کنند. اگرچه گرافن با کیفیت بالا می‌تواند با استفاده از لایه‌برداری فاز مایع و بدون اکسیداسیون سنتز شود، این گرافن تازه سنتز شده هنوز حلالیت کافی در حلال‌های معمولی را ندارد و این امر مهم‌ترین مانع در ساخت قطعات الکترونیک چاپی بر پایه گرافن است. با این حال، رسانایی الگوهای چاپ شده از نانومواد کربن خالص هنوز هم بسیار کم است و کاربرد آن را محدود می‌کند. لذا به منظور ساخت قطعات با رسانایی بالا، جوهرهای ترکیبی کربن/هیبرید فلز ممکن است راه حل بهتری باشد. به عنوان مثال، جوهرهای رسانایی متشکل از نانوذرات کربن به عنوان هسته و نقره به عنوان پوسته ساخته شده و رسانایی صفحه حاصل، مشابه با خمیر نقره تجاری بود. ژانگ[1] و همکاران کامپوزیت Ag/RGO را به عنوان یک جوهر رسانای مؤثر برای چاپگر جوهرافشان آماده کرده و از آن برای ساخت قطعات انعطاف‌پذیر الکترونیک چاپی استفاده کردند. اندازه و مورفولوژی نانوذرات نقره بر روی RGO به راحتی قابل تغییر است و با افزودن نانوذرات نقره، رسانایی از 800 به S/m 2000 بهبود یافت. با این حال، مکانیزم رسانایی جوهرهای ترکیبی کربن/فلز باید مورد مطالعه بیشتری قرار گیرد.

 

3-4- نانومواد نیمه‌هادی
برای ساخت فیلم‌های نازک نیمه‌هادی بیشتر از فرآیندهای کندوپاش (sputtering) برای آماده‌سازی استفاده می‌شود. روش‌های فرآوری محلول نیز برای تولید قطعات نیمه‌هادی به کار رفته‌اند اما این روش‌ها از عملکرد ضعیف قطعه یا الزام به استفاده از درجه حرارت بالای زینتر رنج می‌برند. با این حال، دمای مورد نیاز اغلب برای بسترهای پلاستیکی قابل انعطاف، بسیار زیاد است. به تازگی علاقه به نانومواد نیمه‌هادی غیرآلی به دلیل کاربردهای بسیار زیاد آن‌ها در وسایل الکترونیکی بزرگ و ارزان قیمت به طور مداوم افزایش یافته است. به دلیل تقاضای فزاینده برای ساختارهای کاملاً یکپارچه در کاربردهای الکترونیکی، فناوری الکترونیک چاپی توجه علوم نانومواد را به خود جلب کرده است.

بسیاری از نانومواد اکسیدی غیرآلی و نیمه‌هادی از جمله ZnO، TiO2، MoS2 برای ساختن دستگاه‌های الکترونیک چاپی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال اشنایدر[13] و همکاران مجموعه‌ای از ترکیبات روی با لیگاندهای اکسیدی را به دلیل مناسب بودن آن‌ها در چاپ جوهرافشان بررسی کرده و نشان دادند که میکروساختارهای ZnO می‌توانند در ساخت قطعات الکترونیک چاپی استفاده شوند. همان طور که در شکل 10 نشان داده شده است، جوهرهای بر پایه نانوذرات ZnO آماده شده و با استفاده از روش چاپ صفحه‌ای چاپ شدهاند و سپس می‌توان یک رشته نانوسیم ZnO با الگوی هیدروترمال ساده ساخت. رشته نانوسیم حاصل مورفولوژی یکنواخت، خصوصیات آب دوستی و چربی دوستی از خود نشان داد و الگوهای این نانوسیم‌ها را می‌توان به راحتی به وسیله ی چاپ صفحه‌ای کنترل کرد. اخیرا می[14] و همکاران با چاپ داربست دولایه‌ای از TiO2 و ZrO2 شبه‌متخلخل، سلول خورشیدی ساختند. سلول حاصل به راندمان تبدیل 12.8٪ رسیده، پایداری عالی را به نمایش گذاشته و می‌تواند برای بیش از 1000 ساعت در هوای محیط در زیر نور کامل خورشید پایدار بماند. با این وجود این امر چالش برانگیز بوده و نیاز به کنترل دقیق ضخامت، موقعیت، جهت‌گیری و طرح دارد.

 

3-5. جوهر واکنش‌پذیر (جوهر بدون نانومواد)
اخیرا جوهرهای واکنش‌پذیر یا روش‌های چاپ واکنشی به گزینه قدرتمندی برای تولید قطعات الکترونیک چاپی به خصوص در ساخت قطعات فلزی رسانا یا الکترود تبدیل شدهاند. مفهوم اصلی چاپ جوهرافشان واکنش‌پذیر (RIP[15]) استفاده از یک پرینتر جوهرافشان برای ترکیب یک قطره از واکنش دهنده با یک واکنش دهنده ثانویه است. همان طور که در شکل 11 نشان داده شده است، روش RIP شامل دو فرآیند چاپ است: در مرحله اول پیش سازه‌های فلزی چاپ می‌شوند و سپس عوامل احیاکننده در همان مکان (یا برعکس) رسوب می‌دهند تا فلز عنصری به طور مستقیم بر روی سطح بستر به دست آید. به این جوهرها همچنین جوهرهای تجزیه آلی فلز (MOD) گفته می‌شود و برای چاپ جوهرافشان بسیار مناسب هستند. به طور کلی، جوهرهای MOD محلول‌های آبی هستند که باعث کاهش گرفتگی نازل می‌شوند و نیازی به تثبیت‌کننده کلوئیدی ندارند. در مقابل، جوهرهای نانوذرات معمولا از بارگذاری ذرات بیشتری برخوردار هستند، از نظر تجاری به طور گسترده تری در دسترس هستند و به دلیل ویژگی هدایت بالاترشان، مورد بررسی بیشتری قرار گرفته‌اند. اگرچه قطعات چاپی با جوهرهای MOD تا زمانی که بالای 150 درجه سانتیگراد زینتر نشوند و فلز عنصری رسانا تشکیل نشود، عایق هستند. دمای زینتر بالا، انتخاب بستر را محدود می‌کند زیرا بیشتر لایه‌های پلیمری، مواد ترموپلاستیک با نقطه نرم شوندگی پایین (Tg) هستند و دمای بیش از حد باعث تغییر شکل یا آسیب رساندن به بستر می‌شود. Tg بسترهای پلیمری متداول مانند PET یا پلی کربنات زیر 150 درجه سانتیگراد است. بنابراین بسیاری از محققان به دنبال روش‌های جدیدی برای کاهش دمای زینتر جوهرهای MOD هستند. به عنوان نمونه، شین[16] و همکاران از ترکیب دو رویکرد متفاوت خبر دادند. آن‌ها با استفاده از مزایای جوهر نانوذرات نقره و جوهر MOD، اذعان داشتند که نسل بعدی جوهرهای رسانا برای ساخت یک فیلم رسانای شفاف چاپ شده به روش R2R، باید حاوی نقره هم به صورت یک افزودنی فلزی و هم به شکل یک ماده پراکنده باشد.

 

4- عملیات پس از چاپ
به طور کلی در الکترونیک چاپی، نانوذرات فلزی در محلول آبی یا یک حلال آلی برای تهیه جوهرهای رسانا توزیع می‌شوند و سورفکتانت‌ها یا رزین‌های پلیمری برای کنترل چاپ‌پذیری جوهر اضافه شده و در نهایت، الگوهای رسانا با یک روش چاپ تولید می‌شوند. الگوهای چاپ و خشک شده، حاوی نانوذرات فلزی هادی و تثبیت کننده‌های آلی هستند که به عنوان عایق‌کننده عمل می‌کنند. وجود اجزای آلی عایق بین ذرات، منجر به کاهش چشمگیر تعداد مسیرهای نفوذی در الگوهای چاپی می‌شود. این امر همچنین منجر به مقاومت بسیار بالای برخی از قطعات چاپی می‌شود و اجازه نمی‌دهد در کاربردهای عملی استفاده شوند. همان طور که در شکل 12 نشان داده شده است، این مشکل معمولا با یک فرآیند زینتر معمولی برطرف می‌شود که با گرم کردن الگوهای چاپ شده تا دمای بالا حاصل می‌شود. عملیات زینتر باعث ایجاد نقاط رسانا بین نانوذرات مجاور درون قطعات چاپی می‌شود. جوهرهای آلی به طور معمول مقاومت بالایی دارند، در حالی که جوهرهای حاصل از نانوذرات فلزی اغلب به دمای پخت بالا (بیش از 150 درجه سانتیگراد) نیاز دارند تا ماده تثبیت‌کننده و سایر مواد افزودنی پلیمری که مانع از هدایت الکتریکی می‌شوند، از بین بروند. بنابراین درک ارتباط بین دمای زینتر، زمان فرآیند زینتر، خواص الکتریکی الگوهای/قطعات چاپی و مورفولوژی نانومواد بسیار مهم است. اصلی‌ترین روش‌های فرآیند زینتر عبارت از زینتر حرارتی معمولی، زینتر فوتونی، زینتر به وسیله ی لیزر، زینتر به وسیله ی پلاسما، زینتر با میکروویو و روش‌های زینتر برقی هستند.

 

4-1- زینتر حرارتی
عملیات حرارتی، روش مرسوم برای زینتر کردن نانوذرات فلزی است. زینتر حرارتی به قطر نانوذرات فلزی، میزان تبخیر یا تجزیه مواد آلی افزودنی به جوهر، نحوه توزیع، اتصال دهنده و نقطه جوش خود حلال بستگی زیادی دارد. افزایش زمان زینتر حرارتی برای بهبود رسانایی قطعات چاپی مفید است. به عنوان مثال همان طور که در شکل 13 نشان داده شده است، مقاومت الکتریکی قطعات چاپ شده Ag به تدریج با افزایش زمان زینتر کاهش می‌یابد (دمای زینتر 160 درجه سانتیگراد است) و بسیاری از مسیرهای نفوذی بین نانوذرات مجاور را می‌توان پیدا کرد که به تدریج یک شبکه رسانا شکل می‌دهند. زینتر در کوره معمولا یک روند طولانی است. در هنگام چاپ مواد انعطاف‌پذیر حساس به حرارت، جلوگیری از آسیب رساندن به بسترهای زیرین ضروری است و از این رو، توسعه فناوری زینتر حرارتی در دمای پایین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در سال‌های اخیر محققان رویکردهای مختلفی را برای کاهش درجه حرارت یا زمان زینتر جوهرها نشان دادهاند که با تنظیم محتوای آلی موجود در جوهر همراه هستند. به عنوان مثال، مگداسی[17] و همکاران یک روش جدید برای همبستگی و زینتر نانوذرات فلزی در دمای اتاق گزارش دادهاند. مشخص شد که نانوذرات نقره تحت یک روند خودبه‌خودی حتی بدون گرمایش، همبستگی یافتند؛ این مورد مشابه زمانی است که الکترولیت‌های با بارهای مخالف در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند. چو[18] و همکاران به طور سیستماتیک، ریزساختار، خواص الکتریکی و مقاومت خمشی الگوهای چاپی رسانای به دست آمده از دو نانوماده مختلف را مورد بررسی و مقایسه قرار دادند: نانوذرات سنتی و صفحات کوچک نانو. دسته نانو صفحات پس از چاپ مستقیم بدون تماس، روی بستر بسیار مرتب بود که از تشکیل حفره‌ها در طول فرآیند زینتر جلوگیری می‌کند و در نتیجه در حضور تنش‌های خمشی تکراری خارجی، مقاومت کمتری از خود نشان داد. به علاوه عملکرد رسانایی آن از قطعات ساخته شده با نانوذرات سنتی بهتر بود.

 

4-2- زینتر فوتونی
زینتر فوتونی، نوعی فناوری با درجه حرارت پایین، انتخابی و بدون تماس است که می‌تواند جوهرهای نانومواد را بر روی بسترهای مختلف بنشاند. زینتر فوتونی دارای خاصیت جذب داخلی است زیرا فرآیند تراکم به تدریج باعث کاهش حرارت فوتونی می‌شود تا زمانی که کاملا زینتر انجام شود. فناوری زینتر فوتونی شامل زینتر لیزری، زینتر مادون قرمز (IR) و زینتر نور چشمک زن/ پالسی است.

همان طور که در شکل 14-a نشان داده شده است، انرژی پرتو متمرکز لیزر به وسیله ی جوهر جذب می‌شود و گرمای آنی در اطراف آن ایجاد می‌کند و اجزای آلی موجود در جوهرها تجزیه یا تبخیر می‌شوند و در نتیجه زینتر با سرعت بالا اتفاق می‌افتد. این روش زینتر را می‌توان برای الگوهای الکترونیک چاپی یا دستگاهی با قابلیت جابه‌جایی پرتو لیزر از طریق سیستم‌های اسکن و به کمک هدایت الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

کنترل حرارت موضعی فرآیند زینتر لیزری می‌تواند مناطق تحت تأثیر گرما و آسیب حرارتی به بسترهای زیرین را به حداقل برساند، که این امر برای حفظ وضوح الگوهای چاپی مفید است. به عنوان مثال، هونگ و همکاران گزارش دادند یک روش آسان برای تهیه رسانای شفاف شبکه فلزی (MGTC) بر روی بستر پلاستیکی، استفاده از زینتر لیزر انتخابی جوهرهای نانوذرات فلزی است. MGTC دارای هدایت بالا (> 85٪) و مقاومت ورق کم ​​است که می‌تواند برای ساختن روی شیشه‌های سخت و بسترهای پلیمری انعطاف‌پذیر در مقیاس وسیع استفاده شود. در فرآیند زینتر لیزری اگر تجزیه آلی و سرعت تبخیر خیلی سریع باشد، این امر منجر به زینتر فلز می‌شود و ریزساختار افت می‌کند. لایه لایه شدن در سطح مشاهده می‌شود که این پدیده ناشی از گرمای بیش از حد و تبخیر خارجی‌ترین لایه جوهر است، در صورت اعمال سرعتی بیش از سرعت بهینه، مانع فلزی با تراکم بالا تشکیل می‌شود. جوهر نانوذرات فلزات مختلف، با لیزرهای با طول موج مختلف زینتر می‌شوند.

در مقابل، یک پالس نوری شدید (IPL) می‌تواند در شرایط محیطی، بدون پیمایش پهنه‌های بزرگ و با سرعت بالا بدون هیچ محدودیتی از نظر نوع بستر، مورد استفاده قرار بگیرد. تابش بسیار مختصر بر روی نمونه‌ای که با جوهر طراحی شده است، می‌تواند در شرایط دمای اتاق، زینتر فوری ایجاد کند. برای زینتر جوهرهای نانوذرات مس اغلب از روش پالس/ چشمک زن استفاده می‌شود زیرا این روش زینتر، سریعا می‌تواند پوسته‌های اکسید نانوذرات Cu را از بین ببرد و یک فیلم رسانای خالص مس در شرایط محیطی در چند میلی ثانیه و بدون آسیب رساندن به بسترهای زیرین تولید کند. علاوه‌بر این از لامپ‌های زنون می‌توان برای زینتر بخش بزرگی از الگوهای چاپی مبتنی بر جوهر مس استفاده کرد.

 روش زینتر IR یک روش مرسوم و کم هزینه برای به دست آوردن الگوهای چاپی بسیار رسانا است. روش‌های زینتر ارزان و سازگار با R2R، به خصوص برای استفاده روی کاغذهای انعطاف پذیر، مناسب هستند زیرا این بسترهای چاپ دارای بازتاب بسیار پراکنده، پایداری حرارتی نسبتاً بالا و رسانایی حرارتی کم هستند. همان طور که در شکل 15-c نشان داده شده است، سوواد و همکاران گزارش کردند که چاپگر جوهری R2R IR، جوهر نانوذرات نقره چاپ شده را طی یک ثانیه خشک می‌کند. در عین حال، اشکال روش زینتر IR این است که بسترهای پلاستیکی زیرین به راحتی آسیب می‌بینند زیرا پلیمرهای آن‌ها نیز در ناحیه IR، جذب الکترومغناطیسی بالایی دارند.

مطالعات اخیر نشان داده است که روش تابش NIR می‌تواند زمان زینتر را به شدت کاهش دهد. علاوه‌بر این از NIR می‌توان برای زینتر فیلم‌های TiO2 روی شیشه FTO در 5/12 ثانیه استفاده کرد.

 

4-2- زینتر پلاسمایی، میکروویو و الکتریکی
علاوه‌بر زینتر فوتونی، پلاسما عملکرد خوبی در تراکم نانوذرات داشته، همچنین عملکرد بهتری در حکاکی کردن و زینتر مواد حساس به حرارت نشان می‌دهد. تعامل گونه‌های پلاسمای با انرژی بالا و سرامیک نیز به منظور نفوذ مرزدانه‌ای گزارش شده است که آن را برای زینتر جوهرهای مبتنی بر نانوذرات فلزی مناسب می‌سازد. گرمایش ژول نقش مهمی در تراکم نانوذرات دارد که منجر به دستیابی به چگالی نزدیک به مقدار نظری در دمای زینتر پائین‌تر در مقایسه با روش‌های متداول زینتر می‌شود. زینتر پلاسمای آرگون (APS) یکی از روش‌های زینتر انتخابی است که در آن، از پلاسمای تهیج یافته استفاده می‌شود تا ماده پایدارکننده را از نانوذرات چاپی خارج کند. برای APS کم فشار، ساختارهای چاپی به محفظه پلاسمائی خلاء که با آرگون تمیز می‌شود، منتقل می‌شوند. به تازگی، یک روش سریع APS با فشار کم برای نانوذرات نقرهای چاپ شده با جوهرافشان گزارش شده است که در اثر یک دقیقه قرار گرفتن در معرض پلاسما، منجر به حصول هدایت 4/11٪ نسبت به بالک نقره می‌شود و هدایت نهایی تا 40٪ در زمان‌های زینتر طولانی‌تر حاصل می‌شود. وانشر و همکاران فشار جوی APS برای جوهرهای نانوذرات نقره را به منظور بهبود فرآیند پلاسما از نظر زمان زینتر، اتصال با بستر و پیچیدگی فنی ارتقا دادند. کیم و همکاران ویژگی‌های الگوهای مس چاپ شده به وسیله ی پلاسمای تحت فشار اتمسفر (APP) را با روش معمول حرارت دادن تابش-هدایت-همرفت مقایسه کردند. نتایج نشان می‌دهد که نانوذرات مس و زینتر APP برای تولید انبوه دستگاه‌های انعطاف‌پذیر الکترونیک چاپی با هزینه کم بسیار مناسب هستند (شکل 15-a). الگوهای مس چاپ شده که در W 250 به مدت 40 دقیقه زینتر شدند بهترین هدایت (μΩ cm 06/21) را نشان می‌دهند، که تقریباً 61/12 برابر بالک مس است.

استفاده از میکروویو برای فرآوری مواد جاذب در دهه 1970 و1980 با شدت بیشتری مورد مطالعه قرار گرفت و اکنون در زینتر الگوهای چاپ شده کاربرد دارد. در فرآیند پخت میکروویو، جوهرها با جفت شدن میکروویو و جذب انرژی الکترومغناطیسی چاپ می‌شوند که با از بین بردن ماده تثبیت کننده، به گرما تبدیل می‌شوند. این روش متفاوت از روش‌های متداول زینتر است که در اثر انتقال سازوکار هدایت، تابش و همرفت، گرما بین اشیاء منتقل می‌شود. این فناوری زمان زینتر را به طور چشمگیری کوتاه می‌کند و مستقل از بستر مورد استفاده است. در مقایسه با آنیل حرارتی، تابش میکروویو پلاسما تا حد زیادی باعث زینتر و اتصال ذرات برای تشکیل فیلم‌های متراکم و یکنواخت می‌شود. مطابق شکل 15-b جانگ و همکاران یک روش فلز بر روی نانولوله‌های کربنی (CNT) را برای دستیابی به زینتر موثر الگوهای نقره چاپ شده، توسعه دادند. جوهرهای نقره می‌توانند به واسطه انتقال حرارت از CNT‌ها با گرم کردن انتخابی میکروویو از CNT ها، به سرعت (کمتر از یک ثانیه) زینتر شوند. این فرآیند زینتر سریع به بسترهای قابل انعطاف حساس به گرما آسیب نمی‌رساند. پل و همکاران تأثیر زینتر میکروویو پودر را بر روی خواص دی الکتریک فیلم‌های ضخیم Ba0.6Sr0.4TiO3 مورد مطالعه و نتایج دادند که میکروویو ترجیحا بخش‌هایی از فیلم را که در آن نقص ساختاری زیادی وجود دارد، گرم می‌کند و بنابراین باعث یک فرآیند گرمایشی انتخابی می‌شود. تاکنون زینتر میکروویو جوهرهای نانوذرات فلزی فقط به طور کلی در آزمایشگاه انجام شده است. فناوری زینتر میکروویو می‌تواند با سرعت زیاد (چند ثانیه) جوهرهای رسانا را زینتر کند اما بزرگترین مشکل آن تضمین یکنواختی فرآیند زینتر است که کنترل آن بسیار مشکل است.

زینتر الکتریکی یکی دیگر از تکنیک‌های زینتر سریع است که در آن، یک ولتاژ بر ناحیه چاپ شده اعمال می‌شود. این امر باعث ایجاد جریان در لایه‌های نانوذرات چاپ شده و در نتیجه حرارت دهی موضعی می‌شود ؛ همان طور که در شکل 15-c نشان داده شده است. بنابراین زینتر الکتریکی یک روش زینتر گرمایش ژول است.

در واقع هر روش زینتر دارای کاستی‌ها و مزایای ذاتی خود است. اخیراً ترکیبی از انواع روش‌های زینتر سبب بهبود خواص پس از چاپ در ساخت الکترونیک چاپی شده است. به عنوان مثال پرلار و همکارانش ترکیبی از تکنیک‌های قرار گرفتن در معرض فلاش فوتونی و میکروویو را برای نقره طراحی کردند که در نتیجه هدایت به طور قابل توجهی بهبود یافت، در حالی که زمان زینتر اولیه یک چهارم شده است. نانوذرات نقره چاپ شده با جوهرافشان از وضعیت نارسانایی به 28٪ رسانش برای بالک نقره در کمتر از 15 ثانیه بدون تغییر بستر پلاستیکی زیرین، زینتر شدند. این روش منجر به ایجاد مسیرهای رسانایی روی بسترهای قابل انعطاف در مدت زمان کوتاه می‌شود که با تولید R2R سازگار است.

همچنین ترکیبی از پلاسما و میکروویو برای زینتر نانوذرات نقره استفاده شد. پس از زینتر به وسیله ی دو روش به صورت پی در پی، می‌توان به هدایت نهایی 60٪ بالک نقره بدون آسیب رساندن به بستر پلیمری زیرین رسید. پارک و همکاران روش زینتر سریع برای نانوذرات نقره و لایه‌های پوسته چاپ شده با استفاده از چاپ R2R ارائه دادند. آن‌ها از یک دستگاه زینتر IR و منطقه خشک کن به کمک هوای گرم در سیستم R2R، برای کوتاه کردن مدت زمان زینتر یک لایه نقره چاپ شده، استفاده کردند. اکنون که تکنیک‌های زینتر غالباً بر زینتر سریع جوهرهای الکترونیک چاپی با کاربردی مختلف و با هدف ایجاد امکان تولید به روش R2R متمرکز شدهاند، برای رسیدن به تولید R2R، هم دمای زینتر پایین و هم زمان کوتاه زینتر لازم است. از آنجا که هر روش زینتر از مکانیزم متفاوتی پیروی می‌کند، تعیین یک روش مناسب برای هر نوع جوهر، بستر و کاربرد مختلف دشوار است. بنابراین می‌توان از روش‌های زینتر ترکیبی برای تحقق خواص بهینه پس از چاپ استفاده کرده و بهترین عملکرد را در الکترونیک چاپی به دست آورد.

 

5- کاربردهای مختلف
در حال حاضر تکنیک‌های پوشش غیر الگویی مانند فناوری پوشش چرخشی[19]، اغلب در آزمایشگاه برای تولید وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجا که توسعه سیستم‌های الکترونیکی پیچیده نیازمند ادغام دستگاه‌های مختلف الکترونیکی است، کنترل دقیق و مقیاس‌پذیر لایه‌های فعال با استفاده از فناوری الگویی، ضروری است. این تغییر پارادایم به دلیل روابط نزدیک و ظریف بین پروتکل‌های رسوب نشانی، ریزساختار لایه فعال و عملکرد نهایی دستگاه، مشکل است. سیستم‌هایی در گذشته برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی مختلف از جمله مسیرهای هدایت کننده/ الکترود و مدارهای قابل انعطاف، FET‌های با کارایی بالا، دستگاه‌های حافظه، حسگرهای پیشرفته و دستگاه‌های انرژی سبک از قبیل ابررسانه ها، باتری ها، سلول‌های خورشیدی و نانو ژنراتورها به کار گرفته شده اند.

 

5-1- مسیر و الگوهای هدایتی
مسیرها/ الگوهای چاپی با هدایت کم یکی از چالش‌های کاربرد الکترونیک چاپی است زیرا آن‌ها تقریباً در هر دستگاه برقی وجود دارند. برای بهبود هدایت مسیرها/الگوهای چاپی، دانشمندان و مهندسان مواد تلاش‌های زیادی برای بهبود نانوساختارهای مواد رسانا، فرمولاسیون جوهر و روش‌های چاپ انجام دادهاند. تا به امروز، هدایت مسیرهای چاپی نقره نزدیک به بالک‌های نقره بوده است. جدیدترین مطالعات روی دستیابی به هدایت الکتریکی بالا و قابلیت اطمینان از قطعات مس رسانا با دمای زینتر پایین تمرکز کردهاند. به عنوان مثال کاون و همکارانش گزارش کردند الگوهای مس زینتر شده با پلاسما و ریزساختار کاملاً متراکم، مقاومت الکتریکی خود را تا یک ماه حفظ می‌کند. اخیراً، ییم و همکاران یک روش ساده برای تهیه قطعات رسانای مس/نقره ترکیبی تحت پتانسیل نور چشمک زن توسعه دادند. هنگامی که در دمای 220 درجه سانتیگراد در معرض اتمسفر محیط قرار گرفتند، مقاومت برای جوهر مس بهΩsq-1 106 و به Ωsq-150 برای جوهر ترکیبی مس و نقره تغییر یافت. این نانوذرات فلزی اغلب به عنوان مسیرهای رسانا و الگوهای مستقیم بر روی بسترها چاپ می‌شوند.

علاوه‌بر چاپ مستقیم، فرآیند واکنش شیمیایی نیز برای ساختن مسیرهای رسانا به کار می‌رود. به عنوان مثال، چن و همکاران جوهرهای واکنشی نقره را برای ساختن مسیرهای رسانا روی بسترهای قابل انعطاف با چاپ جوهرافشان نشان دادند. جوهرهای واکنشی به دست آمده را می‌توان در دماهای پایین زینتر کرد، زیرا دی اتانول آمین موجود در جوهرها در دمای بیشتر از50 درجه سانتیگراد تجزیه می‌شود و فرمالدئید تولید می‌کند که به طور خودبخود با یون‌های آمونیاک نقره واکنش می‌دهد تا عنصر اصلی را تشکیل دهد. علاوه‌بر این، جوهرهای نقره می‌توانند محکم به بسترهای پلاستیکی قابل انعطاف زیرین بچسبند. لیو و همکاران ساخت مدارهای ریز مسی با استفاده از روش رسوب دهی جایگزینی گالوانیک انجام دادند. ابتدا خمیر رزین اپوکسی اکسید شده روی، به وسیله ی نانوذرات روی برای اولین بار بر روی لایه‌ها به عنوان لایه اولیه چاپ شد. پس از آن، یک لایه مس رسانای الکتریکی می‌تواند به دلیل واکنش رسوب دهی جایگزینی گالوانیک بین Zn و Cu2+ آبکاری شود.

مدارهای قابل انعطاف در طیف گستردهای از کاربردها استفاده می‌شوند، اما آن‌ها همان عملکرد اساسی را دارند؛ یعنی انتقال جریان الکتریکی در مسیرهای سه بعدی. تکنیک‌های کنونی مسیری طولانی را برای برآورده کردن اهداف باید طی کنند، اما هنوز یک فرآیند ساخت جدید و قابل دسترس مورد نیاز است که هم بتواند هزینه‌ها را کاهش دهد و هم عملکرد را بهبود بخشد. این امر نیاز به تحقیقات جامعی برای سرعت بخشیدن به کاربردهای الکترونیک چاپی دارد. ژنگ و همکاران از طریق معرفی یک سیستم کامپوزیت مایع با بهره‌برداری برای چاپ جوهر فلزی مایع، یک روش چاپ بسیار مقرون به صرفه و کاملاً خودکار برای ساختن لوازم الکترونیکی شخصی ایجاد کردند. همان طور که در شکل 16 نشان داده شده است، می‌توان یک سری از الگوهای رسانای الکتریکی که دارای مسیرهای ساده هستند را چاپ کرد. این سیستم به راحتی قابل کنترل و از نظر شخصی مقرون به صرفه است که راه را برای برنامه‌های بزرگ‌تر باز می‌کند و ابزاری قدرتمند برای تولید لوازم الکترونیک در زندگی روزمره است.

 

5-2- ترانزیستورهای لایه نازک (TFT) چاپی
TFTها ساختار ویژه‌ای از ترانزیستورهای گسیل میدان (FET) هستند که با فیلم‌های نازک، لایه‌های نیمه‌هادی فعال و همچنین لایه‌های دی الکتریک و اتصالات فلزی بر روی یک بستر پشتیبان (اما غیر رسانا) ساخته می‌شوند. TFTهای اکسید فلزی ذاتاً از نظر تحرک و پایداری نسبت به نمونه‌های ارگانیک برتر هستند و مطالعات مربوطه بر اساس روش‌های چاپ به طور مداوم در حال توسعه است.

یک رویکرد برای چاپ TFT از اجزای نانمتری غیرآلی، به عنوان جوهر استفاده می‌کند و ساختار جزئی TFT را چاپ می‌کند. فوکودا و همکاران دوام مکانیکی OTFT‌های حاوی نقره را مطالعه و نشان دادند که جوهرهای مبتنی بر نانوذرات نقره می‌توانند به خوبی به لایه‌های ارگانیک زیرین بچسبند و TFT‌های آلی آماده شده قابلیت تکرارپذیری خوبی را در آزمایشات چرخه خمش نشان دادند.

در رویکردی دیگر برای تولید TFTها، از یک فرآیند چاپ کامل استفاده می‌شود و TFT‌های تمام چاپی، یک جزء اصلی دستگاه‌های الکترونیکی قابل انعطاف هستند. به عنوان مثال، قابلیت خم شدن زیادی در TFTهای کاملاً چاپ شده با یک تکنیک چاپ حکاکی معکوس مشاهده شده است. بدیهی است تکنیک‌های چاپی با توان بالا می‌توانند به عنوان یک راه حل امیدوارکننده برای طیف گستردهای از کاربردهای الکترونیکی TFTها استفاده شوند.

 

5-3- سلول‌های خورشیدی چاپی
یک بستر قابل انعطاف معمول (مانند کاغذ یا PET) تقریباً یک هزارم شیشه قیمت دارد و سلول‌های خورشیدی با استفاده از فرآیندهای چاپ می‌توانند بسیار ارزانتر و سبک‌تر از صفحه‌های خورشیدی معمول باشند. بنابراین سلول‌های خورشیدی چاپ شده قابل انعطاف، امکانات مختلفی را ایجاد می‌کنند: می‌توان آن را روی یک چادر قرار داد، آن را از یک درخت، از کوله پشتی آویزان کرد یا فقط آن را روی زمین گذاشت. این امر می‌تواند یک راه حل مقرون به صرفه برای برآورده کردن تقاضای فزاینده انرژی در سراسر جهان ارائه دهد.

یک جزء ضروری در سلول‌های خورشیدی از جمله آنهایی که روی بسترهای قابل انعطاف هستند، الکترودهای جلو و عقب هستند. این الکترودها اغلب با تکنیک‌های چاپ ساخته می‌شوند. به عنوان مثال، کربس و همکاران با استفاده از تکنیک‌های مختلف چاپ در سلول‌های خورشیدی پلیمری، فرآیند تولید یک الکترود پشتی نقره را مقایسه کردند. همان طور که در شکل 19 نشان داده شده است، الکترودهای پشتی نقره چاپی در شرایط محیط، با همان لایه سلول خورشیدی، برای ارزیابی بهتر تهیه شدهاند. چاپ الکترود پشتی نقره در شرایط محیطی با استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی ساده، حلقه گمشده در جایگزینی کامل الکترودهای فلزی حاصل از تبخیر است.

 

5-4- ابررساناهای چاپی
ابررساناها (خازن‌های دو لایه الکتروشیمیایی) به دلیل چگالی توان خوب، چرخه طولانی و ماندگاری مناسب، پیشرفته و کاربردی هستند و همچنین رفتارهای شارژ/تخلیه سریع و عملکرد خوبی را در طی یک طیف دمایی گسترده نشان می‌دهند. با افزایش قطعات الکترونیکی مصرفی قابل انعطاف که جذابیت زیبایی‌شناسی و عملکرد منحصربه‌فردی دارند، لازم است قطعات ذخیره انرژی نه تنها عملکرد عالی الکتروشیمیایی داشته باشند، بلکه انعطاف پذیری و تطبیق پذیری شکل را از خود نشان دهند. در شرایط کنونی، ابررساناهای چاپی (PSC) کاندیدای قدرتمندی شدهاند و اغلب ساخته می‌شوند تا به عنوان بخشی از منبع انرژی هیبریدی در کاربردهای الکترونیک چاپی باشند. تکنیک‌های چاپ بی‌شماری با استفاده از جوهرهای نانوذرات فلزی، توجه زیادی را برای ساخت PSCهای فعلی جلب کردهاند. به عنوان مثال، PSCهای حالت جامد مبتنی بر نانوذرات نقره قابل انعطاف به وسیله ی یک فرآیند چاپ حکاکی R2R همراه با یک روش زینتر سریع لیزر با دمای پایین تهیه شدهاند. PSCها در تعدادی از مطالعات الکتروشیمیایی خواص خازنی بسیار خوبی به نمایش گذاشتند و عملکرد خود را حتی در معرض اختلالات فیزیکی مانند خم شدن بیش از 1000 چرخه عملیاتی، بدون هیچ گونه افت شدید ظرفیت حفظ کردند. به عنوان یک جایگزین، از نانومواد کربن رسانا نیز برای چاپ جمع‌کننده جریان یا الکترود فعال استفاده می‌شود.

علاوه‌بر این، شاید الکترولیت و جداکننده نیز در PSC‌ها چاپ شوند. به عنوان نمونه، یانگ و همکاران با استفاده از روش چاپ جوهرافشان، جداسازهای ابررساناها را روی فیلم سلولزی و کاغذ ساختند. چندین جوهر مختلف، از جمله CNT و اکسیدهای فلزی استفاده شده و تأثیر ماده اصلی استفاده شده به عنوان جداکننده نیز مورد بررسی قرار گرفت.

به عنوان یک جایگزین، ابررساناهای تمام-چاپ شده نیز توسعه یافته‌اند و PSC چاپ شده، به یک زمینه تحقیق جذاب تبدیل شده است. همان طور که در شکل 20 نشان داده شده است، PSCهای منعطف چاپ شده با حالت جامد روی کاغذ با استفاده از یک پرینتر تجاری ساخته می‌شوند. نانوذرات نقره به کمک CNT بر روی الکترودها زینتر می‌شوند تا بیشینه هدایت الکترودها را بالا ببرند. PSC‌ها عملکرد الکتروشیمیایی قابل اعتماد در بیش از 2000 چرخه و همچنین انعطاف پذیری مکانیکی عالی از خود نشان دادند.

 

5-5- باتری‌های چاپی
استفاده از تکنیک‌های چاپ برای تولید باتری‌های سبک وزن، گام موثری در تولید انبوه و ارزان آن است و در عین حال بالاترین انعطاف پذیری را برای طراحان محصول حاصل می‌کند. در باتری‌های چاپی، بیشترین نوع باتری‌های مورد استفاده باتری‌های لیتیوم یونی (LIB) و باتری‌های مبتنی بر روی هستند. هنگامی که فرآیندهای چاپ به خوبی توسعه یافتند، می‌توان از آن‌ها برای تهیه قطعات باتری با طراحی جوهرهای قابل برای چاپ لایه‌های فعال، جمع‌کننده جریان و الکترولیت استفاده کرد.

روش‌های چاپ صفحه‌ای اغلب برای ساخت آند/ کاتد فعال در LIBهای چاپی و مواد مختلف حاوی لیتیم (مانندLiMn2O4، LiCoO2، LiTi5O12، LiFePO4 و Li3BO3) استفاده شده و گرافیت به صورت جوهر قابل چاپ استفاده می‌شود. طراحی الکترود تقویت شده و معماری جدید می‌تواند به افزایش ظرفیت LIBها و بهبود مقاومت کششی و انعطاف پذیری مکانیکی الکترودها کمک کند.

علاوه‌بر این، باتری‌های بر پایه روی قادر به ارائه کارایی بالا با استفاده از الکترولیت‌های آبی هستند و هیچ یک از مشکلات اشتعال پذیری مرتبط با LIBها را ندارند. انواع مختلفی از باتری‌های مبتنی بر روی تولید شدهاند مانند باتری هوا-روی، باتری قلیایی Zn-MnO2، باتری Zn-Ag و باتری اکسید روی-نقره. به علاوه، نوآوری در طراحی و بسته‌بندی باتری می‌تواند امکان استفاده از آن در جواهرات و لباس‌ها را ممکن سازد. علاوه‌بر این، برای جلوگیری از تخریب عملکرد باتری‌های قابل انعطاف چاپی، استفاده از مواد با خواص مکانیکی مطلوب و کشسانی بالا ضروری است. برای پرداختن به این موضوعات، مطالعه منظم در مورد خصوصیات مکانیکی و الکتروشیمیایی باتری‌های چاپ شده، یکی از مهم‌ترین مباحث در تحقیقات آینده خواهد بود.

 

5-6- نانوژنراتورهای چاپی
نانوژنراتورها (NG) برای اولین بار برای سیستم‌های خودران بر اساس اثر پیزوالکتریک و اثر اصطکاک برای تبدیل مقادیر کمی از انرژی مکانیکی به الکتریسیته، که کاربردهایی در IoT، نظارت بر محیط زیست/زیرساخت ها، علوم پزشکی و امنیت دارند، ایجاد شدند. تکنیک‌های سنتی برای ساخت NGها شامل حکاکی کردن با پلاسما، لیتوگرافی نرم و رسوب نانوذرات برای عملکرد بالاتر است. اما فقدان فرآیندهای ساخت مقیاس پذیر، همچنان یک چالش مهم در مسیر تولید تجاری NGها به شمار می‌رود. تحقیقات مختلف نشان می‌دهند که تکنیک‌های چاپ دارای کاربردهای بالقوه برای تولید NGهای توانمند و انعطاف‌پذیر هستند.

استفاده از انرژی مکانیکی به وسیله ی NGهای پیزوالکتریک (PENG) به دلیل انعطاف پذیری و طراحی پیچیده آن برای تبدیل مستقیم انرژی مکانیکی به الکتریسیته به کمک اثر پیزوالکتریک نانومواد مانند نانوسیم‌های ZnO، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. چونگ و همکاران برای اولین بار PENGهای نازک انعطاف‌پذیر را با استفاده از جوهر ZnO آبی ساده به عنوان یک فیلم نازک ساختند. از چاپ صفحه‌ای خمیر نقره در بالای NGها برای تشکیل الکترود بالایی استفاده شد. در واقع، الکترودهای بالایی اغلب به دلیل ویژگی‌های ذاتی PENG، به روش چاپی ساخته می‌شوند. اخیراً علی و همکاران، ساخت یک دستگاه تولید انرژی با استفاده از اثر پیزوالکتریک که به طور کامل با استفاده از یک فرآیند چاپ فلکسوگرافی ساخته شده است را گزارش کردند. یک لایه چاپی نقره با ضخامت متوسط ​​5 میکرومتر و یک لایه PZT چاپی با ضخامت متوسط ​​96 میکرومتر می‌تواند با روش چاپ فلکسوگرافی حاصل شود.

در مقابل، NGهای اصطکاکی (TENG) برای تبدیل انرژی مکانیکی محیط به انرژی الکتریکی، از انرژی حاصل از اصطکاک و القای الکترواستاتیک استفاده می‌کنند. TENGها از یک ساختار چند لایه تشکیل شده و دارای انعطاف پذیری ذاتی هستند. هنگامی که دو سطح تماس TENG با بارهای الکتریکی متناوب در تماس باشند و جدا از هم بارگیری شوند، اختلاف پتانسیل باعث می‌شود که الکترون‌های آزاد به سمت جریان بین دو الکترود متصل به یک سیم سربی حرکت کنند و از این رو، اصطکاک دو لایه مجاور نقش اساسی در عملکرد نهایی TENGها دارد. یک فرآیند چاپ رول به رول می‌تواند عملکرد حصول انرژی TENG را بهبود بخشد. به عنوان مثال هونگ و همکاران برای افزایش عملکرد TENG‌ها (137٪ نسبت به الکترودهای مسطح) از یک الکترومیکروسکپی تاخورده با فرآیند چاپ رول به رول استفاده کردند که با استفاده از یک فرآیند رول به رول ساده و سریع با جوهر نانوذرات نقره و یک غلتک پلی دی متال سیلیکزان تهیه شده بود. این کار موجب ایجاد الگوهای تاخوردگی متناوب با فاصله حدود 7 میکرومتر و ارتفاع حدود 80 نانومتر شد.

به تازگی NGهای منعطف هیبریدی تریبوالکتریک-پیزو الکتریک نیز و ساخته شدهاند. انتظار می‌رود که تکنیک‌های چاپ با حجم بالا تأثیر چشمگیری بر روی NG‌های قابل انعطاف داشته باشند و در آینده NGهای قابل انعطاف، سبک و کم هزینه تولید شوند.

 

5-6- حسگرها و محرک‌های چاپی
 حسگرها/محرک‌های قابل انعطاف به دلیل افزایش تقاضا برای پوست‌های مصنوعی، حسگرهای شیمیایی، حسگرهای نیرو، تغییر شکل و غیره در حال رشد هستند.

به تازگی، فناوری‌های نوآورانه و مواد کاربردی برای توسعه کاربردهای حسگرها و محرک‌های چاپی، از جمله حسگرهای گازی، حسگرهای کرنش و دما شروع به کار کردهاند. برای مثال، اخیراً تلاش‌های بیشماری برای تحقق یک حسگر کرنش با توانایی کشش و حساسیت خوب، به وسیله ی مهندسی کردن نانومواد رسانا بر روی بسترهای قابل انعطاف انجام شده است. کریرا و همکارانش حسگرهای کرنش با ساختارهای مختلف (از جمله یک حسگر منفرد، آرایه حسگر و یک ماتریس حسگر) که می‌توانند با استفاده از تکنیک چاپ جوهرافشان ساخته شوند را تولید کردند که سیستمی مطمئن برای نظارت بر سلامت ساختاری هواپیماها ارائه می‌دهد.

همان طور که در شکل 22 نشان داده شده است، علی و همکاران یک حسگر اختلاف درجه حرارت (DTS) برای جبران اثر خمش در آشکارسازهای دماسنج‌های مقاومتی چاپی (RTD) پیشنهاد کردند.

یک حسگر چاپ شده با چاپکر جوهرافشان قادر به سنجش رطوبت یا گاز است که از یک الکترود حساس به گاز و یک آنتن قطبی ویژه برای کارکرد بی‌سیم تشکیل شده است. سریع‌ترین زمان پاسخ، 3 دقیقه در دمای اتاق برای غلظت H2S 10 ppm در رطوبت نسبی 45 درصد به دست آمد. اخیراً، الشماری و همکارانش حسگرهای گازی CNT کاملاً چاپی، با کارایی بالا و کم هزینه با استفاده از روش چاپ جوهرافشان تولید کردند.

این قابلیت‌های عالی باعث می‌شود حسگرهای چاپی برای سنجش دقیق و کمّی در حوزۀ الکترونیک پوشیدنی مانند تشخیص حرکت انسان، نظارت بر سلامت شخصی، واقعیت مجازی و سیستم‌های لباس هوشمند کاربرد داشته باشند. با این حال، قابلیت کلی حسگرها یا محرک‌های چاپی به طرز چشمگیری متفاوت است؛ تعداد معدودی از آن‌ها در حال حاضر تجاری هستند، برخی از آن‌ها در دست تولید و بسیاری دیگر نمونه‌های آزمایشگاهی هستند.

 

6-6- دستگاه‌های تمام چاپی
بدیهی است که فرآیند تمام چاپی برای تولیدات الکترونیک به علت کم هزینه بودن، توان تولید بالا و با حداقل ضایعات، بسیار جذاب است. پس علت اینکه کل دستگاه چاپ نمی‌شود چیست؟ توسعه روش‌های مقیاس‌پذیر و کم هزینه برای ساخت دستگاه‌های تمام چاپی با کارایی بالا، یک چالش بزرگ است.

برای روش‌های مختلف چاپ از دستگاه‌های چاپ مختلف استفاده شده است، مانند دیودهای چاپ شده روی صفحه، چاپ صفحه الکتروکرومیک ماتریس فعال، چاپ صفحه ژنراتور ترموالکتریک، خازن با چاپگر جوهرافشان، ترانزیستور چاپ شده با حکاکی و چاپ جت الکترو هیدرودینامیکی برای LEDها. همان طور که در شکل 23 نشان داده شده است، کائو و همکارانش TFT نانولوله کربنی بر روی بسترهای سخت و انعطاف‌پذیر با روش چاپ صفحه‌ای که عملکرد مناسبی دارد، ارائه دادند. گروه دیگری گزارش دادند TFTهای ساخته شده با استفاده از نانولوله کربنی تک جداره فلزی و نیمه‌هادی به عنوان جوهر از طریق فرآیند چاپ جوهرافشان قابل دستیابی هستند. کل فرآیند تولید می‌تواند در شرایط محیطی انجام شود و هیچ هزینه اتاق تمیز ندارد.

علاوه‌بر این، اغلب از دو یا چند روش چاپ مختلف اغلب برای ساخت دستگاه‌های یکپارچه استفاده می‌شود. به عنوان مثال رحمان و همکارانش آماده-سازی یک دستگاه حافظه با ساختار لایه‌ای PET/Ag/MoS2-PVA/Ag را با استفاده از یک روش کاملاً چاپی ترکیبی نشان دادند. الکترودهای Ag پایینی، لایه فعال نانوکامپوزیت ترکیبی MoS2-PVA و الکترود بالای Ag به ترتیب با چاپ افست معکوس، اتمیزه کردن الکترو هیدروودینامیکی (EHD) و الگودهی EHD ساخته شدند. لیون و همکارانش با استفاده از آرایه‌ای از فناوری‌های جوهرافشان و چاپ صفحه‌ای، ساخت یک حافظه تصادفی (RAM) مقاوم، روی کاغذ را نشان دادند. این حافظه یک سازه ساده شامل لایه‌هایی از فلز-عایق-فلز بود که پتانسیل دستیابی به ظرفیت‌های گیگابایت را روی یک تکه کاغذ A4 دارد. همچین حافظه چاپ شده روی کاغذ استقامت بالا، قابلیت تکرار و قابلیت کار کردن در شرایط شدید خمش را داراست. با توجه به تحقیقات انجام شده، ادوات الکترونیکی تمام چاپی به ویژه ترانزیستورها و دیودها، که بر روی بسترهای مختلف انعطاف‌پذیر چاپ شوند تاکنون ساخته نشده اند.

 

5-9- کاربردهای الکترونیک چاپی در زیست پزشکی
استفاده از محصولات الکترونیک چاپی به واسطۀ نازک، انعطاف‌پذیر و سبک وزن بودن، در کاربردهای پزشکی امکان‌پذیر است اما گاهی اوقات تحقق این کاربردها ساده نیست. تحقیقات در این زمینه خیلی سریع در حال رشد است و این به موفقیت و تلاش‌های مشترک جوامع بیوتکنولوژی و الکترونیک مربوط می‌شود.

به عنوان نمونه، الکترودهای چاپ صفحه‌ای یکبار مصرف (SPE ها، از جمله میکروالکترودها و الکترودهای اصلاح شده) کاندیدایی قدرتمندی برای جایگزینی الکترودهای سنتی هستند. به منظور دستیابی به حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی کم هزینه، SPE‌ها در طول چند دهه گذشته، چه در زمینۀ قالب چه از نظر مواد پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند. SPEهای فعلی دارای مزایای زیادی مانند قیمت پایین، نیاز به حجم کم، حساسیت بالا، تولید سریع و قابلیت حمل و انتقال آسان هستند. حسگرهای زیستی یکبار مصرف مبتنی بر SPE موجب فراهم شدن امکانات جدیدی در کشف و تعیین تعداد نمونه‌های مختلف بیولوژیکی از جمله زیست مولکول ها، سموم دفع آفات، آنتی ژن ها، DNA، میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌ها شدهاند. همان طور که در شکل 24 نشان داده شده است، یک حسگر الکتروشیمیایی کشسان چاپی برای تعیین گلوکز در تعریق انسان تهیه شده است. انتظار می‌رود که در آینده نزدیک این SPEها به طور گسترده تجاری شوند و بتوان از آن‌ها برای یافتن راه حل‌هایی برای نظارت بر سلامت و کنترل مشکلات بیماران به ویژه در مناطق دور افتاده استفاده کرد.

پیشرفت در طراحی دستگاه ها، تجزیه و تحلیل مکانیکی و فناوری‌های تولید میکروساختار یا نانوساختار باعث تسریع تولید محصولات الکترونیک چاپی قابل انعطاف در زمینه زیست پزشکی شده است. علاوه‌بر SPEها، از مواد و روش‌های چاپ دیگر نیز برای ساخت ادوات الکترونیک چاپی برای کاربردهای زیست پزشکی استفاده شده است. به عنوان مثال، یک بیوحسگر گلوکز غیرآنزیمی با چاپ جوهرافشان نانوذرات اکسید مس، روی الکترودهای نقره تهیه شد. الکترودهای چاپی به دست آمده حساسیت و تکرارپذیری بسیار خوبی دارند. همچنین لایه‌های نقره چاپ شده با هزینه کم، یکبار مصرف، انعطاف‌پذیر و با قابلیت تکرار پذیری به عنوان بسترهای SERS[20] برای تشخیص مواد شیمیایی مختلف توسعه یافتند. علاوه‌بر این، گنجاندن یک سیستم میکروسیال مبتنی بر پلیمر در بسترهای پلیمری انعطاف پذیر، یک چالش در حوزۀ آزمایشگاه روی تراشه است.

پیشرفت در نانومواد، مکانیک میکروسکوپی و تکنیک‌های چاپ، امکان ساخت ادوات الکترونیک چاپی و ادوات اپتوالکترونیکی با کیفیت بالا را فراهم می‌کند که می‌تواند به راحتی با سطوح نرم، منحنی شکل و منعطف در بدن انسان یکپارچه شود. مثلاً پوست انسان نقش حسی مهمی دارد. این بافت، بستر اتصال حشگرهای لمسی، دردی و حرارتی است. برای دستیابی به عملکردهای پوست انسان، پوست الکترونیکی هوشمند (e-skin) پیشنهاد شده و به عنوان محور تحقیقات در زمینه الکترونیک چاپی مطرح است و در آن انواع دستگاه‌های حسگر با ویژگی‌های قابل انعطاف، کششی و مقاوم قرار گرفته‌اند که سرانجام شبکه‌های الکترونیک چاپی با مساحت بزرگ را تشکیل می‌دهند. پوست‌های الکترونیکی چند منظوره متنوعی توسعه یافته‌اند و به یک موضوع مهم در پیشرفت الکترونیک چاپی در برنامه‌های زیستی تبدیل شدهاند. با این حال، روش ساخت فعلی در اکثر ادوات پوست الکترونیکی به وسیله ی چاپ انتقالی[21] است و نه با تکنیک‌های چاپ نام برده در قسمت‌های قبلی.

به عنوان نمونه، یک حسگر گرافن مقاومتی روی بسترهای ابریشمی چاپ شده است که قابلیت چاپ انتقالی روی سطح دندان را دارد (شکل 25). نتایج نشان می‌دهد که هلیکوباکتر پیلوری در بزاق انسان می‌تواند با نصب یک حسگر گرافن روی دندان‌شناسایی شود. با ادغام رشته‌های چاپی و زیست پزشکی، دقت چاپ همچنان بهبود می‌یابد و رشد سریع در این زمینه نوید بخش توسعه پوست‌های الکترونیکی یکپارچه در آینده نزدیک است.

 

6- چشم انداز

اگرچه تکنیک‌های الکترونیک چاپی نوید می‌دهند که به طور بنیادی، دستگاه‌های برقی ما را به سمت تولید کم هزینه، توان بالا و پایدار بر روی بسترهای قابل انعطاف یا الاستیک با مساحت بزرگ تغییر دهند، اما چالش‌های بسیاری برای ادغام مؤثر این روش‌ها وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به چگونگی بالابردن وضوح آنها، کنترل ضخامت فیلم در فرآیند چاپ و چگونگی بهبود سرعت در ادوات الکترونیک چاپی اشاره کرد.

جوهرها نقش مهمی در عرصۀ الکترونیک چاپی دارند. تولید جوهر از پیش سازه‌های نمکی با ویسکوزیته تنظیم شده و کشش سطحی در سطح مولکولی برای نشستن در محدوده قابل چاپ، یک هدف است. نانومواد فراوانی با اندازه، ابعاد، خصوصیات و عملکردهای مختلف برای تهیه جوهرهای قابل چاپ استفاده شده است. پس از چاپ و رسوب جوهرها، عملیات ثانوی چاپ بسیار مهم می‌شود زیرا برای به دست آوردن یک لایه فعال مراحل خشک کردن و یا زینتر لازم است. بنابراین دمای پایین کاری یک نکته مهم است زیرا بیشتر جوهرهای فعال باید روی بسترهای قابل انعطاف مانند کاغذ و پلاستیک چاپ شوند و بدیهی است که دمای بالا موجب ذوب یا سوختن می‌شود. اکنون می‌دانیم که این امر امکان‌پذیر است و چگونه می‌توان آن را انجام داد. انواع مختلفی از جوهرهای زینتر شده در دمای پایین و تکنیک‌های پیشرفته زینتر توسعه یافته‌اند. فرآیند زینتر باید سریع و ارزان باشد. با این حال تاکنون واقعیت فیزیکی آنچه در روند زینتر اتفاق می‌افتد، به صورت کامل مشخص نیست.

برای تحقق کامل مزایای الکترونیک چاپی ازجمله دستیابی به ادوات انعطاف‌پذیر مکانیکی، قابل تنظیم، نازک و سبک، باید مدارهای قابل انعطاف، حسگرهای کشسان، منابع توان و سایر دستگاه‌های کاربردی قابل انعطاف توسعه داده شوند. در حالی که برخی ممکن است از یک ساختار بسیار ساده و فقط با چند الکترود تشکیل شده باشند، برخی دیگر بسیار پیچیده‌تر هستند و نیاز به چاپ به صورت چند لایه دارند. بیشتر سلول‌های خورشیدی فیلم نازک، خازن‌ها و سایر دستگاه‌های ذخیره انرژی اغلب به ساختارهای لایه‌ای و ساندویچی بستگی دارند، جایی که دو الکترود با یکدیگر روبرو هستند و بار بین آن‌ها جریان می‌یابد. الکترودها به راحتی از بین می‌روند و در نتیجه خم شدن یا تغییر شکل دستگاه‌ها تحت نیروی خارجی، اتصال کوتاه ایجاد می‌شود. بنابراین، طراحی خلاقانه برای دستگاه‌های الکترونیک چاپی بسیار مهم است. به عنوان نمونه، لی و همکارانش طراحی جدیدی برای دستگاه‌های ذخیره انرژی ارائه دادند که هم قابل انعطاف است و هم نیمه‌شفاف، که در آن، الکترودهایی با ساختاری شبیه دندانه شانه در همان صفحه دو بعدی آماده شدهاند. به علاوه، ماده جمع‌کننده کنونی در دستگاه‌های انرژی چاپی باید بسیار انعطاف‌پذیر باشد و از هدایت بالا و مقاومت در برابر تغییرشکل برخوردار باشد تا در هنگام خم شدن، مقاومت اهمی خود را از دست ندهد. علاوه‌بر این، چشم انداز تولید مواد با چگالی توان بالا و طول عمر طولانی برای دستگاه‌های انرژی چاپی، یک مسیر هیجان انگیز است که هنوز عملی نشده است.

علاوه‌بر این، تکنیک‌های چاپی می‌توانند در تولید انبوه این مدارهای جدید و دستگاه‌های الکترونیکی مؤثر باشند. با این حال، دستیابی به دستگاه‌های تمام چاپ شده روی بسترهای قابل انعطاف با سطح بزرگ یک چالش بزرگ است. دستگاه‌های الکترونیک چاپی به طور فزاینده در قطعات الکترونیکی پوشیدنی، نظارت بر سلامت و IoT مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حال حاضر، فعالیت‌های تحقیقاتی موجود در سراسر جهان بر چاپ دستگاه‌های فردی متمرکز شده است. برای تحقق چاپ سیستم‌های الکترونیکی یکپارچه (PIES) نیاز مبرمی وجود دارد تا دستگاه‌های الکترونیکی فعال مانند ترانزیستورها، LED ها، حسگرها و آشکارسازها و منابع انرژی به همراه اجزای غیرفعال مانند سلف، خازن و... بتوانند آیندهای درخشان برای توسعه الکترونیک چاپی داشته باشند.

 

منبع:

Wei Wu, Inorganic nanomaterials for printed electronics: a review, Nanoscale, 2017, 9, 7342.