جوهر رسانای چاپ: کاربردها، معیارهای انتخاب، و راهنمای عملی

یک تیم نمونه اولیه که بر روی سنسورهای دمای انعطاف پذیر کار می کرد اخیراً با یک مشکل آشنا روبرو شد: خمیر نقره ای که به آن وابسته بودند، هنگامی که بستر پلی آمید خم می شد، ترک خورد و مرحله پخت به دمای 150 درجه سانتی گراد نیاز داشت که فیلم حساس به حرارت را که می خواستند استفاده کنند رد می کرد. آنها به ماده ای رسانا نیاز داشتند که بتوان آن را چاپ کرد، در دمای پایین تری پخت کرد و همچنان در طول صدها چرخه انعطاف پذیر مقاومت پایداری داشت. جستجوی آنها آنها را به چاپ جوهر رسانا به عنوان جایگزینی برای حکاکی سنتی و پخش خمیر نقره سوق داد.

خبر خوب این است که جوهر رسانا از آزمایشات آزمایشگاهی فراتر رفته است. فرمول‌های مدرن در سوئیچ‌های غشایی، آنتن‌های RFID، صندلی‌های گرم شونده، الکترودهای پزشکی قابل کشش و اتصالات برای بسته‌بندی هوشمند استفاده می‌شوند. چالش عملی یافتن جوهری نیست که در نسخه نمایشی کار کند، بلکه انتخاب جوهری است که در شرایط تولید و مزرعه زنده بماند. جوهر رسانا یک سیستم ترکیبی است و عملکرد نهایی آن توسط زنجیره‌ای از انتخاب‌های متقابل تعیین می‌شود: نوع پرکننده، شیمی حامل، انرژی سطح زیرلایه، ابزار چاپ، و پخت یا پخت پس از چاپ.

چه چیزی یک فرمول جوهر رسانا را تعریف می کند؟

جوهر رسانا از سه بخش کاربردی تشکیل شده است: پرکننده رسانا، فاز حامل و مجموعه ای از مواد افزودنی که خیس شدن، رئولوژی، ماندگاری و چسبندگی را کنترل می کنند. پرکننده مسیر الکترونی را فراهم می کند. حامل به عنوان وسیله نقلیه ای عمل می کند که پرکننده را پراکنده نگه می دارد و آن را به زیرلایه منتقل می کند. پس از چاپ، حامل با تبخیر، پخت اشعه ماوراء بنفش یا تف جوشی حرارتی حذف می شود و شبکه رسانا را پشت سر می گذارد.

رایج ترین پرکننده ها نقره، مس، کربن و پلیمرهای رسانا هستند. نقره ماده مرجع است زیرا مقاومت توده ای آن کم است و رفتار اکسیداسیون آن قابل کنترل است. مس ارزان‌تر است، اما برای جلوگیری از تشکیل اکسید، به یک محیط بی‌اثر یا کاهش‌دهنده در طول پخت نیاز دارد. کربن کم هزینه و از نظر مکانیکی انعطاف پذیر است اما مقاومت ورق بالاتری دارد. سیستم‌های پلیمری رسانا به دلیل نگرانی‌های پایداری طولانی مدت در تولید صنعتی نادر هستند، اما در مواردی که شفافیت نوری یا کشش‌پذیری اهمیت دارد از آنها استفاده می‌شود.

انتخاب پرکننده تنها بخشی از مشکل است. سیستم حلال تعیین می کند که آیا جوهر را می توان روی یک بستر خاص بدون آسیب رساندن به آن چاپ کرد. به عنوان مثال، جوهر جوهر افشان تنظیم شده برای فیلم PET باید دارای کشش سطحی و محدوده ویسکوزیته خاص باشد، در حالی که جوهر چاپ صفحه ای که برای انتقال پارچه در نظر گرفته شده است می تواند یک خمیر غلیظ با رفتار کاملاً متفاوت باشد.

انواع رایج جوهر رسانا چاپ

کاربران صنعتی معمولا جوهرهای رسانا را بر اساس فرآیند چاپ و شیمی پرکننده طبقه بندی می کنند. در زیر خلاصه ای کاربردی از متداول ترین دسته ها و مبادلات آنها آورده شده است.

در تولید، انتخاب اغلب به این بستگی دارد که آیا هادی چاپ شده برای حمل سیگنال، ارائه توان یا به عنوان عنصر گرم کننده مورد نیاز است. خطوط سیگنال می توانند مقاومت ورق بالاتری را تحمل کنند، بنابراین جوهر کربن یا جوهر مس در نظر گرفته می شود. مسیرهای برق و آنتن‌های با فرکانس بالا معمولاً به ذرات نقره یا پوشش‌دار نقره نیاز دارند. در برخی از طرح‌های هیبریدی، تنها عنصر مدار بحرانی از فلز نجیب استفاده می‌کند در حالی که بقیه آثار رسانا از مواد ارزان‌تر استفاده می‌کنند.

روش های چاپ و ملاحظات فرآیند

یک جوهر رسانا زمانی که با سر جوهر افشان، شابلون یا صفحه چرخشی چاپ می شود، رفتار متفاوتی دارد. ویسکوزیته و اندازه ذرات اولین پارامترهایی هستند که یک مهندس فرآیند باید با تجهیزات چاپ انتخابی مطابقت داشته باشد.

چاپ جوهر افشان

جوهر افشان برای نمونه سازی سریع و تولید کم حجم جذاب است زیرا یک روش غیر تماسی و افزودنی است. عرض خطوط ظریف تا 50 میکرومتر یا بهتر را ارائه می دهد. جوهر باید با ویسکوزیته معمولاً زیر 20 cP فرموله شود و توزیع اندازه ذرات باید به اندازه کافی باریک باشد تا از گرفتگی نازل جلوگیری شود. جوهرهای نقره رسانا برای جوهر افشان اغلب پراکندگی نانوذرات فلزی هستند که پس از رسوب برای ذوب ذرات در یک فیلم پیوسته نیاز به تف جوشی دارند.

چاپ روی صفحه

چاپ روی صفحه برای کلیدهای غشایی و بخاری‌های انعطاف‌پذیر همچنان کارآمد است. از خمیر ضخیم با بار جامد بالا، اغلب 50 تا 70 درصد وزنی، و محدوده ویسکوزیته 1000 تا 10000 cP استفاده می کند. از آنجایی که خمیر از طریق توری کشیده می شود، فیلم چاپ شده می تواند 5 تا 20 میکرومتر ضخامت داشته باشد که به مقاومت کم کمک می کند. چاپ روی صفحه اجازه استفاده از ذرات نقره پولکی شکل را می دهد که به خوبی بسته می شوند و رسانایی را با پخت کمتر ایجاد می کنند.

پوشش گراور، فلکسو و اسلات-دای

برای تولید رول به رول با حجم بالا، چاپ گراور و فلکسوگرافی سرعت بالا و وزن پوشش ثابتی را ارائه می دهد. پوشش دای اسلات برای لایه های نازک یکنواخت رایج است. این روش‌ها برای بسته‌بندی، باتری‌های چاپی و آرایه‌های حسگر با مساحت بزرگ مناسب هستند. محدودیت اصلی طراحی این است که جوهر باید به اندازه کافی سریع خشک یا خشک شود تا از حرکت مداوم وب پشتیبانی کند.

پایه مدار نیز نیاز به آماده سازی سطح مناسب دارد. درمان کرونا یا پلاسما می‌تواند انرژی سطحی پلاستیک‌ها را افزایش داده و به جوهر اجازه دهد تا بستر را به طور یکنواخت خیس کند. یک تغییر کوچک در انرژی سطح می تواند باعث سوراخ شدن پین یا جریان لبه شود که به نوبه خود مقاومت رد نهایی را تغییر می دهد. به همین دلیل، کنترل فرآیند - نه فقط فرمول جوهر - نقش مهمی در تضمین رسانایی تکرارپذیر ایفا می کند.

محل قرارگیری مایعات یونی در سیستم های جوهر رسانا

مایعات یونی نمک هایی هستند که در دمای اتاق یا نزدیک به آن مایع هستند. مهمترین ویژگی آنها برای توسعه جوهر رسانا این است که فراریت کم، ویسکوزیته قابل تنظیم و پایداری الکتروشیمیایی گسترده را با هم ترکیب می کنند. در الکترونیک چاپی، آنها معمولاً به عنوان پرکننده رسانای اولیه استفاده نمی شوند. در عوض، آنها به عنوان افزودنی های کاربردی عمل می کنند که رفتار جوهر را به گونه ای تغییر می دهند که فرآیند پذیری یا عملکرد نهایی را بهبود می بخشد.

یک نقش روشن به عنوان یک اصلاح کننده رئولوژی است. افزودن مقدار کمی از مایع یونی می تواند ویسکوزیته یک پراکندگی آبی را کاهش دهد یا بر رفتار تیکسوتروپیک خمیر چاپ صفحه تأثیر بگذارد. این می‌تواند به فرمول‌ساز کمک کند تا به پروفیل نازک شدن برشی مورد نیاز برای چاپ ثابت بدون افزایش محتوای آلی فرار دست یابد. نقش دیگر به عنوان تقویت کننده چسبندگی است. برخی از مایعات یونی مبتنی بر ایمیدازولیوم با ذرات فلز و بستر پلیمری برهمکنش می‌کنند و زاویه تماس را کاهش می‌دهند و استحکام پیوند بین اثر چاپ شده و فیلم را افزایش می‌دهند.

مایعات یونی همچنین راهی برای افزایش عملکرد دستگاه های الکتروشیمیایی چاپی ارائه می دهند. به عنوان مثال، در یک حسگر گاز چاپی، یک مایع یونی می تواند به عنوان فاز الکترولیت عمل کند و به الکترودهای فلزی چاپ شده اجازه می دهد بدون لایه الکترولیت مایع جداگانه کار کنند. این امر پیامدهای عملی برای حسگرهای زیستی پوشیدنی و مانیتورهای محیطی دارد که در آن ساختار مقاوم در برابر نشتی و حالت جامد اهمیت دارد.

برای مدارهای انعطاف پذیری که برای کار تحت تنش در نظر گرفته شده اند، انتخاب ماده افزودنی می تواند بر رفتار فشاری و کششی تأثیر بگذارد. برخی از مایعات یونی به عنوان نرم کننده در ماتریس پلیمری عمل می کنند و به شبکه رسانا اجازه می دهند بدون ترک خوردگی خم شود. این مشابه نحوه استفاده از نرم کننده ها در PVC انعطاف پذیر است، اما مایع یونی رسانایی یونی را نیز به همراه دارد که می تواند به حفظ سیگنال پایدار تحت تغییر شکل مکانیکی کمک کند.

1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس(فلوروسولفونیل) ایمید نمونه ای از مایع یونی است که نقطه ذوب پایین را با رسانایی یونی بالا ترکیب می کند. در یک فرمول پوشش رسانا، ممکن است برای تنظیم پاسخ دی الکتریک یا بهبود رابط الکترود-الکترولیت در یک باتری چاپی یا ساختار ابرخازن استفاده شود. کاتیون ایمیدازولیوم معطر آن می تواند با سطح پرکننده تعامل داشته باشد و به طور بالقوه به حفظ توزیع یکنواخت ذرات در طول مرحله خشک کردن کمک کند.

1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس (فلوروسولفونیل) ایمید هیدروژن سولفات N-methylimidazolium مشاهده محصول →

1- بوتیل-3- متیل ایمیدازولیوم کلرید یک انتخاب کلاسیک برای فرمولاتورهایی است که نیاز به تنظیم دقیق قطبیت حلال یا اصلاح رفتار خیس شدن بستر دارند. آنیون کلرید آن نیز جایگزین شناخته شده ای برای افزودنی های اسید آلی در برخی از درمان های سطح فلز است. هنگامی که در چند درصد وزنی استفاده می شود، می تواند پتانسیل زتا سوسپانسیون پرکننده را تغییر دهد و پراکندگی را در برابر تجمع تثبیت کند.

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride هیدروژن سولفات N-methylimidazolium مشاهده محصول →

برای سیستم های آبگریز، متیل تریبوتیل آمونیوم نونافلوئوروبوتان سولفونات راهی برای اصلاح سطح جوهر بدون افزودن جذب آب قابل توجه ارائه می دهد. این یک نمک آمونیوم چهارتایی با سولفونات فلوئوردار است و ساختار حجیم آن می تواند به کاهش جذب رطوبت کمک کند. در محیط‌هایی که مدار چاپی باید در برابر رطوبت بالا بدون تغییر مقاومت سطح خود دوام بیاورد، چنین افزودنی ممکن است ارزشمند باشد.

متیل تریبوتیل آمونیوم نونافلوروبوتان سولفونات TBMA perfluorobutanesulfonate یک مایع یونی با نام شیمیایی TBMA perfluorobutanesulfonate است. این یک مایع بی رنگ و شفاف است که در دمای اتاق پایدار است ... مشاهده محصول →

ذکر یک محدودیت عملی مهم است: مایعات یونی جایگزینی برای فلز رسانا نیستند. آنها به تنهایی نمی توانند مقاومت جوهر پر از نقره را کاهش دهند. با این حال، آنها مسیری را برای حل چالش های فرمولاسیون مربوط به پراکندگی، خیس شدن و چسبندگی، به ویژه در الکترونیک انعطاف پذیر یا قابل کشش، ارائه می دهند. هر افزودنی باید با در نظر گرفتن کاربرد نهایی غربال شود، زیرا یک مایع یونی که خیس شدن را بهبود می بخشد می تواند رسانایی فیلم خشک را نیز کاهش دهد.

معیارهای عملکرد و معیارهای انتخاب

قبل از التزام به شیمی، خریدار باید حداقل الزامات عملکرد و نوارهای تحمل را تعریف کند. معمولاً سؤالات زیر الزامات واقعی را روشن می کند.

• مقاومت چقدر باید کم باشد؟ پاسخ مشخص می کند که آیا نقره مورد نیاز است یا اینکه می توان مس یا کربن را در نظر گرفت.
• کمترین شعاع خمش قابل قبول چقدر است؟ اگر مدار به طور مکرر تا شود، یک لایه نانوذره نقره شکننده می تواند در لایه کرنش بیرونی از بین برود.
• کدام دمای پخت در دسترس است؟ بسترهایی مانند PET فقط تا 150 درجه سانتیگراد اجازه می دهند، در حالی که برخی از لایه های PI می توانند دمای 250 درجه سانتیگراد را حفظ کنند.
• آیا سیستم حلال با محدودیت های اتاق تمیز یا رطوبت سازگار است؟ جوهرهای مبتنی بر حلال ممکن است به اگزوز خاصی نیاز داشته باشند، در حالی که جوهرهای مبتنی بر آب می توانند به آرامی روی بسترهای غیر متخلخل خشک شوند.
• حجم تولید مورد انتظار چقدر است؟ اجرای R2R با حجم بالا، فرمول جوهر متفاوتی را نسبت به دسته کوچکی که روی چاپگر تخت تخت تولید می‌شود، توجیه می‌کند.

در بسیاری از موارد، رویکرد ترکیبی بهترین کار را دارد. یک تولید کننده بخاری های انعطاف پذیر ممکن است از خمیر پولک نقره برای مسیرهای رسانای اصلی و جوهر کربن برای عناصر مقاومتی یا حسگر استفاده کند. همان سازنده ممکن است یک مایع یونی به خمیر نقره اضافه کند تا چسبندگی به یک بستر کم انرژی را بهبود بخشد، یا دمای پخت مورد نیاز برای یک درجه پلی‌آمید خاص را کاهش دهد.

جدول 2 خطرات خرید مرتبط با هر خانواده جوهر را خلاصه می کند. این حالت‌های خرابی هستند که تنها پس از ادغام جوهر در محصول نشان داده می‌شوند.

برنامه های کاربردی در تولید در دنیای واقعی

یک منطقه در حال رشد، الکترودهای چاپی برای نظارت بر فیزیولوژی است. یک پچ پزشکی یکبار مصرف نیاز به الکترودی دارد که انعطاف پذیر، ایمن برای پوست و قابل چاپ ارزان باشد. در این کاربرد از جوهر نقره برای هادی استفاده شده و ساختار حسگر پشتیبان بر اساس ترکیبی از کربن و سایر مواد افزودنی است. مقاومت سطح باید ثابت بماند حتی زمانی که پچ با حرکت بیمار کشیده می شود.

نصب دیگر در بسته بندی هوشمند یافت می شود. یک اثر رسانا چاپ شده بر روی یک لایه کاغذ یا فیلم می تواند به عنوان یک عنصر گرمایش یا یک آنتن برای ردیابی موجودی عمل کند. قیمت پایین جوهر کربن در اینجا جذاب است، اما مبدل های بسته بندی نیز به یک لایه مانع نهایی برای محافظت از ویژگی چاپی در برابر رطوبت نیاز دارند. یک طراحی ترکیبی ممکن است از نقره روی آنتن ها و کربن برای مناطق ضد الکتریسیته ساکن یا حساس به رطوبت استفاده کند.

صنعت خودرو در حال حاضر یک مدار رسانای الکتریکی را مستقیماً روی اجزای بافت دار یا منحنی چاپ می کند. به عنوان مثال، یک سنسور اشغال صندلی را می توان روی پارچه کامپوزیتی چاپ کرد که نمی تواند قرار گرفتن در معرض شدید حلال را تحمل کند. در اینجا، جوهری که به سرعت در دمای پایین خشک می شود و می تواند فشرده سازی مکانیکی مکرر را تحمل کند، یک نیاز کلیدی است. افزودن یک مایع یونی ممکن است به کاهش دمای پخت و بهبود خیس شدن روی الیاف بافته شده کمک کند.

تولیدکنندگانی که فرآیندهای حساس به آلودگی را مدیریت می کنند، از جوهرهای رسانا به عنوان لایه ضد الکتریسیته ساکن نیز استفاده می کنند. این برای بازارهایی که نیاز به اتلاف استاتیک کنترل شده روی استوک برچسب یا فیلم محافظ دارند، مرتبط است. الگوی رسانای چاپی معمولاً به اندازه‌ای خوب است که به سختی قابل مشاهده باشد، و خواص الکتریکی در محدوده مقاومت سطحی 10^6 تا 10^9 Ω/مربع هدف قرار می‌گیرد. همان افزودنی هایی که خیس شدن را در ردیابی مدار رسانا بهبود می بخشند، می توانند به پوشش آنتی استاتیک کمک کنند تا به مقدار قابل اعتماد خود برسد.

نمونه های کاربردی ما نشان می دهد که چگونه یک تامین کننده تخصصی افزودنی به این چالش های صنعتی، از پوشش های آنتی استاتیک گرفته تا عوامل جداسازی، برخورد می کند. در هر مورد، اصل اصلی باقی می ماند: قبل از انتخاب سیستم جوهر، استرس مصرف نهایی را درک کنید، و افزودنی ها را به عنوان بخشی از معادله طراحی در نظر بگیرید، نه به عنوان یک اصلاح لحظه آخری.

برای دیدگاه فنی عمیق تر در مورد شیمی افزودنی و سنتز صنعتی، ما راهنمای کاربردهای مایع یونی ملاحظات عملی را برای تولیدکنندگانی که می خواهند یک فرمول جدید را قبل از افزایش مقیاس تأیید کنند، ارائه می دهد. این راهنما در مورد نحوه رسانایی، پایداری حرارتی و سازگاری فرآیند در هنگام حرکت از اثبات مفهومی آزمایشگاهی به تولید مداوم بحث می‌کند.