أحبار الجرافين للإلكترونيات

خصائص الجرافين للإلكترونيات

الجرافين عبارة عن طبقة مستوية واحدة من الكربون ذات بنية شبكية سداسية. وتتميز بحركية عالية للإلكترونات، تصل إلى 200,000 سم²/فولت-ثانية في بعض الأحيان في المختبر. تسمح له هذه الخصائص بتسريع سرعة الإشارات الإلكترونية. ويتمتع الجرافين بموصلية حرارية عالية أيضًا، وتبلغ أرقامه عمومًا ما بين 2000 إلى 5000 واط لكل متر لكل كيلفن. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات الأحمال الحرارية العالية. وعلاوة على ذلك، يتمتع الجرافين بمقاومة عالية ومرونة أيضاً. وتصل قوة الشد فيه إلى 100 جيجا باسكال. وقد استخدمت معظم تطبيقات الإلكترونيات المطبوعة الجرافين بسبب قوته الميكانيكية وخفة وزنه. هذه الخصائص مسؤولة عن خفض الوزن وتعزيز المتانة في لوحات الدوائر المطبوعة وكذلك شاشات العرض المرنة.

ما هي أحبار الجرافين؟

أحبار الجرافين عبارة عن أحبار سائلة معلقة تحتوي على جزيئات الجرافين المشتتة بشكل كبير. الأحبار مناسبة للاستخدام مع تقنيات الطباعة المختلفة. وهي تتيح ترسيب أغشية رقيقة موصلة على ركائز مختلفة مثل الزجاج أو الورق أو البلاستيك. الجرافين هو المادة الموصلة المستخدمة في الأحبار. يمكّن الشكل السائل المادة من الانتشار على مساحات كبيرة بسرعة. تُعد أحبار الجرافين ذات قيمة لغالبية الصناعات لأنها غير مكلفة وتوفر طريقاً عالي الأداء لطباعة المكونات الإلكترونية.

أنواع أحبار الجرافين

هناك أنواع مختلفة من أحبار الجرافين. بعضها يحتوي على مذيبات ذات أساس مائي، والبعض الآخر يعتمد على مذيبات عضوية. تعتبر أحبار الجرافين ذات الأساس المائي مهمة لأنها نقية وآمنة. ومع ذلك، يمكن لأشكال الحبر المكونة من مذيبات عضوية أن توفر تشتتاً أفضل للجرافين في بعض التطبيقات. وتوجد أنواع أخرى، مثل أحبار الجرافين المعدلة بالبوليمر. في مثل هذه الأنواع، يتم خلط البوليمرات مع الجرافين من أجل تحسين الالتصاق والمرونة. يتم اختيار كل نوع بناءً على تطبيقه والركيزة التي سيطبع عليها.

تقنيات التركيب والتشتت

لتحضير أحبار الجرافين، يتم أولاً استخدام مساحيق الجرافين عالية الجودة. ويجب تشتيت هذه المساحيق بشكل متجانس في وسط سائل. ويُعد الطحن بالصوت والطحن الكروي من الطرق السائدة المستخدمة للتشتيت. يعمل الطحن بالصوت على تفتيت مجموعات الجرافين، مما يسمح بتوزيعها بشكل متجانس. تُضاف عوامل التشتيت أو المواد الخافضة للتوتر السطحي لمنع إعادة تجميع صفائح الجرافين. يلعب المذيب دورًا مهمًا. يعمل المذيب المتوافق على استقرار الجرافين لفترات طويلة. وقد أفاد العلماء الماهرون أن المزيج المناسب من المذيب والمادة الخافضة للتوتر السطحي وتركيز الجرافين أمر ضروري. ولهذا السبب، تؤدي التركيبة إلى أحبار عالية التوصيل وموحدة الملمس.

طرق الطباعة والتوافق

تُستخدم تقنيات طباعة مختلفة مع أحبار الجرافين. تُستخدم الطباعة النافثة للحبر على نطاق واسع لأنها يمكن أن تحقق دقة نمط دقيقة على ركائز مرنة أو صلبة. كما أن طباعة الشاشة شائعة جداً. وهي مثالية للأغشية السميكة وتلك التي يجب أن تكون متينة. كما تم استخدام الطباعة النفاثة الهوائية للحصول على دقة عالية في مناطق محددة. يعتمد توافق أحبار الجرافين مع تقنيات الطباعة المذكورة أعلاه على أوقات التجفيف والتحكم في اللزوجة. واستنادًا إلى الخبرة العملية في الصناعة، يمكن أن ينتج عن أفضل مزيج من تركيبة الحبر وتقنية الطباعة أنماط وأجهزة إلكترونية قابلة للتكرار.

التطبيقات في مجال الإلكترونيات

تم استخدام أحبار الجرافين في العديد من التطبيقات في مجال الإلكترونيات. فهي تُستخدم في لوحات الدوائر المطبوعة وشاشات العرض المرنة وهوائيات RFID. على سبيل المثال، يمكن استخدام هوائي مطبوع على ركيزة بوليمر مرنة كخيار اتصال لاسلكي منخفض التكلفة. تستخدم بعض المستشعرات المطبوعة أحبار الجرافين لاستشعار تقلبات درجة الحرارة أو استشعار الغازات. تُستخدم أحبار الجرافين لطباعة مسارات موصلة في الخلايا الشمسية. استخدمت خلية شمسية مطبوعة منخفضة التكلفة في إحدى الحالات حبر الجرافين لتعزيز توصيل الكهرباء على ركيزة مرنة. وعلاوة على ذلك، استخدمت أجهزة الذاكرة المطبوعة والترانزستورات المطبوعة أحبار الجرافين نظرًا لسرعات التبديل العالية. في كل من هذه التطبيقات، تؤدي أحبار الجرافين إلى مكونات إلكترونية خفيفة ومرنة.

الخاتمة

توفر أحبار الجرافين مجالاً جديداً من الفرص في مجال الإلكترونيات المطبوعة. فهي تجمع بين الخصائص المتميزة للجرافين وتعدد استخدامات التركيبات السائلة. وتؤدي إدارتها الحرارية وقوتها الميكانيكية وتوصيلها العالي إلى تطبيقات إلكترونية متنوعة. يعتمد اختيار الشكل المناسب لحبر الجرافين على التطبيق المقصود وتقنية الطباعة المطلوبة.

الأسئلة المتداولة

س: فيمَ تُستخدم أحبار الجرافين؟

س: تُستخدم لطباعة المكونات الإلكترونية مثل المستشعرات والهوائيات والدوائر على الركائز.

س: كيف يتم الحفاظ على ثبات الجرافين في الأحبار؟

س: يتم تثبيت الجرافين عن طريق المواد الخافضة للتوتر السطحي والصوتنة والمذيبات المناسبة التي تمنع التجميع.

س: هل استخدام أحبار الجرافين القائمة على الماء آمن تجاريًا؟

س: تُعد أحبار الجرافين ذات الأساس المائي آمنة وصديقة للبيئة وفعالة لغالبية التطبيقات الإلكترونية.