Прогресс привел к изменениям в методах печати и открыл новые перспективы в использовании печатных технологий, что и привлекает исследователей, работающих над созданием электроники нового поколения, дешевизной и возможностью печатать на подложках большой площади из различных материалов. Уже доступна печать транзисторов, конденсаторов, солнечных батарей и других электронных компонентов. В последнее десятилетие производство чернил также претерпело перемены.
Виды печати и печатных чернил
Традиционно чернила подразделяются на две группы: печатные краски (пигментные чернила) и чернила для письма (водные растворы красителей). К преимуществам чернил следует отнести низкую стоимость, высокую реалистичность цветопередачи, а к недостаткам — слабую светостойкость и чувствительность к влаге. Такие чернила часто используют в струйных принтерах, где они применяются с фотобумагой, имеющей специальный защитный слой от растекания и обесцвечивания.
Краски производятся для использования в различных методах печати, которые можно условно разделить на обычную печать и так называемую безударную печать. Обычная печать относится к процессу переноса изображения или текста с пластины на поверхность. Сюда можно включить методы трафаретной печати (шелкографии). Безударная печать создает изображение без контакта между двумя поверхностями. Примеры безударной печати включают в себя технологии лазерной, термической и струйной печати.
Функциональные чернила
Структура графеновых чернил
Структура графеновых чернил
Отдельным типом материалов для печати являются функциональные чернила, которые выполняют какую-то конкретную функцию, кроме цветопередачи. Это, например, люминесцентные и магнитные чернила, которые могут быть использованы для защиты от подделок документов и денежных знаков, и даже бесцветные чернила на основе нанокристаллов перовскита для шифрования и дешифрования конфиденциальной информации, разработанные учеными из Шанхайского университета в 2017 году.
Отдельной группой функциональных чернил являются проводящие чернила, которые стали закономерным итогом развития электронной промышленности и стремления производителей электроники к миниатюризации.
Проводящие чернила, как следует из их названия, выполняют функцию проводника тока. В современных чернилах для создания электрической проводимости обычно используют металлические микро- или наночастицы (серебро, медь, никель и др.). Однако эти материалы далеки от идеала. Как правило, наночастицы металлов обладают повышенной реакционной способностью, вследствие чего легко поддаются окислению. Металлические наночастицы, как правило, имеют более высокий порог перколяции, да и стоимость их производства не играет в их пользу.
Графеновые чернила и их применение
Но сегодня проводящие чернила переживают новый виток популярности. Это связано с новой модификацией углерода — графена. Это самый прочный (в 200 раз прочнее стали) и самый тонкий из материалов, известных человечеству. Развитие графеновой индустрии сделало материал более доступным для коммерческого применения. Возрастающий интерес к проводящим чернилам на основе графена становится очевидным и после анализа публикационной активности по данным платформы Web of Science. Если в 2008 году зафиксирована только одна публикация с упоминанием термина «graphene ink», то в 2018 году таких публикаций более 200. Это также может быть связано с возрастанием коммерческой доступности, появлением предложения графеновых чернил на рынке и с все возрастающим и многообещающим потенциалом применения графена в целом и графеновых чернил в частности.
Перчатка для экспериментов с графеновыми чернилами
Перчатка для экспериментов с графеновыми чернилами
Печать 3D печатных плат, маркировка «умной» упаковки, электронный текстиль, антикоррозионные и теплопроводящие покрытия, метки радиочастотной идентификации (RFID), гибкая полимерная электроника, OLED-устройства, тонкопленочные фотоэлектронные преобразователи и источники тока (суперконденсаторы и аккумуляторы) — вот далеко не полный список возможных применений графеновых чернил. Но наибольшей отдачи от применения графеновых чернил следует ожидать от направлений, связанных с гибкой электроникой.
В ближайшие 20 лет мировой рынок гибкой электроники превысит $300 млрд. Очевидно, гибкая электроника будет играть важную роль в решении ключевых задач развития индустрии электронных устройств и систем в ближайшие десятилетия. Одной из основных проблем гибкой электроники является разработка подходящих чернил, которые могут быть нанесены с использованием методов струйной, трафаретной, флексографической или глубокой печати, обеспечивая требуемые электрические и механические характеристики. Отработка технологий нанесения графена из чернил на тонкие субстраты открывает широкие возможности по созданию тонкослойных электродов суперконденсаторов, которые в качестве миниатюрного источника энергии привлекают большое внимание разработчиков. Такие источники питания будут пригодны для переносной электроники, миниатюрных приборов и «умного» текстиля. Поэтому разработка и оптимизация технологии массового производства графеновых чернил имеют высокую актуальность для развития гибкой электроники и портативных источников тока, так как высокая себестоимость таких материалов на данный момент является сдерживающим фактором для развития этих направлений.
«Потенциал приложений графена по-настоящему безграничен. Мы занимаемся разработками в области графеновой индустрии уже десять лет, и мы это хорошо понимаем,— рассказывает гендиректор ООО “Графенокс” Сергей Баскаков.— Мы разработали несколько рецептур графеновых чернил для печати проводящих покрытий как методом трафаретной, так и струйной печати. Наши графеновые чернила — это, по сути, суспензия графеновых частиц в различных растворителях, включая воду. В некоторых случаях для поддержания частиц во взвешенном состоянии добавляется связующее, которое можно легко удалить прогреванием субстрата до невысоких температур. Наши чернила могут найти применение в полевых транзисторах, фотодетекторах, солнечных элементах, светодиодах, электрооптических модуляторах и многих других типах электронных устройств».
«Совместно с лабораторией полимерных композиционных материалов НИФХИ им. Л. Я. Карпова мы выполняем цикл работ по применению графеновых чернил в пьезосенсорах на основе сегнетоэлектрических полимеров,— продолжает Сергей Баскаков.— Уже сейчас мы наблюдаем, что применение графена приводит к улучшению характеристик таких девайсов. Графеновые покрытия могут успешно применяться в пьезоэлектрических датчиках для биомедицинских применений (например, в бионических протезах, искусственных мышцах). Это связано с тем, что биосовместимые графен и сегнетоэлектрический полимер имеют акустический импеданс, близкий к таковому в биологической ткани».
При приготовлении композитов оксида графена с сегнетоэлектрическими полимерами обнаружено, что они могут использоваться как эффективные радиопоглощающие материалы для области частот от 2 до 20 ГГц. Это может использоваться в технике для создания изделий, не регистрируемых обычными радиолокационными средствами.
Очевидно, что чернила на основе графена имеют значительные преимущества, в том числе высокую тепло- и электропроводность, гибкость, низкий удельный вес, по сравнению с чернилами на основе других наноматериалов. Эти преимущества могут стать трамплином для развития следующей эры технологий — гибкой электроники. Тем не менее исследования в целях получения дешевых, экологически чистых, стабильных графеновых чернил все еще остаются актуальными.