ما هي تقنية الحبر الموصل للكهرباء وكيف تستخدم؟

الحبر الموصل للكهرباء هو مادة رائعة تتيح لك رسم دوائر كهربائية على مواد مختلفة مثل الورق والأقمشة، ففي السنوات الأخيرة كان هنالك صدى كبير حول كيفية استبدال الدوائر التقليدية بهذا الحبر المميّز.

ولكن هل ذلك فعلاً صحيح؟ هنا سوف نكتشف ما هو الحبر الموصل وكيف صنعه وإيجابياته وسلبياته وما هي الصناعات التي يستخدم بها حاليًا.

ما هو الحبر الموصل؟

هو شكل من أشكال الحبر الذي يستطيع توصيل الكهرباء، ففي بعض الأحيان يملأ الحبر بمادة موصلة مثل الفضة أو الغرافيت بهدف تمكين التوصيل الكهربائي، بالنسبة لبعض الاشخاص اعتبروه حلاً تقني يمكننا يومًا ما من طباعة الدارات الكهربائية على الورق أو الأسطح المرنة الأخرى، ويمكن استخدامه حتى باستخدام تقنية نفث الحبر.

بالإضافة إلى الحبرفقد أنتجت بعض الشركات مثل Bare Conductive في المملكة المتحدة منتجات طلاء (دهان) قادرة على التوصيل الكهربائي ويمكنه العمل بشكل كبير مثل الحبر الموصل إذ يمكن استخدام الطلاء الموصل للتلحيم البارد لإصلاح ثنائي الفينيل متعدد الكلور ( صنف من المركبات الكيميائية وهي من الملوثات العضوية الثابتة كانت تستعمل في العوازل الكهربائية والمواد المبردة وغيرها من الزيوت حتى حظر استعمالها لأثرها السلبي على البيئة)، والعديد من التطبيقات الأخرى.

يوجد حقًا بعض لوحات الدوائر البسيطة المصنوعة من الحبر الموصل، فبعض أنظمة القطار والمترو تستخدمه لطباعة الدوائر على التصاريح المتاحة.

يتمثل الجانب السلبي لدوائر الحبر الموصل في مقاومتهم فالمعدن النقي الصلب سيكون أكثر موصلية من الرقائق أو البودرة الموجودة في الحبر الموصل لذلك الدوائر النحاسية الصلبة أكثر كفاءة مع الطاقة الكهربائية وتولد حرارة أقل.

يمكن أن يكون الحبر الموصل وسيلة أكثر اقتصادية لوضع آثار توصيلية حديثة عند مقارنتها مع المعايير الصناعية التقليدية، مثل النقش على النحاس، للحبر الموصل العديد من الاستخدامات إذ يستخدم بشكل شائع في طباعة الهياكل المعدنية وفي بداية انطلاقه الثورية كان له تطبيقات صناعية مثل صناعة الأنسجة والأقمشة الإلكترونية التي يمكن ارتداؤها.

إن الحبر الموصل هو العنصر الأكثر أهمية في طباعة الهياكل المعدنية.

ويوجدالعديد من المواد الموصلة المستخدمة مثل: البوليميرات الموصلة، الكربون، المركبات العضوية/المعدنية، السلائف المعدنية ( السلائف هي مواد أولية لتصنيع مواد أخرى)، حيثمعظم أنواع الحبر الموصل تستند على نوعع يطلق عليه NPs المعدنية وفقا للتوضيح الذي قدمه موقع sciencedirect وللحبر الموصل مجموعة متنوعة من المزايا و واحدة من أهمها أنه يمكن تخصيصه بسهولة لتلبية مجموعة واسعة من متطلبات الصناعة وبالنسبة للأقمشة الإلكترونية يعد الحبر الموصل خيارًا رائعًا حيث يمكن تطبيقها بعد إنتاج المنتج الرئيسي بمعنى آخر يمكن إضافته لاحقًا دون التدخل في عملية إنتاج الأقمشة.

لماذا يستخدم الحبر الموصل؟

للحبر الموصل العديد من التطبيقات في المجالات الهندسية وخاصة في تطبيقات هندسة الميكاترونيك، على سبيل المثال الحبر الموصل بالفضة يستخدم في طباعة علامات RFID المستخدمة في تذاكر النقل الحديثة، كما يمكن استخدامها لتحسين أو إصلاح الدوائر على لوحات الدوائر المطبوعة ويستخدم أيضا في لوحات مفاتيح الكمبيوترات والتي تحتوي على أغشية مع دوائر مطبوعة تتحسس عند الضغط على المفتاح والعديد من السيارات الحديثة لها موصلات مطبوعة على نافذة خلفية تعمل كهوائي للراديو.

 

وللحبر الموصل للكهرباء استخدامات أخرى إذ لديه تطبيقات في الصناعات التالية:

• قد يستخدم هذا الحبر في الخلايا الكهروضوئية.
• إلكترونيات القدرة.
• التدريع  EMI.
• في قوالب الإلكترونيات (السيارات، الأجهزة المنزلية وغيرها).
• الأقمشة الإلكترونية.
• الهوائيات ثلاثية الأبعاد والطباعات المطابقة لهذه التقنية.
• الإلكترونيات الهجينة المرنة (FHE).
• أطراف حافة الشاشات التي تعمل باللمس، وفي السيارات ( حساسات المقاعد، الماسحات وغيرها).
• الإلكترونيات المطبوعة 3D.
• مكثفات السيراميك متعدد الطبقات (MLCC).
• Printed piezoresistive
• أجهزة الاستشعار الحيوية والسعوية.
• PCB(printed circuit board لوحة دارات مطبوعة).
• RFID
• القارئات الإلكترونية المرنة.
• سخانات ذات مساحات كبيرة.
• LED ذات مساحات كبيرة.
• محولات الأرقام.

هل الحبر الموصل هو موصل جيد للكهرباء؟

نعم هذا الحبر كذلك ولكنه ليس بموصلية المواد التقليدية المستخدمة في الدوائر الكهربائية، على الأقل حتى الآن، بالنسبة للمادة الموصلة للكهرباء يجب أن تسمح بحركة الإلكترونات ضمنها وبالتالي تسمح بتدفق التيار الكهربائي من خلالها وهناك بعض المواد تكون قادرة على ذلك بشكل طبيعي والمثال الرئيسي هو المعادن ولكن بشكل عام المعادن تكون بشكلها الطبيعي صلبة عند ضغط ودرجة حرارة العادية باستثناء الزئبق.

ومن أجل معرفة كيفية إنتاج هذا الحبر لنقرأ الآتي:

 تحتاج المواد الموصلة (مثل المعادن) أن تكون في وسط سائل مع الاحتفاظ قدر الإمكان بالقدرة الموصلة، وأحد الحلول الشائعة يتمثل في إنتاج جسيمات معدنية متناهية في الصغر مرتبطة بوسط سائل، هذه الجسيمات النانوية عبارة عن كرات صغيرة من المعدن، صغيرة جداً يمكن لكل جسيم نانوي توصيل الكهرباء وعندها تتشكل سلاسل من الجسيمات النانوية وتكون مثل قلادة اللؤلؤعندها يمكن للإلكترونات أن تنتقل من جسيم نانوي إلى آخر زفي النهاية عند جفاف الحبر ستكون سلسلة الجسيمات النانوية المترابطة مغلقة وهذا يشكل طريقًا موصلًا دائمًا لتوصيل الكهرباء عبر الحبر الجاف.

على أية حال هذا يعتمد على إنشاء عشوائي أو شبه عشوائي لمسارات الجسيمات النانوية المعدنية في الحبر عند استخدامها.

بحكم الواقع الطبقات السميكة من الحبر تزيد من احتمالية تشكيل مسارات كافية من الجسيمات النانوية لتوصيل كهربائي كاف بينما تبقى ذات موصلية عالية، ولكن هي بطبيعتها أقل موصلية من استخدام حلول الحبر غير الموصل، في الوقت الحالي تتطلب عمليات تصنيع الرقاقة الدقيقة سمكًا أقل بكثير من الكمية المطلوبة من الحبر الموصل ولهذا السبب فمن المرجح أن لا تحل طريقة إنشاء الدوائر الكهربائية باستخدام الحبر الموصل محل الطريقة الحالية لإنشاء لوحات الدوائر الكهربائية ومن المؤكد إنه مع تحسن تقنية الحبر الموصل سنمر بوقت يستطيع فيه الحبر الموصل أن يتحدى الحلول التقليدية.

كيف تصنع طلاء موصل من الغرافيت؟

لقد سبق وأن تطرقنا إلى ذلك أعلاه، حيث يتم تصنيع الحبر هذا بفعالية عن طريق خلط جزيئات صغيرة من المواد الموصلة مع وسائل سائلة غير موصلة.والفكرة هنا هي استخدام وسيط سائل يمكن أن يتدفق بحرية نسبية أثناء بناء سلسلة من المواد الموصلة خلفه، وبمجر أن يجف الوسيط السائل يجب عليه نظريًا قفل الجزيئات الموصلة في مكانها تاركًا دائرة مكتملة.

هناك طرق مختلفة لتصنيع هذا الحبر ويمكنك حتى إنشاء مجموعة أساسية بنفسك، فعلى سبيل المثال: لدى IEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونات مقره في نيوجرسي في الولايات المتحدة) برنامج تعليمي مفيد إذا كنت ترغب في تعلم ذلك بنفسك، ولا بد من اتخاذ جميع احتياطات السلامة اللازمة إذا كنت ترغب في محاولة ذلك.

المصدر : انقر هنا

إعداد : المهندسة أسماء حمود

تدقيق : المهندسة يارا سعد

تصميم : المهندس بشار الحجي