السلف في تجهيز البوليمر للصور المرنة

مقدمة: الثورة البوليمرية في الأجهزة المتفجرة المرتجلة

وقد انتقلت العروض المرنة للأجهزة الكهربائية ذات الصبغة العضوية المرنة من الفضول المختبرية إلى المنتجات التجارية في أقل من عقد من الزمن، أما اليوم، فإن الهواتف الذكية التي تفحص الحواف المجهولة، والأقراص القابلة للطي، والتلفزيون الدائر، فهي تعتمد جميعها على الخصائص الفريدة للمواد المتعددة الكبسولات لتحقيق جودة الصور المخربة، ومن المتوقع أن تتجاوز السوق العالمية للأجهزة المرنة المجهزة بالبدعة 90 بليون دولار

تقنيات المعالجة الرئيسية للبوليمرات

ويقتضي إنتاج الأجهزة المتفجرة المرتدة المرنة أساليب معالجة يمكن أن تخلق طبقات عضوية موحدة خالية من العيوب على طبقات فرعية مرنة، بخلاف العروض المضغوطة القائمة على الزجاج، التي تعتمد على التبخر الحراري المكنّس، وتستفيد من العروض المرنة من نُهج التصنيع القائمة على الحل والمستمر، وقد برزت ثلاثة تقنيات هامة بصفة خاصة: تجهيز الحلول، والتصنيع المتجدد، والطباعة في القبرة، وكل منها يوفر مزايا متميزة بالنسبة لمستويات المحددة للابتة من الابتكارات الحديثة.

تجهيز الحلول

وتشمل معالجة الحلول حل المواد المتعددة الزمر - مثل البوليمرات الصاروخية، وطبقات النقل بالثقوب، وطبقات الحقن الكهربائية - في المذيبات العضوية لخلق الحواف، ثم توضع هذه الأكياس في مواضع فرعية مرنة تستخدم التكفير الشوكي أو التغليف بالزرق أو التغليف بالزرق، والميزة الرئيسية هي القدرة على تشكيل أفلام رقيقة في المناطق الكبيرة مع ضبط دقيق لللون، وهو أمر حاسم لتحقيق حلول موحدة.

ومن بين الإنجازات التي تحققت استخدام المذيبات غير المتجانسة، التي هي أكثر ملاءمة للبيئة وتتوافق مع التصنيع العالي الحجم، وقد وضع الباحثون في جامعة كامبريدج نظاماً مذيباً يستند إلى التترالين والأوتومو - كليسين يولد أجهزة متعددة الأجهزة ذات كفاءة عالية، مع كفاءة الطاقة تتجاوز 30 ميلاً/ساعة.

ومن أوجه التقدم الحاسمة الأخرى استخدام مضافات مذيبة عالية الغليان تتحكم في مورفولوجيا الأفلام أثناء التجفيف، وبتعديل معدل التبخر والقابلية للذوبان، يمكن للمصنعين أن يحققوا توزيعا أكثر توحيدا للمواقع المسموح بها وأن يقللوا من خسائر الطاقة بسبب التكسير في التركيز، وقد دفعت هذه التحسينات في التجهيز المذيبة كفاءة الكم الخارجي (EQE) التي تفوق نسبة التعددية في المقاييس.

تصنيع من طراز " رول إلى "

(د) تجهيزات التدفق (R2R) هي المكرونة المقدسة لصناعة العرض المرنة لأنها تتيح إنتاجاً متواصلاً عالي السرعة على مضارب فرعية مرنة مثل كبريتات البوليثيلين أو مناديل البوليثيلين، وفي نظم R2R، يمكن أن تتحول الدقائق الفرعية من قائمة الإمدادات، وتمر عبر التصفيق، وفحص الجروح، وتركيب طبقات.

وتركز الابتكارات الأخيرة في تكنولوجيا R2R على أساليب التغليف الدقيق التي تحافظ على التوحيد على أسلاك واسعة على الشبكة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التغليف باللوحات المغلقة إلى تعديل الفجوة ومعدل التدفق في الوقت الحقيقي، مما يعوض عن تغيرات السميك الناجمة عن تغيرات في الرواسب أو درجات الحرارة، وقد أثبت الباحثون في مركز هولست في هولندا وجود 100 في المائة من أنواع السلوك المرن

وثمة تطور هام آخر يتمثل في إدماج نظم التفتيش الداخلية التي تستخدم التعلم الآلي لكشف عيوب مثل الخدوش أو الثقوب أو السميك غير الرسمي أثناء عملية R2R، ويتيح هذا التحكم في الجودة في الوقت الحقيقي للمشغلين تعديل بارامترات العمليات فورا، والحد من النفايات وتحسين فعالية المعدات عموما، وتضع الشركات مثل كيتيفا والمواد التطبيقية أدوات قابلة للتداول لأغراض R2R مصممة خصيصا لإنتاج مرن للوقود، مع تطبيقات مستهدفة.

ومع ذلك، لا تزال معالجة R2R تواجه تحديات في مواءمة الطبقات المطبوعة المتعددة مع دقة التسجيل العالية، فالاستقرار الميكانيكي للمستوى الفرعي تحت التوتر والتوسع الحراري أثناء التجفيف يمكن أن يسبب حالات من عدم المساواة تقلل من حل العرض، وقد أدت التطورات في نظم التسجيل الرقمية باستخدام العلامات الائتمانية والمواءمة القائمة على الكاميرا إلى تحسين الدقة المفرطة في حدود خمسة ميكرومات، بما يكفي للعديد من العروض المتنقلة ذات الاستبانة العالية.

طبعة Inkjet

ويتيح طباعة النفاثة ميزة فريدة من نوعها للصناعة المرنة للزراعة غير المأهولة لأنها تتيح النمط المباشر للمواد التي لا تحتوي على صور فوتوغرافية أو أقنعة، وهذه الطريقة مفيدة بصفة خاصة لإيداع الغواصات الحمراء والأخضر والأزرق على نفس النموذج الفرعي، مما يتيح عرض الملاجئين بالكامل، وتشمل هذه العملية قذف قطرات من الحبل البوليمر من خلال صفيفة للألم في النموذج الفرعي، حيث تُجف.

وقد أدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الرؤوس المطبوعة إلى تحسين توحيد حجم القطران ودقة التنسيب، كما أن الرؤوس المطبوعة الصناعية من شركات مثل فوجيفلم ديماتيكس وكونيكا مينولتا تقدم الآن كميات من القوارب ذات معامل تفرق يقل عن 3 في المائة، مما يكفل اتساق السطو على البكسل، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير الرؤوس المطبوعة المتعددة الجذور التي تعمل بمئات من الألغاز الموازية قد زاد من خلال استخدام طرق الطباعة في كوابل.

ومن أجل تحقيق الطباعة العالية الاستبانة، قام الباحثون باستكشاف استخدام الهياكل المصرفية على مستوى المجموعة الفرعية، ومن خلال وضع نمط لجهاز تصوير الهيدروفوبي الذي يعرف آبار البكسل، فإن الحل الذي يُستخدم في الحاجز والمصادرة يقتصر على الآبار ويمنع الانتشار والخلط بين الألوان، وقد صُقل هذا الأسلوب، المعروف باسم " بيكسيل - بانك " ، ببوليميرات متذبذبة تعمل بالفلورية توفر مقاومة ممتازة.

وثمة ابتكار آخر يتمثل في استخدام طباعة متغيرة لحجم الانقطاع، حيث تتلقى أحجام مختلفة من الحبر لتسليح موحد، كما أن المقاييس التي تعدل حجم الانقطاع استنادا إلى ظروف التجفيف المحلية تعوض عن آثار الحواف والبقع التي تحلق على ظهر البن، وقد بلغت قيم البوليمر غير الملوثة التي تتجاوز ذروتها، مع اقترانها بخطوات تبلورة بعد التحلل.

الابتكارات المادية الأخيرة

وفي حين أن تقنيات المعالجة قد تطورت، فإن أداء الأجهزة المتفجرة المرتجلة المرنة يتوقف في نهاية المطاف على المواد البوليمرية نفسها، وقد شهدت السنوات الأخيرة إنجازات هامة في الطبقات البوليمرية، والبوليمرات السلوكية للكهرباء، ومواد التكديس المرنة، وتعالج هذه الابتكارات القيود التي طال أمدها في الكفاءة والعمر والمرونة الميكانيكية.

Polymer Emissive Layers

والبوليمرات الجائزة هي قلب أي جهاز للكشف عن المواد المتفجرة، وأكثرها دراسة هي نوع البولي فلورين الذي يوفر غلة كمية عالية من المواد الكيميائية الضوئية وقابلية التجهيز الجيدة، غير أن البوليفلورين يعاني من تقلب كهربائي ومن خطر التدهور تحت الضغط الكهربائي، ولتجاوز هذه القضايا، وضع الباحثون وحدات متطورة تُدرج في شكل وحدات متطورة من قبيل ثلاثي الأبعاد.

ومن بين الإنجازات التي تحققت مؤخراً استخدام البوليمرات المسببة للتأخر في الفلور، وخلافاً لبوليمرات الفلور التقليدية، يمكن لمواد إدارة الدعم التقني أن تجني ما يزيد على 000 10 من الهجرات العازلة والثلاثية، وأن تحقق كفاءة كمية داخلية بنسبة 100 في المائة، وقد أظهرت أجهزة البوليمر التي تستخدمها إدارة الدعم التقني استناداً إلى هياكل المانحين والمعترضين على أساس الكم المتبرعين في الكاربزويلي وقيم الثلاثية() 20 في المائة من أجهزة البحث

مجال آخر من الأبحاث النشطة هو تطوير البوليمرات الصاروخية العميقة، والبقايا الزرقاء حرجة بالنسبة للعرض الكامل للمستعمرات، ولكنها عادة أقل كفاءة وأقل استقرارا من البكسل الأحمر والأخضر، والبوليمرات الجديدة من نوع السلالم، مثل البولي فلوريد الفلورية، تقدم مطيافاً ضيقاً للانبعاثات، ودرجة عالية من اللوون، وذلك بإدراج سلاسل جانبية من أجل قمع الإحداثيات العالية.

Polymers Conductive for Electrodes

(أ) منذ فترة طويلة كان أكسيد القصدير في الأندروا هو الكمود الشفاف الموحد للأجهزة المتفجرة المرتجلة، ولكن رشايتها تجعله غير ملائم للعرض المرن، وتوفر البوليمرات الجاهزة بديلاً قابلاً للتطبيق، ويوفر مرونة عالية في السلوك ومرونة ميكانيكية، وأبرز مثال على ذلك هو البولي (3،4، ميثيلينديوكسين): سداسي البروم ثنائي الفينيل (PED:PS).

وقد تركز العمل الأخير على تحسين استقرار نظام PEDOT:PSS في ظل ظروف رطبة، ويؤدي الطابع الهيدروغرافي لمحطة PSS إلى استيعاب الرطوبة وانخفاض السلوك مع مرور الوقت، وقد طور الباحثون تركيبات متعددة الحلقات، باستخدام عوامل الانقلاب الحرفي التي تنشئ شبكة مقاومة للماء، ولم تظهر سوى زيادة مرنة في دورة الـ 500.

وجهاز كشف سلوكي واعد آخر هو البولينيل (PANI) الذي يُستخدم بحامض الفوسلفونيك، وقد أظهرت أفلام PNI المجهزة من المذيبات العضوية شفافية عالية في الطيف المرئي (80 في المائة) وارتفاع جيد في المصانع البلاستيكية، وعلاوة على ذلك، يمكن استغلال الخواص الكهرومغناطيسية الحالية للحزب الوطني الباكستاني للنوافذ الذكية، ولكن بالنسبة لتطبيقات العرضية الرئيسية هي التكلفة:

وفيما عدا الكهروود ذات الدوافع الواحدة، يقوم الباحثون الآن باستكشاف المواد الهجينة التي تجمع بين البوليمرات المسيّرة والنووب الكربونية، وهذه المكونات توفر القدرة العالية على التصرف في المواد النانوية الفلزية مع قابلية البوليمرات للاستمرار، وعلى سبيل المثال، فإن فيلماً مركباً من PEDOT:PSS مع 10 في المائة من النانويكات الفضية حقق مقاومة.

مواد التمكين المرنة

وتتأثر الأجهزة المتفجرة المرتجلة بحساسية شديدة للرطوبة والأكسجين؛ وحتى كميات دقيقة من بخار المياه يمكن أن تسبب بقع مظلمة وتدهورا سريعا، فالقطع الزجاجية التقليدية شديدة، وتستلزم أشكالا مرنة من الطلاءات ذات الرشاقة العالية التي لا يمكن قياسها، كما أن تكنولوجيات الكبسولة القائمة على البوليمرات قد تطورت بشكل كبير، وكثيرا ما تستخدم طبقات متغيرة من المواد العضوية والداخلية.

- إن ترسب طبقة ذرية من أكسيد الألومنيوم أو أكسيد السيليكون على طبقة عازلة متعددة المقاييس هو نهج مشترك، وتخطط طبقة البوليمر السطحي دون الاسترات، وتوفر المرونة، بينما ظلت الطبقات غير العضوية تهوي، وقد طور الباحثون في محطة فرونهوفر للغطاء المغناطيسي المكون من ثلاث طبقات من مادة الديفلور - كل منها(10).

وثمة ابتكار آخر هو استخدام البوليمرات التي تُعالج بالنفس في طبقة العزل، حيث تتضمن هذه المواد سندات قابلة للتكرار يمكن أن تكسر وتعيد تشكيلها تحت الضغط الميكانيكي، مما يحول دون انتشار الشقوق، وقد أظهر كبش البوليريثين الذي يُدرس في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، استعادة الممتلكات الحاجزية بعد خدشها، حيث زاد معدل الإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية.

وبالنسبة للعرضات التي يمكن تعديلها، تحول الباحثون إلى بوليمرات مفلورة مثل ساي توب، التي لديها استهلاك منخفض جدا من المياه (أقل من 0.01 في المائة) وشفافية ممتازة، حيث تجمع بين جهاز التليفزيون وجهاز النسيق المزود بالرؤوس المزودة بالكمبيوتر المميت، وهو ما يمثل ضربا من سميك واحد فقط من الميكرومترات التي توفر الحماية بما يعادل 10 ميكروغرام من المواد التقليدية.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن تحل الأجهزة المتفجرة المرتجلة المتعددة الكلور محل البدائل الصلبة للوقود غير الملوثة باليد والبدائل غير المرتدة، وهذه التحديات تشمل الاستقرار المادي، والقدرة على التصعيد، والتكامل مع عوامل الشكل الناشئة.

الحياة والقابلية للثقة

ولا تزال الحياة التشغيلية للأجهزة البوليمر الزرقاء أقل بكثير من عمر البيروقراطية والأخضر، وقد أدى ارتفاع عدد الصور الزرقاء إلى تعجيل تدهور البوليمر عن طريق تكديس الصور وكسر السندات الناتجة عن الارتداد، حيث طور الباحثون مصفوفات الإلغاء الثلاثي التي يمكن أن تحول الضوء الأزرق إلى انبعاثات أقل طاقة، مما أدى إلى خفض عبء الطاقة على طبقة الاكسجين الخفية.

وحدة المعلوماتية في منطقة البحيرات الكبرى

مع زيادة حجم العرض إلى ما بعد 50 بوصة، الحفاظ على التهوين واللون الموحدين عبر اللوحة كلها يصبح تحديا هائلا، غالبا ما يؤدي تجهيز الحلول إلى تغيرات في السمة قرب الحواف أو في أشعة تحتية، تقنيات الطباعة الثنائية الأبعاد باستخدام المعاطف العضلية، مع نظم التكييف التي تسيطر عليها الفطائر،

التكلفة ومن خلال الناتج

وفي حين أن تجهيز الحلول يقلل من النفقات الرأسمالية مقارنة بالتبخر المكنسة، فإن تكلفة توليف البوليمرات العالية النقاء وإعادة التدوير المذيبة لا تزال غير قابلة للتلف، كما أن أساليب الكيمياء المتدفقة التي تنتج البوليمرات الساموية في مفاعل مستمر بدلا من البوليوزن يمكن أن تقلل التكاليف بنسبة 50 في المائة أو أكثر، وقد أظهرت الشركات مثل نوفاليد استمرار إنتاج المواد المرتجلة ذات الوزن المنخفض على نطاق تجريبي، كما يلي:

التكامل مع الأجهزة القابلة للزراعة والثبات القابلة للزراعة

أما الحدود التالية للأجهزة المتفجرة المرتجلة المرنة فهي عرض قابل للتطاير بالنسبة للالكترونيات القابلة للارتداء، ففي حين أن الرواسب أصبحت الآن مفهومة جيدا، فإن التمدد يستحدث أساليب فشل جديدة مثل تطهير طبقات وفقد الاتصال الكهربائي في المناطق الممتدة، حيث أن البوليمرات المتصاعدة مثل البوليديميثيلسيلوكسين (PDMS) تقترن بشبكات متعددة الوصلات قابلة للتصريف تستخدم في إطار البحث.

الاستدامة ونهاية الحياة

وثمة تحد آخر ناشئ هو إعادة تدوير العروض المرنة، حيث يمكن أيضاً استكشاف البوليمرات المتعددة المواد المعقدة، بما في ذلك البوليمرات السلوكية، والطبقات الصاروخية، والحواجز التي تفصل بين المكعبات، والتعافي منها، والخيارات التي يمكن أن تُحدَّد من البوليمرات، مثل العصيان البوليسترات المتعددة التخريبات، والاختلاط القائم على الخلايا، في حين أن هذه التطبيقات لا تكون مجدية تجارياًاًاً بعد.

التوقعات

وقد أدى التقدم في تجهيز البوليمرات إلى تحويل عروض مرنة من الفضول العلمي إلى تكنولوجيا قابلة للتطبيق تجارياً، وقد ساهمت كل من معالجة الحلول، وصناعة التدفق، وطباعة الجف، في خفض التكاليف وقابلية الازدواج، بينما كانت الابتكارات المادية في البوليمرات التساهلية، والكهرباء الجاهزة، والاختلاط في المستقبل، في تحسين الأداء والموثوقية.

المراجع الخارجية: ]

• OLED-Info — Flexible OLED market data and technology overview]
• Nature Materials — Highefficiency TADF polymer OLEDs]
• Holst Centre – roll-to-roll printed flexible electronics]
• Materials Today - Conductive polymers for flexible electrodes]
• Advanced Functional Materials — Thin-film encapsulation with self-healing polymers]