Wzmocnione grafenem czujniki położenia rozwiązują wszystkie problemy branży

Czy bardzo wysoki koszt produkcji grafenu oznacza, że jego potencjał nie przekłada się na rzeczywiste korzyści w zastosowaniach komercyjnych? Patrząc na wyniki projektu, takiego jak GRAPHENESENS (Development of Graphene based Contact Position Sensors), bylibyśmy skłonni powiedzieć „nie”.

Poprzez zastosowanie nanokompozytowych powłok na bazie grafenu do wytwarzania nowych czujników położenia zespół projektu wyeliminował trzy główne wady obecnych rozwiązań: słabe właściwości pod kątem zużycia, co prowadzi do problemów z ich niezawodnością w perspektywie długoterminowej; ograniczona dokładność z powodu chropowatości powierzchni, co powoduje hałas; oraz wysokie koszty z powodu konieczności stosowania metali szlachetnych do wytwarzania wycieraczki czujnika.

W ramach projektu opracowano nowy potencjometr z rezystywnymi ścieżkami nadrukowanymi techniką sitodruku z wykorzystaniem tuszu na bazie grafenu, głowicą wycieraczki łączącą tanie podłoże z powłoką na bazie grafenu oraz moduł bazowy 48-impulsowego enkodera z powłoką barierową na bazie grafenu. Projekt jest skierowany do sektora motoryzacyjnego i motocyklowego — właściciele prestiżowych marek już ustawiają się w kolejce.

Pufinji Obene, dyrektor operacyjny firmy Precision Varionic International oraz koordynator projektu GRAPHENESENS, opowiada o wynikach projektu i jego możliwym wpływie na rynek czujników położenia.

Co było celem tego projektu?

Wiele osób mówi o samym grafenie i jego potencjalnych zastosowaniach, jednak prawda jest taka, że używanie grafenu w czystej postaci jest dość kosztowne. Oznacza to, że przełomowe rozwiązania oparte na samym grafenie są wytwarzane wyłącznie na skalę laboratoryjną.

Wiemy jednak, że grafen ma niesamowite właściwości, czy to pod względem przewodności elektrycznej, wytrzymałości mechanicznej czy gładkości. Postanowiliśmy zatem przyjrzeć się systemom do konkretnych zastosowań — wytworzyliśmy tusz z czystej warstwy grafenu, aby sprawdzić, jak użycie grafenu wpłynie na dane zastosowanie.

Projekt GRAPHENESENS skupiał się na wykorzystaniu grafenu do wytwarzania czujników stykowych dla branży motoryzacyjnej, ale wyniki naszych badań mogą znaleźć zastosowanie w różnego rodzaju czujnikach położenia.

Jaką wartość dodaną dla tych produktów miał zapewnić grafen?

Chodziło głównie o trwałość, szczególnie w przypadku czujników na bazie grafenu do stosowania w antenach, pedałach przyspieszenia, enkoderach, silnikach, a nawet w rozwiązaniach z zakresu robotyki.

Przykładowo pedał przyspieszenia wymaga zastosowania trwałych tuszów, które wytrzymają 2 mln cykli, oraz testy, w których system przechodzi aż 7 mln cykli. Pytanie brzmiało: czy można wykorzystać grafen, aby przedłużyć żywotność konkretnego produktu? Jeżeli tak, dodanie zaledwie 1 lub 2% grafenu do receptury tuszu — co stanowi bardzo małą ilość — może przynieść ogromne różnice pod względem kosztów.

Czy samochody bez kierowcy również stanowią potencjalny obszar zastosowania?

Tak. W samochodach bez kierowcy stosuje się radiolokatory do zabezpieczania radarów, jednak te często zamarzają i nie mogą odbierać sygnału. Z jednym z naszych klientów pracujemy właśnie nad projektem, którego celem jest wykorzystanie naszego rozwiązania jako elementu grzejnego. Pokrywamy poliamid tuszem grafenowym o niskiej lepkości, który ma bardzo dobrą przyczepność do podłoża i wysoką przewodność, dzięki czemu może podgrzewać radiolokator z bardzo małą mocą.

Mówiliśmy o trwałości jako o dużej zalecie, ale co z kosztami?

Wróćmy do kontaktowych czujników położenia — najważniejszą zaletą jest to, że możemy wykorzystać grafen do pokrycia wycieraczki potencjometru. Zwykle wycieraczki są wykonane z metalu szlachetnego, takiego jak Paliney, który jest bardzo drogi. Poprzez zastosowanie tańszego materiału i pokrycie go naszym systemem grafenowym możemy uzyskać o wiele tańszą (5–10 razy) wycieraczkę niż w przypadku użycia stopu Paliney.

Grafen można nałożyć zarówno na końcówkę tańszej wycieraczki, jak i na obwód przewodzący potencjometru. Takie połączenie dwóch warstw grafenu pozwala nam zachować optymalną równowagę między odpornością wycieraczki na zużycie a właściwościami elektrycznymi tuszu.

Czy udało się oszacować korzyści zapewniane przez ten system?

Porównaliśmy produkty wytworzone z użyciem i bez użycia grafenu — korzyści są ogromne. Udało nam się zmniejszyć grubość warstwy nadrukowanego tuszu o połowę, a nasza technika nanoszenia jonów z użyciem aerozolu (AAID), stosowana do pokrywania tańszej wycieraczki, zmniejsza jej koszt o 80%. Ogólnie udało nam się zmniejszyć koszt wytwarzania czujników stykowych o 45%.

Czy planowana jest komercjalizacja wyników projektu?

Pracujemy już nad prototypami rozwiązań w zakresie samej wycieraczki dla dwóch lub trzech producentów z branży motoryzacyjnej, a dla dwóch z nich tworzymy również tusz o przedłużonej trwałości, jednak projekty te są poufne ze względu na ochronę własności intelektualnej.

Niektórzy nasi klienci mają problemy z wycieraczkami i potrzebują nowego produktu tak szybko, jak to możliwe. Obecnie wyzwaniem jest osiągnięcie skali produkcji przemysłowej — aby to było możliwe, będziemy musieli przejść do projektu fazy 2 w ramach instrumentu MŚP.

Rozważamy także inne rynki poza sektorem motoryzacji, więc w sumie mamy nadzieję, że uda nam się wprowadzić jakiś produkt na rynek w ciągu najbliższych dwóch lub trzech lat.

Czy można powiedzieć, że projekt prezentuje możliwości grafenu?

Myślę, że tak. Obecnie rynek wymaga zastosowania grafenu w rzeczywistych systemach. Dopóki nie będziemy wiedzieć, jak nakładać jedną warstwę grafenu na płytkę drukowaną, grafen nigdy nie będzie przydatny dla społeczeństwa. W międzyczasie powinniśmy używać grafenu jako wzmacniacza i skupić się na tworzeniu praktycznych produktów. To właśnie było celem projektu GRAPHENESENS.