Ein unsichtbares Netz aus Gold: Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich besonders leitfähige, transparente und flexible Elektroden herstellen lassen. Sie bestehen aus einem Gitter extrem dünner Golddrähte und werden mithilfe einer speziellen Nano-Tinte auf Glas oder Folie aufgedruckt. Künftig könnte die Methode für die Herstellung von biegsamen Touchscreens, aber auch Solarzellen zum Einsatz kommen.
Jeder Touchscreen, egal ob vom Smartphone, dem Tablet oder der Bedienoberfläche von Automaten, braucht transparente Elektroden: Die Glasoberfläche der Geräte ist mit einem kaum sichtbaren Muster aus einem leitfähigen Material beschichtet. Dank diesem erkennen die Geräte, ob und wo genau ein Finger die Oberfläche berührt.
Zunehmend soll die Elektronik jedoch nicht nur möglichst transparent und leitfähig sein, sondern auch noch eine dritte Eigenschaft erfüllen: Biegsamkeit. Das ist wichtig, um sie zum Beispiel direkt in Kleidung einbauen zu können. Eine flexible Elektronik herzustellen, die transparent ist und deren Leitfähigkeit auch bei Verformung hoch bleibt, ist jedoch gar nicht so einfach.
Gedrucktes Nanonetz
Wissenschaftler um Tobias Kraus am Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken haben sich genau dieser technischen Herausforderung gestellt. Ihr Ansatz dabei: das sogenannte Nano-Druck-Verfahren. „Damit lässt sich ein biegsames Gitter feiner, leitender Golddrähte herstellen. Sie entstehen aus einer flüssigen Tinte, die per Stempel aufgetragen wird“, erklärt Indra Backes von der Universität des Saarlandes.
Die Tinte besteht dabei aus einem Lösungsmittel und weniger als zwei Nanometer dünnen Golddrähten. Sobald das Lösungsmittel beim Druckvorgang verdampft, bündeln sich die Drähte auf einer Unterlage zu stabilen Leiterbahnen. „Die feinen Golddrähte bilden ein Netz, das äußerst stabil und gleichzeitig hochflexibel ist – und zudem transparent“, sagt Backes. Damit ist es für die Herstellung verschiedener optoelektronischer Geräte wie Displays oder Solarzellen brauchbar.
Silikone im Test
Backes hat dieses Verfahren im Rahmen ihrer Masterarbeit nun entscheidend verbessert und es erstmals auch auf größeren Flächen angewendet. Dafür experimentierte sie sowohl mit unterschiedlichen Stempelmaterialien als auch mit der Zusammensetzung der Tinte.
Ihre Versuche zeigten: Für den Stempel eignet sich das Silikon Polydimethylsiloxan (PDMS) besonders gut. Es ist hochflexibel und passt sich gut an das Substrat an, sodass auch winzigste Strukturen abgebildet werden können. Zudem ist es sehr durchlässig. Auf diese Weise kann das Lösungsmittel in der Tinte gut durch den Stempel entweichen. „Mit diesem Material ist außerdem erstmals die Herstellung eines 3,5 mal sieben Zentimeter großen Stempels gelungen“, sagt Backes.
Funktioniert auch auf Folie
Zur Verbesserung der Tinte testete Backes verschiedene polare Lösungsmittel, unter anderem Ethanol. Damit lassen sich überschüssige sogenannte Liganden entfernen: organisches Material in der Lösung, das die Leitfähigkeit der Golddrähte vermindern würde. Auch an möglichen Unterlagen forschte die Studentin. Dabei zeigte sie, dass das Verfahren auch auf Folie funktioniert – eine wichtige Voraussetzung für die Biegsamkeit eines Displays.
In Zukunft könnte das Herstellungsverfahren nicht nur für Touchscreens, sondern auch für Solarzellen Anwendung finden. „Je nach Anwendung lässt sich mit der Anordnung der Goldfäden im Gitter sowie der Dicke der Drähte spielen“, berichtet Backes. So sei für Solarzellen eine gute Leitfähigkeit wichtiger als eine hohe Transparenz, die für Smartphone-Displays entscheidend sei.
Bis der Druckprozess industriell im großen Maßstab genutzt werden kann, wird es zwar wohl noch dauern. Erste Möglichkeiten, das Herstellungsverfahren zu automatisieren, hat Backes eigenen Angaben zufolge jedoch bereits erfolgreich erprobt.
(Universität des Saarlandes, 29.03.2017 – DAL)
