Eine weitere große Herausforderung der gedruckten Elektronik liegt darin, wie leitende, halbleitende und isolierende Werkstoffe, die für den Aufbau von Schaltkreisen notwendig sind, in Tintenform gebracht werden können – und wie daraus nach dem Druckprozess wieder ein durchgängiges Material mit der gewünschten Eigenschaft wird.
Graphen und Co: Das Problem der Bindemittel
Jakob Heier forscht daran, wie diese speziellen Tinten aufgebaut werden. Eine Tinte besteht zum einen aus kleinen Partikeln des funktionalen Materials, zum anderen aus Lösungsmitteln, die nach dem Auftragen von selber verdampfen. Oftmals reichen diese zwei Komponenten aber nicht aus: Es müssen zusätzliche Bindemittel und Zusatzstoffe hinzugefügt werden, damit die Tinte stabil bleibt und auch druckbar ist.
Diese sind aber ein Problem: Wenn sie nach dem Auftragen in der Schicht verbleiben, so stören sie die gewünschte Funktion der Schaltkreise. Sie müssen daher ausgebrannt werden. Nur: Das braucht relativ hohe Temperaturen – und dies wiederum kann dem Papier oder der Folie schaden, auf der die Elektronik aufgedruckt wird.
Heier und sein Team arbeiten daran, eine druckfähige Tinte für Graphenschichten zu entwickeln, die nur mit den Graphenteilchen und dem Lösungsmittel auskommt – in anderen Worten, ganz ohne Zusatzstoffe, die ausgebrannt werden müssen. Die gedruckten Schichten sollen dabei so stabil sein, dass sie dieselben Leiteigenschaften beibehalten – egal, ob das Trägermaterial samt der gedruckten Schicht gebogen oder gar verdreht wird.
„Wenn dies erfolgreich ist, so sind wir dem Druck auf Plastik oder Papier einen großen Schritt nähergekommen: zumindest der Druck von Leiterbahnen erfordert dann keine Nachbehandlung bei erhöhten Temperaturen mehr“, erklärt Heier.
Metalloxide: Partikel mit viel Potenzial
Anders ist es bei Tinten, die auf Metalloxid-Nanopartikeln basieren. Metalloxide sind eine vielversprechende Materialklasse für gedruckte Elektronik: Sie können leitend, halbleitend oder isolierend sein.
Verglichen mit Tinten, die auf organischen Materialen basieren, haben Oxidmaterialien eine höhere Beweglichkeit der Elektronen, das bedeutet, sie haben das Potenzial, die Leistung von gedruckten elektronischen Schaltkreiselementen zu erhöhen. Gleichzeitig sind die Oxidmaterialien stabiler, wenn sie auf Luft treffen. „Besonders spannend ist Indium-Zinn-Oxid: Es ist zugleich hoch leitend und transparent“, erklärt Romanyuk.
Mit Blitzen verbunden
Um die einzelnen in der Tinte gelösten Partikel nach dem Druck miteinander zu verbinden und so eine funktionale Schicht zu erhalten, ist jedoch ein Sintern nötig – die thermische Behandlung der gedruckten Schichten. Sowohl Papier als auch die eingesetzten Folien sind allerdings sehr temperaturempfindlich. Idealerweise sollten also nur die Metalloxidschichten erhitzt werden – das Substrat aber kühl bleiben.
„Wir verwenden dazu eine Methode namens „Flash Sintering“ erklärt Romanyuk. Dabei wird die gedruckte Schicht mit ultrakurzen Blitzen erhitzt, so schnell, dass das Substratmaterial nicht miterhitzt wird. Dem Team ist es erst kürzlich geglückt, oxidbasierte Feldeffekt-Transistoren per Tintenstrahldrucker zu drucken – damit könnten künftig transparente Schaltungen auf einer transparenten Unterlage ermöglicht werden.
Dank den Möglichkeiten, die das Coating Competence Center (CCC) an der Empa bietet, sind die Resultate der beiden Forschungsgruppen nicht auf das Labor beschränkt. „Die entwickelten Drucktechnologien basieren auf Geräten, mit denen die Industrie bereits arbeitet“, erklärt Romanyuk. Das ermöglicht eine schnelle Umsetzung vom wissenschaftlichen Durchbruch zur industriellen Produktion von neuer gedruckter Elektronik.
