Gedruckte Schaltkreise

Traditionell ist die Fabrikation von Elektronik eine aufwändige Angelegenheit, die eine teure Ausrüstung erfordert. Das Internet der Dinge benötigt aber eine neue Art von Elektronik: Die Schaltkreise müssen nicht mehr um jeden Preis so winzig und schnell wie möglich, sondern günstig und einfach herzustellen sein – und gleichzeitig sollen sie auf dünnen und flexiblen Substraten realisierbar sein.

Dazu gehören zum Beispiel RFIDs auf Produktverpackungen. Denkbar sind künftig auch Anwendungen für einfache Sensoren auf Milchpackungen, die anzeigen, wenn der Inhalt nicht mehr genießbar ist, oder auf tiefgefrorenen Produkten, die signalisieren, ob die Kühlkette unterbrochen wurde. Und auch Solarzellen auf T-Shirts, Klebetatoos mit Sensoren oder Lautsprecher „von der Rolle“ sind bereits in der Entwicklung.

Der Markt dafür ist nicht klein: Ein neuer Report des Branchenverbands für organische und gedruckte Elektronik zeigt, dass sich der Bereich bereits heute zu einem Weltmarkt von über 35 Milliarden US-Dollar entwickelt hat – der in den nächsten Jahren kräftig weiterwachsen soll.

Transistoren auf Papier und Folie

Jakob Heier vom Labor für funktionelle Polymere und Yaroslav Romanyuk vom Labor für Dünnfilme und Photovoltaik an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa forschen mit ihren Teams daran, die Technologie weiterzubringen. Gemeinsam mit Forschern des Paul Scherrer Instituts und der EPFL Lausanne arbeiten sie am Forschungsprojekt FOXIP, kurz für Functional OXIdes Printed on Polymers and Paper.

Ziel des Projekts ist es, Dünnfilmtransistoren auf Papier- und PET-Folien zu drucken – und zwar mit einer Drucktechnik, die sich für den Einsatz in der Industrie eignen könnte. Verwendet werden dafür Tinten, in denen winzige Partikel von Metalloxiden gelöst sind. Diese werden mit verschiedenen Drucktechniken auf die Unterlage aufgebracht – per Kontaktdruck oder aber mit einem Tintenstrahldrucker. „Dazu kommen natürlich nicht gewöhnliche Bürodrucker zum Einsatz, sondern hochspezialisierte Geräte“, erklärt Romanyuk. Im Coating Competence Center der Empa stehen diese Druckgeräte bereits.

Wo liegen die Herausforderungen?

Doch um Schaltkreise zuverlässig auf flexiblen Unterlagen drucken zu können, müssen zunächst einige Herausforderungen gelöst werden: Von der Optimierung der Unterlage selbst über die Zusammensetzung der Tinte und der Genauigkeit bei der Drucktechnologie bis hin zum thermischen Aushärten der Schichten, ohne dass das Papier oder die Folie dabei Schaden nimmt.

Ein erstes Problem ist die Druckunterlage: Oftmals ist diese flexibel – etwa Papier oder Kunststofffolie – und hat keine komplett glatte Oberfläche, wie bei Siliziumscheiben, die für die Fabrikation herkömmlicher Elektronikbauteile verwendet werden. Dies macht es viel schwieriger, die nötige Präzision bei der Fabrikation der Schaltkreise zu erreichen.

Im Moment sind daher die Bauteile der gedruckten Elektronik um etwa einen Faktor 1.000 größer als durch den herkömmlichen Fabrikationsprozess hergestellte Mikroelektronik. „Das heißt aber nicht, dass die Schaltkreise riesig sind: Wir reden beim Drucken von Genauigkeiten im Bereich von zehn Mikrometern, das ist weniger als der Durchmesser eines Haares“, präzisiert Heier.