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Dünne Folien als Leiterplatten

Das INM entwickelt druckbare Elektronik auf Kunststoff-Folien
Dünne Folien als Leiterplatten

Druckbare Elektronik auf Kunststofffolien, hergestellt mit einer neuen, effizienten Methode – zu sehen auf der Messe Materialica in München Bild: Bellhäuser
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Forscher am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben einen Weg entwickelt, um „TCO“-Nanopartikel im Tiefdruckverfahren direkt auf Kunststofffolien aufzubringen. Damit wird das strukturierte Drucken von transparenten Leiterstrukturen auf Folien möglich.

Transparente leitfähige Schichten aus so genannten TCO (transparent conducting oxides) sind in der modernen Kommunikationstechnologie nicht mehr wegzudenken. Sie finden sich in vielen alltäglichen Anwendungen wieder, beispielsweise als transparente Elektroden in Displays, Touch Screen Panels und Flachbildschirmen.

Das neue Verfahren hat gleich mehrere Vorteile: Der Tiefdruck ermöglicht es, mit nur einem Prozess-Schritt strukturierte TCO-Schichten kostengünstig zu drucken. Und durch die UV-Härtung bei Temperaturen unter 150 °C lassen sich auch dünne Kunststofffolien beschichten. Peter William de Oliveira, Leiter des Programmbereichs „Optische Materialien“ am INM, erklärt die neue Fertigungsmethode so: „Wir stellen aus den transparenten leitfähigen Oxiden besondere Nanopartikel her. Durch Zugabe eines Lösungsmittels und eines speziellen Binders lassen sich diese modifizierten TCO Nanopartikel als Tinte mit einer Druckplatte direkt per Tiefdruck auf die Folie aufbringen“, so Oliveira.
Der Binder erfüllt dabei mehrere Aufgaben: Er bewirkt nicht nur eine gute Adhäsion der TCO-Nanopartikel zum Substrat, sondern erhöht auch die Flexibilität der TCO-Schichten: Wegen dieser guten Fixierung bleibt die Leitfähigkeit selbst beim Verbiegen der Folien erhalten – ein Vorteil gegenüber den gängigen Hochvakuum-Techniken, wie zum Beispiel dem Sputtern. Außerdem erhöht der Binder die Leitfähigkeit der eingesetzten Oxide, obwohl er selbst nicht leitfähig ist. „Hier ist noch Potenzial für weitere Entwicklungen“ erklärt Physiker de Oliveira. „Wenn wir es schaffen, auch den Binder leitfähig zu machen, wird die Leitfähigkeit insgesamt steigen und der Flächenwiderstand weiter absinken“.
Ein weiteres Plus: Durch die Beschichtung auf flexiblen Foliensubstraten ist die Produktion im klassischen Rolle-zu-Rolle Verfahren möglich. Die ersten Versuche am INM dazu seien vielversprechend, teilen die Forscher mit. Sie sind sich einig, dass durch die Verwendung von strukturierten Walzen zukünftig auch große, strukturierte, leitfähige Flächen kostengünstig mit hohem Durchsatz gedruckt werden können, wenn erst einmal die Feinheiten für das Up-Scaling austariert sind.
Der Programmbereich „Optische Materialien“ des INM stellt diese Entwicklung auf der Materialica in München aus, die vom 18. bis 20. Oktober stattfindet (Halle A6, Stand 302, Smart Materials, SchauPlatz Nano).
Neben der Verwendung von TCO-Nanopartikeln arbeiten die Entwickler am INM auch mit dem nasschemischen Sol-Gel-Verfahren. Es eignet sich besonders für temperaturstabile Substrate wie zum Beispiel Glas oder Keramik. Die Härtung erfolgt bei diesem Verfahren bei Temperaturen über 450 °C. Neben großflächigen Substraten lassen sich so auch komplexere Geometrien wie Rohre oder Formkörper beschichten. „Auch hier liegt der Vorteil bei den Kosten“ sagt der Programmbereichsleiter. Im Vergleich dazu werden mit Vakuum-Beschichtungsverfahren wie der Sputter-Methode für großflächige Substrate teure Hochvakuumapparaturen und große TCO-Targets benötigt; die gleichmäßige Beschichtung von gekrümmten Substraten ist über diesen Weg außerdem nur bedingt möglich.
Das Material der Wahl ist auch am INM hauptsächlich Zinn dotiertes Indium Oxid (Indium Tin Oxide, ITO). Wegen der abnehmenden Ressourcen und des hohen Rohstoffpreises für Indium testen die Forscher am INM zunehmend alternative transparente Oxide, wie zum Beispiel Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) oder Antimon dotiertes Zinnoxid (ATO). Diese und weitere industrielle Anwendungen zeigt das INM auf der Messe Materialica 2011. Dazu zählen vor allem Entwicklungen zu speziellen Eigenschaften, wie zum Beispiel diffusionshemmende oder korrosionsbeständige Beschichtungen, Antireflexbeschichtungen sowie Photolithographie mit Silber für druckbare Elektronik. os
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