Schnelle Produktion gedruckter Elektronik mit auf Nanomaterialien basierender Tinte ermöglichen
Gedruckte Elektronik verspricht dank der Möglichkeit, Nanomaterialien direkt auf Oberflächen zu drucken, die Elektronikbranche zu revolutionieren. Diese Nanomaterialien können Eigenschaften von Leitern, Widerständen, Kondensatoren und Halbleitern haben. Im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren für Leiterplatten und Halbleiter bietet gedruckte Elektronik Vorteile bei den Kosten, der Leistung sowie der Umweltverträglichkeit. Das EU-finanzierte Projekt INSPIRED (INdustrial Scale Production of Innovative nanomateRials for printEd Devices) wurde ins Leben gerufen, um die Drucktechnik mit Nanomaterialien weiterzuentwickeln, sodass die steigende Nachfrage bedient werden kann. Das EU-finanzierte Projekt führte Pilotprogramme für die Herstellung von Silbernanodraht und Graphen durch und brachte neue Produkte auf den Markt, die dank der Formulierung dieser Materialien ermöglicht wurden. Das Bestreben, geeignete Nanomaterialien zu entwickeln Verglichen mit aktuell angewendeten Herstellungsverfahren für Leiterplatten und Halbleiter ist gedruckte Elektronik kosteneffizienter, in der Lage, größere Volumina zu bewältigen und umweltfreundlicher. Sollte allerdings vermehrt eine Umorientierung hin zu flüssigkeitsbasierten Systemen für gedruckte Elektronik mit hohem Durchsatz geschehen, müssen geeignete tintenbasierte Nanomaterialien entwickelt werden und in industriellen Mengen verfügbar sein. Diese müssen auch die entsprechenden Industriestandards erfüllen und mit den Endbenutzeranwendungen verträglich sein. Projektkoordinator Andreas Rudorfer fügt die Warnung hinzu, dass „gedruckte Elektronik oft als vollständige Ersetzung der Halbleiterindustrie angesehen wird, aber das ist nicht der Fall. Sie stellt eine Ergänzung für bestimmte Anwendungen und Märkte dar, wo die Vorteile der gedruckten Elektronik ihr komplettes Potential zeigen, wie etwa auf dem Markt für Displays.“ INSPIRED ist auf dem Weg, Nanomaterial-Druckverfahren mit hohem Durchsatz für die gedruckte Elektronik zu entwickeln und vorzustellen, hierbei geht es etwa um Photovoltaikzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Photovoltaikzellen), kapazitive Touchscreens und Flüssigkristall-Displays (LCD). Im Rahmen von INSPIRED wurden zwei Pilotlinien entwickelt, um eine Charakterisierung der Nanomaterialien vorzunehmen, bei beiden waren schnell Fortschritte zu verzeichnen. Der Silbernanodraht wurde mittels nasschemischer Reduktionsprozesse synthetisiert, während die Graphen-Nanoplättchen durch Gewinnung per großflächiger Exfoliation optimiert wurden. Dank seiner Formulierung war der hergestellte Silbernanodraht für die Verwendung bei umfangreichen Sprühbeschichtungsverfahren geeignet. Die entwickelten Graphen-Nanoplättchen wiesen in Kombination mit dem Silbernanodraht verbesserte Eigenschaften auf. „Die Nanosicherheitsaspekte der Materialien und Verfahren wurden durchweg berücksichtigt, um einen sicheren Umgang mit bedenklichen Stoffen sicherzustellen. Um einen Ansatz zu erhalten, der für das Projekt geeignet ist, wurde in Übereinstimmung mit REACH eine auf die Nanotechnologie abgestimmte Sicherheitsstrategie entwickelt”, erklärt Rudorfer. Das erste Hochgeschwindigkeitssystem für Tintenstrahldruck mit hohem Durchsatz hat nun der Anlagenhersteller des Konsortiums gebaut. Es handelt sich um eine „Großflächen-Druck- und Lasersinteranlage“, an der Substrate mit Abmessungen von bis zu 1,11 x 1,3 m für industrielle Anwendungen bearbeitet werden können. Von strategischer Bedeutung für die EU-Wirtschaft Das Projekt INSPIRED ist eine von der Industrie geförderte Forschungs- und Innovationsmaßnahme, die die Ziele und Visionen des Programms für industrielle Technologien im Rahmen von Horizont 2020 unterstützt, indem es die Nanotechnologie-Grundlagen von EU-Herstellern fördert. Rudorfer erläutert: „INSPIRED wird einen positiven Einfluss entlang der gesamten Wertschöpfungskette im Sektor gedruckte Elektronik ausüben, was Anbietern von Nanomaterialien, Tintenherstellern, Druckbetrieben, Anlagenlieferanten sowie den Spitzentechnologiebranchen im Allgemeinen zugutekommen wird.“ Die Materialien und Verfahren, die im Rahmen des Projektes entwickelt wurden, werden bereits für neue und verbesserte Produkte eingesetzt. Beispielsweise hat Projektpartner Thomas Swan eine Pilotlinie für Graphen-Nanoplättchen und Produkte (unter dem Markennamen Elicarb®) entwickelt, die schon an industrielle Hersteller sowie Benutzer der Komponenten gleichermaßen verkauft werden. Um die Arbeit weiter voranzubringen, untersucht das INSPIRED-Team die Möglichkeiten einer Maßstabsvergrößerung bei den Pilotlinien und wird die Herstellungsverfahren je nach Anforderungen ausbauen oder ersetzen, um Voraussetzungen für die Herstellung und Markterwartungen zu erfüllen.
Schlüsselbegriffe
INSPIRED, gedruckte Elektronik, Nano, Tinte, Herstellung, Graphen, LCD, kapazitive Touchscreens, Photovoltaikzellen, Leiterplatten, Nanosicherheit, Nanomaterial
