Nanosilber-Tinte verspricht effizientere transparente leitfähige Folien
Transparente leitfähige Folien (TCF) sind dünne Materialien, die in zahlreichen elektronischen Geräten zum Einsatz kommen, darunter LCD- und organische LED-Bildschirme und -Touchscreens. Sie bestehen üblicherweise aus Indiumzinnoxid (ITO), das zwar einen guten transparenten Leiter bietet, zugleich aber fragil und teuer ist. Eine vielversprechende Alternative ist ein leitfähiges Netz auf Basis von Silber-Nanopartikeln, die mit einer schützenden Nanoschicht aus Zinkoxid bedeckt sind. Für eine weit verbreitete Akzeptanz ist es jedoch erforderlich, dass im großen Maße extrem schnelle industrielle Tinte und Tintenstrahldruckverfahren entwickelt werden. Um eine solche Lösung anzubieten, haben sich ein Hersteller von Tintenstrahldruckern und ein Produzent von leitfähigen Nanotinten, KELENN Technology (KT) und GenesInk (GNK), im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CLEARSILVER zusammengeschlossen. GNK hat Nanomaterialien und Nanotinten auf Basis von Silber (Ag), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumzinkoxid (AZO) entwickelt. KT entwickelte eine Rolle-zu-Rolle-Druckmaschine (R2R) zur Herstellung von transparenten leitfähigen Folien. Mit der Umsetzung von organischen lichtemittierenden Dioden (OLED) und organischen Photovoltaik-Geräten (OPV) konnte CLEARSILVER zeigen, dass es eine wirtschaftlich und technisch tragfähige Alternative zu Indiumzinnoxid gibt. Vollständig gedruckte Lösungen für transparente leitfähige Folien Während sie in unserer smarten Welt unverzichtbar sind und in allen Vorrichtungen, von Sensoren bis hin zu Bildschirmen eingesetzt werden, ist das Hauptproblem von transparenten leitfähigen Folien vor allem, dass sie von Indium abhängig sind, das selten und daher teuer ist. Darüber hinaus kann Indiumzinnoxid, das anhand von Verdampfungsmethoden auf festem Glas oder Polymersubstraten entsorgt wird, nicht direkt bemustert werden. Das bedeutet, dass eine gesamte Oberfläche mit Indiumzinnoxid bedeckt werden muss, sodass die Kosten von transparenten leitfähigen Folien pro Quadratmeter steigen. Die vollständig gedruckte Lösung von CLEARSILVER für transparente leitfähige Folien basiert auf Netzen aus Silber-Nanopartikeln unter einer Schicht aus Zinkoxid, das für eine hohe Leitfähigkeit sorgt, während zugleich glatte vorbereitete Folien mit hoher Homogenität geschaffen werden. Vor allem können, anders als bei Indiumzinnoxid, die Silber-Nanopartikel gedruckt und bemustert werden, was bedeutet, dass geringere Materialmengen entsorgt werden müssen, so dass diese Methode kostengünstiger ist. Um die Nanotinten herzustellen, wurde zunächst das Vehikel (Lösungsmittel, Bindemittel und Zusätze) vorbereitet und dann im Formulierungsreaktor gemischt. Anschließend wurde Silber-Nanopartikel-Konzentrat hinzu gegeben. Dann wurden Tests auf Rheologie (Fluss von Fest- und Flüssigstoffen), Oberflächenspannung, Druckfähigkeit, elektrische Leistung und Schichtwiderstand durchgeführt. Der R2R-Tintenstrahldrucker von KT, der ebenfalls entwickelt wurde, erzielte am Ende eine Druckleistung mit hohem Durchsatz bei einer Höchstgeschwindigkeit von 60 Metern pro Sekunde. Um ein Ergebnis hervorzuheben: Der Ink Smart Jet I kann im industriellen Maßstab 25 Liter an Tinte pro Charge herstellen. CLEARSILVER ist es gelungen, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Fraunhofer FEP OLED- und OPV-Vorführmodelle auf der Grundlage von transparenten leitfähigen Folien mit hoher Transparenz (70-85 %) herzustellen. Mehr als 70 % der OLED-Geräte funktionierten gut und ergaben in Tests, die bei einer Leuchtdichte von 1 000 Candela pro Quadratmeter durchgeführt wurden, große lichtemittierende Bereiche. Alle gefertigten OPV-Geräte erreichten einen Wirkungsgrad (PCE), der 70 % der Indiumzinnoxid-basierten Leistung der transparenten leitfähigen Folien entsprach, und das sogar vor der Prozessoptimierung. „Die Leistung der gedruckten CLEARSILVER-Vorführmodelle war gleichwertig zu den Indiumzinnoxid-basierten Vorführmodellen, die mittels klassischer Verfahren hergestellt wurden“, meint Dr. Rita Faddoul, F&E-Projektmanagerin bei GenesInk. „Wie die Lebenszyklusbewertung, die das https://www.leitat.org/english/ (Leitat)-Institut im Rahmen des Projekts durchgeführt hat, zeigt, bietet CLEARSILVER dem EU-Markt eine umweltfreundliche und kostengünstige Lösung für transparente leitfähige Folien, die ein vielversprechender Ersatz für Indiumzinnoxid sein könnte.“ Derzeit sind von HNK vier Tinten für Tintenstrahldruckverfahren erhältlich, die sich für die am Markt verfügbaren OLED- und OPV-Anwendungen eignen. Das Team arbeitet weiter an der Optimierung des Verfahrens (Drucken, Beschichtung, Aushärtung), um die finale Leistung der Geräte zu verbessern.
Schlüsselbegriffe
CLEARSILVER, Photovoltaik, organische lichtemittierende Diode, Nanosilber, Nanozinkoxid, transparente leitfähige Folie, Touchscreen, Indiumzinnoxid, LCD-Bildschirm, Nanotinten, Drucken
