Tusz zawierający nanosrebro pozwoli na produkowanie wydajniejszych przezroczystych warstw przewodzących
Przezroczyste warstwy przewodzące to cienkie materiały znajdujące zastosowanie w szeregu urządzeń elektronicznych, w tym w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych oraz opartych na organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLED), a także ekranach dotykowych. Zwykle są one wykonywane z tlenku cynowo-indowego, który jest dobrym przezroczystym przewodnikiem, charakteryzującym się jednak wysoką ceną i dużą delikatnością. Obiecującą alternatywą jest przewodząca siatka oparta na nanocząsteczkach srebra pokrytych ochronną nanowarstwą tlenku cynku. Popularyzacja tego rozwiązania wymaga jednak opracowania przemysłowego tuszu oraz procesu drukowania na dużą skalę. Zadania opracowania takiego rozwiązania podjęły się dwie spółki produkujące urządzenia do druku atramentowego oraz przewodzące nanotusze – KELENN Technology (KT) i GenesInk (GNK) – nawiązując współpracę w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu CLEARSILVER. Spółka GNK opracowała nanomateriały oraz nanotusze oparte na srebrze (Ag), tlenku cynku (ZnO) oraz tlenku cynku z domieszką glinu (AZO). Spółka KT opracowała w tym czasie maszynę drukującą typu R2R (reel-to-reel) pozwalającą na wytwarzanie przezroczystych warstw przewodzących. Skuteczne wytworzenie organicznych diod elektroluminescencyjnych oraz organicznych ogniw fotowoltaicznych umożliwiło potwierdzenie, że w ramach projektu CLEARSILVER udało się opracować opłacalne i wykonalne technicznie rozwiązanie stanowiące realną alternatywę dla tlenku cynowo-indowego. Drukowanie przezroczystych warstw przewodzących Przezroczyste warstwy przewodzące są jednym z najważniejszych elementów współczesnego świata, wykorzystywanym w wielu zastosowaniach obejmujących między innymi czujniki i wyświetlacze. Korzystanie z tej technologii wiąże się jednak z szeregiem problemów – jednym z nich jest wykorzystanie indu, który jest rzadkim surowcem, co przekłada się na jego wysoką cenę. Ponadto tlenek cynowo-indowy jest osadzany na sztywnym podłożu wykonanym ze szkła lub polimerów przy pomocy metod parowania, co nie pozwala na tworzenie wzorów. W praktyce oznacza to, że konieczne jest pokrycie całej powierzchni, co znacząco zwiększa koszt każdego metra kwadratowego warstwy. Oparte na druku rozwiązanie opracowane w ramach projektu CLEARSILVER bazuje na siatkach wykonanych z cząsteczek nanosrebra pokrytych tlenkiem cynku, dzięki którym możliwe jest osiągnięcie wysokiej przewodności oraz wytwarzanie gładkich i jednorodnych warstw. Co ważniejsze, w przeciwieństwie do tlenku cynowo-indowego, nanocząsteczki srebra mogą być drukowane we wzorach, co pozwala na zmniejszenie ilości materiału wykorzystywanego na powierzchni i umożliwia minimalizację kosztów gotowych rozwiązań. Opracowanie nanotuszów wymagało w pierwszej kolejności przygotowania podstawy (rozpuszczalników, substancji wiążących oraz dodatków), wymieszanej w reaktorze chemicznym. Następnie do gotowej substancji został dodany koncentrat cząsteczek nanosrebra. Gotowa substancja została przebadana reologicznie (reologia jest nauką zajmującą się przepływem ciał stałych i cieczy), a także pod kątem napięcia powierzchniowego, możliwości wykorzystania do druku, parametrów elektrycznych oraz rezystancji powłoki. Opracowana przez spółkę KT drukarka atramentowa R2R zapewniła wysoką wydajność i szybkość drukowania wynoszącą 60 metrów na sekundę. Innym wartym uwagi rezultatem projektu jest fakt, że rozwiązanie Ink Smart Jet I pozwala na produkcję nowego tuszu w skali przemysłowej, z wydajnością wynoszącą 25 litrów na partię. W ramach projektu CLEARSILVER powstały także prototypowe urządzenia OLED oraz ogniwa fotowoltaiczne oparte na przezroczystych warstwach przewodzących charakteryzujących się wysoką przezroczystością (70-85 %) we współpracy z partnerem projektu, Instytutem Elektroniki Organicznej, Wiązki Elektronowej i Technologii Plazmowej FEP im. Fraunhofera. Przeszło 70 % urządzeń OLED działało prawidłowo, oferując duże obszary emitujące światło w testach realizowanych przy luminancji wynoszącej 1 000 kandeli na metr kwadratowy. Wszystkie wytworzone ogniwa fotowoltaiczne pozwoliły na osiągnięcie sprawności konwersji energii na poziomie 70 % względem ogniw opartych na warstwach przewodzących z tlenku cynowo-indowego jeszcze przed optymalizacją procesu. „Osiągi prototypów wydrukowanych w ramach projektu CLEARSILVER były porównywalne z prototypami urządzeń opartych na przezroczystych warstwach przewodzących z tlenku cynowo-indowego, wykonanych przy użyciu klasycznych technik produkcji”, wyjaśnia dr Rita Faddoul, kierowniczka projektów w zakresie badań i rozwoju w spółce GenesInk. „Jak wskazuje ocena cyklu życia przygotowana w ramach projektu przez Instytut Leitat, produkty opracowane przez zespół CLEARSILVER stanowią ekologiczne oraz efektywne kosztowo rozwiązanie w zakresie przezroczystych warstw przewodzących, które może zastąpić tlenek cynowo-indowy na rynku europejskim”. Spółka GNK dysponuje obecnie czterema wprowadzonymi na rynek tuszami pozwalającymi na druk materiałów wykorzystywanych w urządzeniach OLED oraz organicznych ogniwach fotowoltaicznych. Zespół pracuje obecnie nad dalszą optymalizacją procesów drukowania, nakładania i utwardzania w celu poprawy osiągów urządzeń końcowych.
Słowa kluczowe
CLEARSILVER, fotowoltaiczne, organiczna dioda elektroluminescencyjna, nanosrebro, nanotlenek cynku, przezroczysta warstwa przewodząca, ekran dotykowy, tlenek cynowo-indowy, wyświetlacz ciekłokrystaliczny, nanotusze, drukowanie
