Gedruckte Elektronik: Flexible, kostengünstige Innovation für die Zukunft

Kostengünstige Fertigung druckbarer Elektronik

Der Bedarf an kostengünstigen, umweltfreundlichen Prozessen für druckbare Elektronik und Biosensor-Chips wächst rasant. Die NASA entwickelte ein einzigartiges Verfahren: atmosphärisches Druckplasma-basiertes Drucken bei Raumtemperatur. Ein Aerosol mit dem Abscheidematerial wird in einen Kaltplasma-Strahl bei Atmosphärendruck eingebracht.

Die Abscheidung resultiert aus der Wechselwirkung des Aerosols (Vorläufmaterial) mit dem Atmosphärendruck-Plasma (Primärgas). Aerosol-unterstützte Plasmaabscheidung ist ein hochdurchsatzfähiger, einfacher Prozess für Druck und Strukturierung, leicht skalierbar für industrielle Produktion. Mehrere Strahlen ermöglichen unterschiedliche Materialien, anpassbar an diverse Plattformen.

Kommerzielle Anwendungen: Biomedizintechnik, Unterhaltungselektronik, E-Paper, Sicherheit, Kommunikation.

„Stempeln“ von Elektronik mit Nanoröhren

Stellen Sie sich Lebensmittelverpackungen vor, die digital warnen, wenn der Inhalt verdirbt, oder Fenster, die Wettervorhersagen basierend auf Außentemperatur und -feuchte anzeigen.

MIT-Ingenieure erfanden einen schnellen, präzisen Druckprozess dafür: Ein Stempel aus Kohlenstoffnanoröhren druckt elektronische Tinten auf starre und flexible Oberflächen. Transistoren werden klein genug für einzelne Pixel in High-Res-Displays und Touchscreens. Relativ kostengünstig, schnell herstellbar.

Tintenstrahldruck ist im Nanomaßstab schwer kontrollierbar – „Kaffeering“-Muster (Tinte läuft über Ränder) oder ungleichmäßige Drucke führen zu unvollständigen Schaltkreisen. Die neue Technik nutzt einen nanoporösen Stempel: Nanopartikel-Lösung („Tinte“) fließt gleichmäßig durch den Stempel auf die Oberfläche.

Kohlenstoffnanoröhren wachsen auf Silizium in Mustern (Wabenhexagone, Blütendesigns). Polymerbeschichtung sorgt für Tintendurchdringung und verhindert Schrumpfung. Stempel wird mit elektronischer Tinte (Silber, Zinkoxid, Halbleiter-Quantenpunkte) infundiert.

Schlüssel für präzise, hochauflösende Muster: Aufgebrachter Druck. Ein Modell sagt nötige Kraft für gleichmäßige Tintenlage und Nanopartikelkonzentration voraus. Nach dem Stempeln und Erhitzen waren Muster hochleitfähig – geeignet als transparente Hochleistungselektroden. Ziel: vollständig gedruckte Elektronik.

Laserbehandeltes Graphen ermöglicht Papierrelektronik

Graphen (ein Atom dick, leitet Strom/Wärme, stark, stabil) wird per Tintenstrahldruck für flexible, tragbare, kostengünstige Elektronik genutzt. Nach dem Druck muss Graphen behandelt werden (meist hohe Temperaturen/Chemikalien) – problematisch für flexible/wegwerfbare Substrate wie Kunststofffolien oder Papier.

Iowa State University: Pulsed-Laser-Prozess behandelt tintenstrahldrucktes, mehrlagiges Graphen. Elektrische Leitfähigkeit verbessert sich ohne Schädigung von Papier, Polymeren oder anderen empfindlichen Substraten.

Tintenstrahldrucktes Graphenoxid wird zu leitfähigem Material für Sensoren (biologisch), Energiespeicher, elektrische Komponenten, Papierrelektronik. Computergesteuerte Lasertechnik bestrahlt selektiv Graphenoxid: Entfernt Tintenbinder, reduziert Graphenoxid zu Graphen, vernetzt Millionen winziger Graphenflocken physikalisch. Leitfähigkeit steigt um das >1000-fache. Lokalisierte Laserbehandlung formt 3D-Nanostrukturen (winzige Blütenblätter) – raue Struktur erhöht elektrochemische Reaktivität für chemische/bio-Sensoren.

Wegbereiter für kostengünstige, wegwerfbare Graphen-Elektroden für Sensoren, Biosensoren, Brennstoffzellen, Medizinprodukte.

Elektronische Geräte „gedruckt“ mit magnetischer Tinte

UCSD-Ingenieure entwickelten magnetische Tinte für selbstheilende Batterien, elektrochemische Sensoren, tragbare textilbasierte Schaltkreise. Mikropartikel werden durch Magnetfeld orientiert – bei Riss ziehen sich Partikel beider Seiten magnetisch an, Gerät heilt selbst. Reparatur von Rissen bis 3 mm.

Bestehende Selbstheilmaterialien brauchen externen Trigger und Minuten bis Tage. Neues System: kein externer Katalysator, Reparatur in ~0,05 Sekunden.

Anwendungen: gedruckte Batterien, Sensoren, textilbasierte Schaltkreise. Beschädigt (geschnitten, auseinandergezogen) → Selbstheilung, Funktion wiederhergestellt, minimaler Leitfähigkeitsverlust.

Demo: Selbstheilender Schaltkreis auf T-Shirt-Ärmel mit LED und Knopfzelle. Schnitt durch Schaltkreis und Stoff → LED aus. Sekunden später wieder an, als Seiten zusammenkamen und heilten.

Zukunft: Verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen für breite Anwendungen.

Ressourcen

• www.nasa.gov/centers/ames
• www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink
• https://news.mit.edu
• https://www.news.iastate.edu/news