TCO-Nanopartikel: druckbare Elektronik auf Kunststoff-Folien
Transparente leitfähige Schichten aus so genannten TCO (transparent conducting oxides) finden sich heute in vielen alltäglichen Anwendungen. Ihre Rolle als transparente Elektroden in Displays, Touch Screen Panels und Flachbildschirmen ist in der modernen Kommunikationstechnologie nicht mehr wegzudenken. Forscher am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sie TCO Nanopartikel durch Tiefdruckverfahren direkt auf Kunststofffolien aufbringen können. Damit wird das strukturierte Drucken von transparenten Leiterstrukturen auf Folien möglich.
Druckbare Elektronik auf Kunstsotfffolien
Bellhäuser
„Wir stellen aus den transparenten leitfähigen Oxiden besondere Nanopartikel her“ erklärt Peter William de Oliveira, Leiter des Programmbereichs „Optische Materialien“. „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 weiter. Dieses Verfahren habe mehrere Vorteile: Der Tiefdruck ermöglicht es, mit nur einem Prozess-Schritt strukturierte TCO-Schichten kostengünstig zu drucken . Wegen der UV-Härtung bei niedrigen Temperaturen unter 150 °C lassen sich auch dünne Kunststofffolien beschichten. Dabei erfüllt der Binder 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 möglich“ erklärt der Physiker de Oliveira, „wenn wir es schaffen, auch den Binder leitfähig zu machen, wird die Leitfähigkeit insgesamt steigen und der Flächenwiderstand weiter absinken“.
Durch die Beschichtung auf flexiblen Foliensubstraten ist die Beschichtung mit dem klassischen Rolle-zu-Rolle Verfahren möglich. Die ersten Versuche am INM dazu sind vielversprechend. Die Forscher 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.
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. Mit Vakuum-Beschichtungsverfahren, wie z.B. der Sputter-Methode, werden für großflächige Beschichtungen teure Hochvakuumapparaturen und große TCO-Targets benötigt; die gleichmäßige Beschichtung von gekrümmten Substraten ist außerdem über diesen Weg 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 auch 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 internationalen 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.
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