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26.04.2019
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Biegsame Schaltkreise für den 3D-Druck

Neues Verfahren für flexible und transparente Elektronik

Eine Forschungskooperation von Universität Hamburg und DESY hat ein 3D-Druck-taugliches Verfahren entwickelt, mit dem sich transparente und mechanisch flexible elektronische Schaltkreise produzieren lassen. Die Elektronik besteht aus einem Geflecht von Silber-Nanodrähten, die sich in einer Suspension drucken und in verschiedene flexible und durchsichtige Kunststoffe (Polymere) einbetten lassen. Diese Technik kann zahlreiche neue Anwendungen wie etwa druckbare Leuchtdioden, Solarzellen oder Werkzeuge mit integrierten Schaltkreisen ermöglichen, wie das Team um Tomke Glier von der Universität Hamburg im Fachblatt „Scientific Reports“ berichtet. Die Forscherinnen und Forscher demonstrieren das Potenzial ihres Verfahrens unter anderem mit einem biegsamen Kondensator.

Ein Geflecht aus Silber-Nanodrähten bildet die flexible Elektronik. Die Drähte sind typischerweise 0,01 bis 0,02 Millimeter lang und wenige Dutzend Nanometer (millionstel Millimeter) dick. Bild: Universität Hamburg, Ferdinand Otto
„3D-druckbare Polymere für unterschiedliche Anwendungen zu funktionalisieren war Ziel dieser Studie“, berichtet Michael Rübhausen, Physikprofessor der Universität Hamburg am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Mit unserem neuartigen Ansatz wollen wir Elektronik in vorhandene strukturelle Einheiten integrieren und platz- und gewichtsparend Komponenten intelligenter machen.“ Rübhausen hat das Projekt gemeinsam mit DESY-Forscher Stephan Roth geleitet, der Professor an der Königlich-Technischen Hochschule in Stockholm ist. Mit dem hellen Röntgenlicht von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III und anderen Messmethoden hat das Team die Eigenschaften der Nanodrähte im Polymer genau analysiert. 

„Herzstück der Technik sind Silber-Nanodrähte, die ein leitendes Geflecht bilden“, erläutert Glier. Die Silberdrähte sind typischerweise einige zehn Nanometer (millionstel Millimeter) dick und 10 bis 20 Mikrometer (tausendstel Millimeter) lang. Die detaillierte Röntgenanalyse zeigt dabei, dass die Struktur der Nanodrähte im Polymer nicht verändert wird, sondern sich die Leitfähigkeit des Geflechts dank der Kompression durch das Polymer sogar verbessert, da sich das Polymer im Laufe des Aushärtungsprozesses zusammenzieht.

Die Silbernanodrähte werden in einer Suspension auf ein Substrat aufgebracht und getrocknet. „Aus Kostengründen will man mit möglichst wenig Nanodrähten eine möglichst hohe Leitfähigkeit erreichen. Außerdem erhöht man dadurch die Transparenz des Materials“, erläutert Roth, Leiter der Messstation P03 an der DESY-Röntgenlichtquelle PETRA III, wo die Röntgenuntersuchungen stattgefunden haben. „So lässt sich Schicht für Schicht eine Leiterbahn oder eine leitende Fläche herstellen.“ Auf die Leiterbahnen wird ein flexibles Polymer aufgetragen, auf das wiederum Leiterbahnen und Kontakte gebracht werden können. Je nach Geometrie und verwendetem Material lassen sich so verschiedene elektronische Bauteile drucken.

Beispiel für einen flexiblen und transparenten Elektronikbaustein: ein biegsamer Kondensator. Bild: Universität Hamburg, Tomke Glier
In der vorliegenden Arbeit produzierten die Forscher einen biegsamen Kondensator. „Wir haben im Labor die einzelnen Arbeitsschritte noch in einem Schichtverfahren gemacht, in der Praxis können sie später jedoch komplett von einem 3D-Drucker übernommen werden“, erläutert Glier. „Wesentlich hierfür ist aber auch noch die Weiterentwicklung der konventionellen 3D-Drucktechnik, die in der Regel für einzelne Drucktinten optimiert ist. Bei Inkjet-basierten Verfahren könnten die Druckdüsen durch die Nanostrukturen verstopfen“, merkt Rübhausen an.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscherinnen und Forscher nun überprüfen, wie sich die Struktur der Leiterbahnen aus Nanodrähten unter mechanischer Belastung ändert. „Wie gut hält das Drahtgeflecht beim Biegen zusammen? Wie stabil bleibt das Polymer?“, nennt Roth typische Fragestellungen. „Dafür ist die Untersuchung mit Röntgenstrahlung sehr gut geeignet, weil wir nur damit in das Material hineinschauen und so die Leiterbahnen und -flächen der Nanodrähte analysieren können.“ 

An der Arbeit waren Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg, der Königlich-Technischen Hochschule Stockholm, des Wallenberg-Zentrums für Holzwissenschaft in Stockholm, des Hamburger Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und von DESY beteiligt.

 

Originalveröffentlichung:
Functional Printing of Conductive Silver-Nanowire Photopolymer Composites; Tomke E. Glier, Lewis Akinsinde, Malwin Paufler, Ferdinand Otto, Maryam Hashemi, Lukas Grote, Lukas Daams, Gerd Neuber, Benjamin Grimm-Lebsanft, Florian Biebl, Dieter Rukser, Milena Lippmann, Wiebke Ohm, Matthias Schwartzkopf, Calvin J. Brett, Toru Matsuyama, Stephan V. Roth & Michael Rübhausen; „Scientific Reports“, 2019; DOI: 10.1038/s41598-019-42841-3