Elektronik aus der Druckmaschine

Elektronik aus der Druckmaschine

Die Produktionsdruckmaschine am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren. Bild: Katrin Binner
Die Produktionsdruckmaschine am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren. Bild: Katrin Binner

Nicht mehr an der Kasse anstehen zu müssen ist der Traum von Supermarkt-Kunden. Wissenschaftler wollen ihn mit Hilfe von Funketiketten wahrmachen, die sich wie ein Logo auf die Ware, etwa den Joghurtbecher, drucken lassen. Beim Durchschreiten einer Warenschranke würden alle Artikel im Einkaufswagen erfasst und der Preis automatisch von der Bezahlkarte des Kunden abgebucht, so zumindest die Vision.

Um sie zu verwirklichen, suchen Forscher nach elektrisch leitenden und halbleitenden Chemikalien, die sich mit herkömmlichen Drucktechniken wie Inkjet, Hoch-, Tief- oder Flexodruck drucken lassen, um elektronische Schaltungen auf Papier oder Kunststoffe zu bringen.

Dafür nutzen sie eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien. Elektrisch leitende Polymere, metallische Nanopartikel, Halbleiter aus organischem oder anorganischem Material. Doch alle diese Materialien müssen hohe Anforderungen erfüllen. Sie sind Umwelteinflüssen ausgesetzt und dürfen mit der Zeit ihre elektrischen Eigenschaften nicht verändern. Die TU Darmstadt ist auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik sehr aktiv. So entwickelt die TU Darmstadt im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Spitzenclusters „Forum Organic Electronics“ gemeinsam mit dem Darmstädter Chemiekonzern Merck und der BASF Ludwigshafen verschiedenste Materialien für die gedruckte Elektronik. Außerdem betreiben die Forscher gemeinsam mit Merck ein Forschungslabor für gedruckte Elektronik an der TU, das so genannte MerckLab.

Mehr Leistungsfähigkeit

Bald könnten elektronische Funketiketten aus dem Drucker kommen. Bild: Katrin Binner
Bald könnten elektronische Funketiketten aus dem Drucker kommen. Bild: Katrin Binner

Am MerckLab entwickeln die Wissenschaftler anorganische Stoffe, die sich für verschiedene Funktionen in einem gedruckten elektronischen Bauelement eignen, etwa als Leiterbahn, Halbleitermaterial oder als Isolationsmaterial.

Dazu lösen sie die Stoffe in dünn- und dickflüssigen Lösemitteln, um sie mit verschiedenen Druckprozessen testen zu können. Mit Labordruckmaschinen, die kaum größer sind als ein Multifunktionsgerät fürs Büro, stellen die Forscher fest, welches Druckverfahren sich am besten eignet. Ein Qualitätskriterium ist, ob sich Leiterbahnen mit hoher Auflösung sehr eng nebeneinander drucken lassen, denn dadurch erhöht sich die Leistungsfähigkeit des Bauelements.

Mit dem Verfahren der Wahl drucken sie dann zu Testzwecken eine einzelne elektronische Komponenten wie organische Feldeffekttransistoren (FETs), an denen sich erste elektrische Messungen durchführen lassen.

Aus Fehlern direkt lernen

Hauchdünne Sensoren von der Rolle: Forscher der TU Darmstadt arbeiten daran. Bild: Katrin Binner
Hauchdünne Sensoren von der Rolle: Forscher der TU Darmstadt arbeiten daran. Bild: Katrin Binner

Ob und wie gut das Bauteil mit der gedruckten Komponente funktioniert, untersuchen die Forscher anschließend im Diagnoselabor. Hierbei geht es keineswegs nur um die Herstellung gut funktionierender gedruckter Bauelemente. Auch fehlerhafte Teile interessieren die Forscher, weil auch sie nach einer gründlichen Untersuchung der Fehlerursache zur Optimierung des Druckprozesses beitragen. Hierzu steht den Forschern der verschiedenen TU-Institute und -Fachgebiete ein umfangreiches Arsenal an Analyseinstrumenten, z.B. Elektronenmikroskope im Fachbereich Materialwissenschaft, zur Verfügung.

Hierbei werden Defekte und Strukturfehler wie etwa eine zu hohe Rauigkeit von gedruckten Oberflächen analysiert. Hieraus erhalten nicht zuletzt auch die Forscher am MerckLab Hinweise, wie sie ihre Materialien noch weiter verbessern können.

Wenn ein Stoff nach mehreren Verbesserungszyklen für den Druck von Elektronik-Komponenten geeignet ist, wird er unter industrienahen Bedingungen am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren getestet und im größerem Maßstab erprobt. Dort steht zu diesem Zweck eine etwa 10 m lange Produktionsdruckmaschine der Heidelberger Druckmaschinen zur Verfügung. Diese Maschine ist in der Lage, Tausende von elektronischen Bauteilen auf eine Papieroder Kunststoffbahn aufzubringen, die, wie beim Zeitungsdruck, von einer Rolle abgewickelt wird – ein echtes Massendruckverfahren.