Elektronik Schaltkreise auf Papier drucken

Sensoren auf Milchpackungen, die anzeigen, wenn der Inhalt sauer ist – das ist bald keine Zukunftsmusik mehr. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) arbeitet daran, Elektronik auf jede beliebige Unterlage zu drucken – einfach und billig.

«Printed Electronics» – gedruckte Elektronik – ist eine aufstrebende Technologie und ein Wachstumsmarkt, schreibt die Empa in ihrem Newsletter vom Freitag. Bereits heute werden weltweit 35 Milliarden Dollar damit umgesetzt. Besonders das Internet der Dinge benötigt Schaltkreise, die ohne viel Aufwand und preisgünstig herzustellen sind, dafür brauchen sie nicht mehr so winzig und schnell zu sein wie herkömmliche Produkte dieser Art.

Die Empa-Forscher Jakob Heier vom Labor für funktionelle Polymere und Yaroslav Romanyuk vom Labor für Dünnfilme und Photovoltaik forschen mit ihren Teams daran, die Technologie weiterzubringen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts und der EPFL Lausanne arbeiten sie am Forschungsprojekt «FOXIP» («Functional OXIdes Printed on Polymers and Paper». Ziel des Projekts ist es, Dünnfilmtransistoren auf Papier- und PET-Folien zu drucken – und zwar mit einer Drucktechnik, die sich für den Einsatz in der Industrie eignen könnte.

Verwendet werden dafür Tinten, in denen winzige Partikel von Metalloxiden gelöst sind. Diese werden mit verschiedenen Drucktechniken auf die Unterlage aufgebracht. Über die erforderlichen Spezialgeräte verfügt die Empa gemäss eigenen Angaben bereits im Coating Competence Center.

Doch noch müssen ein paar Probleme gelöst werden: von der Optimierung der Unterlage über die Zusammensetzung der Tinte und der Genauigkeit bei der Drucktechnologie bis hin zum thermischen Aushärten der Schichten, ohne dass das Papier oder die Folie dabei Schaden nimmt.

Ein Problem: Minimierung von Hitze

Heier und sein Team arbeiten daran, eine druckfähige Tinte für Graphenschichten zu entwickeln, die nur mit den Graphenteilchen und dem Lösungsmittel auskommt – also ohne Zusatzstoffe, die ausgebrannt werden müssen und das Trägermaterial beschädigen. *Wenn dies erfolgreich ist, so sind wir dem Druck auf Plastik oder Papier einen grossen Schritt nähergekommen: Zumindest der Druck von Leiterbahnen erfordert dann keine Nachbehandlung bei erhöhten Temperaturen mehr», erklärt Heier.

An der Vermeidung respektive Minimierung von Hitze arbeitet auch Romanyuks Team. Sie arbeiten mit «Flash Sintering»: Dabei wird die gedruckte Schicht mit ultrakurzen Blitzen erhitzt, so schnell, dass das Substratmaterial nicht miterhitzt wird.

Oxide sind besonders spannend

Auch bei der Tinte ist man bei der Empa schon weit: Metalloxide sind ihr Material der Wahl für die gedruckte Elektronik, denn sie können leitend, halbleitend oder isolierend sein. Verglichen mit Tinten, die auf organischen Materialien basieren, haben Oxidmaterialien eine höhere Beweglichkeit der Elektronen und sind stabiler, wenn sie auf Luft treffen. «Besonders spannend ist Indium-Zinn-Oxid: Es ist zugleich hoch leitend und transparent», erklärt Romanyuk.

Möglicherweise stehen schon bald in jedem Haushalt durchsichtige Milchbeutel im Kühlschrank, auf denen LED-Anzeigen über den Säuerungsgrad des darin enthaltenen Produkts informieren?