Gedruckte Elektronik Hybridtinte bereits ohne Sintern leitfähig

Sintern – das Erhitzen von Werkstoffen zur Veränderung der Struktur – stellt bei der Produktion von flexibler Elektronik ein Problem dar, da die Trägermaterialien wie Papier oder Folien häufig temperaturempfindlich sind. Forscher am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben jetzt eine Hybridtinte entwickelt, deren Bestandteile ohne Temperaturbehandlung bereits leitfähig sind.

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Saarbrücken – Biegsame Schaltkreise auf Folien oder Papier können günstig durch Druckverfahren hergestellt werden und erlauben futuristische Designs mit gekrümmten Leucht- oder Eingabeelementen. Das erfordert druckbare elektronische Materialien, die während der Verarbeitung keinen Schaden nehmen und deren Leitfähigkeit trotz gebogener Oberflächen hoch bleibt. Forscher am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben Hybrid-Tinten entwickelt, mit denen sich Schaltkreise direkt aus dem Füller zum Beispiel auf Papier oder Folie auftragen lassen. Sie sind nach dem Trocknen ohne weiteres Sintern einsatzfähig.

In diesen Tinten kombinieren die Entwickler die Vorteile von Polymeren und metallischen Nanopartikeln: Gold- oder Silber-Nanopartikel werden mit organischen, leitfähigen Polymeren umhüllt und in wässrig-alkoholische Suspensionen übergeführt.

Mechanisch flexibel und ohne Sintern leitfähig

„Metall-Nanopartikel mit Liganden werden auch heute schon zu Elektronik verdruckt“, erläutert der Materialwissenschaftler Kraus. Die Hüllen müssten aber meist durch Sintern entfernt werden, weil sie zwar die Anordnung der Nanopartikel steuern, aber nicht leitfähig sind. Das sei bei temperaturempfindlichen Trägermaterialien wie Papier oder Polymerfolien schwierig, da diese während des Sinterns Schaden nähmen. „Unsere neuen Hybrid-Tinten sind sofort nach dem Eintrocknen leitfähig, mechanisch besonders flexibel und kommen ohne Sintern aus“, fasst Kraus die Ergebnisse seiner Forschung zusammen.

Organische Liganden mit wichtiger Funktion

In den neuen Tinten übernehmen die organischen Verbindungen drei Funktionen: „Einerseits sorgen die Verbindungen als Liganden dafür, dass die Nanopartikel in der flüssigen Tinte suspendiert bleiben; ein Verklumpen von Partikeln würde beim Drucken stören. Gleichzeitig sorgen die organischen Liganden dafür, dass sich die Nanopartikel beim Trocknen gut anordnen. Schließlich wirken die organischen Verbindungen wie „Scharniere“: Biegt man das Material, erhalten sie die elektrische Leitfähigkeit aufrecht. In einer Lage von Metallpartikeln ohne die Polymer-Hülle wäre die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen rasch verloren“, fährt der Kraus fort.

Durch die Kombination beider Materialien sei die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen deshalb insgesamt höher als bei einer Schicht rein aus leitfähigem Polymer oder einer Schicht rein aus Metall-Nanopartikeln.

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