Printed Electronics - Verfahren, Material, Vergleich

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🎓 Printed Electronics oder auch gedruckte Elektronik bezeichnet elektronische Elemente, die ganz oder teilweise durch ein Druckverfahren hergestellt wurden. Die übliche Druckfarbe wird durch elektronische Funktionsmaterialien ersetzt.
Synonym(e): gedruckte Elektronik


Printed Electronics beschreibt Anwendungen der organischen und gedruckten Elektronik. Ziel ist es, mit funktionellen Chemikalien elektrische Leitfähigkeit und Elektrolumineszenz zu erreichen. Dafür wird elektrolumineszente Chemie, elektrochrome Chemie, chemisch reaktive Chemie und organisch reaktive Chemie eingesetzt. Fast alle Chemikalien sind wasserbasierte Systeme oder sind in leichtsiedenden Lösungsmitteln wie Isopropanol oder Ethanol gelöst. Grundvoraussetzung in der Anwendung der Chemikalien ist eine genaue Präzision, da die gedruckten Strukturen vollständig geschlossen sein müssen, damit die elektrische Leitfähigkeit garantiert ist. Dadurch unterscheidet sich gedruckte Elektronik von einfachen grafischen Druckmedien.

Entwicklung

Die gedruckte Elektronik ist ein Resultat aus Erkenntnissen und Entwicklungen verschiedener Bereiche. Darunter der Technologie des Drucks, der Elektronik der Chemie sowie der Werkstoffwissenschaft, vor allem der organischen und Polymerchemie.

Pionierarbeit hat die Entwicklung der organischen Elektronik geleistet, welche wiederum die Entwicklung der organischen elektronischen Funktionsmaterialien als Grundlage hat. Abgesehen von den elektronischen Funktionalitäten (Leiter, Halbleiter, Elektrolumineszenz...) führte die Prozessierbarkeit in flüssiger oder pastöser Form als Lösung, Dispersion oder Suspension solcher Materialien zur Entwicklung der gedruckten Elektronik. Es können aber auch anorganische Materialien, die in flüssiger Form prozessierbar sind verwendet werden.

Vorteile

Vorteile der gedruckten Elektronik sind die reduzierten Herstellungskosten, das Bedrucken von flexiblen und großen Substraten und die Möglichkeit der Weiterentwicklung neuer Funktionalitäten. Zu diesen neuen Entwicklungen zählen RFID, flexible Displays oder Solarzellen. Fast alle notwendigen Bauelemente können mit gedruckter Elektronik erzeugt werden. Aktuell liegt der Schwerpunkt auf Sensoren, OLED, OPVC, OFET, Dioden, Speicherelemente, Batterien. Zur Kategorie „gedruckte Elektronik“ gehören verschiedene Bauteile, unter anderem spezielle Leiterbahnen und Strukturen von Elektroden, Batterien, Sensoren, Heizelemente, NFC-Antennen, organische lichtemittierende Dioden (OLED), organische Photovoltaik (OPV) und Transistoren. Der kleinsten über Druckverfahren herstellbare gedruckte Transistor ist im Vergleich mit dem konventionellen Transistor tausendfach größer.

Materialien für gedruckte Elektronik

Wie funktioniert Printed Electronics?


Bedruckt werden organische Materialien, daher ist Printed Electronics ein Teilgebiet der organischen Elektronik. Das Drucken von Funktionen kann auf folgende Substrate erfolgen:

  • Polyester
  • Kunststoff
  • Papier
  • Textilien
  • Metall
  • Glas

Zu beachten ist die elektronische Funktionalität, die Leitfähigkeit, der Materialien und, dass die Materialien als Lösung oder Suspension, Dispersion vorliegen. Besonders wichtig für diese, die als Leiter, Halbleiter oder Isolatoren eingesetzt werden. Eine große Rolle spielt auch die Prozessierbarkeit im Druckverfahren der Materialien. Wichtige Faktoren dabei sind Viskosität, Oberflächenspannung und Feststoffgehalt und Wechselwirkungen mit anderen Schichten sowie der Trocknungsprozess. Bei den Massendruckverfahren können flexible Substrate wie Folien aus PET (Polyethylenterephthalat), PEN (Polyethylennaphthalat) oder PI (Polyimid) zum Einsatz kommen. Zu den am häufigsten für Printed Electronic verwendeten Materialien zählen die leitfähigen Polymere Poly-3,4-ethylendioxythiophen, das mit Polystyrensulfonat dotiert wird (PEDOT:PSS), und Polyanilin (PANI).

Verfahren

Printed Electronics kann mit allen gängigen Druckverfahren stattfinden. Im Prinzip müssen diese nur etwas angepasst werden. Anstatt der mehrfachen Farbschichtung werden mehrere Funktionsschichten übereinander gedruckt.  

Die Auswahl des Druckverfahrens ist abhängig von den Anforderungen an das spätere Produkt.

  1. Welche Eigenschaften müssen die Pasten/Tinten aufweisen?
  2. Wie viele gedruckte Schichten sind notwendig?
  3. Welche Substrate werden bedruckt?
  4. Gibt es Preisvorgaben?
  5. Welche weiteren technischen Eigenschaften müssen gegeben sein?

Herkömmlicherweise werden von den industriellen Druckverfahren hauptsächlich der Inkjet- und Siebdruck sowie die sog. Massendruckverfahren Tiefdruck, Offsetdruck und Flexodruck in der gedruckten Elektronik verwendet. Während die Massendruckverfahren meist das Rolle-zu-Rolle-Verfahren nutzen, wird beim Sieb- und  Inkjetdruck meist das Bogenverfahren eingesetzt. Es existieren jedoch noch weitere Varianten.

Massendruckverfahren

Zu den Massendruckverfahren gehören der Flexo-, Tief- und Offsetdruck. Sie haben vor allem den Vorteil der Produktivität und führen dadurch zur Senkung der Herstellungskosten. Für die Anwendung für die gedruckte Elektronik wird viel Wissen benötigt, außerdem sind die Massendruckkverfahren mit einem hohen Aufwand verbunden, der jedoch unter dem der konventionellen Elektronik liegt. Der Flexo- und Offsetdruck eignen sich vor allem für anorganische und organische Leiter (Flexodruck auch für Dielektrika). Der Tiefdruck eignet sich aufgrund der hohen Schichtqualität besonders für qualitätssensible Schichten wie beispielsweise organische Halbleiter und Halbleiter/Dielektrikum-Grenzschichten in Transistoren.

Siebdruck

Siebdruck bietet die Möglichkeit der Erzeugung von dicken Schichten aus pastösen Materialien und eignet sich daher zur Erstellung der für die Bauteile notwendigen Einzelschichten. Für die Fertigung von Elektronik und Elektrotechnik ist dieses Verfahren daher hochspannend. Mit Siebdruck werden insbesondere Leiterbahnen aus anorganischen Metallen (z. B. für Leiterplatten, Antennen oder Glucose-Teststreifen) hergestellt. Ebenso ist das Verfahren aber auch geeignet zur Erzeugung von isolierenden und Passivierungsschichten.

Tintenstrahldruck

Tintenstrahldruck wird auch Inkjetdruck genannt. Es handelt sich um ein flexibles digitales Druckverfahren mit einem breiten Einsatzgebiet. Das Verfahren kann im Labormaßstab durchgeführt werden und erfordert vergleichsweise wenig Aufwand. Der Tintenstrahldruck ist das am häufigsten für die gedruckte Elektronik eingesetzte Verfahren. Insbesondere für niedrigviskose, gelöste Materialien wie organische Halbleiter, zur Erstellung von organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs), ist es erfolgsversprechend. Das Druckverfahren wird aber auch gerne zum Drucken von Front- und Backplanes,OLED-Displays, integrierten Schaltungen und organischen photovoltaischen Zellen (OPVCs) verwendet. Komplikationen treten immer wieder bei hochviskosen Materialien, wie organischen Dielektrika, und dispergierten Partikeln, wie anorganischen Metallfarben, auf, da hier die Düsen häufig verstopfen. Bei Inkjetdruck wird die Schicht tropfenweise aufgetragen, was die Homogenität limitiert. Dagegen helfen Maßnahmen wie die Parallelisierung, das bedeutet die Nutzung von vielen Düsen gleichzeitig oder von jettenden Dosierventilen.

Grüne Folie mit Leiterbahnen und Elektronikbauteilen
Gedruckte Leiterbahnen und auf Folie bestücke Bauteile von Hoffmann + Krippner

Anwendungen

Printed Electronics hat viele Anwendungsbereiche, darunter

  • Funktionale Folie
  • Gedruckte Schaltkreise in Kombination mit konventionellen elektronischen Bauteilen
  • Gedruckte Widerstände
  • Flexible Elektronik
  • Transparente durchleuchtbare Touchfolien
  • Hybride Baugruppen
  • RDIF Systeme auf Verpackungen

Gedruckte Elektronik vs Konventionelle Elektronik

Hand hält Folie mit bedruckten Sensoren zwischen den Fingern
Printed Electronics von Hoffmann + Krippner.
Gedruckte Elektronik Konventionelle Elektronik
große Schaltzeiten sehr kleine Schaltzeiten
geringe Integrationsdichte sehr hohe Integrationsdichte
optimal für große Flächen nur für kleine Flächen
flexible Substrate starre Substrate
simple Herstellung schwere Herstellung
sehr geringe Produktionskosten hohe Produktionskosten