Biegsame Schaltkreise für den 3D-Druck

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 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 Uni Hamburg berichtet. Die Forscher demonstrieren das Potenzial ihres Verfahrens unter anderem mit einem biegsamen Kondensator.

„3D-druckbare Polymere für unterschiedliche Anwendungen zu funktionalisieren war Ziel dieser Studie“, berichtet Michael Rübhausen von der Uni Hamburg. „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. Mit der Strahlung der Röntgenquelle PETRA III am DESY 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 dick und zehn bis zwanzig Mikrometer 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. „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.

In ihrer Studie 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 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.“ 

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. E. Glier et al.: Functional Printing of Conductive Silver-Nanowire Photopolymer Composites; Sci. Rep. 9, 6465 (2019); DOI: 10.1038/s41598-019-42841-3
• Optik-Gruppe (M. Rübhausen) Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik, FB Physik, Universität Hamburg
• Center for Free Electron Laser Science, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft