Printed Electronics: Schaltkreise aus dem 3D-Drucker eröffnen neue Möglichkeiten

Die Produktion von Elektronik ist bisher ein Hightech-Geschäft. In den letzten Jahrzehnten zeigte die Entwicklung stets in eine Richtung: Die Produkte sollten immer schneller und kleiner werden. Doch dies könnte sich nun ändern. Verantwortlich dafür ist das sogenannte „Internet der Dinge“ – also die Vernetzung von verschiedenen alltäglichen Gegenständen. Dies können beispielsweise Sensoren an der Milchtüte oder Solarzellen auf Textilien sein. Dadurch aber verschieben sich die Prioritäten bei der Produktion. Nun geht es vor allem darum, die Schaltkreise möglichst preiswert herzustellen. Denn bei der Milch beispielsweise sind die Kunden extrem preissensibel. Zusätzlich erhöht sich die Komplexität. Denn die Schaltkreise werden nicht mehr auf Siliziumscheiben mit einer glatten Oberfläche gedruckt, sondern auf flexible und teilweise unebene Materialien. Forscher in der Schweiz wollen diese Herausforderungen mithilfe des 3D-Drucks meistern.

Graphen könnte die Handhabung deutlich vereinfachen

Eine großes Problem besteht darin, die benötigten Werkstoffe zunächst einmal in eine druckbare Form zu bekommen. Oder anders ausgedrückt: In der Herstellung der Tinte für den Drucker. Im Idealfall besteht diese nur aus zwei Komponenten. Dem funktionalen Material und Lösungsmitteln, die nach dem auftragen von alleine wieder verdampfen. In der Praxis werden aktuell aber noch zusätzliche Bindemittel benötigt. Damit diese nach dem Druck nicht die Leistung der Elektronik beeinflussen, müssen sie anschließend weggebrannt werden. Dies kann aber auch zu Beschädigungen am bedruckten Material führen. Die Schweizer Forscher setzen daher auf das Wundermittel Graphen. So soll eine Tinte entwickelt werden, die nur aus Graphenschichten und Lösungsmitteln besteht und sich auf einer Vielzahl an Materialien aufbringen lässt. Für Tinten, die auf Metalloxid-Nanopartikeln basieren, haben die Forscher zudem das sogenannte „Flash Sintering“ entwickelt. Dabei erhitzen ultrakurze Blitze gezielt die gedruckte Schicht.

Die Hitze des Druckers lässt sich gezielt einsetzen

Die Forscher wollen zudem keine reine Grundlagenforschung betreiben, sondern haben stets auch die industrielle Umsetzung im Blick. Sämtliche entwickelten Verfahren basieren daher auf Geräten, die schon jetzt in entsprechenden Betrieben zum Einsatz kommen. Wissenschaftliche Durchbrüche können so vergleichsweise schnell in der Praxis umgesetzt werden. Gleichzeitig arbeiten die Wissenschaftler daran, die besonderen Eigenschaften eines 3D-Druckers noch gezielter zu nutzen. So wird das aufgetragene Material stets extrem stark erhitzt. Lokal werden so Temperaturen von bis zu 2.500 Grad Celsius erreicht. Dies führt dazu, dass bei Legierungen bestimmte Bestandteile schlicht verdampfen. In einigen Fällen kann dies zum Problem werden. Gleichzeitig stellt dies aber auch eine Chance dar. Denn durch den gezielten Einsatz der Hitze kann so die chemische Zusammensetzung individuell verändert werden. So druckten die Forscher ein extrem kleines Schachbrett aus 16 Feldern, bei denen nur jedes zweite magnetisch war.

Das wirtschaftliche Potenzial ist gewaltig

Zunächst einmal könnte man dies für eine reine Spielerei halten. Tatsächlich gibt es für diese Fähigkeit aber durchaus sinnvolle Anwendungsszenarien. So sprechen die Forscher etwa davon, auf diese Weise die Effizienz von Elektromotoren erhöhen zu wollen. Weitere Forschungsarbeit auf diesem Gebiet soll auch hier zeitnah zu neuen Anwendungen in der Industrie führen. Denn es handelt sich keineswegs mehr um einen reinen Nischenmarkt. So hat ein neuer Branchenreport ergeben, dass schon heute weltweit rund 35 Milliarden Dollar mit organischer und gedruckter Elektronik umgesetzt werden. Dies ist ein durchaus erstaunlicher Wert, wenn man die Tatsache bedenkt, dass die meisten angedachten Einsatzmöglichkeiten noch gar nicht im großen Stil realisiert wurden. Die Arbeit der Schweizer Forscher soll dazu beitragen, dass sich dies zeitnah ändert.

Via: Empa