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Gedruckte Elektronik

Biegsame Elektronik aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Stefanie Michel

Produkte werden immer intelligenter. So muss trotz fortschreitender Miniaturisierung Platz für Elektronik im Bauteil sein. Forscher haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich biegsame Elektronik im 3D-Druck produzieren lässt, die in solche Bauteile integrierbar ist.

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Ein Geflecht aus Silbernanodrähten bildet die flexible Elektronik. Die Drähte sind typischerweise 0,01 bis 0,02 mm lang und wenige Dutzend Nanometer dick.
Ein Geflecht aus Silbernanodrähten bildet die flexible Elektronik. Die Drähte sind typischerweise 0,01 bis 0,02 mm lang und wenige Dutzend Nanometer dick.
( Bild: Universität Hamburg/Ferdinand Otto )
  • Forscher der Universität Hamburg und des Desy haben ein 3D-Druck-taugliches Verfahren entwickelt, mit dem sich flexible Elektronik aus einem Geflecht von Silbernanodrähten produzieren lässt.
  • Die Silberdrähte sind in ein 3D-druckbares Polymer eingebettet. Während des Aushärtungsprozesses und der damit verbundenen Kompression steigt die Leitfähigkeit des Geflechts an.
  • Als nächsten Schritt wollen die Forscherinnen und Forscher überprüfen, wie sich die Struktur der Leiterbahnen aus Nanodrähten unter mechanischer Belastung verändert.

Eine Forschungskooperation der Universität Hamburg und des Deutschen Elektronen-Synchrotron „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 Silbernanodrähten, 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 die Doktorandin Tomke Glier von der Universität Hamburg im Fachblatt „Scientific Reports“ berichtet.

Beispiel für einen flexiblen und transparenten Elektronikbaustein: ein biegsamer Kondensator.
Beispiel für einen flexiblen und transparenten Elektronikbaustein: ein biegsamer Kondensator.
( Bild: Universität Hamburg/Tomke Glier )

Die Forscherinnen und 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, Physikprofessor der Universität Hamburg am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer Kooperation von Desy, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Mit unserem neuartigen Ansatz wollen wir Elektronik in vorhandene strukturelle Einheiten integrieren und platz- und gewichtsparend Komponenten intelligenter machen.“

Leitendes Geflecht aus Silbernanodrähten

Rübhausen hat das Projekt gemeinsam mit dem Desy-Forscher Stephan Roth geleitet, der auch Professor an der Königlich-Technischen Hochschule in Stockholm ist. Mit dem hellen Röntgenlicht von Desys Forschungslichtquelle Petra III und anderen Messmethoden hat das Team die Eigenschaften der Nanodrähte im Polymer genau analysiert.

„Herzstück der Technik sind Silbernanodrähte, die ein leitendes Geflecht bilden“, erläutert Glier. Die Silberdrähte sind typischerweise einige Zehn Nanometer dick und 10 bis 20 µm lang. Die detaillierte Röntgenanalyse zeigt dabei, dass die Struktur der Nanodrähte im Polymer nicht verändert wird. Stattdessen verbessert sich sogar die Leitfähigkeit des Geflechts dank der Kompression durch das Polymer, weil 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.

3D-Drucktechnik muss noch angepasst werden

In der vorliegenden Arbeit 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. Für den zukünftigen Einsatz merkt Rübhausen allerdings an: „Wesentlich hierfür ist aber auch 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.“

In einem nächsten Schritt wollen die Forscherinnen und Forscher nun überprüfen, wie sich die Struktur der Leiterbahnen aus Nanodrähten unter mechanischer Belastung ändert. Als typische Problemstellungen nennt Roth, wie gut das Drahtgeflecht beim Biegen zusammenhält oder wie stabil das Polymer bleibt. Dafür sei die Untersuchung mit Röntgenstrahlung sehr gut geeignet, weil man nur damit in das Material hineinschauen und so die Leiterbahnen und -flächen der Nanodrähte analysieren könne.

An der Arbeit waren Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg, der Königlich-Technischen Hochschule Stockholm, des Wallenberg-Zentrums für Holzwissenschaft in Stockholm, des Hamburger Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und von Desy beteiligt. Die Ergebnisse wurden bereits im Fachblatt „Scientific Reports“ im April 2019 veröffentlicht.

Dieser Artikel ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MaschinenMarkt erschienen.

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