Von der Nische in die Masse Neue Druckprozesse und Materialien für die gedruckte Elektronik

Gedruckte Elektronik als Heizsystem
Gedruckte Elektronik als Heizsystem

Die Erfahrungen aus der klassischen Drucktechnik, kombiniert mit neuen Fertigungsverfahren und Materialien, heben die gedruckte Elektronik auf ein neues Level und ebnen ihr den Weg zu Massenanwendungen. Inzwischen hat sogar die Automobilindustrie ihre Vorzüge entdeckt.

So zeigte Henkel Electronics, eine Division des Kleb- und Dichtstoff-Herstellers Henkel, auf der diesjährigen Fachmesse LOPEC erstmals seine druckbaren Heizsysteme, die bereits in Fahrzeugen eines deutschen Premium-Autobauers in der Sitzheizung zum Einsatz kommen. »Diese Art der Heizung ist sehr energiesparend, heizt sich gleichmäßig auf, es besteht keine Kurzschlussgefahr, und zudem wird keine separate Steuerung benötigt«, fasst Ruud de Wit, Sales Manager von Henkel, die Vorteile der Technologie zusammen. Bisherige Systeme, in denen Drähte zum Einsatz kommen, sind hingegen nach den Worten von de Wit nicht nur unhandlich, sondern vor allem auch aufwändig in der Verarbeitung. Hinzu komme der Nachteil, dass sie heißere und kältere Stellen – hot spots und cold spots – aufweisen.

Die technische Basis für die gedruckte Heizung sind elektrisch leitfähige Carbonlacke, die im Siebdruckverfahren auf verschiedene Materialien aufgetragen werden. »Wie heiß das Material wird, können wir über die Zusammensetzung des Bindemittels steuern«, so de Wit. Im Fall der Sitzheizung schaltet sich das System automatisch bei 60 °C ab. So vielversprechend wie die neue Technologie, so breit gefächert sind die Anwendungsfelder, wie Lothar Reimann ergänzt, Regional Sales Manager von Henkel: »Wir wissen, dass eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung vor allem für Anwendungsbereiche wie medizinische Geräte, Autobatterien oder auch Fußboden und Spiegelheizungen von zentraler Bedeutung ist.«

Neben den Carbonlacken hat Henkel eine weitere Materialinnovation für die gedruckte Elektronik vorgestellt: die Loctite-ECI-5000-Serie transparenter leitfähiger Druckfarben. Sie kann z.B. für industrielle Touchscreens, Solarzellen, elektrolumineszente Beleuchtungssysteme und Mikro-LED-Beleuchtungen als Ersatz für Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt werden. Die Tinten lassen sich laut de Wit in standardisierten Druckprozessen verarbeiten, was im Vergleich zu ITO die Prozesskosten reduziere.

Aus Maschinensicht beruht der Fortschritt bei der gedruckten Elektronik auf der Kombination altbewährter Druckverfahren mit neuen technischen Lösungen. An deren Perfektion und massenfertigungstauglicher Skalierung arbeiten Forschung und Industrie mit Hochdruck. So hat das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen in einer robotergestützten Fertigungsstraße mehrere Druckverfahren kombiniert: Sieb-, Inkjet-, Dispens- und Aerosol-Jet-Druck sind modular in der Produktionseinheit kombiniert. Der Roboter »beschickt« die einzelnen Module vollautomatisiert mit den zu fertigenden Bauteilen. »Mit der neuen Fertigungsstraße können wir verschiedene Materialien kombinieren und Produkte nach Kundenwunsch fertigen«, erklärt Dr. Volker Zöllmer, Abteilungsleiter am Fraunhofer IFAM.

Nun sind Druckprozesse für die gedruckte Elektronik im Grunde ja nichts Neues, neu ist nach den Worten von Dr. Dirk Godlinski, Projektleiter Funktionsstrukturen am Fraunhofer IFAM, aber die Kombination aus verschiedenen Druckverfahren und die Automatisierung. Wie funktioniert ein »Druckvorgang« im Detail? Nachdem per Steuerungssoftware je nach gewünschtem Endprodukt die Reihenfolge und Art der Drucker festgelegt wurde, greift der Roboter den Probenträger, also beispielsweise eine Platine, und befördert sie zur ersten Druckstation. Um 200 µm breite Leiterbahnen in die Oberfläche zu integrieren, wird zunächst der Dispenser, ein Dosiersystem mit Piezoantrieb, angesteuert. Über ein Ventil lassen sich das Volumen und die Tropfengröße der viskosen Medien – etwa eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs – exakt dosieren. Soll die Leiterbahn zu einem Sensor führen, wird die Platine im nächsten Schritt an den Aerosoldrucker weitergeleitet. Dieses Spezialgerät für feinste Strukturen druckt den Sensor auf. Je nach Anwendung werden weitere Drucker angesteuert. Abschließend erfolgt eine thermische Nachbehandlung, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die bedruckbaren Substrate können die Größe eines DIN-A3-Blatts haben, die Höhe der Bauteile kann mehrere Zentimeter betragen.

Die Linie des Fraunhofer IFAM Bremen wurde aus Eigenmitteln aufgebaut, aber es gibt laut Aussage von Godlinksi auch bereits Industriepartner, die Druck-Projekte für die Serie mit dem Institut evaluieren. Weitere Industriepartner sind natürlich willkommen. Auch weitere Druckverfahren in die Linie zu integrieren, sei möglich.

Eine weitere Neuentwicklung der Drucktechnik zeigte der US-Hersteller Optomec mit seiner Aerosol-Jet-Technologie, die Elektronik quasi aus Luft entstehen lässt: »Die Aerosol-Jet-Technik wurde so entwickelt, dass sie viele Materialien verarbeiten kann, die in der Elektronikindustrie verwendet werden«, unterstreicht Mike O’Reilly, Director of Product Commercialization von Optomec. Berührungs- und maskenlos lassen sich strukturierte Schichten auf ebenen und dreidimensionalen Substraten aufbringen. Im Gegensatz zu ähnlichen Strukturierungstechnologien wie etwa dem Inkjet Printing ermöglicht die Aerosol-Jet-Technik die Verarbeitung von Lösungen und Dispersionen mit einem größeren Viskositätsbereich und erreicht dabei minimale Strukturbreiten von 10 μm.

Eine interessante Neuerung zeugte auch der Maschinenhersteller Coatma mit seiner Produktserie »Test Solution«: Die kompakten und kostengünstigen Laboranlagen können beschichten, drucken und laminieren im Kleinstmaßstab – sowohl Stückgut als auch Rolle-zu-Rolle. Sie lassen sich mit unterschiedlichen Druck- und Beschichtungssystemen (Slot Die, Rakel, Flexo und Gravurwalze) ausstatten und sind vielfältig erweiterbar. Der von Coatema entwickelte Thin Film Coater/Printer erhielt vor kurzem sogar den IHK IHK Forschungs- und Innovationspreis des Landes Nordrhein-Westfalen. Bei der prämierten Ausführung handelt es sich um eine hochpräzise Laboranlage mit Stückgutbeschichtung, die in einem Durchgang drucken und beschichten kann. Durch eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Substratträgers – anstelle der Applikationssysteme – wird der Prozess einer Rolle-zu-Rolle Beschichtung imitiert, was zu Ergebnissen führt, die die Hochskalierung zum Produktionsprozess vereinfachen. Die Maschine verbindet neue Motorentechnik mit fein justierbaren Applikationen, die Schichtdicken im Sub-Mikrometer Bereich auftragen können.