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Forschungs-bereich

Digitale Druckverfahren für den Einsatz im Bereich "Printed Electronics"

 

Die gedruckte Elektronik vereint Erkenntnisse und Entwicklungen der Drucktechnologien, der Elektronik sowie der Chemie und Materialwissenschaften. Die Attraktivität der Anwendung von Direktstrukturierungsverfahren zur Herstellung von Elektronik resultiert in erster Linie aus der Möglichkeit, mikrostrukturierte Schichten in wesentlich einfacherer und kostengünstigerer Weise als in der konventionellen Elektronik herzustellen. Daneben spielt auch die Möglichkeit eine Rolle, neue und verbesserte Funktionalitäten (z.B. mechanische Flexibilität) zu realisieren. In der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgruppe Funktionelle Oberflächen (Institut MATERIALS) werden zu diesem Zweck hauptsächlich Inkjet- und Aerosol-Jet-Druckverfahren verwendet.

Druck eines PCB (Printed Circuit Bord)- Layout auf Glas mittels Aerosol Jet Druck
Druck eines PCB (Printed Circuit Bord)- Layout auf Glas mittels Aerosol Jet Druck

Leistung

Von der Materialauswahl zum Druckprozess

Unser Angebot umfasst im ersten Schritt die Synthese und Auswahl funktionalisierter Materialien, die Überführung in druckbare Tinten sowie deren rheologische Charakterisierung. In einem weiteren Schritt erfolgt die Prozessentwicklung der entsprechenden Drucktechnologien, die Anpassung an das gewünschte Substrat und die morphologische Charakterisierung der gedruckten Strukturen. Im Rahmen von Technologietransferprojekten unterstützen wir unsere Partner auch bei der Installierung und Einführung der Druckprozesse im eigenen Haus.

 

Druckverfahren

Inkjet Druck ist eine kontaktlose Methode zur Übertragung von Strukturen und Mustern auf ein Substrat durch Auftragen von an einer Düse erzeugten kleinen Flüssigkeitströpfchen. Während die Produktion und Fertigung entsprechender Druckköpfe (z.B. unter Einsatz von MEMS Technologie) bereits industrielle Reife erreicht hat, ist die Formulierung geeigneter Tintenzusammensetzungen noch eine große Herausforderung. In diesem Bereich wurde in den letzten Jahren am Institut MATERIALS sukzessive Know-how aufgebaut, um Kunden maßgeschneiderte Lösungen anbieten zu können. Tintenformulierungen müssen genaue Vorgaben zu physikalisch-chemischen Parametern (wie Viskosität, Oberflächenspannung, Haftung, ...) erfüllen, um hohe Präzision und Reproduzierbarkeit von mittels Inkjet gedruckten Strukturen zu gewährleisten.

Dimatix-DMP-2800
Dimatix-DMP-2800

Neu: Aerosol Jet Druck

Während sich die Inkjet-Technologie in der Vergangenheit im Bereich der graphischen Anwendungen bereits sehr schnell durchsetzen konnte, wurden in letzter Zeit auch immer mehr Anwendungen zur Strukturierung hochwertiger, funktioneller Materialien erschlossen. Dabei können Inkjet-Tinten sowohl in Form von Lösungen funktioneller Polymere oder Moleküle als auch als Dispersionen funktioneller Nanopartikel und Pigmente formuliert werden. Inkjetdruck hat sich als vielversprechende Strukturierungsmethode in der Elektronik und Optoelektronik herausgestellt. Beispiele dafür sind z.B. Inkjet-Strukturierung von konjugierten Polymeren für OLEDs und Displays, von elektrisch leitenden Polymeren oder anorganischen Metallkolloiden zur Herstellung von Leiterbahnen. Ebenso eignet sich die Inkjet-Technologie zur Herstellung von DNA- Biochips, Biosensoren und aber auch für den Einsatz in faseroptischen Sensoren. Technisches Inkjet-Printing bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Druck- und Strukturierungstechniken auf flexiblen Substraten:

  • Kontaktlose Technik; keine Kontamination oder mechanische Beschädigung des Substrats.
  • Der parallele Einsatz von vielen Druckköpfen ermöglicht einen hohen Durchsatz.
  • Simultanes Drucken von verschiedenen Materialien über mehrere Düsen ist möglich.
  • Sehr präzise Kontrolle über das aufgebrachte Materialvolumen.
  • Sehr gute Kontrolle über laterale Strukturbreiten.

 

Aerosol Jet Druck ermöglicht die Herstellung elektronischer, struktureller oder biologischer Strukturen auf unterschiedlichsten Substraten. Dazu werden funktionalisierte Tinten entweder durch Ultraschall bzw. pneumatisch zerstäubt und das entstehende Aerosol kontinuierlich über ein Schlauchsystem zum Druckkopf geführt. Dieser fokussiert den Aerosol- Strahl durch ein Schutzgas auf die Substratoberfläche. Da sich die Düse ca. 1-5 mm über der Oberfläche befindet stellt dieser Prozess ein kontaktfreies Direktstrukturierungsverfahren mit hoher Auflösung dar und ermöglicht zudem auch die Verwendung nicht planarer Substrate. Nach der Abscheidung erfolgt typischerweise eine thermische oder chemische Nachbehandlung um die gewünschten elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften sowie die Anhaftung auf dem Substrat gewährleisten zu können. Im Gegensatz zu ähnlichen Strukturierungstechnologien ermöglicht das beschriebene Verfahren die Verarbeitung von Lösungen und Dispersionen mit einem gegenüber Inkjet-Verfahren deutlich größeren Viskositätsbereich (1-2500 mPa.s) und erreicht dabei minimale Strukturbreiten von 10µm. In Abhängigkeit der Prozessdauer und der verwendeten Materialien ist es außerdem möglich, unterschiedliche Schichtdicken zu generieren bzw. mehrlagige Strukturen durch überdrucken aufzubauen. Die verwendbaren Materialien spannen einen weiten Bogen von metallischen Leitern, organischen Halbleitern, Widerständen, Keramiken, Kompositmaterialien, Dielektrika bis hin zu biologischen Materialien. Diese Technologie ist in verschiedenen, industriell relevanten Bereichen einsetzbar:

  • für Interconnects das Drucken von Verbindungen beim Packaging hochintegrierter Bauelemente als Alternative zum Bonden
  • für neue Verfahren der Aufbringung leitender Strukturen in Medizintechnik, für White-Boards, oder großflächige Sensorik
  • für neuartige Produkte, welche gezielt die Möglichkeiten der Drucktechnologien beziehungsweise der neuen, verdruckbaren Materialien nutzen.

Dies beinhaltet funktionelle Strukturen unterschiedlicher Natur (chemisch aktive Strukturen, Oberflächenmodifikation, organische (Opto-)Elektronik, sensorische Elemente, oder mikrooptische Anwendungen). Durch diese Technologie und die damit vereinfachte Prozesskette können im Vergleich zur in diesen Bereichen bisher eingesetzten Mikrosystemtechnik Kosten eingespart und gleichzeitig die Produkteinführungszeit verkürzt werden.

OPTOMEC Aerosol Jet  300CE Deposition System
OPTOMEC Aerosol Jet 300CE Deposition System
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