Elektronik aus dem Drucker

Elektronik aus dem Drucker wird jetzt noch einfacher

Eine neue Technik, von Forschern in China entwickelt, ermöglicht ein einfacheres Drucken von elektronischen Bauteilen auf Papier.

Die Elektronikfertigung im Heimwerkerbereich könnte bald mit Ihrem Desktop-Drucker möglich sein, sagen die Designer eines neuen Systems, das elektronische Schaltungen direkt auf gewöhnliches Papier druckt.

Jing Liu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking sagte, dass der am 9. Mai in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlichte Vorabdruck seines Teams ein Sprung nach vorne im boomenden Geschäft mit gedruckter Elektronik sein könnte.

„Diese brandneue Technik bietet eine wichtige Möglichkeit, eine schnelle Herstellung von kostengünstigen, wegwerfbaren, bequem tragbaren Schaltungen und Funktionskomponenten zu realisieren“, sagte er und fügte hinzu, dass das Verfahren dazu beitragen könnte, „den Weg in Richtung persönlicher gedruckter Elektronik zu ebnen“.

Eines Tages könnten die Menschen diese und ähnliche Technologien nutzen, um ihre eigenen maßgeschneiderten elektronischen Geräte zu entwickeln. Darunter elektronische Grußkarten, Videospielsteuerungen, berührungsempfindliche Handytaschen oder Solarzellen-Arrays.

Wissenschaftler drucken bereits elektronische Schaltungen auf flexiblen Materialien wie Kunststoffen, die sich zu funktionalen Produkten formen lassen. Antennen sind ein häufiges Beispiel.

Aber viele der vorhandenen elektronischen Tinten, die zur Herstellung solcher Schaltungen verwendet werden, müssen bei sehr hohen Temperaturen gedruckt werden. Etwa 400°C (750°F) – oder sie werden nicht genügend Strom leiten, um zu funktionieren.

Das bedeutet, dass sie nicht einfach auf Papier gedruckt werden können. Aber Papier ist für gedruckte Elektronik sehr begehrt. Denn es ist billig, recycelba, leicht und lässt sich leicht rollen oder falten.

Eine neue Formel

So entwickelten Jing und Kollegen eine neue Tinte auf Metallbasis, die bei Raumtemperatur funktionieren konnte.

Ihre ursprüngliche Formel ließ die Tinte zu Tröpfchen zusammenballen, was das Auftragen und Verkleben auf dem Papier erschwerte.

So modifizierte das Team die Tinte, indem es die flüssige Metalllegierung mit Sauerstoff einspritzte. So dass sie sich besser für den Druck auf die Art von Papier eignet, die für Buchumschläge, Etiketten und Werbeträger verwendet wird.

Eine neu entwickelte Bürste – ähnlich einem porösen Stecknadelkopf – wurde ebenfalls entwickelt. Um die langsam fließende Tinte zu liefern, die herkömmliche Drucker verstopfen würde.

Während sich die meisten elektronischen Druckfarben nach dem Drucken verfestigen, bleibt die von den Forschern verwendete Druckfarbe flüssig und wird von einer zweiten Beschichtung aus Silikonkautschuk umschlossen – so entsteht ein Kanal zum Halten der Druckfarbe.

Biegsam

„Die gefertigten Schaltungen lassen sich auch bei häufigem Biegen nicht so leicht abbrechen und zeigen eine attraktive und ausgeprägte mechanische Flexibilität, die ein entscheidender Vorteil bei der Herstellung flexibler Elektronik ist“, schreiben die Autoren.

Da die elektronischen Farben mit Gummi ummantelt sind, können sie auch in Schichten gestapelt werden, ohne ihre elektrische Funktionalität zu beeinträchtigen. Dies würde es den Anwendern ermöglichen, elektromechanische Funktionen in den Körper von 3D-Druckobjekten zu integrieren.

„Die meisten der derzeit verfügbaren 3D-Drucker sind nur in der Lage, mechanische Objekte ohne Elektronikmerkmale herzustellen“, sagte Jing, wie z.B. kundenspezifische Artikel wie Handytaschen oder Schmuck.

Jings Team hat erfolgreich gedruckte Schaltungen und funktionale Komponenten auf Papier gedruckt, darunter leitende Drähte, Induktionsspulen und flexible Antennen – die Bausteine personalisierter elektronischer Geräte.

Billig, grün, aber nicht einfach

Der Druck von Elektronik auf Papier und nicht auf Kunststoff hat sich als problematisch erwiesen, verspricht aber eine umweltfreundlichere Alternative zur traditionellen Produktion.

Einer der großen Vorteile des Entwicklungsbereichs ist ein geringerer ökologischer Fußabdruck, da man durch das Verfahren ein Großteil der Rohstoffe, Energie und Wasser einspart, die heute für die Herstellung konventioneller Elektronik verwendet werden.

Die Maschine, die Jing und sein Team entwickelt haben, ist immer noch teuer für den täglichen Gebrauch, aber die Gruppe ist bestrebt, sie für den durchschnittlichen Desktop erschwinglich zu machen.

Ihre Maschine könnte sich bald einem überfüllten Feld anschließen; mehr als 3.000 Unternehmen arbeiten bereits an gedruckter Elektronik.

IDTechEx, eine Marktforschungsberatungsgruppe mit Sitz in Cambridge, England, prognostiziert, dass der Markt für Papierelektronik – geschätzt auf rund 16 Milliarden Dollar im Jahr 2013 – bis 2023 auf fast 77 Milliarden Dollar wachsen wird.

Hier sind einige Bereiche, in denen dieses fünffache Wachstum stattfinden könnte.

Displays und Werbung

Obwohl man es vielleicht nicht erkennt, wenn man es sieht, taucht die OLED-Technologie (Organic Electroluminescence Display) in Form von beleuchteten Displays, wie z.B. Autotachometer, und als flexible, robuste und auffällige Werbung auf.

OLED verwendet gedruckte Schichten von Partikeln auf Kohlenstoffbasis, die Strom direkt in Licht umwandeln.

Diese Fortschritte in der gedruckten Elektronik lassen traditionelles Papier lebendig werden. Schaltkreise können nun auf Poster und andere traditionelle Displays gedruckt werden, was sie interaktiv macht, z.B. durch das Abspielen von Clips von Songs, wenn jemand auf eine gedruckte Werbung für ein bevorstehendes Konzert drückt.

Batterien

Starre, sperrige Lithium-Batterien haben dem Design kleiner Elektronik längst Grenzen gesetzt. Aber die Technologie der gedruckten Elektronik ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen, grünen Dünnschicht-Batterien.

Diese flexiblen Alternativen können eine vielversprechende Zukunft in tragbarer elektronischer Kleidung und medizinischen Implantaten haben. Oder sie könnten ein Mobiltelefon ermöglichen, das so dünn wie eine Kreditkarte ist.

Mehrere Unternehmen entwickeln solche Batterien jetzt mit Druckverfahren, die denen ähneln, die man bei der Herstellung von Siebdruck-T-Shirts verwendet. Aber sie legen Schichten von elektrochemischen Tinten aus Zink, Metalloxid und Elektrolyten anstelle von Fluoreszenzfarbstoffen auf.

Energiefresser

Ein Georgia Tech-Team unter der Leitung von Mano Tentzerisis nutzte die Inkjet-Drucktechnologie, um Sensoren, Antennen und eine silberne Nanopartikel-Tintenemulsion zu einem Gerät zu kombinieren, das Energie aus der Luft gewinnt.

Das Gerät zieht niedrige Energieniveaus aus den elektromagnetischen Wellen, die Funkgeräte und Radargeräte ausstrahlen. Diese Forschungsrichtung könnte eines Tages zu eigenständigen elektronischen Geräten führen.

RFID-Tags

Radio Frequency Identification (RFID)-Tags speichern Informationen und übertragen sie drahtlos über elektromagnetische Felder.

Gedruckte Elektronik ermöglicht die Herstellung kostengünstiger Versionen dieser Tags für den Einsatz in Nahverkehrstickets und Schlüsselkarten für Bürogebäude.

Immer mehr Smart Tags können dazu beitragen, die Echtheit eines Produkts gegenüber Fälschern zu überprüfen. Oder den Weg von Meeresfrüchten vom Boot bis zum Fischhändler zu verfolgen. Und um zu erkennen, ob die Lebensmittel auf dem gesamten Weg kalt bleiben.

Sie können sogar potenzielle Käufer mit der Hintergrundgeschichte eines Produkts in Verbindung bringen. Eine Flasche Wein könnte die Liebhaber der Region, der Weinberge und sogar der Erzeuger, die das Getränk kreiert haben, näher bringen. Indem sie gespeicherte Daten auf dem Etikett mit dem mobilen Gerät des Käufers verknüpfen.

Solarzellen

Gedruckte Elektronik eröffnet die Möglichkeit, papierähnliche, transparente, tragbare Solarzellen zu falten, zu verstauen und bei Bedarf auszurollen.

Mehrere Forscherteams haben es bereits geschafft, Photovoltaikzellen auf Druckerpapier zu drucken.

Und während diese Anwendungen in naher Zukunft keine großen Mengen an Strom versprechen, könnten diese netzunabhängigen Energieerzeuger schließlich Strom in entlegene Gebiete bringen. Einen Großteil der ländlichen Gegenden der Welt könnte man so, zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Solaranlagen, mit Strom versorgen.

Fernseher

LG Electronics hat in diesem Monat den weltweit ersten gekrümmten OLED-Fernseher auf den südkoreanischen Markt gebracht.

Gedruckt mit organischen Leuchtdioden, ist der Fernseher nur 4,3 Millimeter (0,17 Zoll) dick.

Das neue Modell kostet mehr als 13.000 US-Dollar, aber die Konkurrenz könnte bald die Preise für Aufkleber senken. DuPont zum Beispiel hat bereits angekündigt, dass es möglich ist, ein eigenes 50-Zoll (1,3 Meter) Set in nur zwei Minuten zu drucken.

Intelligente Stoffe

Einige elektrisch leitfähige Tinten kann man auf Gewebe drucken. Um „intelligente Gewebe“ herzustellen, was die Produktion von sportlicher Kleidung ermöglicht. Die die Herzfrequenz eines Läufers verfolgen könnte, oder medizinische Bandagen, die die Vitalparameter eines Patienten überwachen könnten.

Mehrere Militär- und Sicherheitsbehörden der Welt erforschen auch solche Technologien auf ihre Fähigkeit, als Sensoren zu dienen, die ihre Träger vor chemischen oder anderen gefährlichen Expositionen warnen könnten.

Was man so alles mit 3D-Druckern in der Elektroindustrie herstellen kann, erfahren Sie hier.

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