Neue Hybrid-Tinten ermöglichen gedruckte, flexible Elektronik ohne Sintern

Forscher am INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien haben die Vorteile von organischen und anorganischen elektronischen Materialien in neuen Hybrid-Tinten vereinigt. Damit lassen sich Schaltkreise direkt aus dem Füller auf Papier auftragen.

Die Elektronik von morgen ist gedruckt. Biegsame Schaltkreise auf Folien oder Papier können günstig durch Druckverfahren hergestellt werden und erlauben futuristische Designs mit gekrümmten Leucht- oder Eingabeelementen. Das erfordert druckbare elektronische Materialien, die während der Verarbeitung keinen Schaden nehmen und deren Leitfähigkeit trotz gebogener Oberflächen während des Einsatzes hoch bleibt. Bewährte Materialien sind zum Beispiel organische, leitende Polymere, Nanopartikel aus leitfähigen Oxiden (TCOs) oder Metallpartikel. Forscher am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben nun die Vorteile von organischen und anorganischen elektronischen Materialien in neuen Hybrid-Tinten vereinigt. Damit lassen sich Schaltkreise zum Beispiel direkt aus dem Füller auf Papier auftragen.

Für ihre Hybrid-Tinten haben die Forscher Nanopartikel aus Metallen mit organischen, leitfähigen Polymeren umhüllt und in Mischungen aus Wasser und Alkohol suspendiert. Diese Suspensionen können direkt mit einem Füller auf Papier oder Folie aufgebracht werden und trocknen ohne weitere Bearbeitung zu elektrischen Schaltkreisen.

Elektrisch leitende Polymere werden beispielsweise in OLEDs verwendet, die auch auf flexiblen Substraten hergestellt werden können, so Tobias Kraus, Leiter der Forschungsgruppe Strukturbildung am INM. Durch die Kombination mit Metall-Nanopartikeln wird mechanische Flexibilität mit der Robustheit eines Metalls kombiniert und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit erhöht.

Die Entwickler kombinieren die organischen Polymere mit Gold- oder Silber-Nanopartikeln. Darin übernehmen die organischen Verbindungen drei Funktionen: Einerseits sorgen die Verbindungen als Liganden dafür, dass die Nanopartikel im Flüssiggemisch suspendiert bleiben; ein Verklumpen von Partikeln würde beim Drucken stören. Gleichzeitig sorgen die organischen Liganden dafür, dass sich die Nanopartikel beim Trocknen gut anordnen. Schließlich wirken die organischen Verbindungen wie Scharniere: biegt man das Material, erhalten sie die elektrische Leitfähigkeit aufrecht. In einer Lage von Metallpartikeln ohne die Polymerhülle wäre die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen rasch verloren. Durch die Kombination beider Materialien sei die elektrische Leitfähigkeit beim Biegen deshalb insgesamt höher als bei einer Schicht rein aus leitfähigem Polymer oder einer Schicht rein aus Metall-Nanopartikeln.

Metall-Nanopartikel mit Liganden werden auch heute schon zu Elektronik verdruckt. Die Hüllen müssten aber meist durch Sintern entfernt werden, weil sie zwar die Anordnung der Nanopartikel steuern, aber nicht leitfähig sind. Das ist bei temperaturempfindlichen Trägermaterialien wie Papier oder Polymerfolien schwierig, da diese während des Sinterns Schaden nehmen. Die neuen Hybrid-Tinten sind sofort nach dem Eintrocknen leitfähig, mechanisch besonders flexibel und kommen ohne Sintern aus.

Originalveröffentlichung: B. Reiser, L. González-García, I. Kanelidis, J. H. M. Maurera, T. Kraus; "Gold nanorods with conjugated polymer ligands: sintering-free conductive inks for printed electronics"; Chem. Sci.; 2016.

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