Tintenstrahldruck organisch/anorganischer Komposite

In dieser Arbeit wird die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Verarbeitung von organisch/anorganischen Kompositen zu homogenen, gedruckten Schichten vorgestellt. Hierfür wird als keramisches Material Barium-Strontium-Titanat (BST) verwendet und als Polymer Polymethylmethacrylat (PMMA). Solche Komposite werden im Bereich der gedruckten Elektronik und speziell im Tintenstrahldruck, aufgrund der höheren Komplexität des Systems, bisher kaum eingesetzt, obwohl diese Materialklasse sehr vielversprechende dielektrische sowie mechanische Eigenschaften aufweist. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung einer BST/PMMA-Komposittinte bzw. eines Tintensystems für den Druck homogener Strukturen aufgezeigt. Neben den Anforderungen an eine stabile Druckbarkeit wird das Hauptaugenmerk auf dem Trocknungsverhalten der Tinten liegen. Hierbei werden erstmals die Zusammenhänge der unterschiedlichen Komponenten einer organisch/anorganischen Komposittinte im Tintenstrahldruck betrachtet und detailliert untersucht. Durch die geeignete Wahl der Tintenzusammensetzung können negative Trocknungseffekte (z. B. der coffee stain effect) erfolgreich vermieden und eine homogene Strukturmorphologie erzielt werden. Ausschlaggebend hierfür ist das Zusammenspiel der BST-Partikel und der PMMA-Moleküle. Letztere bilden hydrophobe Wechselwirkungen untereinander und gleichzeitig Wechselwirkungen mit der BST-Oberfläche aus. Diese sind bei entsprechender Stärke oder Anzahl geeignet, die Partikelmobilität während der Trocknung zu reduzieren bzw. vollständig zu unterbinden. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Zusammensetzung der Tinten, sowohl in Bezug auf die verwendete Lösemittelzusammensetzung als auch auf die Zusammensetzung des Feststoffs. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Eignung des zuvor entwickelten Tintensystems für die Herstellung vollständig gedruckter Plattenkondensatoren demonstriert. Der Multilagenaufbau stellt dabei höchste Anforderungen an die Kompatibilität der einzelnen Tinten und an die Strukturqualität des Komposits. Durch die Wahl geeigneter Silbertinten wurde eine hinreichend gute Qualität sowie Leitfähigkeit der gedruckten Elektroden realisiert. Die BST/PMMA-Tinten erlauben eine schnelle und einfache Herstellung der dielektrischen Schichten in einem einzelnen Prozessschritt, mit Schichtdicken im Bereich von 5–10 µm und liefern dabei eine äußerst gleichmäßige Topographie sowie Mikrostruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl die Zusammensetzung des Komposits als auch die BST-Partikelgröße erfolgreich variiert und deren Einflüsse auf die dielektrischen Eigenschaften charakterisiert. Bei einer Frequenz von 1 kHz liefern die BST/PMMA-Schichten Werte für die Permittivität εr von 20–55. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber reinen Polymeren dar und verdeutlicht das hohe Potential des Tintenstrahldrucks organisch/anorganischer Komposite für den Bereich der gedruckten Elektronik

Umweltfreundliche Materialien und dehnbare Substrate für gedruckte elektrochemische Displays

Die wachsenden Märkte der tragbaren Elektronik (engl. Wearables) und des Internet-der-Dinge (engl. Internet-of-Things, IoT), welchen die organische Elektronik neue Möglichkeiten hinsichtlich des Gewichts, der Flexibilität und abgestimmten Materialeigenschaften bietet, erfordern für deren Anwendungen einfach herzustellende, kostengünstige, tragbare und personalisierbare Displays, um Informationen mit dem Anwender zu teilen. Für eine erfolgreiche Markteinführung solcher Displays eignen sich aufgrund der Anforderungen insbesondere digitale Drucktechnologien, wie der Tintenstrahldruck. Allerdings ist es absehbar, dass diese Displays aufgrund der geringen Lebensdauer (bspw. medizinische Hygienevorschriften, Verpackungen) und des hohen Verbrauchs zur Menge des Elektroschrotts und dessen Umweltauswirkungen beitragen werden. Daher wird in dieser Arbeit die Verwendung von umweltfreundlichen und bioabbaubaren Materialien in elektrochromen (EC) und elektrochemilumineszenten (ECL) Bauteilen untersucht, um mittels Tintenstrahldruck personalisierte bioabbaubare reflektive Displays und umweltfreundliche Dual-Mode-Displays zu entwickeln. Diese umfassen natürliche Salze und Farbstoffe, bioabbaubare Polymere, umweltfreundliche Halbleiter und ionische Flüssigkeiten, sowie grüne Lösemittel. Die umweltfreundlichen bzw. bioabbaubaren funktionellen Schichten der elektrochemischen optoelektronischen Bauteile werden hinsichtlich ionischer Leitfähigkeit, EC Kontrast & Effizienz, sowie Emission optimiert. Die EC Bauteile erreichen dabei Kontraste über 45 %, Kolorationseffizienzen über 237 cm²·C-1 und Schaltzeiten bis zu unter einer Sekunde. Auf der Grundlage der optimierten EC-Bauteile werden in einem weiteren Schritt im Tintenstrahldruckverfahren bioabbaubare tragbare Displays entwickelt. Diese Displays bestehen aus 33 individuell ansteuerbaren Einzelsegmenten und haben einen Bioabbaubarkeitstest von unabhängiger Seite gemäß ISO14855 bestanden. Die vorgestellten ECL-Bauteile weisen eine maximale Leuchtdichte von 108 mcd·m-² bei 5 V und 40 Hz auf und ermöglichen durch die Kombination mit den EC Bauteilen die Entwicklung umweltfreundlicher gedruckter Dual-Mode-Displays. Aufgrund der Bauteilarchitektur der Dual-Mode-Displays aus einer Kombination von EC und ECL Schichten können Informationen in Form von statischen Bildern in einem reflektiven und einem emissiven Modus angezeigt werden, welche über Schalten zwischen Wechsel- und Gleichspannung reversibel gewechselt werden können. Da zudem zukünftige Anwendungen im Bereich der Wearables und IoT mechanischer Spannung ausgesetzt sein werden, müssen elektrische Bauteile mit einer ausreichenden Dehnbarkeit entwickelt werden. Als Lösungsansatz, der einen Transfer etablierter Druckprozesse von flexiblen auf dehnbare Substrate ermöglicht, wird in dieser Arbeit eine dehnbare Plattform, aus festen Inseln, die über Brücken verbunden sind, vorgestellt. Dazu werden dehnbare und flexible Substrate über eine Silankopplung verbunden, um Inseln und Brücken zu formen. Es wird gezeigt, dass auf den Inseln und Brücken mittels Tintenstrahldruck aufgebrachte Elektroden und Bauteile vor mechanischer Belastung geschützt sind. Daher konnte das vorgestellte bioabbaubare, reflektive Display auf die dehnbaren Insel-Brücken-Plattformen übertragen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit heben die Möglichkeiten, die die organische Elektronik für dehnbare und gedruckte Display-Applikationen und zur Reduzierung der Menge des Elektroschrotts durch die Verwendung bioabbaubarer Materialien in elektronischen Bauteilen bereitstellt, hervor. Daher ist die Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung von im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten bioabbaubaren Displays und dehnbarer Elektronik im Hinblick auf eine zukünftige Markteinführung

Anwendungspotential von leitfähiger Tinte für ausdruckbare Schaltkreise im Physikunterricht

Der folgende Artikel stellt eine neuartige Methode vor, elektrische Schaltkreise für den Schulunterricht selber herzustellen. Mit einer auf Silber-Nanopartikeln basierenden Tinte und einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker lassen sich Schaltkreise direkt auf Papier drucken. Neben den notwendigen Komponenten zur Realisierung des leitfähigen Drucks werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für den Physikunterricht vorgestellt. Dazu zählen Experimente zur Fließvorstellung des elektrischen Stroms, sowie zur Kapazität. Als praktische Anwendungsmöglichkeit wird ein selbstgedruckter Füllstandsensors vorgestellt

Gedruckte elektrochemische Leuchtzellen auf Basis von biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Materialien

Die Bioelektronik beschäftigt sich aktuell mit der Erschließung neuer Anwendungsgebiete im Bereich der Medizintechnik sowie mit der Entwicklung von tragbarer und nachhaltiger Elektronik. Aufgrund der viel-fältigen Nutzbarkeit als Beleuchtung, Display oder für therapeutische Zwecke sind lichtemittierende Bau-teile für das Forschungsfeld von besonderem Interesse. Als Voraussetzung für die Marktreife solcher Tech-nologien verlangt es nach einer kosteneffizienten Herstellung und Bauteilen, die aus biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Materialien bestehen. Diese Anforderungen wurden durch licht-emittierende elektrochemische Leuchtzellen (LEC) basierend auf Biomaterialien erfüllt, die durch indust-rierelevante Druckprozesse hergestellt wurden. Eine LEC besteht aus nur einer Aktivschicht, die aus der Flüssigphase abgeschieden werden kann und ist somit für die Fabrikation durch Drucktechniken beson-ders gut geeignet. Die drei Komponenten der LEC-Aktivschicht (Emitter, ionenleitfähiges Polymer und Elektrolyt) wurden in dieser Arbeit teilweise durch biologisch kompatible Materialien ersetzt. Funktionie-rende Bauteile konnten mit den Biomaterialien Poly(laktid-co-glykolid), Cholinacetat, Poly(caprolakton-co-trimethylencarbonat) und Tetrabutylammoniumbis(oxalato)borat hergestellt werden. Dabei lieferten LECs, die den Emitter Super Yellow zusammen mit dem ionenleitfähigen Polymer Poly(caprolakton-co-trimethylencarbonat) und dem Elektrolyten Tetrabutylammoniumbis(oxalato)borat nutzen, die besten Resultate bezüglich der Bauteilleistung. Diese LECs erreichten eine maximale Leuchtdichte von circa 12 000 cd m-2, eine Einsatzspannung von 3,7 V, eine maximale Stromausbeute von circa 2 cd A-1 und eine Lebensdauer von über 100 Stunden. Vollständig gedruckte Bauteile bei denen sowohl die Aktivschicht als auch die Elektroden mit Drucktechniken wie Tintenstrahldruck und Rakeln abgeschieden wurden, konn-ten auf der biologisch abbaubaren Substratfolie Cellulosediacetat hergestellt werden. Die Leistung dieser Bauteile ist mit 200 cd m-2 und einer Lebensdauer von wenigen Minuten zwar gering, allerdings bestehen die LECs, einschließlich des Substrats zu 99 Vol.-% aus Biomaterialien, weshalb diese unter Vorbehalt als biologisch abbaubar angesehen werden können und eine neue Referenz im Bereich der nachhaltigen Elektronik darstellen. Durch eine Weiterentwicklung des Druckprozesses wurden vollständig gedruckte LECs auf einer ultradünnen biologisch kompatiblen Parylene-C-Folie fabriziert. Diese Bauteile erreichten eine maximale Leuchtdichte von 900 cd m-2, eine Einsatzspannung von 6,7 V, eine Stromausbeute von 1 cd A-1 und eine Lebensdauer von 8,8 Stunden. Die digitale Strukturierung der Bauteile durch Tinten-strahldruck erlaubt die Herstellung von Pixelformen, die mit herkömmlichen Techniken nicht möglich sind. Beispiele demonstrieren eine hohe mechanische Flexibilität des Bauteils, was die Anwendung als tragbare Elektronik ermöglicht