TCO Tinten ermöglichen Direktdruck transparenter Leiterstrukturen auf Folie

Transparente leitfähige Oxide (TCO, engl.: transparent conducting oxides) finden breite Anwendung als transparente Elektroden oder als IR reflektierende Materialien. Üblicherweise werden TCOs über Vakuumbeschichtung, wie zum Beispiel Sputtern, hergestellt. Am INM wurden spezielle TCO Tinten entwickelt, mit denen TCO Schichten nasschemisch auf festen und auch auf flexiblen Substraten, wie zum Beispiel auf Kunststofffolien, aufgebracht werden. Hierzu verwenden die Entwickler am INM TCO Tinten, die TCO Nanopartikel enthalten und über nasschemische Prozesse hergestellt werden. Diese Methode ermöglicht nicht nur die Aufbringung auf Kunststoffen und Folien, sondern erstmals auch den Direktdruck von transparenten Leiterstrukturen.

Vom 7. bis 11. April 2014 präsentieren die Forscher des INM dieses und weitere Ergebnisse in Halle 2 am Stand C48 auf der Hannover Messe im Rahmen der Leitmesse Forschung, Entwicklung und Technologietransfer. Dazu gehören neue Entwicklungen zu CIGS-Dünnschichtsolarzellen, Beschichtungen für Korrosionsschutz und Reibungsminderung, antimikrobielle Beschichtungen sowie Printed Electronics.

„Wir stellen aus den transparenten leitfähigen Oxiden besondere Nano-partikel her“, erklärt Peter William de Oliveira, Leiter des Programmbereichs Optische Materialien, „Durch Zugabe eines Lösungsmittels und eines speziellen Binders lassen sich diese modifizierten TCO Nanopartikel als „Tinte“ mit einer Druckplatte direkt per Tiefdruck auf die Folie aufbringen“, so Oliveira weiter.

Dieses Verfahren habe mehrere Vorteile: Der Tiefdruck ermöglicht es, mit nur einem Prozessschritt strukturierte TCO Schichten kostengünstig zu drucken. Wegen der UV-Härtung bei niedrigen Temperaturen unter 150 °C lassen sich auch dünne Kunststofffolien beschichten. Dabei erfüllt der Binder mehrere Aufgaben: Er bewirkt nicht nur eine gute Adhäsion der TCO Nanopartikel zum Substrat sondern erhöht auch die Flexibilität der TCO-Schichten: So bleibt die Leitfähigkeit selbst beim Verbiegen der Folien erhalten – ein Vorteil gegenüber den gängigen Hochvakuum-Techniken, wie zum Beispiel dem Sputtern. „Hier ist noch Potenzial für weitere Entwicklungen möglich“, erklärt der Physiker de Oliveira, „wenn wir es schaffen, auch den Binder leitfähig zu machen, wird die Leitfähigkeit insgesamt steigen und der Flächenwiderstand weiter absinken.“

Durch die Beschichtung auf flexiblen Foliensubstraten ist die Beschichtung mit dem klassischen Rolle-zu-Rolle Verfahren möglich. Die ersten Versuche am INM dazu sind vielversprechend. Die Forscher sind sich einig, dass durch die Verwendung von strukturierten Walzen zukünftig auch große, strukturierte, leitfähige Flächen kostengünstig mit hohem Durchsatz gedruckt werden können.

Neben der Verwendung von TCO-Nanopartikeln arbeiten die Entwickler am INM auch mit dem nasschemischen Sol-Gel-Verfahren. Es eignet sich besonders für temperaturstabile Substrate wie zum Beispiel Glas oder Keramik. Die Härtung erfolgt bei diesem Verfahren bei Temperaturen über 450 °C. Neben großflächigen Substraten lassen sich so auch komplexere Geometrien wie Rohre oder Formkörper beschichten. „Auch hier liegt der Vorteil bei den Kosten“, sagt der Programmbereichsleiter. Mit Vakuum-Beschichtungsverfahren, wie zum Beispiel der Sputter-Methode, werden für großflächige Beschichtungen teure Hochvakuumapparaturen und große TCO-Targets benötigt; die gleichmäßige Beschichtung von gekrümmten Substraten ist außerdem über diesen Weg nur bedingt möglich.

Das Material der Wahl ist auch am INM hauptsächlich Zinn dotiertes Indium Oxid (Indium Tin Oxide, ITO). Wegen der abnehmenden Ressourcen und des hohen Rohstoffpreises für Indium testen die Forscher am INM auch zunehmend alternative transparente Oxide, wie zum Beispiel Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO).

Quelle: INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien