Back to School – Aerosol-Druckverfahren – druckbare Elektronik

Mittels speziellen additiven Fertigungsverfahren ist es möglich funktionale Schichten auf unterschiedlichste Substratmaterialien aufzubringen. Ein Verfahren, welchem immer mehr Beachtung geschenkt wird, ist das “Aerosoldruckverfahren” oder im Englischen “Aerosol Jet Technology” genannt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Elektronik einfach und schnell in einem quasi zwei dimensionalen Druckverfahren herzustellen. Aber nicht nur elektronische Strukturen können hergestellt werden, es ist auch möglich Metalle, Keramiken oder biologische Materialien wie Proteine und Enzyme auf verschiedenste Materialien aufzubringen. [1] Das Hauptaugenmerk des Aerosoldruckverfahrens liegt jedoch auf das Drucken von elektronisch funktionalen Materialien auf allen möglichen Subtraten (Glas, Metall, Keramik, Textilien, …) und Geometrien (planar, nicht- planar).

Dieses generative Fertigungsverfahren gehört zu den sogenannten “Direct Maskless Writing” Technologien. [2] Das heißt, es ist keine “Schablone” notwendig um ein bestimmtes Material in einer definierten Struktur aufzubringen, das wiederrum der Flexibilität des Prozesses zugutekommt.

Da durch das Aerosoldruckverfahren sehr feine und komplexe Designs realisierbar sind, ist es möglich die Gesamtgröße elektronischer Systeme durch eine Verkleinerung der Schaltkreise um das 10 bis zu 100-fache zu minimieren. Der momentane Stand der Technik erlaubt Linienbreiten von 10 μm bis zu 1 cm bei einer maximalen Druckgeschwindigkeit von 100 mm/s. Des weiteren sind Strukturen mit einer Schichtdicke von bis zu 100 nm auf planare und sowie auch auf nicht-planare Oberflächen unter Einsatz von Nanopartikel-Tinten realisierbar. [3]

Verfahren und Aufbau
Generell besteht jede Aerosoldruckanlage aus einem Zerstäuber, dem Transportsystem und dem Druckkopf welcher mittels Fokussiergas das Aerosol auf das Substrat fokussiert. Je nach Art des Zerstäubers kann es notwendig sein, zwischen diesem und dem Druckkopf noch einen Gasabscheider zwischenzuschalten. Des Weiteren weißt ein Aerosoldrucker zwei Gaseingänge auf, einen für die Aerosolerzeugung und dessen Transport und ein weiterer für das Fokussiergas.

2. Transport bzw. Gasabscheider
Das Aerosol wird über normale pneumatische Leitungen zum Druckkopf geführt. Sind jedoch für die Aerosolerzeugung hohe Gasströme notwendig, so muss ein Gasabscheider dazwischen geschaltet werden. Bei Erzeugung des Aerosols durch Ultraschall kann jedoch verzichtet werden. Der Gasabscheider sorgt dafür, dass das Aerosol nach dem passieren eine weitaus höhere Dichte aufweist, indem ein Teil des Transportgases und kleinere Tröpfchen zwischen zwei Düsen aufgrund der niedrigeren Impulsenergie abgeschieden werden (Prinzip – siehe Abbildung 2).

 

3. Druckkopf / Düse
Das zerstäubte Material (Aerosol) wird mittels der Düse auf ein Substrat aufgebracht. Die Fokussierung des Aerosolstrahles erfolgt dabei aerodynamisch durch ein Mantelgas, wodurch der der Aerosolstrom auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Der Abstand des Druckkopfes zum Substrat kann dabei zwischen 2 mm und 5 mm betragen (Prinzip – siehe Abbildung 3). Die Unterbrechung des kontinuierlichen Strahles um Linienunterbrechungen erzeugen zu können, kann generell in drei verschiedenen Weisen erfolgen:

• Unterbrechung des Zustromes des Transportgases am Zerstäuber
• Hinderung am Austritt des Aerosolstrahls durch Erhöhung des Fokussiergasdruckes
• Unterbrechung und Umleitung des Aerosolstrahls zwischen der Düse und dem Substrat durch einen sogenannten Shutter

Nach dem der Abscheidung des Aerosols auf dem Substrat muss dieses noch thermisch nachbehandelt werden, um eine Verbindung des Substates mit dem aufgebrachten Material sicherzustellen und dessen funktionale Eigenschaften zu aktivieren.

 

Druckbare Materialien
Da das Material lediglich in flüssiger Form oder in Form von kleinen Partikeln zugeführt werden muss, ergibt sich daraus eine breit gefächerte Materialpalette. Des weiteren können verschiedene Materialien durch die Verwendung mehrere Zerstäuber gemischt werden um zum Beispiel graduierte Schichtabscheidungen funktionaler Materialen zu bewerkstelligen.

Als Druckmaterialien können dabei Metalle, Keramiken, Polymere, Kleber, Ätzmedien, Leitermaterialien, Dielektrika, Biomaterialien, etc. verwendet werden. [3]

 

Anwendungen
Aufgrund der Vielfalt der verwendbaren Materialien und Substrate ergibt sich auch ein breit gefächertes Anwendungsgebiet. Das Aerosoldruckverfahren kann dabei in folgenden Bereichen Anwendung finden:

• Gedruckte Elektronik
• Biotechnologie
• Druck von organischen Material
• Herstellung von Photodioden
• Herstellung von OLEDs (englisch Organic Light Emitting Diode)
• Herstellung von Solarzellen
• Herstellung von Sensoren
• Mikro-Elektronik
• Herstellung von flexiblen Leiterplatten und ElektronikHersteller und InstituteFolgende Hersteller und Institute haben unter anderem einen Hauptaugenmerk auf den Aerosoldruck gelegt und stellen Aerosoldrucker her bzw. forschen in diesem Gebiet intensiv:
  • OPTOMEC (Unternehmen)
  • Sirris (Kollektivzentrum der Belgischen Industrie)
  • Frauenhofer Gesellschaft (Forschungszentrum)

 

Quellen

1. [1]  OPTOMEC, (o. J.), URL: http://www.optomec.com/printed-electronics/aerosol-jet-technology/ (Stand: 30.6.2014)
2. [2]  Frauenhofer ENAS, (o. J.), URL:http://www.enas.fraunhofer.de/de/news_events/messeuebersicht/exponate/aerosol_jet_printi ng.html (Stand: 30.6.2014)
3. [3]  Frauenhofer ENAS: Aerosol Jet Druck, (o. J.), URL: http://www.enas.fraunhofer.de/content/dam/enas/de/documents/Downloads/Datenbl%C3%A 4tter/AerosolJetPrinting_2pages_DE_web.pdf (Stand: 30.6.2014)

Back to School – Gastbeitrag Serie der Fachhochschule Technikum Wien
von Simon Schmid

In der Gastbeitrag Serie “Back to School” werden Arbeiten von Studenten des FH Technikum Wien veröffentlicht. Diese drehen sich um Additive Fertigung und die technischen Details die dahinter stehen. Die Studenten der Fachrichtung Mechatronik und Robotik publizieren hier ihre Arbeiten aus der Lehrveranstaltung Generative Fertigung mit Dr. Johannes Homa.

Zur Übersicht der Back to School Serie.

Wollen Sie auch einen Gastbeitrag schreiben? Kontaktieren Sie uns!