mini|Herstellung elektronischer Strukturen im Tiefdruck auf Papier (Technische Universität Chemnitz).
Gedruckte Elektronik () bezeichnet elektronische Bauelemente, Baugruppen und Anwendungen, die vollständig oder teilweise mittels Druckverfahren hergestellt werden. Anstelle der Druckfarben werden elektronische Funktionsmaterialien, die in flüssiger oder pastöser Form vorliegen, verdruckt. Häufig handelt es sich dabei um organische Materialien, insofern ist die gedruckte Elektronik ein Teilgebiet der organischen Elektronik und wird als Schlüsseltechnologie zu deren Herstellung angesehen. Durch eine erhebliche Reduzierung der Herstellungskosten, durch die Möglichkeit, großflächige und flexible Substrate zu bedrucken, sowie durch neuartige Funktionalitäten sollen Anwendungsfelder für die Elektronik erschlossen werden, die der konventionellen (anorganischen) Elektronik bisher nicht oder nur eingeschränkt zugänglich waren. Neue Entwicklungen durch die gedruckte Elektronik zeichnen sich u. a. in Anwendungen wie RFID, Displays und Solarzellen ab.
Grundlagen Die gedruckte Elektronik vereint Erkenntnisse und Entwicklungen der Drucktechnologie, der Elektronik sowie der Chemie und Werkstoffwissenschaft, insbesondere der organischen und Polymerchemie. Wegbereitend ist die Entwicklung der organischen Elektronik, die wiederum auf der Entwicklung organischer elektronischer Funktionsmaterialien basiert. Neben den elektronischen Funktionalitäten (Leiter, Halbleiter, Elektrolumineszenz usw.) führte die Prozessierbarkeit in flüssiger Form als Lösung, Dispersion oder Suspension solcher Materialien zur Entwicklung der gedruckten Elektronik. Daneben werden aber auch anorganische Materialien, die sich in flüssiger Form prozessieren lassen, verwendet.
Insofern es sich bei der gedruckten Elektronik um Bauelemente aus der organischen Elektronik handelt, unterscheiden sich diese in Aufbau, Funktionsweise und Funktionalität teilweise von konventioneller Elektronik. Deshalb spielt das Design und die Optimierung der Bauelemente und Schaltungen unter Berücksichtigung des speziellen Herstellungsverfahrens eine wichtige Rolle in der Entwicklung der gedruckten Elektronik.
Zur Herstellung gedruckter Elektronik kommen fast alle industriellen Druckverfahren, meist in angepasster oder modifizierter Form, zur Anwendung. Analog zum konventionellen Bilderdruck, bei dem mehrere Farbschichten übereinander aufgetragen werden, werden in der gedruckten Elektronik elektronische Dünnschicht-Bauelemente durch das Übereinanderdrucken mehrerer Funktionsschichten hergestellt. Jedoch unterscheiden sich sowohl die verwendeten Materialien als auch die geforderten Eigenschaften der gedruckten Schichten wesentlich voneinander, so dass die aufeinander abgestimmte Anpassung und Weiterentwicklung der verwendeten Druckverfahren und der verdruckten Materialien die zentrale Aufgabe in der Entwicklung der gedruckten Elektronik darstellt.
Beispielsweise ist die maximale Auflösung der gedruckten Strukturen im konventionellen Bilderdruck durch die Auflösung des menschlichen Auges bestimmt. Strukturgrößen unterhalb von etwa 20 µm können vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen und in herkömmlichen Druckprozessen meist auch nicht hergestellt werden.A. Blayo and B. Pineaux, Joint sOC-EUSAI Conference, Grenoble, 2005. Dagegen sind in der Elektronik höhere Auflösungen wünschenswert, da diese unmittelbar die Integrationsdichte, aber auch die Funktionalität von Bauelementen (insbesondere von Transistoren) beeinflussen. Ähnliches gilt für die Passgenauigkeit übereinander gedruckter Schichten.
Schwankungen in der Dicke und anderen Schichteigenschaften sowie das Auftreten von Löchern sind beim konventionellen Drucken nur insofern von Relevanz, als sie vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können. Dagegen stellen sie in der gedruckten Elektronik wesentliche Qualitätsmerkmale für die Funktion der gedruckten Bauelemente dar. Umgekehrt ist hier der visuelle Eindruck irrelevant. Hinzu kommt, dass in der gedruckten Elektronik eine größere Vielfalt von Materialien verarbeitet werden muss, woraus sich neue Anforderungen an die Kompatibilität aufeinander gedruckter Schichten hinsichtlich Benetzung, Haftung und des gegenseitigen Anlösens ergeben.
mini|Gedruckte und konventionelle Elektronik als komplementäre Technologien. Im Vergleich zur konventionellen Mikroelektronik zeichnet sich die gedruckte Elektronik durch eine einfachere, flexiblere und vor allem kostengünstigere Herstellung aus. Sie soll elektronischen Anwendungen eine wesentlich größere Verbreitung, Vernetzung und Durchdringung auch im Alltag ermöglichen. Ein Beispiel hierfür ist die Ausstattung der Verpackung von Alltagsgütern mit gedruckten RFID-Systemen, die eine kontaktlose Identifizierung im Handel und Transport ermöglicht. Zudem ermöglicht die gedruckte Elektronik die einfache Realisierung und Integration von speziellen Eigenschaften und Funktionalitäten (z. B. flexible Displays und Solarzellen).
In der Regel bleibt die Leistungsfähigkeit von gedruckter Elektronik hinsichtlich der jeweiligen Funktion, abgesehen von einigen Ausnahmen z. B. auf dem Gebiet der Leuchtdioden, hinter der der konventionellen Elektronik zurück. Elektronische Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen und hoher Integrationsdichte (sog. „High-end-Elektronik“) werden auf absehbare Zeit von der herkömmlichen Elektronik dominiert werden, die jedoch auch vergleichsweise hohe Investitions- und Herstellungskosten erfordert. Dagegen zielt die gedruckte Elektronik als dazu komplementäre Technologie auf die Etablierung einer „Low-cost-Elektronik“ für Anwendungsbereiche, in denen die hohe Leistungsfähigkeit der konventionellen Elektronik nicht erforderlich ist.
Verfahren Die Attraktivität der Anwendung von Druckverfahren zur Herstellung von Elektronik resultiert in erster Linie aus der Möglichkeit, Stapel von mikrostrukturierten Schichten (und somit Dünnschicht-Bauelemente) in wesentlich einfacherer und kostengünstigerer Weise als in der konventionellen Elektronik herzustellen. Daneben spielt auch die Möglichkeit eine Rolle, neue oder verbesserte Funktionalitäten (z. B. mechanische Flexibilität) zu erzeugen. Die Auswahl des verwendeten Druckverfahrens richtet sich nach den Anforderungen an die gedruckten Schichten, nach den Eigenschaften der verdruckten Materialien sowie nach wirtschaftlichen und technischen Erwägungen hinsichtlich der hergestellten Produkte. Von den herkömmlichen industriellen Druckverfahren werden hauptsächlich der Inkjet- und Siebdruck sowie die sog. Massendruckverfahren Tief-, Offset- und Flexodruck in der gedruckten Elektronik verwendet. Während die Massendruckverfahren meist als Rolle-zu-Rolle-Verfahren () eingesetzt werden, kommen der Sieb- und der Inkjetdruck meist als Bogenverfahren () zum Einsatz. Es existieren aber auch die jeweils anderen Varianten.
Massendruckverfahren Die Massendruckverfahren Tief-, Offset- und Flexodruck zeichnen sich im Vergleich mit anderen Druckverfahren vor allem durch eine weit überlegene Produktivität, die sich in einem Flächendurchsatz von vielen 10.000 m²/h ausdrückt, aus. Sie sind daher in besonderer Weise geeignet, die Herstellungskosten drastisch zu senken, wenn sie auf das Drucken von Elektronik angewendet werden. Aufgrund ihres hohen Entwicklungsstandes und der Vielfalt von verfügbaren Verfahren und Verfahrensvarianten ermöglichen sie gleichzeitig hohe Auflösungen bis zu 20 µm und darunter, hohe Schichtqualitäten sowie eine große Breite an erreichbaren Schichteigenschaften und prozessierbaren Materialien. Im Bereich der gedruckten Elektronik kommt es, wie bei anderen Druckverfahren auch, zu erheblichen Weiterentwicklungen der herkömmlichen Verfahren. Allerdings erfordert die Anwendung und Anpassung der Massendruckverfahren für die gedruckte Elektronik nicht nur erhebliches Know-how, sondern auch im Vergleich mit den anderen Druckverfahren einen höheren Aufwand, der jedoch noch immer weit unter dem in der konventionellen Elektronik liegt. Während der Offset- und der Flexodruck vornehmlich für anorganischeJ. Siden et al., Polytronic Conference, Wrocław, 2005. und organische Leiter (letzterer auch für Dielektrika) verwendet werden, eignet sich der Tiefdruck wegen der hohen erreichbaren Schichtqualität besonders für qualitätssensible Schichten wie organische Halbleiter und Halbleiter/Dielektrikum-Grenzschichten in Transistoren, in Zusammenhang mit der hohen Auflösung aber auch für anorganischeS. Leppavuori et al., Sensors and Actuators 41–42 (1994) 593. und organische Leiter. Es konnte gezeigt werden, dass sich Organische Feldeffekt-Transistoren und daraus aufgebaute integrierte Schaltungen vollständig mittels Massendruckverfahren herstellen lassen.
Tintenstrahldruck Der Inkjetdruck ist ein flexibles und vielfältig einsetzbares digitales Druckverfahren, das mit verhältnismäßig geringem Aufwand und auch im Labormaßstab durchführbar ist. Daher ist er das für die gedruckte Elektronik wohl am häufigsten eingesetzte Druckverfahren, das sich vor allem durch eine hohe Flexibilität auszeichnet und daher speziell für die Fertigung individueller Bauteile oder geringer Stückzahlen geeignet ist. Allerdings ist er den Massendruckverfahren sowohl in Bezug auf den Flächendurchsatz (typischerweise 100 m²/h) als auch in Bezug auf die Auflösung (ca. 50 µm) unterlegen. Er eignet sich besonders für niedrigviskose, gelöste Materialien wie organische Halbleiter aber auch für organische oder anorganische Nanomaterialien. Bei hochviskosen Dispersionen oder Partikelgrößen > 500 nm steigt hingegen die Gefahr des Verstopfens der Düsen. Wegen des tropfenweisen Auftrags der Schichten ist deren Homogenität begrenzt. Diese Probleme können durch geeignete Maßnahmen abgemildert oder gelöst werden. Durch Parallelisierung, d. h. die gleichzeitige Verwendung vieler Düsen (oder jettender Dosierventile), sowie eine Vorstrukturierung des Substrates können auch bezüglich der Produktivität bzw. der Auflösung Verbesserungen erreicht werden. Allerdings wird im letztgenannten Fall für den eigentlichen Strukturierungsschritt auf Nicht-Druckverfahren zurückgegriffen. Inkjetdruck wird bevorzugt für organische Halbleiter in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) eingesetzt, es wurden aber auch vollständig mit dieser Methode hergestellte OFETs demonstriert. Des Weiteren können Front- und Backplanes von OLED-Displays, integrierte Schaltungen, organische photovoltaische Zellen (OPVCs)Virang G. Shah, David B. Wallace, Kurt Wachtler: Low-Cost Solar Cell Fabrication by Drop-On-Demand Ink-jet Printing. IMAPS Conference, Long Beach, 18. November 2004. und andere Bauelemente und Baugruppen mit Hilfe des Inkjetdrucks hergestellt werden. Anorganische Materialien wie bspw. SilbernanopartikelAVerdi Alternative Verdichtungsverfahren für nanopartikelhaltige Tinten gedruckt mit digitalen Druckverfahren für planare MID, auf nanoinitiative-bayern.de oder nanoskalige ITO Dispersionen werden ebenfalls im Inkjet-Druck eingesetzt.Inkjet-Printed Conductive ITO Patterns for Transparent Security Systems, auf onlinelibrary.wiley.com, abgerufen am 11. September 2021
Siebdruck