Motivation
Der Einsatz von jettenden digitalen Drucktechnologien, wie beispielsweise der Inkjet- oder der Aerosol Jet-Technologie, stellt eine kostengünstige Alternative zu derzeitigen kommerziellen Fertigungsansätzen dar. Digitale Druckverfahren ermöglichen volladditive und dadurch auch ressourcenschonende und umweltfreundliche Prozesse. Zudem erlauben digitale Drucktechnologien prinzipiell auch die Realisierung von Leiter- und Sensorstrukturen auf dreidimensionalen Substraten.
Um bei den gedruckten Leiterstrukturen hohe Leitfähigkeiten zu erzielen, müssen kommerziell erhältliche nanopartikuläre Edelmetalltinten zur Maximierung des Partikelkontakts bei vergleichsweise hohen Temperaturen gesintert werden. Auf vielen temperatursensitiven Substratmaterialien wie z.B. PMMA, können daher digitale Drucktechnologien aktuell zur Erzeugung von leitfähigen Strukturen nur bedingt eingesetzt werden. Weiterhin werden für medizintechnische Anwendungen, wie z.B. bei polymerbasierten Fluidik-Chips, biokompatible Tinten auf Goldbasis benötigt, die bei geringen Temperaturen gesintert werden können.
Vorgehen
Im ersten Teil des Projekts wurden geeignete kommerziell erhältliche Silber- und Goldtinten ausgewählt und hinsichtlich ihrer Beschaffenheit im Detail analysiert. Darüber hinaus wurde das allgemeine Sinterverhalten der ausgewählten Tinten untersucht. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde im zweiten Teil des Projekts ein chemisches Verfahren ausgearbeitet, mit dem die vorliegenden Tinten bereits bei niedrigen Temperaturen (≤ 100 °C) ausgesintert werden können. Als Substrate wurden, mit dem Schwerpunkt auf kostengünstige Thermoplaste, die für die Industrie relevanten Materialien PMMA, PC und COC verwendet.
Zusammenfassung der Ergebnisse
Als Ausgangsmaterialien für die zu erarbeitenden niedrigsinternden Tintensysteme dienten drei kommerzielle Silber- und eine Goldtinte. Die Untersuchungen der Tinten bezüglich des Aufbaus und der Zusammensetzung ergaben Ähnlichkeiten in der Partikelgröße und im Füllgehalt, jedoch große Unterschiede in den Lösemittelsystemen und der jeweiligen Partikelstabilisierung.
Mit der kommerziellen Goldtinte wurde ein niedrigsinterndes Tintensystem unter Verwendung von Tetrachlorogoldsäure entwickelt. Im Vergleich zu den Silbertinten konnte bei der Goldtinte, aufgrund eines leicht oxidierbaren Partikelstabilisators und eines reduktiv wirkenden Lösemittelsystems, auf ein Reduktionsmittel verzichtet werden. Der Widerstand eines inkjetgedruckten Zweikomponentensystems, bestehend aus Goldtinte und Tetrachlorogoldsäure, war beim Niedertemperatursintern gegenüber der unbehandelten Goldtinte um den Faktor 1000 geringer. Unter Verwendung des erarbeiteten niedrigsinterten Goldtintensystems wurde als Demonstrator erfolgreich eine mäanderförmige Heizstruktur aufgebaut, welcher die Möglichkeiten der drucktechnischen Anwendungen leitfähiger Strukturen auf temperaturempfindlichen Substraten veranschaulichte.
Fazit
In dem Projekt wurden wertvolle Erkenntnisse zur Realisierung niedrigsinternder nanopartikulärer Gold- und Silbertintensysteme mittels eines chemischen Verfahrens gewonnen. Die erzielten Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage zur Entwicklung marktfähiger Produkte, welche KMUs erlauben, jettende digitale Drucktechniken für das Drucken von Leiterbahn- und Sensorstrukturen auf Substratmaterialien mit geringer Temperaturbeständigkeit einzusetzen.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 18686 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
