Entwicklung eines neuen Tintensystems zur Herstellung von metallischen, leitfähigen Funktionsschichten mittels der Inkjet-Technologie (Me-Ink)
Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Inkjet-Druck leitender Strukturen ist ein zentrales Forschungsthema im Bereich elektronischer Applikationen. Der additive Charakter von Drucktechnologien verspricht dabei eine signifikante Reduktion von Materialkosten. Die Inkjet-Technologie ermöglicht das Aufbringen von Tintenvolumen im unteren Picoliterbereich und zeichnet sich durch hohe Flexibilität hinsichtlich verdruckbarer Tinten und bedruckbarer Substrate aus. Die Formulierung geeigneter Tinten stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Entwicklung eines neuen Tintensystems zur Herstellung von metallischen, leitfähigen Funktionsschichten mittels der Inkjet-Technologie (Me-Ink)“ wurde ein neues Tintensystem für die drucktechnische Herstellung von strukturierten, metallisch leitfähigen Funktionsschichten mittels Inkjet-Technologie entwickelt. Hierzu wurden verschiedene Tinten dargestellt, welche auf gelösten metallhaltigen Molekülen auf der Stoffklasse der Koordinationskomplexe basieren. Zu Beginn wurden die optimalen Druck- und Prozessparameter zur Generierung metallischer Funktionsschichten am Beispiel einer 23-prozentigen wässrigen Silbertinte umfassend untersucht. Dieselbe Methodik wurde danach erfolgreich auf metallorganische Gold- und Zinkverbindungen übertragen. Die Silbertinte wurde zusätzlich durch systematische Konzentrations- und Lösemittelvariation sowie durch Akkumulation mit einem geeigneten Additiv optimiert. Das Resultat waren eine verbesserte Verdruckbarkeit, Leitfähigkeit und Strukturbildung. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt war die Untersuchung alternativer Sinterungsverfahren, welche für Substrate mit niedriger Glasüberangstemperatur geeigneter sind als konventionelles thermisches Sintern. Es wurde die Nutzbarkeit des UV-unterstützen thermischen Sinterns sowie des photonischen Sinterns mittels PulseForge-Technologie und Xenon Blitzlampen nachgewiesen. Im Gegensatz dazu erwiesen sich elektrisches Sintern und Mikrowellensintern als untauglich. Die formulierten wässrigen Lösungen des Silberkomplexes [AgO2C(CH2OCH2)3H], sowie die in Toluol gelösten Gold- und Zinkverbindungen [nBu3PAuO2C(CH2OCH2)3H] und [Zn(O2C(CH2OCH2)3H)2] stellen Inkjet-verdruckbare Tinten dar und können als Grundlagen für kommerzielle Tinten angesehen werden. Perspektivisch lässt sich die angewandte Syntheseroute auch auf die Synthese weiterer metallischer bzw. metalloxidischer Verbindungen übertragen. Beispielsweise können Phosphan- Kupfer(I)-Carboxylate für die drucktechnische Erzeugung metallisch leitender Strukturen synthetisiert werden. Es wurde nachgewiesen, dass eine 23-prozentige, wässrige Lösung von [AgO2C(CH2OCH2)3H] für die Herstellung von RFID-Antennen einsetzbar ist. Dieses Gebiet wird häufig als Zielanwendung für Inkjet-gedruckte Silberstrukturen genannt. Dieselbe Silbertinte wurde des Weiteren verwendet, um definierte Schichten von Silber auf Keramiken aufzutragen, welche einer EDM-Bearbeitung (EDM = Electrical Discharge Machining, Funkenerosion) unterzogen werden sollen. Das EDM-Verfahren wird bisher nur für die Bearbeitung elektrisch leitfähiger Schichten kommerziell genutzt. Bei einer Beschichtung eines nicht-leitenden Werkstoffs mit einem elektrischen Leiter kann allerdings auch dieser bearbeitet werden. Genaue Prozessabläufe und -zusammenhänge sind bisher nur unzureichend erforscht. Die Abscheidung von unterschiedlichen leitfähigen Materialien in variierenden Schichtdicken, was mit der Inkjettechnologie hervorragend möglich ist, kann hierbei für die Prozessentwickung sehr zum Vorteil sein. Die auf der Verbindung [nBu3PAuO2C(CH2OCH2)3H] basierende Goldtinte wurde ebenfalls für die Generierung leitfähiger Strukturen verwendet. Die erzielte spezifische elektrische Leitfähigkeit von 2,1x107 S·m-1 und der niedrige Kontaktwiderstand des Materials lassen auf eine gute Eignung als Kontaktwerkstoff schließen. Darüber hinaus zeichnet sich Gold durch Ungiftigkeit und niedrige Immunogenität aus, so dass auch biomedizinische Anwendungen z.B. in der Krebstherapie, denkbar sind. Aufgrund der Pyro- sowie Piezoelektrizität von Zinkoxid ist die auf der Verbindung [Zn(O2C(CH2OCH2)3H)2] basierende Tinte besonders im Bereich der Sensorik für Applikationen wie Nähe-Sensoren interessant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen mittels Carboxylat-Tinte“, Patentschrift, 2008, EP 2159270A1
Stephan F. Jahn, Alexander Jakob, Ingo Reinhold, Lutz Engisch, Heinrich Lang, Reinhard R. Baumann
- „Inkjet Printing of Conductive Patterns with an Aqueous Solution of [AgO2C(CH2OCH2)3H] without any Additional Stabilizing Ligands”, Thin Solid Films 518 (12), 3218-3222 (2010). ISSN 0040-6090
Stephan F. Jahn, Alexander Jakob, Thomas Blaudeck, Peer Schmidt, Heinrich Lang, Reinhard R. Baumann
- „Inkjet Printing of Conductive Silver Patterns by Using the First Aqueous Particle-Free MOD Ink without Additional Stabilizing Ligands”, Chem. Mater. 22 (10), 3067-3071 (2010). ISSN 0897-4756
Stephan F. Jahn, Thomas Blaudeck, Reinhard R. Baumann, Alexander Jakob, Petra Ecorchard, Tobias Rüffer, Heinrich Lang, Peer Schmidt
- „Phosphane Copper(I) Dicarboxylates: Synthesis and Their Potential Use as Precursors for the Spin-coating Process in the Deposition of Copper“, Z. Anorg. Allg. Chem., 636, 2010, 1931–1940
Alexander Jakob, Tobias Rüffer, Petra Ecorchard, Bernhard Walfort, Kathrin Körbitz, Swantje Frühauf, Stefan E. Schulz, Thomas Gessner, Heinrich Lang
- „Simple and efficient: Gold nanoparticles from triphenylphosphane gold(I) carboxylates without addition of any further stabilizing and reducing agent”, Inorg. Chem. Commun. 14 (5), 2011, 676-678
André Tuchscherer, Dieter Schaarschmidt, Steffen Schulze, Michael Hietschold, Heinrich Lang
