Einleitung
Die Verbraucher von heute suchen nach smarter Technik, die ihren Alltag effizienter und einfacher machen. Seit vielen Jahrzehnten ist gedruckte Elektronik bereits ein wichtiger Bestandteil dieser Entwicklung. Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten, minimaler Materialeinsatz, kostengünstige Substrate und additive Druckverfahren sind hierbei ein Schlüssel zu nachhaltigen Produkten.
Anwendungen werden oft auf flexiblen Substraten im Siebdruck ausgeführt. Abhängig von den eingesetzten Pasten werden je Druckschritt Schichtdicken zwischen 0,5µm bis 30µm appliziert. Aufgrund seiner Variabilität der Schichtdicken, hat sich der Siebdruck als Druckverfahren durchgesetzt. Allein durch die Auswahl eines geeigneten Siebgewebes können sowohl niedrigviskose als auch hoch pastöse Materialien mit hohem Pigmentanteil verdruckt werden. Dadurch hat der Siebdruck einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Inkjet-, Flexo- und Tiefdruck. Es lassen sich sehr dünne und leichte Komponenten z.B. als Sensoren in Batterien, platzsparend unterbringen. Der Vorteil für die Elektromobilität ist enorm, jedes eingesparte Kilogramm an Gewicht ermöglicht eine Reichweitenerhöhung und dadurch einen Wettbewerbsvorteil. Aber auch in der Luftfahrtindustrie hat sich die gedruckte Elektronik bereits platziert. Die Reduzierung von Gewicht ermöglicht eine Einsparung von Kerosin und ist nicht nur wirtschaftlich ein Erfolg, sondern auch ein Beitrag zur Nachhaltigkeit.
Damit „Printed Electronics“ auch funktioniert, werden drei Säulen benötigt.
- Der erste Baustein ist die Energiequelle. Das kann ein klassischer Stromanschluss sein, eine Batterie, eine Induktion oder sogar eine Solarzelle, wobei heute auch Batterien und Solarzellen gedruckt werden können.
- Die Logik basiert auf Silicium-Chips, da gedruckte Lösungen noch nicht verfügbar sind.
- Mögliche Funktionen sind z.B. Displays, Beleuchtungen, Sensoren, Sound und elektromechanische Funktionen.
Funktionsprinzip Printed Electronics
Dass die „gedruckte Elektronik“ nicht nur RFID oder NFC Etiketten sind, möchten wir in diesen Artikel vorstellen. In den nachfolgenden Fällen werden leitfähige Pasten mit Silber- und Graphitpigmenten sowie isolierender Drucklacke verwendet. Silber hat den großen Vorteil, dass - im Gegenteil zu Kupfer - auch seine Oxidschicht leitfähig ist. Erst diese Eigenschaft ermöglicht es, Pasten mit hoher Leitfähigkeit und flexiblem Binder zu formulieren. Im Vergleich zu grafischen Farben ist ein sehr hoher Teil an funktionellen Pigmenten notwendig.
Farbaufbau Silberfarbe für den Siebdruck
Anwendungen
In Kombination mit konventionellen elektronischen Bauteilen, wie z.B. Chips und LEDs, kann eine Vielzahl von Anwendungen realisiert werden.
Etiketten
Im Bereich der gedruckten Etiketten hat sich in der Vergangenheit sehr viel getan. Immer mehr Etikettendrucker entdecken die Möglichkeit, ein klassisches Etikett smarter zu machen. Folgende Anwendungen kommen bereits zum Einsatz:
- Erstöffnungsschutz durch gedruckte Leiterbahnen, die beim Öffnen zerstört werden und dann dem Chip melden „Achtung! Das Produkt wurde geöffnet oder manipuliert“
- RFID oder NFC Antennen in Kombination mit einem Chip, die das kontaktlose Bezahlen ermöglichen, sowie weiterführende Informationen zum Produkt bieten können. Aufwändige mehrlagige Etiketten können dadurch reduziert werden.
- RFID Antennen für ein smartes Lagerwirtschafssystem und eine einfachere Inventur.
- Temperaturlogger, die auf empfindliche Güter aufgebracht werden können.
Im Fall von NFC werden Antennen mit Silberpaste und Isolationspaste gedruckt und mit einem entsprechenden Chip kontaktiert. Diese Leiterbahnen können sowohl im Bogendruck als auch wirtschaftlich im Rolle zu Rolle Druckverfahren gefertigt werden. Hierfür bietet die Firma ELANTAS Europe eine einzigartige UV- härtende silberleitfähige Siebdruckfarbe an. Passend dazu ist der Isolator ebenfalls UV- härtend.
Smartrac NFC Antenne
Beleuchtung
Leuchtende Elemente sind aus vielen Bereichen bekannt, z.B. die Tastaturbeleuchtung von Fernbedienungen, diese kann mit gedruckten Elektrolumineszenz-Flächen oder mit LEDs auf gedruckten Silberleiterbahnen umgesetzt werden. Auch hier bietet die Firma ELANTAS Europe UV- vernetzende Farbsysteme an.
EL Säule
Solarzellen
Auf dem Gebiet der flexiblen Solarzellen können Ableitungen mittels Silberpasten gedruckt werden. Dadurch können flache, flexible und individuelle Solarzellen realisiert werden. Der Markt ist interessant und bietet gerade in der Kombination mit gedruckten wiederaufladbaren Batterien ein großes Potential. ELANTAS Europe bietet hier spezielle hochleitfähige Silberfarben für den Druck von dünnen Leiterbahnen an, auf diese Weise wird eine maximale Ausbeute der Solarzelle erzielt.
Gedruckte Solarzelle der Firma Armor Group
Heizungen
Gedruckte Heizungen lassen sich in vielen Mess- und Verarbeitungsgeräten und anderen Anwendungen finden. Bei Fahrzeugen können diese beispielsweise auch in Textilien integriert sein, wie z.B. bei Sitz- oder Lenkradheizungen. Auch andere Automobilanwendungen wie Scheiben-, Sensor- und Batterieheizungen können gedruckt werden. Besonders für das autonome Fahren der Zukunft ist es wichtig, dass Sensoren eis- und schneefrei bleiben. Daher müssen Sensoren direkt am Sensor selbst beheizt werden. Das geht nur mit flachen und flexiblen Leiterbahnen.
Gedruckte Heizung 1
Gedruckte Heizung als Wärmebildaufnahme
Akustik
Im Bereich der Akustik können ganze Lautsprechersysteme mittlerweile auf einer Rollendruckmaschine gedruckt werden. Aber auch Zuleitungen für sehr flache Lautsprecher, wie z.B. die „Speaker“ von der Firma FINAL AUDIO aus den Niederlanden mit ihren flachen und einzigartigen High End Systemen, können realisiert werden. ELANTAS Europe bietet hier das passende Farbsystem an.
Quelle: Final Audio Speakers
Sensoren
Sensoren sind sicherlich eines der größten Anwendungsfelder der gedruckten Elektronik. Ein Beispiel hierfür sind Feuchtigkeitssensoren, die bei Flachdächern zum Einsatz kommen können. Hier kann eine dünne flexible Leiterbahn in das Dach integriert werden. Bei einem Leck wird ein Kurzschluss detektiert. Durch einen rechtzeitigen Alarm können teure Folgeschäden verhindert werden. Aber auch Sicherheitsfolien, die Kartenlesegeräte vor Manipulation schützen, kommen zum Einsatz. Werden die Leiterbahnen bei unerlaubtem Zugriff beschädigt, so registriert das Gerät dieses und wird deaktiviert. Eine weitere etablierte Anwendung sind Drucksensoren für z.B. Autositze. Die sogenannten Seat Belt Reminder (SBR Sensors) geben einen Alarm, sobald ein Passagier nicht angeschnallt ist.
Elektrochemische Sensoren für Blutzuckermessungen finden im Medizinsektor Anwendung. Durch eine chemische Reaktion mit Blut wird ein verändertes elektrisches Signal über die gedruckten Leiterbahnen gesendet und mittels einer Auswerteelektronik verarbeitet. Zudem gibt es medizinische Anwendungen, wie intelligente Pflaster und Verbandsmaterial, welche die Wundheilung durch Feuchtigkeitsmessung oder Wärmebehandlung unterstützen.
Human Machine Interfaces (HMI)
Folientastaturen sind sicherlich eine der ältesten Anwendungen im Bereich der gedruckten Elektronik. Der jährlich millionenfache Einsatz unterstreicht die Verlässlichkeit dieser Technologie. Die besondere Herausforderung hierbei ist der Trend zu immer komplexer werdenden Strukturen auf kleinstem Raum. Diese im Mehrschichtaufbau zu drucken setzt viel Know-how über die Materialen und Prozesse voraus. Hierfür wird das volle Spektrum an funktionalen Pasten, von der Silberfarbe über Graphit bis zum Isolator, benötigt. Die Farbsysteme müssen dabei auf vielen Bedruckstoffen eine gute Haftung aufweisen und verschiedene mechanische Belastungen aushalten können, wie z.B. das Biegen einer Anschlussfahne, die millionenfachen Schaltspiele der Taster. Dabei muss die elektrische Funktion immer beibehalten werden.
Schaltungslayout
Kapazitive IME Anwendungen
Smarte Oberflächen werden durch die In-Mold-Electronics-Technologie, kurz IME, auf eine ganz neue Ebene gehoben. Kapazitive Touch- Bedienflächen werden schon länger drucktechnisch umgesetzt, wobei die konventionellen Elemente lediglich eine flache Bauart aufweisen. Durch IME kommt nun die dreidimensionale Ausführung solcher Eingabesysteme in ganz unterschiedliche Märkte. Konsumerprodukte der White-Good Industry nutzen bereits oft gedruckte Elektronik für Eingabedisplays von Waschmaschinen und Kaffeemaschinen. Bei der IME-Technologie werden im Siebdruck die grafischen und funktionalen Siebdruckfarben zunächst im Flachdruck gedruckt, anschließend thermisch verformt und zum Schluss mit Polycarbonat hinterspritzt. Dadurch verschmelzen die gedruckten Elemente mit dem Polycarbonat zu einem festen 3D-Bauteil, welches dann problemlos eingebaut werden kann. Die Einsparungen bei Raum und Gewicht sind enorm, auch die Komplexität der Prozesse und die Anzahl der konventionell benötigten Formteile werden erheblich reduziert. IME ist der am stärksten wachsenden Bereich in der gedruckten Elektronik und überzeugt bereits heute mit seiner Massentauglichkeit.
IMSE Technologie von TactoTek
Produkte
Conductive silver inks
Entsprechende Siebdruckfarben und eine persönliche Beratung für Ihre gedruckte Elektronik Anwendungen erhalten Sie von unserem Vertriebsteam Printed Electronics der ELANTAS Europe unter AdvancedPrinting@altana.com.
| Description | Drying / Curing | Benefit | |
| Bectron® CP 6662 | Conductive silver ink | 10 min at 120°C | Very flexible, long screen open time, good adhesion to untreated and treated PET films, <0.010 Ω/sq/mil |
| Bectron® CP 6669 | Conductive silver ink | 5 min at 120°C | Fast curing version optimized for a long screen open time, <0.010 Ω/sq/mil |
| Bectron® CP 6671 | UV-curable conductive silver ink | 5 m/min at >700 mJ/cm² UVA and 2 min at 100°C | UV-curable and ultra-low VOC, superior screen open time, <0.030 Ω/sq/mil |
| Bectron® CP 6680 | Thermoformable conductive silver ink | 10 min at 120°C | Optimized for in-mold electronics, <0.025 Ω/sq/mil |
| Bectron® CP 6690 | High temperature conductive silver ink | 10 min at 160°C | Optimized for high temperature applications up to 200°C, good adhesion to ELAN-Film HT 180 and Kapton, <0.015 Ω/sq/mil |
Conductive carbon inks
| Description | Drying / Curing | Benefit | |
| Bectron® GP 9552 | Conductive carbon ink | 10 min at 120°C | Silver top-coat with good adhesion to treated PET films, <40 Ω/sq/mil |
| Bectron® GP 9553 | Conductive carbon ink | 10 min at 120°C | Good adhesion to silver and untreated PET films, <40 Ω/sq/mil |
| Bectron® GP 9580 | Thermoformable conductive carbon ink | 10 min at 120°C | Optimized for in-mold electronics, good adhesion to silver and PC films, <55 Ω/sq/mil |
Insulating inks
| Description | Drying / Curing | Benefit | |
| Bectron® DP 8442 | Insulating ink green | 5 m/min at >600 mJ/cm² UVA | Good adhesion to silver, untreated and treated PET films |
| Bectron® DP 8443 | Insulating ink blue | 5 m/min at >600 mJ/cm² UVA | Good adhesion to silver, untreated and treated PET films |
| Bectron® DP 8444 | Insulating ink colorless | 5 m/min at >600 mJ/cm² UVA | Good adhesion to silver, untreated and treated PET films |
| Bectron® DP 8480 | Thermoformable insulating ink | 10 min at 120°C | Optimized for in-mold electronics, good adhesion to silver and PC films |
Weiterführende Informationen zu den genannten Produkten finden Sie unter dem unten stehenden Link. Dort und in unseren technischen Datenblättern finden Sie auch entsprechende Empfehlungen zu weiteren isolierenden und leitfähigen Siebdruckpasten: https://www.elantas.de/europe/products/printed-electronics/products.html
Gerne beantworten wir auch direkt Ihre Fragen und begleiten Sie bei der technischen Umsetzung Ihrer Projekte mit entsprechenden Produkten, senden Sie uns hierzu einfach eine Email an: AdvancedPrinting@altana.com