Innovatives Infrarot-System trocknet und sintert gedruckte Elektronik fast 2000mal schneller als bisher

Bei gedruckter Elektronik am laufenden Meter für Displays oder Solarzellen kommt es auf schnelles Trocknen der Oberflächen und gute Leitfähigkeit der Silbertinte an. Ein neu entwickeltes Infrarot-Modul von Heraeus Noblelight erreicht dies in deutlich weniger als einer Sekunde (0,32 s) und ist damit fast 2000mal schneller als übliche Trocknungsverfahren.

Heraeus entwickelte und installierte das Infrarot-Modul maßgeschneidert für ein Rolle-zu-Rolle Drucksystem (R2R). In den Tests war die Infrarot-Strahlung im Vergleich zum Trocknen und Sintern mit konventionellen Heizplatten oder Heißluft deutlich überlegen. Die Tests wurden in der Professur Digitale Druckverfahren und Bebilderungstechnik der Technischen Universität Chemnitz und dem Fraunhofer Institut für Elektronische Nano-Systeme durchgeführt.

Heraeus Noblelight präsentiert die Innovation, weitere UV-, Infrarot-und Flash-Systeme für die gedruckte Elektronik auf der Messe LOPEC in München im April 2016.

Metallische Nanopartikel für gedruckte Elektronik werden häufig im Inkjet Druckverfahren auf flexible und temperaturempfindliche Polymermaterialien aufgebracht und dann getrocknet und gesintert. Im Labormaßstab wird dies meist mit Hilfe von Heizplatten oder Heißluft erreicht. Für eine Massenproduktion ist jedoch der Einsatz von Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) nötig. Das Trocknen und Sintern muss dann deutlich beschleunigt werden. Neue Methoden wie etwa Mikrowellen, Laser, Intense Pulse Light (IPL) oder Infrarot-Strahlung wurden untersucht. Das optimale Verfahren sollte schnell und effizient trocknen und sintern und dabei die oftmals temperaturempfindlichen Polymersubstrate nicht beschädigen.

Heraeus entwickelte ein maßgeschneidertes Infrarot-Modul für ein R2R Drucksystem. Mit diesem wurden Versuche zum Infrarot-Trocknen und -Sintern von Inkjet gedruckten Silberschichten auf Polyethylen-Naphtalat (PEN) Substrat durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Infrarot-Nachbehandlung der frisch gedruckten Schichten zu einer Leitfähigkeit von bis zu 15% von reinem Silber führte. Im Vergleich zum Trocknen und Sintern mit konventionellen Heizplatten oder Heißluft mit den üblichen Prozessparametern erreichte Infrarot-Strahlung eine doppelt so hohe Leitfähigkeit in nur 0,32 Sekunden. Mit einer Heizplatte dauert das Trocknen und Sintern dagegen etwa zehn Minuten.

Durch elektronenmikroskopische Aufnahmen wurde die Mikrostruktur der gesinterten Silberpartikel in Abhängigkeit von den IR Parametern (Filamenttemperatur der Strahler, Zeit und Intensität der Strahlung, Distanz der Strahler und des Reflektors zum Substrat) analysiert. Nach der Optimierung der Infrarot-Parameter wurde bei 50 kW pro Quadratmeter getrocknet und bei 150 kW pro Quadratmeter gesintert. Beides mit dem gleichen kurzwelligen Strahlertyp, der dafür lediglich unterschiedlich angesteuert werden muss. Die gedruckte Elektronik auf der durchlaufenden Folie kann durch das maßgeschneiderte Infrarot-System also in einem Schritt getrocknet und gesintert werden, bei hohen Bandgeschwindigkeiten von bis zu 1 Meter pro Sekunde und einer Bestrahlungszeit von weniger als 0,32 Sekunden.

Die gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden kürzlich im Journal Materials Chemistry C veröffentlicht: E. Sowade, H. Kang, K.Y. Mitra, O.J. Weiß, J. Weber, R.R. Baumann, Roll-to-roll infrared (IR) drying and sintering of an inkjet-printed silver nanoparticle ink within 1 second, J. Mater. Chem. C. 3 (2015) 11815–11826. doi:10.1039/C5TC02291F.

Der Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein 1851 gegründetes und heute weltweit führendes Familienunternehmen. Mit fachlicher Kompetenz, Innovationsorientierung, operativer Exzellenz und unternehmerischer Führung streben wir danach, unsere wirtschaftliche Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu verbessern.

Wir schaffen hochwertige Lösungen für unsere Kunden und stärken nachhaltig ihre Wettbewerbsfähigkeit indem wir Material-Kompetenz mit Technologie Know-how verbinden. Unsere Ideen richten sich auf Themen wie Umwelt, Energie, Gesundheit, Mobilität und Industrielle Anwendungen. Unser Portfolio reicht von Komponenten bis zu abgestimmten Materialsystemen. Sie finden Verwendung in vielfältigen Industrien, darunter Stahl, Elektronik, Chemie, Automotive und Telekommunikation.

Im Geschäftsjahr 2014 erzielte Heraeus einen Produktumsatz von 3,4 Mrd. € und einen Edelmetallhandelsumsatz von 12,2 Mrd. €. Mit weltweit rund 12.600 Mitarbeitern in mehr als 100 Standorten in 38 Ländern hat Heraeus eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.

Heraeus Noblelight GmbH mit Sitz in Hanau, mit Tochtergesellschaften in den USA, Großbritannien, Frankreich, China und Australien, gehört weltweit zu den Markt- und Technologieführern bei der Herstellung von Speziallichtquellen und -systemen. Heraeus Noblelight wies 2014 einen Jahresumsatz von 137,3 Millionen € auf und beschäftigte weltweit 884 Mitarbeiter. Das Unternehmen entwickelt, fertigt und vertreibt Infrarot- und Ultraviolett-Strahler, -Systeme und Lösungen für Anwendungen in industrieller Produktion, Umweltschutz, Medizin und Kosmetik, Forschung und analytischen Messverfahren.

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