Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Widerstandsfähige Leiterbahnen durch Inkjet-gedruckte sinterfreie, leitfähige Hybridtinten auf Faltschachtelkarton am Beispiel faltbarer 3D-UHF Antennen

Die Digitalisierung der Gesellschaft ist unaufhaltsam. Eine Kopplung der Printmedienwelt mit den neuen digitalen Technologien ist daher dringend erforderlich. Bisher sind Verpackungen noch nicht an die digitale Welt angebunden. Es gibt aber immer mehr Projekte und sogar erste Produkte dazu.

Kleinere und mittlere Hersteller von Verpackungen sollen in die Lage versetzt werden, leitfähige Strukturen für „smart packaging“ direkt auf Kartons zu drucken. Dazu werden neuartige, flexible Hybridtinten auf faserbasierte Substrate angepasst, die sich für Faltschachteln eignen. Die Kombination soll folgende Vorteile bringen:

• Flexibilität: gedruckte Strukturen halten branchentypischen Verarbeitungsverfahren stand

• Sinterfreiheit: Leitfähigkeit der Strukturen direkt nach dem Drucken

• Vereinfachung: Einfaches Drucken der Tinten mit Standard-Inkjet-Druckern

Diese Eigenschaften sollen bei möglichst geringen Kosten erreicht werden.

Tinte und Substrat werden optimal aufeinander abgestimmt. Dazu werden die Porosität und die Benetzbarkeit des Kartons für die optimale Tintenhaftung modifiziert. Ein geschickt gewählter Schichtaufbau erhöht die Haftung, erhält die Leitfähigkeit und vermindert die mechanische Beanspruchung der leitfähigen Strukturen. Die Tinten werden hinsichtlich Viskosität, Benetzungseigenschaften und Versagensmechanismen untersucht und auf das Substrat angepasst. Zuletzt werden Leitfähigkeit und Perkolationskurven in Abhängigkeit der mechanischen Beanspruchung und des Schichtaufbaus des Substrats untersucht.

Die gewonnenen Kenntnisse sollen die optimale Abstimmung zwischen Karton und Hybridtinte erlauben. Der Einfluss von Parametern wie Porosität, Glätte und Haftfestigkeit der Papieroberfläche auf die gedruckte Elektronik wird ermittelt. Die entwickelten Karton-Tinten-Kombinationen erlauben kmU, wie Faltschachtelhersteller, RFID-Antennen selbst zu drucken und die Wertschöpfung im eigenen Hause zu erzielen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war, mit neuartigen flexiblen Hybridtinten Leiterbahnen für integrierte Elektronik auf faserbasierte Substrate zu drucken. Es wurde versucht verschiedene Hybridtinten aus den Metallen Au, Ag, Cu herzustellen. Drei verschiedene Faltschachtelkartons (FSKs) mit ungestrichener Rückseite wurden mit Streichfarben aus CaCO3- und SiO2-basierten Pigmente und Bindemittel beschichtet. Bei der Materialkombination des FSKs und des gewählten Striches zeigte sich eine Abhängigkeit von der Au-Hybridtinte durch auffällige Abweichungen im Wegschlagverhalten, der Saugfähigkeit des gestrichenen FSKs und der Viskosität der Tinte. Die aufgezeigte Abhängigkeit der Zusammensetzung bzw. Viskosität der Au-Hybridtinte und der Saugfähigkeit des gestrichenen FSKs wirkten sich auf die Qualität der auf dem gestrichenen FSK gedruckten Leiterbahn aus, was die ermittelten Schichtwiderstände betraf. Es konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass ein höherer SiO2-Anteil im Strich zu einer qualitativ höherwertigen Leiterbahn führte. Die Leiterbahnen, die mittels Inkjet-Druckes direkt auf poröses Material (direkt auf die Verpackung) gedruckt wurden, wiesen einen sehr geringen Schichtwiderstand auf. Die gedruckte Tinte verblieb an der Oberfläche des Striches, zeigte nur geringfügige Penetration und verursachte eine leichte Interaktion mit den Komponenten des Striches, was zu einer Verdichtung am Rand der Leiterbahn mündete. Die anschließenden Untersuchungen zur mechanischen Stabilität der gedruckten Leiterbahn zeigten, dass durch das Scheuern zweier gestrichener FSK gegeneinander, eine Erniedrigung des Schichtwiderstandes erreicht werden konnte. Der Inkjet-Druck mit einer leitfähigen Hybridtinte auf die Oberfläche eines gestrichenen FSK zur Erzeugung einer Leiterbahn war erfolgreich. Die Anwendung liegt im Bereich "smart packaging" und im Logisitikbereich .