- Neuartige Drucktechnologie ermöglicht das direkte Drucken elektronischer Schaltungen auf gekrümmten Oberflächen und eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten.
- Das Forschungsteam kombiniert Robotik und Echtzeitüberwachung, um die Druckgenauigkeit zu erhöhen.
- Neue Tintenmaterialien sollen extremen Bedingungen standhalten und die Haltbarkeit elektronischer Produkte verbessern.
- Contour Circuits erhält Fördermittel zur Weiterentwicklung der Technologie und erforscht den Multimaterialdruck.
Eine neuartige Drucktechnologie könnte elektronische Schaltungen künftig direkt auf gekrümmte und dreidimensionale Oberflächen drucken und so die Herstellung von Sensoren und anderen Elektronikprodukten ermöglichen, die mit herkömmlichen planaren Verfahren nicht gefertigt werden können. Die Forschung wird von Ethan Secor, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Iowa State University, und seinem Start-up Contour Circuits geleitet. Das Team entwickelt eine Aerosol-Drucktechnik, mit der elektronische Materialien hochpräzise auf komplexen Oberflächen abgeschieden werden sollen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Tintenstrahldruckern wandelt die Aerosol-Drucktechnik flüssige Tinte in einen feinen Nebel um und transportiert diesen mithilfe eines Gasstroms durch eine Düse, wodurch das System Muster von nur 10 bis 100 Mikrometern drucken kann.
Robotik erhöht die Präzision
Die Forschenden kombinieren das Druckverfahren derzeit mit Robotik, Software und Echtzeitüberwachung, um die Art und Weise zu steuern, wie die Schaltungen auf der gekrümmten Oberfläche abgeschieden werden.
In einem System des Teams ist der Aerosol-Druckkopf auf einem beweglichen Roboterarm montiert. Diese Anordnung ermöglicht es der Düse, sich über unebene Oberflächen zu bewegen, bringt jedoch neue Herausforderungen bei der Positionierung und Bewegungsplanung mit sich. Ziel ist es, das Verfahren präzise genug zu machen, um zuverlässige elektronische Schaltungen auf komplexen dreidimensionalen Formen herzustellen. Secor erklärte: „Die Arbeit, die mich derzeit am meisten begeistert, ist der konforme Oberflächendruck. In den nächsten zwei bis drei Jahren wird dies ein Schwerpunkt unserer Arbeit sein. Wir werden uns darauf konzentrieren, Anwendungen für diese Technologie zu entwickeln." Zu den potenziellen Einsatzbereichen zählen Energie, Medizin, Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation und Sicherheit.
Neue Tintenmaterialien für extreme Bedingungen
Auch die Verbesserung der Haltbarkeit gedruckter Elektronik ist von entscheidender Bedeutung – insbesondere, ob diese nach der Herstellung weiterhin zuverlässig funktioniert. Secor erforscht neue Tintenmaterialien, um extremen Bedingungen standzuhalten, darunter etwa den extremen Temperaturschwankungen im Weltraum. Diese Forschung wird durch eine kürzliche Förderung der U.S. National Science Foundation unterstützt. Das Team richtet sein besonderes Augenmerk auf Ausfälle an Verbindungsstellen zwischen Silizium-Halbleitern und größeren elektronischen Schaltungen. Die Forschenden schreiben in der Projektzusammenfassung: „Elektronische Systeme, die in extremen Umgebungen funktionieren, sind für Energie-, Infrastruktur-, Luft- und Raumfahrt- sowie Weltraumanwendungen von hoher Relevanz."
Auch die NASA unterstützt die Kommerzialisierungsbemühungen.
Erforschung des Multimaterialdrucks
Contour Circuits, gegründet von Secor und seinem ehemaligen Doktoranden Jeremy Rurup, hat einen Small Business Technology Transfer-Vertrag über US$150,000 (etwa HK$1,170,000) erhalten, um die Technologie weiterzuentwickeln. Das Unternehmen arbeitet im Roy J. Carver Co-Laboratory der Iowa State University. Das Team erforscht zudem Verfahren, um im selben Abscheidungsprozess mehrere Materialien zu drucken. Secor vergleicht dieses Konzept mit dem Übergang vom Schwarzweiß- zum Graustufendruck, bei dem sich die Zusammensetzung des gedruckten Materials über die Oberfläche hinweg variieren lässt – was es den Ingenieuren ermöglichen würde, die elektrischen und physikalischen Eigenschaften der gedruckten Bauelemente besser zu steuern.
Secors Interesse an gedruckter Elektronik begann während seines Promotionsstudiums an der Northwestern University, wo er sich zunächst auf Graphen-Tinten konzentrierte. Im Laufe seiner Forschung weitete er den Fokus auf flexible Elektronik, flüssigmetallbasierte Elektronik, Mikrosuperkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien aus. Schließlich begann er, Druckhardware selbst zu bauen und zu modifizieren, anstatt sich ausschließlich auf kommerziell erhältliche Systeme zu verlassen. Secor erklärte: „Ich habe gelernt, wie man Drucker baut, und das hat mir viele Forschungsrichtungen eröffnet. Heute bauen und individualisieren wir unsere eigene Hardware. Während andere Forschungsgruppen also mit einer Blackbox arbeiten, können wir sie öffnen, verstehen, wie sie funktioniert, und sie verbessern."
Auswirkungen der neuen Technologie auf Elektronikanwendungen
Die Entwicklung dieser neuartigen Aerosol-Drucktechnologie wird die Fertigung elektronischer Produkte revolutionieren. Durch den präzisen Druck elektronischer Schaltungen auf komplexen gekrümmten Oberflächen werden künftig flexiblere und anpassungsfähigere Elektronikgeräte entstehen – insbesondere in kritischen Bereichen wie Medizin und Luft- und Raumfahrt. Dass das Forschungsteam den Schwerpunkt auf die Verbesserung der Haltbarkeit und die Bewältigung extremer Umgebungsbedingungen legt, zeigt einen weitreichenden Blick für künftige Anwendungen. Mit dem Fortschreiten der Technologie könnte dieses Druckverfahren zum Standard für eine neue Generation elektronischer Produkte werden und Innovation sowie Entwicklung in der Branche vorantreiben.