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Ausgabe: 22/2005
Newsletter 22/05 Nanotechnologie – Mikro, Nano und kleiner
Die Themen des heutigen Newsletters sind: organische Chips – massengedruckte integrierte Elektronikschaltungen – hauchdünne Farbdisplays.
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| Verdrillung des freien Rubren-Moleküls |
Chemiker der Ruhr-Universität Bochum sind dem Ziel einen Schritt näher gekommen, mit organischen Materialien elektronische Schaltkreise herzustellen. Forscher um Prof. Dr. Christof Wöll haben die Aufwachsbedingungen bestimmter, weicher Moleküle – der «Rubren-Moleküle» – so optimiert, dass diese zum Beispiel auf einen Transistorbauteil aufgedampft werden können, ohne sich zu verformen.
Bei der Realisierung elektronischer Schaltkreise, in denen organische Materialien als Halbleiter dienen, treten immer wieder Probleme auf. Zum Beispiel lassen sich aus hoch geordneten Kristallen des organischen Moleküls «Rubrene» zwar leistungsfähige Transistoren (so genannte OFETs, organische Feldeffekt-Transistoren) herstellen – die für eine Massenproduktion erforderliche Herstellung durch Aufdampfen auf Substrate scheiterte aber bisher. Durch systematische Untersuchungen des Aufwachsverhaltens konnten die Forscher nun die Gründe dafür identifizieren. Die Ursache liegt in den molekularen Materialien: Die Rubren-Moleküle sind so flexibel, dass das freie Molekül beim Einlagern in den Festkörper eine andere Geometrie («Konformation») annimmt.
Beim Aufdampfen «landen» die Moleküle auf dem Substrat und können zunächst nicht kristallisieren, weil ihnen die richtige Umgebung fehlt. Dadurch entstehen Defekte, die die Beweglichkeit der Ladungsträger im organischen Halbleiter behindern und so zur Fehlfunktion des mit aufgedampften Rubren hergestellten Transistors führen. Basierend auf ihren Ergebnissen konnten die RUB-Forscher ein Aufwachsverfahren entwickeln, das sie zurzeit testen. Bild 1 zeigt die interne Verdrillung des freien Rubren-Moleküls (links). Die Verdrillung muss vor dem Einbau in ein Kristallgitter (rechts) unter Verrichtung von Arbeit (Diagramm oben rechts) aufgehoben werden. Mit dieser Lösung hoffen die Forscher, die Probleme besser in Griff zu bekommen.
Erste massengedruckte integrierte Elektronikschaltung aus Deutschland
Die weltweit erste elektronische Schaltung in einem Seriendruckverfahren wurde jetzt an der TU Chemnitz hergestellt. Das Projekt wurde von der BASF Future Business GmbH geleitet, ausserdem
beteiligten sich Forscher der BASF AG in Ludwigshafen, der Lucent Technologies Bell Labs in Murray Hill (USA), der printed systems GmbH in Chemnitz sowie des Instituts für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz. Gemeinsam lösten sie die komplexen, materialseitigen und verfahrenstechnischen Probleme, um Elektronik druckbar zu machen.
Bei der Schaltung handelt es sich um einen Ring-oszillator (Bild 2), der aus 14 Transistoren besteht. Ringoszillatoren sind Grundbausteine für komplexere Schaltungen und dienen zur Erzeugung eines Taktsignals. BASF und Bell Labs brachten ihre Erfahrung mit den verwendeten Materialien sowie deren physikalischen Untersuchungen ein. Die Schaltungen selbst wurden in der Firma printed systems und am Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz entworfen, gedruckt und untersucht. Zurückgegriffen wurde hier auf die Massendruckverfahren Offsetdruck, Tiefdruck und Flexodruck.
Mit einer Druckgeschwindigkeit von bis zu 0,8 m/s wurden die Schaltungen gedruckt – in der Elektronik eine neue Dimension der Fertigungsgeschwindigkeit. Millionenfache Auflagen scheinen so kein Problem mehr zu sein. Das Polymer-Druckverfahren basiert auf speziell entwickelten Drucktechniken: Dabei werden die Kunststoffmoleküle, die entweder leitend, halb leitend oder isolierend sind, in hauchfeinen Schichten mit hoher Präzision übereinander gedruckt. Die Kunststoffe lassen sich ähnlich wie Tinte verarbeiten.
Im Vergleich zum klassischen Drucken sind die Anforderungen an die Genauigkeit sowie an die chemischen Eigenschaften der Druckstoffe jedoch wesentlich höher, denn Druckfehler würden sofort zu Funktionsstörungen der Schaltungen führen. Mit der verwendeten Strukturauflösung von 100 µm wurde eine Schaltfrequenz von 1 Hz erreicht. Nach Angaben der BASF wird das Unternehmen die Kooperation mit der printed systems fortsetzen, um eine marktfähige Technologie zu entwickeln. Durch den Einsatz selbst entwickelter Halbleiter- und Dielektrikum-Materialien werden deutliche Verbesserungen bei den Eigenschaften der Schaltungen erwartet. Das Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz mit seinen zirka 45 Mitarbeitern wird weiterhin wichtige wissenschaftliche Beiträge leisten.
Die Firma printed systems GmbH, ein in 2003 aus der TU Chemnitz gegründetes Unternehmen, sieht in der Technologie einen Zukunftsmarkt. Laut Geschäftsführer Prof. Dr. Olaf Gierhake bieten Massendruckverfahren eine weitaus höhere Produktivität, als sie bei der bisherigen Elektronikfertigung bekannt ist. Mit in Massen gedruckter Elektronik soll es möglich werden, in alltäglichen Anwendungen elektronische Intelligenz zu integrieren. Beispiele sind RFID-Tags, flexible Displays und Tastaturen, Eintrittskarten (Bild 3) oder elektronische Schilder.
Hauchdünne Farbdisplays für Verpackungen
Farbdisplays könnten künftig praktisch überall Informationen anzeigen – also auch an Stellen, wo dies bislang aus Kostengründen unrentabel ist. Entwickler von Siemens haben kürzlich hauchdünne, farbige Kleindisplays (Bild 4) gezeigt, die sich auf Papier oder Folie aufdrucken lassen. Sie können im Vergleich zu LCD-Anzeigen sehr günstig hergestellt werden. 2007 sollen erste Displays auf den Markt kommen.
Die Displays bilden Informationen über Produkte oder sogar Bedienungsanleitungen für Geräte direkt auf der Verpackung ab. Eine Medikamentenschachtel könnte beispielsweise Hinweise für die Einnahme anzeigen, die auf Knopfdruck in mehreren Sprachen erscheinen. Eintrittskarten für Messen könnten darstellen, an welchen Ständen sich verschiedene Aussteller befinden. Denkbar sind auch kleine Computerspiele auf Verpackungen sowie Animationen auf Geräteschachteln, die auf Knopfdruck ablaufen und dem Benutzer die Bedienung schrittweise erklären.
Das Display besteht aus einem mit elektrochromem Material beschichteten Träger, der dünne Elektrodenstrukturen aufweist. Eine leitfähige Kunststofffolie dient als Gegenelektrode und Sichtfenster. Zur Ansteuerung verwenden die Techniker derzeit Schaltelemente aus Silizium. Ziel ist es, das gesamte Display mit entsprechender Ansteuerelektronik in einem Druckprozess aus leitenden und halb leitenden Kunststoffen zu fertigen.
Wissenschaftler optimieren diese Materialien, damit sie so schnell reagieren, dass die Displays bewegte Bilder zeigen können. Ein Kooperationspartner arbeitet daran, die Displays in die Verpackung und den Herstellprozess zu integrieren. Die Energie können die Displays durch schon jetzt verfügbare, druckbare Batterien erhalten. Die Verpackungen mit den Displays lassen sich als Verbundstoffe übrigens umweltfreundlich entsorgen und tragen den grünen Punkt.
Henning Wriedt
USA-Korrespondent
hwriedt@compuserve.com
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