3D-Druck für Nano-Elektrobauteile
Der Computer-Screen integriert im Brillenglas: die Technologien der Zukunft brauchen neue Materialien und kostengünstige Verfahren zur Herstellung. Vielversprechend wäre 3D-Druck, dieser ist aber im Elektronikbereich noch nicht etabliert. Ein Pioneer Fellowship fördert drei Nachwuchsforscher, die 3D-Druck von Elektronik salonfähig machen wollen.
Nicht umsonst trägt das «Silicon Valley» seinen Namen: Silizium ist der Stoff, aus dem die meiste Elektronik besteht. Für aufrollbare Displays oder transparente Elektronik, wie sie eines Tages nicht nur in Brillengläsern, sondern auch in Windschutzscheiben oder Kleidungsstücken integriert sein könnte, ist Silizium allerdings zu brüchig. Neuartige Materialien können hingegen mit Druckverfahren einfach auf Papier- oder Plastikträger aufgebracht werden, und dienen so als elektronische Grundbausteine für die Herstellung extrem preiswerter Elektronik.
Patrick Galliker vom Labor für Thermodynamik in Neuen Technologien hat mit seinen Kollegen Julian Schneider und Hadi Eghlidi einen 3D-Drucker entwickelt, mit dem sie hauchdünne Elektronikbauteile produzieren. Mit dieser Erfindung möchten sie nun ein Spin-Off namens Scrona gründen. Unterstützt werden sie dabei durch ein ETH Pioneer Fellowship.
Im Vergleich zu anderen Druckverfahren soll die neue Fabrikationstechnik endlich auch leistungsfähige Elektronikkomponenten herstellen. «Druckverfahren für Elektronik stecken nämlich noch immer in den Kinderschuhen und erreichen nicht die nötige Auflösung für High-End-Geräte», erklärt Galliker.
Prinzip Tintenstrahl und Tropfsteinhöhle
Der von ihm und seinen Kollegen entwickelte 3D-Druckkopf «NanoDrip» versucht dieses Problem zu lösen: Ähnlich wie bei Tintenstrahldruckern, die Dokumente ausdrucken, formt der Druckkopf winzige, mit Nanopartikeln angereicherte Tröpfchen. Durch ein Spannungsfeld gelenkt, landen die Tröpfchen auf dem Trägermaterial präzise auf der gewünschten Stelle. Nach Verdampfen der Flüssigkeit bleiben schliesslich nur noch die Nanopartikel zurück. Tropfen für Tropfen baut sich so eine dreidimensionale Struktur auf, ähnlich den Stalagmiten in einer Tropfsteinhöhle. Damit erreichen die Forscher eine ähnlich feine Auflösung für Nanometer-kleine Elektronik wie mit klassischen, nicht auf Drucktechnik basierten Methoden, reduzieren die Herstellungskosten für Elektronik jedoch auf einen Bruchteil.
Dreidimensionales Drucken wird für die Elektronik dann interessant, wenn Leiterbahnen höher als breit sein müssen, zum Beispiel bei Solarzellen. Die feinen Silberdrähte auf der Solarzellen-Oberfläche leiten den Strom ab, reflektieren aber zugleich das einfallende Sonnenlicht. Heutzutage werden diese Leiterbahnen zwar schon mit Druckverfahren hergestellt, allerdings sind deren Möglichkeiten stark begrenzt. Daher könnten insbesondere Hersteller von Solaranlagen vom «NanoDrip» 3D-Druck profitieren. Mit der weiteren Entwicklung des «NanoDrip» Druckverfahrens sollen aber auch weitaus komplexere Strukturen gedruckt werden, etwa hochauflösende Displays auf Folien.
Grossflächige Drucke möglich machen
Die Pioneer Fellowships der ETH Zürich finanzieren Nachwuchsforschende in den Anfängen der Unternehmensgründung. Mithilfe des Stipendiums ist es Galliker und seinen Kollegen möglich, ihre Unternehmensidee Scrona umzusetzen.
Während 18 Monaten werden sie ihren «NanoDrip» Druckkopf weiterentwickeln und für grossflächige Drucke, wie sie für Solaranlagen nötig wären, ausbauen. Ausserdem steht ihnen die Infrastruktur der ETH mit Messgeräten wie einem Elektronenmikroskop zur Verfügung. Dieses benötigen sie, um die gedruckten Nanostrukturen zu untersuchen. Die Forscher planen, bis zum Ende der 18 Monate eine Zusammenarbeit mit Industriepartnern aufgebaut zu haben, die ihren Druckkopf zu einem kompletten Druckgerät ergänzen.
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