Elektrogeräte entwickeln sich in vielen Bereichen weiter. Die beiden wichtigsten Faktoren sind die Verkleinerung der Geräte und ihre Flexibilität (für den Markt der elektronischen Wearables). Konventionelle Schaltungen lassen sich nur bis zu einem gewissen Grad verkleinern und sind generell nicht flexibel genug, um den Anforderungen von flexiblen/tragbaren elektronischen Applikationen gerecht zu werden. Als Alternative zu herkömmlichen Schaltungen haben sich zwei Möglichkeiten herauskristallisiert. Zum einen gibt es Nanodrähte (oder molekulare Drähte), die bereits in einem früheren Artikel vorgestellt wurden, und zum anderen leitfähige Tinten aus Nanomaterialien, die im Mittelpunkt dieses Artikels stehen.

Im Hinblick auf das Marktpotenzial ist die Verwendung von Tinten auf Nanomaterial-Basis wesentlich weiter fortgeschritten als die von Nanodrähten. Es gibt jedoch Fälle, in denen Silber-Nanodrähte in Tinten für den Einsatz in kommerziellen Prototypen formuliert wurden. Wie bei allen Formulierungen gibt es auch bei Tinten auf Nanomaterial-Basis Probleme bei der Zusammensetzung und Optimierung, aber das kommerzielle Potenzial ist weitaus größer als bei anderen Optionen. Deshalb forschen Unternehmen intensiv daran, diese Probleme zu überwinden, die Produktion zu steigern und sie zu einer praktikablen Option für zahlreiche kommerzielle Applikationen zu machen.

Tinten aus Nanomaterialien

Tinten auf der Basis von Nanomaterialien gibt es in vielen Formen, von 2D-Nanomaterialien bis hin zu 3D-Nanopartikeln und 1D-Nanodrähten, und sie bestehen aus vielen verschiedenen chemischen Zusammensetzungen. Wenn die Nanomaterialien in eine Tinte eingearbeitet sind (Tintenformulierung), können sie auf eine Oberfläche aufgebracht werden und dort als leitendes Medium zwischen verschiedenen elektronischen Bauelementen fungieren. Dadurch wird die Tinte im Grunde zu einem druckbaren, flexiblen und ultradünnen elektronischen Schaltkreis.

Hierbei hat sich Graphen aufgrund seiner Flexibilität, elektrischen Leitfähigkeit und Ladungsträgermobilität als besonders vielversprechend erwiesen. Es gibt aber auch andere Materialien, die für kommerzielle Applikationen getestet werden, wie z. B. Kupfer-Nanopartikel und Silber-Nanodrähte, die ebenfalls interessant sind. Bislang ist das Forschungsfeld jedoch noch sehr offen, und wenn es gelingt, die Anfangsschwierigkeiten zu überwinden, die jede neue Formulierung mit sich bringt, hat die Technologie das Potenzial, den Markt für flexible und tragbare elektronische Wearables zu revolutionieren und viele Alltagsgeräte noch kleiner zu machen.

Optimieren und Skalieren als Herausforderung

Eine der größten Herausforderungen, die einer breiten Anwendung im Wege stehen, ist die Suche nach den besten Methoden zur einheitlichen Herstellung der Nanomaterialien, diese effizient in Tinten einzubringen und sie homogen auf die Oberfläche zu drucken. Ein entscheidender Faktor ist, dass alle diese Aspekte miteinander verknüpft sind und bei der Optimierung der Tinten eine Rolle spielen, auch bei der Optimierung für größere Produktionsmengen (d. h. Scale-up). Diese Aufgabe ist also gar nicht so schwierig, wie sie zunächst klingen mag.

Im Bereich der Nanomaterialien können verschiedene Rohprodukte mit unterschiedlichen Größen und Eigenschaften hergestellt werden, die sich auf die endgültige Tintenformulierung auswirken können. Wenn die aktiven Nanomaterialien in der Formulierung nicht homogen verteilt sind, kann es zu Bereichen mit hoher Leitfähigkeit und ohne Leitfähigkeit kommen, sodass die Tinte nicht zur Herstellung eines vollständigen Schaltkreises verwendet werden kann. Außerdem muss der Aufdruck auf eine Oberfläche gleichmäßig sein, um zu vermeiden, dass die gedruckte Oberfläche Bereiche mit unterschiedlicher Dicke aufweist. Diese drei Aspekte zählen zu den größten Herausforderungen im Bereich der leitfähigen Tinten aus Nanomaterialien – und auf diesem Gebiet wird derzeit intensiv weiter geforscht.

Wie bei jedem neuen Produkt gibt es insbesondere bei Nanomaterialien immer Bedenken hinsichtlich der Sicherheit. Allerdings ist das ein eigenes und umfangreiches Thema für einen weiteren Beitrag. In Bezug auf die Sicherheit von Nanomaterialien wird jedoch viel getan, damit sie für den Verbraucher geeignet und für Arbeiter weniger gefährlich sind.

Ein Blick in die Zukunft

Da es sich um elektronische Applikationen handelt, müssen all diese Herausforderungen zunächst gemeistert und die Lösungen optimiert werden, bevor Tinten aus Nanomaterialien in alltäglichen Produkten zum Einsatz kommen können. Nur die Herausforderungen zu sehen ist jedoch nicht der beste Weg. Schließlich gibt es viele Unternehmen, Behörden und Verbände, die diese Herausforderungen bereits angehen. Es ist daher am sinnvollsten, das Potenzial zu erkennen, sobald diese Herausforderungen gemeistert sind.

Hinzu kommt, dass sich leitfähige Tinten aus Nanomaterialien noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Wie viele andere Technologien, Geräte und Produkte müssen sie zuerst eine effiziente Produktentwicklung, Optimierung und Skalierung vorweisen können, bevor sie in großem Umfang kommerziell genutzt werden können. Es ist also nur eine Frage der Zeit, bis diese Tinten in zahlreichen Bereichen zum Einsatz kommen, denn die Wissenschaft dahinter ist solide, wie zahlreiche wissenschaftliche Forschungsarbeiten zeigen. Lediglich die Verarbeitungs- und Entwicklungsphasen müssen noch perfektioniert werden.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Produktion von Tinten auf Basis von Nanomaterialien skaliert und in weitaus größeren Mengen als bisher produziert werden muss, da sie sonst auf einem ohnehin schon umkämpften Markt finanziell nicht wettbewerbsfähig sind. Die Projekte und Forschungsarbeiten zur Produktionssteigerung von Tinten auf Basis von Nanomaterialien zielen auch darauf ab, die Kosten für die Produkte zu senken und sie einheitlicher und qualitativ besser zu machen. Daher ist es wahrscheinlich, dass sowohl bei den Kosten als auch bei der Qualität gleichzeitig Fortschritte erzielt werden.

Applikationen

Das Anwendungspotenzial ist riesig, und es wurden bereits Prototypen für flexible Geräte und Solarzellen hergestellt, mit denen neue kapazitive Touchscreens bzw. ultradünne Photovoltaikmodule aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) entwickelt wurden. An Universitäten wurden auch Prototypen von Textilprodukten entwickelt, bei denen leitfähige Tinten aus Nanomaterialien verwendet werden, um Sensoren und Datenübertragungspunkte für Gesundheits- und Fitnesstrackinggeräte miteinander zu verbinden.

Das sind nur einige wenige Bereiche, bei denen sich das kommerzielle Potenzial bereits abzeichnet und die sich bereits im Prototypenstadium befinden. Es gibt aber auch viele andere Bereiche, in denen leitfähige Tinten aus Nanomaterialien eingesetzt werden können. Dazu zählen beispielsweise LCD-Displays, LED-Bauelemente, Dünnschichttransistoren, RFID-Tags, medizinische Sensoren und transparente Elektroden. Ein wichtiger Anwendungsbereich für Tinten auf Basis von Nanomaterialien sind außerdem alle Applikationen, bei denen flexible oder tragbare Technologien eingesetzt werden sollen. Auch der Bereich der 3D-druckbaren Geräte ist eine Option für die Zukunft, da einige Bauelemente bereits gedruckt werden können. Durch die Kombination von druckbaren Bauelementen mit druckbaren Nanotinten-Schaltkreisen könnte auch der Bereich der 3D-druckbaren Geräte weiter vorangebracht werden.

Fazit

Tinten auf der Basis von Nanomaterialien haben ein enormes Potenzial, um flexible, tragbare und druckbare Elektrogeräte auf breiter Basis kommerziell nutzbar zu machen und die Größe vieler Alltagsgeräte weiter zu reduzieren. Dazu können die Tinten als leitende Verbindung zwischen den Komponenten dienen, sodass sie zu einem gedruckten, flexiblen und ultradünnen Schaltkreis werden.

Wie bei jeder neuen Technologie gibt es einige Herausforderungen, wenn es darum geht, die Formulierung der Tinten zu optimieren und sicherzustellen, dass sie gleichmäßig aufgetragen werden. Das ist jedoch nicht anders als bei vielen anderen neuen Technologien. Außerdem gibt es viele Beteiligte in der Industrie bis hin zu Fördereinrichtungen, die intensiv an der Bewältigung dieser Herausforderungen arbeiten. Wenn sie sich durchsetzen, haben Tinten auf Basis von Nanomaterialien ein enormes Potenzial bei vielen Elektrogeräten, von CIGS-Photovoltaikanlagen bis hin zu flexiblen Touchscreens und vielen weiteren Applikationen.