DE102014224276A1

DE102014224276A1 - Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen sowie Substrat mit einer eine gedruckte Struktur aufweisenden Oberfläche

Info

Publication number: DE102014224276A1
Application number: DE102014224276.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Thomas; Ernst-Rudolf Weidlich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: DE102014224276B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei zunächst eine bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche eines Substrats durchgeführt. Hierdurch wird die Oberfläche in mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine Tinte und in mindestens einen Bereich mit nie-drigerer Benetzbarkeit für diese Tinte unterteilt, wobei sich die Oberflächenenergien dieser beiden Bereiche um mindestens 10 mN/m voneinander unterscheiden. Anschließend wird der mindestens eine Bereich mit höherer Benetz-barkeit für die Tinte mit der Tinte bedruckt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Substrat mit mindestens einer mindestens eine gedruckte, Nanopartikel-enthaltende Struktur aufweisenden Oberfläche, wobei die mindestens eine gedruckte Struktur ein Strukturelement oder mehrere Strukturelemente aufweist und die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 10 µm variiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei zunächst eine bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche eines Substrats durchgeführt. Hierdurch wird die Oberfläche in mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine Tinte und in mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für diese Tinte unterteilt, wobei sich die Oberflächenenergien dieser beiden Bereiche um mindestens 10 mN/m voneinander unterscheiden. Anschließend wird der mindestens eine Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte mit der Tinte bedruckt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Substrat mit mindestens einer mindestens eine gedruckte, Nanopartikel-enthaltende Struktur aufweisenden Oberfläche, wobei die mindestens eine gedruckte Struktur ein Strukturelement oder mehrere Strukturelemente aufweist und die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 10 µm variiert.
Bei Tintendruckverfahren wie z.B. Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, oder Inkjet kommt es zu einer unregelmäßigen Verbreiterung der gewünschten Strukturbreiten. Es wird im eigentlichen Druckprozess vorwiegend durch die Benetzungseigenschaften der Tinten des Substrats sowie durch Einfluss verschiedener Druckparameter hervorgerufen. Man erhält somit beim Druck keine scharfen, sondern sehr undefinierte Ränder. Eine solche Druckverbreiterung kann verschiedene Ursachen haben. Im Folgenden werden die Effekte für den Bereich Tiefdruckverfahren beschrieben, wo es dann zu einer Verbreiterung der gedruckten Struktur im Vergleich zu den Abmessungen der Kavitäten in der Druckform kommt.
Eine Ursache ist die Rauigkeit der Oberfläche der Druckform, welche durch Mikrorisse in der Oberfläche entsteht. Die Rauigkeit wird normalerweise so eingestellt, dass das Lösungsmittel diese Mikrorisse benetzt, um einen Gleitfilm auch in nicht Kavitäten tragenden Bereichen der Druckform zu erzielen. Fallen diese Mikrorisse allerdings zu breit aus, können Sie Pigmente aufnehmen, was direkt zu einer Druckverbreiterung an diesen Stellen führt.
Eine weitere Ursache für die Druckverbreiterung stellt der Druckprozess selbst dar. Durch Aufbringen eines mechanischen Druckes auf die Druckform wird während des Druckprozesses das bedruckende Substrat leicht in die Kavitäten der Druckform gedrückt. Dadurch entsteht ein leichter Überdruck der eingeschlossenen Tinte, welches zwar zu einer verbesserten Übertragung der Tinte beiträgt, aber auch dazu führt, dass die Tinte leicht in die Nachbarbereiche der eigentlich zu bedruckenden Bereiche gedrückt wird, was einer Druckverbreitung entspricht.
Die Verdunstung des in der Tinte enthaltenen Lösungsmittels, z.B. Wasser, stellt eine weitere Ursache für die Druckverbreiterung dar, da das Lösungsmittel im Mikrobereich fast explosionsartig auf dem bedruckten Substrat verdunsten. Zudem beeinflusst auch die Faserrichtung des zu bedruckenden Substrats, z.B. Papier, die Tintenführung beim Druckprozess, woraus ebenfalls eine Druckverbreiterung resultieren kann. Je nach Druckverfahren kommen noch weitere Ursachen für eine Druckverbreiterung in Frage.
Der Effekt der Druckverbreiterung wird insbesondere bei ganzflächig plasmaaktivierten Folien noch verstärkt, da aufgrund der erhöhten Oberflächenenergie der Folie zusätzlich ein verstärktes unerwünschtes Verlaufen der Tinte erfolgt, da die Tinte eine erhöhte Affinität zum zu bedruckenden Substrat aufweist. Die Plasmaaktivierung ist allerdings zwingend erforderlich, um eine ausreichende Haftung der Tinte auf der Oberfläche zu erreichen.
Die DE 10 2008 027 461 B4 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur mikrostrukturierten Plasmabehandlung, mit deren Verwendung eine mikrostrukturierte Funktionalisierung sowie eine Aktivierung einer Oberfläche erreicht werden kann.
Um das Verlaufen der Tinte zu reduzieren, wäre z.B. eine Erhöhung der Viskosität der Tinte möglich. Dies würde jedoch im Falle des konventionellen Tiefdrucks nicht zu einer Reduzierung der Druckverbreiterung führen, da es hier wegen der Rasterung der Information und der Oberflächenbeschaffenheit des zu bedruckenden Substrats keine geschlossenen Informationen übertragen, sondern lediglich einzelne Pixel entstehen würden. Dies wäre insbesondere bei der Umsetzung von Display-Grids oder Transistorelementen funktionshemmend.
Ausgehend hiervon war es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Drucken von Strukturen auf Oberflächen bereitzustellen, bei welchem eine störende Druckverbreiterung nahezu vermieden werden kann und somit gedruckte Strukturen mit einer sehr hohen Kantenschärfe erhalten werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 14 ist zudem gerichtet auf ein Substrat mit einer zumindest eine gedruckte Struktur aufweisenden Oberfläche. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen angegeben, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche eines Substrats, wodurch die Oberfläche in mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine Tinte und in mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für diese Tinte unterteilt wird, wobei sich die Oberflächenenergien dieser beiden Bereiche um mindestens 10 mN/m voneinander unterscheiden.
b) Bedrucken des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte mit der Tinte.

In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit zunächst eine bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche eines Substrats durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird das Substrat schließlich bereichsweise mit einer Tinte bedruckt.
Die Vorbehandlung hat den Zweck die Benetzbarkeit der Oberfläche bereichsweise zu modifizieren und die Oberfläche so in Bereiche verschiedener Benetzbarkeit für die Tinte zu unterteilen. Die Oberfläche wird dabei in mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte und in mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte unterteilt. Ein Maß für die Benetzbarkeit einer Oberfläche stellt die Oberflächenenergie dar. Erfindungsgemäß unterscheidet sich die Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte um mindestens 10 mN/m von der Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte.
Die Oberflächenenergie kann mittels Testtinten (ISO 8296), Teststiften oder über die Wasserrandwinkel mit den üblichen Messmethoden nach DIN 53 364 oder ASTM 2578-84 bestimmt werden.
Bei dem bereichsweisen Modifizieren der Benetzbarkeit der Oberfläche entsteht eine hochpräzise Kante zwischen dem mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte und dem mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte. Wird beim anschließenden Bedruckungsschritt die Tinte im mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen, bleibt die Tinte an dieser hochpräzisen Kante stehen und verläuft nicht weiter in den mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte. Dies liegt daran, dass die Tinte eine höhere chemische bzw. physikalische Affinität zur Oberfläche des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte als zur Oberfläche des mindestens einen Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte hat.
Auf diese Weise kann letztlich eine Druckverbreiterung nahezu vermieden werden und die gedruckte Struktur weist eine sehr hohe Kantenschärfe auf und zeigt auch keine Rasterung. Es entsteht eine scharfe Abgrenzung zwischen bedruckten und nicht-bedruckten Bereichen des Substrats. Man erreicht also eine bessere Reproduktion der Information der Druckform. Durch ein vermindertes oder sogar unterdrücktes Fließverhalten der Tinte über die Strukturbreite der zu druckenden Struktur hinaus, welche durch die Druckform vorgegeben ist, kann ebenso eine sehr gleichmäßige Höhe der gedruckten Schicht erreicht werden. Zudem kann auch Tinte mit geringer Viskosität zum Bedrucken eingesetzt werden, wobei trotzdem homogene Schichtdicken und scharfe Ränder der gedruckten Struktur erhalten werden können.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem die Glattlage, d.h. die Konstanz des Auftrags der Tinte, wesentlich verbessert werden. Zudem ist der sogenannte „Kaffeesatz-Effekt“, d.h. das Ansammeln von Farbpigmenten im Randbereich der gedruckten Struktur, gleichmäßiger als in bisher bekannten ähnlichen Verfahren.
Der dem erfindungsgemäßen Konzept zu Grunde liegende Benetzungskontrast kann z.B. durch eine gezielte Hydrophilisierung oder Hydrophobisierung der Bereiche der Oberfläche des Substrats gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheidet sich die Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte um mindestens 20 mN/m von der Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte. Je höher der Unterschied in der Oberflächenenergie und damit der Unterschied in der Benetzbarkeit der Bereiche ist, desto höher ist auch die chemische bzw. physikalische Affinität der Tinte zur Oberfläche des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte im Vergleich zur chemischen bzw. physikalischen Affinität der Tinte zur Oberfläche des mindestens einen Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte und desto höher ist somit auch die erzielte Kantenschärfe der gedruckten Struktur.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche durch eine Plasmabehandlung, z.B. Plasma-Printing, erfolgt, wobei eine Plasmastruktur auf die Oberfläche bereichsweise aufgebracht wird.
Weiterhin ist bevorzugt, dass dort, wo die Plasmastruktur aufgebracht wird, der mindestens eine Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte entsteht. Alternativ kann, dort wo die Plasmastruktur aufgebracht wird, aber auch der mindestens eine Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte entstehen.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die bereichsweise Vorbehandlung unter Atmosphärendruck erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Variante wird beim Bedrucken die Tinte nur in einem Teilbereich des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Tinte nur an Positionen des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, die mindestens 200 nm, bevorzugt mindestens 1 µm, vom Rand des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte beabstandet sind. Hierbei wird die Tinte somit nicht in unmittelbarer Nähe der Kante zwischen dem mindestens einen Bereich mit hoher Benetzbarkeit für die Tinte und dem mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen. Obwohl die Tinte somit nicht im gesamten zu bedruckenden Bereich, d.h. im mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit der Tinte aufgetragen wird, wird trotzdem der gesamte zu bedruckende Bereich bedruckt, da die aufgetragene Tinte bis zur Kante zwischen dem mindestens einen Bereich mit hoher Benetzbarkeit für die Tinte und dem mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte weiterverläuft und dort stehen bleibt. Auf diese Weise kann eine noch geringere Druckverbreiterung und somit eine noch höhere Kantenschärfe der gedruckten Struktur erreicht werden.
Alternativ hierzu ist es natürlich auch möglich, dass beim Bedrucken die Tinte im gesamten mindesten einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird.
Außerdem ist es möglich, dass beim Bedrucken die Tinte auch in einem Teilbereich des mindestens einen Bereiches mit geringerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Tinte nur an Positionen des mindestens einen Bereiches mit geringerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, die maximal 100 µm, bevorzugt maximal 10 µm, vom Rand des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte beabstandet sind. Bei dieser Variante wird die Tinte natürlich auch im gesamten mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen. Die Tinte wird also im gesamten mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen und zusätzlich auch in dem Teilbereich des mindestens eine Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen, der in unmittelbarer Nähe der Kante zwischen dem mindestens einen Bereich mit hoher Benetzbarkeit für die Tinte und dem mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte liegt. Obwohl die Tinte hier somit also auch im nicht zu bedruckenden Bereich, d.h. im mindestens einen Bereich mit geringerer Benetzbarkeit der Tinte aufgetragen wird, wird trotzdem nur der gesamte zu bedruckende Bereich, d.h. der mindestens eine Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte bedruckt, da die im mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragene Tinte aufgrund der höheren chemischen bzw. physikalischen Affinität zur Oberfläche des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aus dem mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte in den mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte hin verläuft und schließlich direkt hinter der Kante zwischen beiden Bereichen stehen bleibt, so dass sich auch hier eine präzise Kante der gedruckten Struktur ausbildet.
Gegebenenfalls wäre es somit auch möglich die Tinte auf der gesamten Oberfläche des Substrates, also vollflächig, aufzutragen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bedrucken mittels Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, und/oder Inkjet.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Tinte eine wasserbasierende Tinte ist. Alternativ kann die Tinte auch eine auf einem organischen Lösungsmittel basierende Tinte ist.
Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Tinte Nanopartikel enthält. Die Nanopartikel sind dabei bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu-Nanopartikeln, Ag-Nanopartikeln, Au-Nanopartikeln, CNT-Nanopartikeln, Graphen-Nanopartikeln und Mischungen hiervon.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Tinte eine Viskosität von 0,2 bis 1000 mPa·s, bevorzugt von 0,5 bis 500 mPa·s, besonders bevorzugt von 0,8 bis 100 mPa·s, aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Kunststoff, aus Papier, aus Metall, aus Textilien und/oder aus Kombinationen hiervon besteht. Bevorzugte Kunststoffe sind PET (Polyethylenterephthalat), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PA (Polyamid), PC (Polycarbonat), PMMA (Polymethylmethacrylat), PS (Polystyrol), PVC (Polyvinylchlorid), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PTFE (Polytetrafluorethylen), PEEK (Polyetheretherketon). Bevorzugte Metalle sind Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung eines Sicherheitslabels, eines Grids, bevorzugt für Displays oder Solarzellen, oder eines elektronischen Bauteils, bevorzugt eines Transistors verwendet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Substrat mit mindestens einer mindestens eine gedruckte, Nanopartikel-enthaltende Struktur aufweisenden Oberfläche, wobei die mindestens eine gedruckte Struktur ein Strukturelement oder mehrere Strukturelemente aufweist und die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 10 µm variiert. Zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur weist also über seine gesamte Länge eine nahezu konstante Breite auf, die um maximal 10 µm variiert. Bei diesem Strukturelement bzw. diesen Strukturelementen kann es sich dabei um eine beliebige geometrische Form handeln, welche eine über ihre gesamte Länge konstante Breite aufweisen kann, also beispielsweise um eine gerade, gekrümmt, kreisförmig, ellipsenförmig und/oder mäanderförmig verlaufende Linie oder um eine rechteckige oder quadratische Fläche.
Unter einer kreisförmigen Linie ist dabei ein nicht-ausgefüllter Kreis und unter einer ellipsenförmigen Linie ist dabei eine nicht-ausgefüllte Ellipse zu verstehen. Unter der Breite eines Strukturelementes in Form einer kreisförmigen bzw. ellipsenförmigen Linie ist hier die Breite der Linie und nicht die Breite des Kreises bzw. der Ellipse zu verstehen.
Zusätzlich zu dem zumindest einen Strukturelement, dessen Breite über seine gesamte Länge um maximal 10 µm variiert, kann die Struktur natürlich auch zumindest ein weiteres Strukturelement aufweisen, dessen Breite über seine gesamte Länge um mehr als 10 µm variiert. Bei diesem zusätzlichen Strukturelement bzw. diesen zusätzlichen Strukturelementen kann es sich dabei um eine beliebige geometrische Form handeln, also beispielsweise um eine gerade, gekrümmt, kreisförmig, ellipsenförmig und/oder mäanderförmig verlaufende Linie oder um eine rechteckige, trapezförmige, quadratische, kreisförmige oder ellipsenförmige Fläche.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Struktur mehrere Strukturelemente aufweist und die jeweilige Breite von zumindest zwei, bevorzugt von jedem, der Strukturelemente über die jeweils gesamte Länge des jeweiligen einzelnen Strukturelementes um maximal 10 µm variiert. Die Breite eines dieser zumindest zwei Strukturelemente kann sich dabei auch deutlich, also auch um mehr als 10 µm, von der Breite eines anderen dieser zumindest zwei Strukturelemente unterscheiden. Die Breiten dieser zumindest zwei Strukturelemente können also im Vergleich Strukturelement zu Strukturelement unterschiedlich sein. Die Breite eines jeden dieser zumindest zwei Strukturelemente für sich ist aber trotzdem über die gesamte Länge des jeweiligen einzelnen Strukturelementes nahezu konstant und variiert um maximal 10 µm.
Die einzelnen Strukturelemente der gedruckten Struktur können sich auch berühren bzw. aneinander grenzen. So ergeben vier im richtigen Winkel aneinander grenzende gerade Linien beispielsweise ein Rechteck, ein Trapez oder ein Quadrat und sechs im richtigen Winkel aneinander grenzende Linien ergeben beispielsweise eine Wabe. Die einzelnen Strukturelemente können aber auch keinerlei Berührungspunkte aufweisen.
Beispielsweise kann die mindestens eine gedruckte Struktur eine Vielzahl von Linien aufweisen, wobei hier jede Linie ein eigenes Strukturelement darstellt. Die Linien können sich berühren bzw. aneinander grenzen oder getrennt voneinander liegen. Die Breiten der Linien können sich dabei im Vergleich von Linie zu Linie deutlich, also eben auch um mehr als 10 µm, voneinander unterscheiden. Die Breite einer jeden Linie für sich ist dabei aber über den gesamten Verlauf der Linie nahezu konstant und variiert um maximal 10 µm.
Bei der mindestens einen gedruckten Struktur kann es sich beispielsweise auch um eine Wabenstruktur von nicht-ausgefüllten Waben handeln. Die einzelnen geraden Linien, aus welchen diese Wabenstruktur zusammengesetzt ist, stellen hierbei die einzelnen Strukturelemente dar. Jede dieser Linien berührt dabei an ihrem Anfang sowie an ihrem Ende jeweils zwei weitere Linien, sodass sich insgesamt ein Wabenmuster ergibt. So ist hier unter der Breite eines Strukturelementes also nicht die Breite einer einzelnen Wabe sondern die Breite einer der gedruckten Linien zu verstehen, aus denen sich die gedruckte Wabenstruktur letztlich aufbaut.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats sieht vor, dass die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 5 µm, bevorzugt um maximal 2 µm, besonders bevorzugt um maximal 1 µm variiert.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Schichthöhe der gedruckten Struktur maximal 20 µm, bevorzugt maximal 2 µm, besonders bevorzugt maximal 200 nm, ganz besonders bevorzugt maximal 50 nm, beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Strukturauflösung der gedruckten Struktur zwischen 5 µm und 10 mm, bevorzugt zwischen 5 µm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 100 µm, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 10 µm.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Substrat mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Druckverbreitung nahezu vermieden und eine sehr hohe Kantenschärfe der gedruckten Struktur erreicht werden. Dies führt dazu, dass sehr geringe Werte der Variation in der Breite eines jeden Strukturelementes der gedruckten Struktur erzielt werden können. In bisher aus dem Stand der Technik bekannten Druckverfahren variiert die Breite eines jeden Strukturelementes der gedruckten Struktur für sich generell um mehr als 20 µm.
Eine sehr hohe Kantenschärfe der gedruckten Struktur führt letztlich auch zu einer sehr hohen Strukturauflösung.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele näher erläutert ohne die Erfindung auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen zu beschränken.
1 zeigt eine schematische, vergrößerte Darstellung einer gedruckten Wabenstruktur, mit welcher ein erfindungsgemäßes Substrat bedruckt sein kann.
2 zeigt eine schematisch, vergrößerte Darstellung eines gedruckten elektronischen Bauteils, mit welchem ein erfindungsgemäßes Substrat bedruckt sein kann.
Ausführungsbeispiel 1
Es soll auf einer PET-Folie eine gedruckte Wabenstruktur aus Nanosilberpartikeln für Grids hergestellt werden.
In einem ersten Schritt wird die Oberfläche der PET-Folie bereichsweise vorbehandelt. Die bereichsweise Vorbehandlung erfolgt mittels Plasma-Printing mit einer Druckgeschwindigkeit von 5 m/min und einer angelegten Spannung von 15–20 kV. Als Prozessgas wird Luft verwendet. Hierbei wird eine Plasma-Struktur in Form der gewünschten Wabenstruktur auf die Oberfläche der PET-Folie aufgebracht, wobei dort, wo die Plasma-Struktur mittels Plasma-Printing auf die Oberfläche aufgebracht wird, ein Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine im anschließenden Druckprozess verwendete wasserbasierende Tinte mit Silbernanopartikeln entsteht. Dort wo keine Plasma-Struktur aufgebracht wurde, entsteht folglich ein Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für diese Nanotinte. Die Oberflächenenergie des Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Nanotinte unterscheidet sich um 20 mN/m von der Oberflächenenergie des Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Nanotinte.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt ein Druckprozess mit der wasserbasierenden Silbernanopartikel-enthaltenden Tinte durchgeführt. Hierbei wird die Nanotinte in dem Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Nanotinte mit einer Druckgeschwindigkeit von 50 m/min aufgetragen.
Man erhält schließlich eine PET-Folie mit einer gedruckten Wabenstruktur aus Nanosilberpartikeln, wobei die Wabenstruktur einzelne Strukturelemente in Form von geraden Linien aufweist. Die Breite jeder einzelnen Linie beträgt dabei 25 ± 2 µm. Die Breite jeder einzelnen Linie für sich variiert also lediglich um 4 µm. Die Strukturhöhe beträgt 5 ± 1 µm. Die gedruckte Wabenstruktur ist schematisch in vergrößerter Darstellung in 1 gezeigt.
Ausführungsbeispiel 2
Es soll auf einer PP-Folie eine Struktur in Form eines gedruckten elektronischen Bauteils aus organisch-leitfähigen Nanopartikeln hergestellt werden.
In einem ersten Schritt wird die Oberfläche der PP-Folie bereichsweise vorbehandelt. Die bereichsweise Vorbehandlung erfolgt mittels Plasma-Printing mit einer Druckgeschwindigkeit von 1 m/min und einer angelegten Spannung von 15–20 kV. Als Prozessgas wird Stickstoff verwendet. Hierbei wird eine Plasma-Struktur in Form des gewünschten elektronischen Bauteils auf die Oberfläche der PP-Folie aufgebracht, wobei dort, wo die Plasma-Struktur mittels Plasma-Printing auf die Oberfläche aufgebracht wird, ein Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine im anschließenden Druckprozess verwendete wasserbasierende Tinte mit organisch leitfähigen Nanopartikeln entsteht. Dort wo keine Plasma-Struktur aufgebracht wurde, entsteht folglich ein Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für diese Nanotinte. Die Oberflächenenergie des Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Nanotinte unterscheidet sich um 20 mN/m von der Oberflächenenergie des Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Nanotinte.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt ein Druckprozess mit der wasserbasierenden organisch leitfähige Nanopartikel enthaltenden Tinte durchgeführt. Hierbei wird die Nanotinte in dem Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Nanotinte mit einer Druckgeschwindigkeit von 50 m/min aufgetragen.
Man erhält schließlich eine PP-Folie mit einem gedruckten elektronischen Bauteil aus organisch leitfähigen Nanopartikeln. Die gedruckte Struktur, welche schematisch in vergrößerter Darstellung in 2 gezeigt ist, weist dabei verschiedene Strukturelemente auf, nämlich zwei längere zueinander parallel verlaufende Linien, zwei rechteckige Flächen, die jeweils eine der längeren Linien an jeweils einem Ende berühren, sowie mehrere kürzere Linien, die an einem ihrer Enden jeweils eine der längeren Linien berühren. Die Breite jeder einzelnen längeren oder kürzeren Linie beträgt dabei 160 ± 3 µm. Die Breite jeder einzelnen Linie variiert also lediglich um 6 µm. Die Breite jedes der einzelnen rechteckigen Flächen beträgt 900 ± 5 µm. Die Breite jedes einzelnen Rechtecks variiert also lediglich um 10 µm. Die Strukturhöhe beträgt 10 ± 2 µm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008027461 B4 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 8296 [0014]
DIN 53 364 [0014]
ASTM 2578-84 [0014]

Claims

Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen umfassend die folgenden Schritte: a) Bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche eines Substrats, wodurch die Oberfläche in mindestens einen Bereich mit höherer Benetzbarkeit für eine Tinte und in mindestens einen Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für diese Tinte unterteilt wird, wobei sich die Oberflächenenergien dieser beiden Bereiche um mindestens 10 mN/m voneinander unterscheiden. b) Bedrucken des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte mit der Tinte.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte um mindestens 20 mN/m von der Oberflächenenergie des mindestens einen Bereiches mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte unterscheidet.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Vorbehandlung der Oberfläche durch eine Plasmabehandlung erfolgt, wobei eine Plasmastruktur auf die Oberfläche bereichsweise aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dort, wo die Plasmastruktur aufgebracht wird, der mindestens eine Bereich mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte oder der mindestens eine Bereich mit niedrigerer Benetzbarkeit für die Tinte entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Vorbehandlung unter Atmosphärendruck erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bedrucken die Tinte nur in einem Teilbereich des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, wobei bevorzugt die Tinte nur an Positionen des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, die mindestens 200 nm, bevorzugt mindestens 1 µm, vom Rand des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bedrucken die Tinte auch in einem Teilbereich des mindestens einen Bereiches mit geringerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, wobei bevorzugt die Tinte nur an Positionen des mindestens einen Bereiches mit geringerer Benetzbarkeit für die Tinte aufgetragen wird, die maximal 100 µm, bevorzugt maximal 10 µm, vom Rand des mindestens einen Bereiches mit höherer Benetzbarkeit für die Tinte beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedrucken mittels Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, und/oder Inkjet erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte eine wasserbasierende Tinte oder eine auf einem organischen Lösungsmittel basierende Tinte ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte Nanopartikel enthält, wobei die Nanopartikel bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Cu-Nanopartikeln, Ag-Nanopartikeln, Au-Nanopartikeln, CNT-Nanopartikeln, Graphen-Nanopartikeln und Mischungen hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte eine Viskosität von 0,2 bis 1000 mPa·s, bevorzugt von 0,5 bis 500 mPa·s, besonders bevorzugt von 0,8 bis 100 mPa·s, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Kunststoff, bevorzugt PET, PP, PE, PA, PC, PMMA, PS, PVC, PVDF, PTFE, PEEK, aus Papier, aus Metall, bevorzugt Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, aus Textilien und/oder aus Kombinationen hiervon besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Sicherheitslabels, eines Grids, bevorzugt für Displays oder Solarzellen, oder eines elektronischen Bauteils, bevorzugt eines Transistors.
Substrat mit mindestens einer mindestens eine gedruckte, Nanopartikel-enthaltende Struktur aufweisenden Oberfläche, wobei die mindestens eine gedruckte Struktur ein Strukturelement oder mehrere Strukturelemente aufweist und die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 10 µm variiert.
Substrat nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite zumindest eines der Strukturelemente der gedruckten Struktur über seine gesamte Länge um maximal 5 µm, bevorzugt um maximal 2 µm, besonders bevorzugt um maximal 1 µm variiert.
Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturauflösung der gedruckten Struktur zwischen 5 µm und 10 mm, bevorzugt zwischen 5 µm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 100 µm, ganz besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 10 µm, liegt.
Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 16 hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.