EP2179633A1 - Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen - Google Patents

Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen

Info

Publication number
EP2179633A1
EP2179633A1 EP08784642A EP08784642A EP2179633A1 EP 2179633 A1 EP2179633 A1 EP 2179633A1 EP 08784642 A EP08784642 A EP 08784642A EP 08784642 A EP08784642 A EP 08784642A EP 2179633 A1 EP2179633 A1 EP 2179633A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ink
substrate
channels
electrically conductive
structures
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08784642A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan BAHNMÜLLER
Stefanie Eiden
Stephan Michael Meier
Christian Etienne Hendriks
Ulrich Schubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Clariant International Ltd
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200710033523 external-priority patent/DE102007033523A1/de
Priority claimed from DE200710043396 external-priority patent/DE102007043396A1/de
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Publication of EP2179633A1 publication Critical patent/EP2179633A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1258—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by using a substrate provided with a shape pattern, e.g. grooves, banks, resist pattern
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/0011—Working of insulating substrates or insulating layers
    • H05K3/0014—Shaping of the substrate, e.g. by moulding
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1241—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by ink-jet printing or drawing by dispensing
    • H05K3/125—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by ink-jet printing or drawing by dispensing by ink-jet printing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • H05K1/092—Dispersed materials, e.g. conductive pastes or inks
    • H05K1/097—Inks comprising nanoparticles and specially adapted for being sintered at low temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/01—Dielectrics
    • H05K2201/0104—Properties and characteristics in general
    • H05K2201/0108—Transparent
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/0108—Male die used for patterning, punching or transferring
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/01—Tools for processing; Objects used during processing
    • H05K2203/0104—Tools for processing; Objects used during processing for patterning or coating
    • H05K2203/013—Inkjet printing, e.g. for printing insulating material or resist
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/107—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by filling grooves in the support with conductive material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension

Definitions

  • the present invention describes a process which enables the production of small and smallest conductive structures on surfaces.
  • Small and minute structures are considered in this context as structures created by the human
  • the eye can only be perceived with the help of optical aids. This is achieved by the production of microchannels by (hot) embossing and / or
  • Another approach to producing small and minute structures is to treat the substrate by suitable methods (e.g., plasma methods) such that regions of different wettability are formed, for example, using masks containing a negative of the structure to be formed.
  • suitable methods e.g., plasma methods
  • regions of different wettability are formed, for example, using masks containing a negative of the structure to be formed.
  • structures with widths smaller than 5 ⁇ m could already be produced. However, complicated lithographic steps are necessary for these processes. [Nature Mater. 2004, 3, 171].
  • Coating is applied to the substrate. This is then physically provided by impressing with a structure. The resulting structure is then cured by means of UV light. Furthermore, subsequent etching and hardening steps are provided. However, the exact nature of the conductive materials used in the resulting structures is not disclosed. This method is due to the many
  • a simple, mechanical process for producing small structures without producing a conductive structure, in particular on polymers makes use of (hot) embossing or nanoscale impressions.
  • stamps are pressed with pressure on the substrate and thus an impression of the negative of the structure of the stamp is achieved on the surface.
  • the hot embossing of polymeric substrates with punches above the glass transition temperature of the polymer has already been used herein to produce structures with a diameter of 25nm.
  • the stencil used also called master
  • always completely reusable for embossing processes [Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3114; Adv. Mater. 2000, 12, 189; Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 1955].
  • a filling of fine structures can basically be brought about by using the capillary force, but their sensible use presupposes a targeted introduction of the filling material into the structure produced, in order to avoid material waste.
  • the filling of small structures (or tubes, see J. Colloid Interface Sci. 1995, 172, 278) by means of capillary force has already been described, in particular with liquid
  • Prepolymers e.g., polymethyl acrylate; J. Phys. Chem. B 1997, 101, 855
  • aqueous solutions of biomolecules such as DNA in microfluidic devices
  • filling such structures with material that is later rendered conductive has not yet been disclosed.
  • Substrate surface and the use of conductive nanoparticles contained ink formulations with subsequent sintering of nanoparticles can be used to consistently conductive paths.
  • a brief illustration of the process is given in FIG. 1.
  • the invention relates to a method for producing electrically conductive
  • Channels an ink, preferably a dispersion of conductive particles, is applied, can be produced with the conductive structures, the channels are filled by capillary force with the ink, and the ink is converted by introducing energy, in particular by thermal treatment, into conductive structures.
  • the invention also relates to the substrates obtainable by the above novel process, which have structures having a dimension of not more than 25 ⁇ m in two dimensions.
  • a press die or a press roll each provided with a raised microstructure (positive) is pressed onto the substrate, which is preferably a polymer substrate, in order to form a negative of the structure of the stamp into the surface of the stamp
  • the stamp or the press roll preferably has at least the temperature of the glass transition point of the polymer substrate used. Particularly preferably, the punch or pressing roll temperature at least 20 0 C above the glass transition temperature. Further preferably, the stamp or the pressure roller has small structures on its surface, which have in one dimension a dimension of not more than 25 microns, preferably from 25 .mu.m to 100 nm, more preferably from 10 .mu.m to 100 nm, most preferably from 1 ⁇ m to 100 nm.
  • the period of time of pressing the stamp into the substrate should be in particular 1 to 60 minutes, preferably 2 to 5 minutes, more preferably it is pressed in for 3 to 4 minutes. In contrast, the use of a press roller requires shorter press times, since a higher press pressure is used in this case. The production of embossed structures takes place here continuously.
  • the relative speed from substrate to roll in this process is 10 to 0.00001 m / s, preferably 1 to 0.0001 m / s, particularly preferably 0.1 to 0.0001 m / s.
  • the parameters of contact pressure, temperature and time of press-fitting correlate in such a way that with higher temperature or higher pressure, the press-in time can be reduced.
  • correspondingly lower times and thus higher component throughputs with methods presented here are conceivable.
  • the roll is pressed onto the substrate while the substrate is drawn under this roll and the roll rotates thereby, or the roll is driven and thus the substrate promoted by impressing the channels in the substrate.
  • the ink consists of a solvent or a suspension liquid and an electrically conductive material or a precursor compound for an electrically conductive material.
  • the ink may contain, for example, electrically conductive polymers, metals or metal oxides, carbon particles or semiconductors. Preference is given to an ink which contains nanoparticles of a conductive material, in particular of carbon nanotubes, and / or metal particles dispersed in a solvent, for example water, which lead to a continuously conductive structure as a result of mixing.
  • the ink particularly preferably contains silver nanoparticles in water, which lead to a continuously conductive structure by sintering the silver particles. Suitable metal oxides are e.g. indium
  • Semiconductors include, for example, zinc selenite, zinc tellurite, zinc sulfide, cadmium selenite, cadmium tellurite, cadmium sulfide, lead selenite, lead sulfide, lead tellurite and indium arsenite.
  • the ink preferably used in the new process should wet the substrate as well as possible, i.
  • the ink contains nanoparticles as described above, they should in particular be smaller than 1 ⁇ m, preferably smaller than 100 nm. More preferably, the nanoparticles are smaller than 80 nm, in particular smaller than 60 nm and have a bimodal particle size distribution.
  • This ink is then metered into the channels created as described above.
  • individual drops are metered into the channels.
  • an inkjet printer with a print head whose print nozzles are arranged exactly above the channels and meter individual drops into the channels.
  • the ink is dosed several times at regular intervals along the channels.
  • the ink from the preferred inkjet printer may be continuously metered onto the substrate passing beneath the printhead. This is preferably done at appropriate intervals depending on the nature and shape of the channels on the substrate.
  • continuous lines of ink oriented along the direction of travel of the substrate may be applied to a continuous stream of ink. With broken lines, for example, the dosage would be set for the duration of the interruption.
  • the term interrupted line can also be understood as a line which does not run parallel to the direction of passage of the substrate, for example, B. at right angles to the direction of passage lines.
  • juxtaposed pressure nozzles can be provided to fill the entire channel structure during a single passage.
  • movable printheads are provided which follow the impressed channel structure during the relative movement of the substrate below them. This is the case, for example, if curved, preferably corrugated channels were impressed along the orientation of the substrate. If the printheads are movable perpendicular to the direction of travel of the substrate, oscillation of the printheads in a direction perpendicular to the substrate relative to this results in a wave motion.
  • a wavy structure can be continuously filled with ink.
  • this can also be extended to assembly versions in which the print heads briefly follow the passage direction of the substrate. That is, an apparatus of the printheads is provided which allows movement in two dimensions.
  • the substrates useful in the method of the invention are substrates having moldable surfaces, e.g. Glass, ceramics or polymers, in particular transparent polymers. These substrates are electrical insulators. However, it is desirable to provide the components resulting from the substrate with conductive properties at least at certain points.
  • Polymer materials often have special properties that make them preferred materials in many applications. This includes, for example, their comparatively high flexibility, which is often lower in comparison with inorganic materials with the same or similar mechanical load-bearing capacity, and the great freedom of design owing to the easier shaping of these materials.
  • Materials eg polycarbonate, polypropylene, polymethyl methacrylate (PMMA) and some
  • Polymers preferably to be used in the novel process are transparent and / or they have a high glass transition temperature.
  • Polymers with a high glass transition temperature designate polymers having a glass transition temperature above 100 ° C.
  • particular preference is given to using a polymer from the series: polycarbonate, polyurethane, polystyrene, polymethyl (meth) acrylate or polyethylene terephthalate.
  • this post-treatment comprises the introduction of energy into the ink-filled channels produced.
  • the polymer particles present in suspension in the solvent become e.g. fused together by heating the suspension on the substrate while the solvent evaporates.
  • the post-treatment step is carried out at the melting temperature of the conductive polymer, more preferably above its melting temperature. This creates continuous tracks.
  • the thermal aftertreatment of the substrate surface vaporizes the solvent between the dispersed carbon particles to obtain continuous, percolatable conductive carbon webs.
  • the treatment step is carried out in the range of the evaporation temperature of the solvent contained in the ink, preferably above the evaporation temperature of the solvent. Once the percolation limit has been reached, the strip conductors according to the invention are formed.
  • the aftertreatment is carried out by placing the entire component or specifically the printed conductors on a
  • Solvent as close to the sintering temperature of the particles and is as low as possible to protect the substrate thermally.
  • the solvent of the ink one having a boiling point of ⁇ 250 0 C, more preferably a temperature ⁇ 200 0 C, in particular a temperature ⁇ 100 0 C.
  • temperatures specified here refer to boiling temperatures at a pressure of 1013 hPa preferred solvents are n-alkanes having up to 12 carbon atoms, alcohols having up to four carbon atoms, such as methanol, ethanol, propanol and butanol, ketones and aldehydes having up to five carbon atoms, such as acetone and propanal, water, and acetonitrile, dimethyl ether , Dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-pyrrolidone
  • the sintering step is carried out at the indicated temperature until a continuous conductor has been formed.
  • a sintering time of one minute to 24 hours is preferred, more preferably from five minutes to 8 hours, particularly preferably from two to eight hours.
  • the invention also provides the use of an ink with which conductive structures can be produced for the production of substrates having on their surface conductive structures having in one dimension a dimension of not more than 25 microns, preferably from 20 microns to 100 nm, particularly preferably from 10 .mu.m to 100 nm, very particularly preferably from 1 .mu.m to 100 nm, wherein the ink is preferably a suspension of conductive particles, as described above, and the substrate is preferably transparent, for example glass, transparent ceramics or a transparent polymer as described above.
  • Fig. 1 a diagram of the implementation of the inventive method by means of a punch with A) presses the top of the press ram in the substrate, B) lifting the ram, C) applying the ink in the formed channel of the substrate and D) sintering of the ink material in channel
  • Fig. 2 a photomicrograph of a cross section through a polystyrene plate with embossed channels
  • a grid of channels on a polymer substrate by pressing a grid structure (MASTER) in a polystyrene substrate having a glass transition temperature T g of 100 0 C (N5000, Shell AG) were prepared.
  • the MASTER was heated to 180 0 C and by means of a small press (Tribotrak, DACA Instruments, Santa Barbara, CA, USA) for 3 min. long with a load of 3 kg pressed onto the substrate.
  • the MASTER had a line spacing of 42 ⁇ m, seen in cross-section as the recesses in the MASTER appear as truncated triangles upside down ( Figure 2).
  • the elevations in the MASTER have a height of 20 microns and are also in the
  • a single drop of silver ink (Nanopaste TM, Harima Chemicals, Japan) was placed on one of the lines prepared as described above.
  • the ink consists of a dispersion of silver nanoparticles of about 5 nm in average diameter
  • Tetradecane Tetradecane.
  • the capillary force immediately formed a line of ink in the channels. It could be obtained about 4 mm long uniform line.
  • the precise positioning of the ink drop was achieved by means of an ink-jet system (Autodrop TM System, Microdrop Technologies, Norderstedt, Germany.) The system was equipped with a 68 ⁇ m die head. The maximum width of the resulting silver line was about
  • the width was about 3.7 ⁇ m (see Fig. 3 base).
  • the substrate was annealed for 1.5 hours at 200 0 C, whereby the ink was transferred existing line in a continuous made of sintered silver. The deviation between the width of the depressions at its bottom (3.7 ⁇ m) and the corresponding width of the upper edges of the MASTER
  • Profiles (4.5 ⁇ m) can be explained by the swelling of the substrate under the influence of the ink solvent and the heating of the substrate during embossing. At a distance of 6 mm, a resistance of 2.5 ⁇ was measured on 4 parallel lines.
  • a grid of channels was generated by pressing a grid in a polycarbonate film having a glass transition temperature T g of 205 0 C (Bayfol ®, Bayer MaterialScience AG), which was heated to 27Ü "C. Aiie further stamping parameters were as in Example 1. Likewise, In the same manner as in Example 1, a conductive line was produced obtained line width and lengths of the electrically conductive silver conductors were the same as those produced in Example 1 webs.
  • Example 2 The procedure was as in Example 1, but instead of the embossing process with a press die, a press roll was used.
  • Continuous structures on a 10 mm thick polycarbonate substrate (Makrolon, Bayer, Germany, glass transition temperature 148 ° C.) were generated by means of a roller mounted on a small press (Tribotrak, DACA Instruments, Santa Barbara, CA, USA).
  • the custom-made roll mounted on the small press had raised line structures 10 ⁇ m wide and 3 mm apart.
  • the surface of the substrate was heated to 60 0 C, while the roller had a temperature of 155 ° C.
  • the pressure of the press was adjusted by means of a weight of 10 kg on the above-mentioned device.
  • a roller-to-substrate relative advancing speed of 0.25 mm / s was selected.
  • the substrate was pulled under the roller by means of a carriage to reach the above-mentioned relative speed.
  • the contact pressure was sufficient to cause the roll on the substrate in a rotary motion.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inks, Pencil-Leads, Or Crayons (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)
  • Manufacturing Of Electric Cables (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das die Herstellung kleiner und kleinster leitfähiger Strukturen auf Oberflächen ermöglicht. Dies wird erreicht durch die Herstellung von Mikrokanälen durch (Heiß-)prägen und/oder nanoskaliges Eindrucken, dem nachfolgenden gezielten Einbringen von leitfähigem Material in die so erzeugten Kanäle unter Zuhilfenahme der Kapillarkraft, sowie eine geeignete Nachbehandlung des leitfähigen Materials.

Description

Verfahren zur Herstellung feiner leitfähiger Strukturen auf Oberflächen
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das die Herstellung kleiner und kleinster leitfähiger Strukturen auf Oberflächen ermöglicht. Kleine und kleinste Strukturen werden in diesem Zusammenhang angesehen als Strukturen, die durch das menschliche
Auge im Allgemeinen nur unter Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel wahrnehmbar sind. Dies wird erreicht durch die Herstellung von Mikrokanälen durch (Heiß-)prägen und/oder
Eindrucken nanoskaliger Vertiefungen, dem nachfolgenden, gezielten Einbringen von leitfähigem Material in die so erzeugten Vertiefungen unter Zuhilfenahme des physikalischen Effektes der Kapillarkraft, sowie schlussendlich durch eine geeignete
Nachbehandlung des leitfähigen Materials.
Es besteht ein Bedarf Oberflächen insbesondere von elektrisch nicht oder schlecht leitenden transparenten Objekten mit elektrisch leitfähigen Strukturen auszustatten, ohne deren optische oder mechanische bzw. physikalische Eigenschaften dabei zu beeinträchtigen. Weiterhin besteht ein Bedarf die Oberflächen mit solchen Strukturen auszustatten, die durch das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind, wobei z.B. Transparenz, Transluzenz und Glanz der Oberfläche möglichst nicht negativ zu beeinflussen ist,. Allgemein gilt hier als anerkannt, dass die Struktur hierfür eine charakteristische Abmessung unter 25 μm haben muss. Beispielsweise also eine Linie beliebiger Länge aber mit einer maximalen Breite und Tiefe von 25 μm.
Eine Möglichkeit, kleine Strukturen auf Substrate aufzubringen, bieten verschiedene Drucktechniken. Eine dieser Drucktechniken ist die sogenannte Ink-jet-Technik, die in verschiedenen Ausführungsformen vorliegt . Mittels einer positionierbaren Düse werden dabei Tropfen oder Flüssigkeitsstrahlen auf einem Substrat aufgebracht. Haupteinfluss auf die Breite einer durch einen Ink-Jet erzeugten Linie hat hierbei der Durchmesser der verwendeten Düse. Weiterhin existiert eine bislang nicht widerlegte Regel, nach der die Linienbreite mindestens genauso groß oder zumeist größer ist als der Durchmesser der verwendeten Düse. Damit resultiert beispielsweise bei Verwendung einer Düse mit einer Auslassöffnung von 60 μm eine Linienbreite >60 μm [J. Mater. Sei. 2006, 41, 4153; Adv. Mater. 2006, 18, 2101]. Ein Beispiel für eine Tinte auf Basis von Kohlenstoffhanoröhrchen als leitfähigem Trägermaterial zum Drucken leitfähiger Linien ist in der US 2006/124028 Al offenbart.
Es liegt also nahe, diese Öffnung einfach auf eine Größe von etwa 15-20 μm zu verkleinern, um die erwünschte Linienbreite von <25 μm zu erhalten. Diese Lösung ist in der Praxis nicht durchführbar, da mit der Verringerung des Durchmessers rheologische Beschränkungen der verwendeten Drucksubstanzen (Farben, Tinten, Leiterpasten etc.) an Einfluss gewinnen. Vielfach werden dadurch die Drucksubstanzen für den Einsatzzweck unbrauchbar. Möglich sind hier insbesondere Komplikationen durch Verblocken der Düse, da die Druck- Substanz dispergierte Partikel enthält. Weiterhin können die Theologischen Anforderungen
(bestimmte Viskosität und Oberflächenspannung, sowie Kontaktwinkel und Benetzung des Substrates) nicht unabhängig von einander eingestellt werden, so dass eine mit einer solchen Düse noch druckbare Tinte nicht die gewünschten Eigenschaften im Druckbild auf dem Substrat zeigt.
Alternative, kommerzielle Drucktechnologien, wie Offset- oder Siebdruck sind generell nicht dazu in der Lage, derart feine Strukturen auf eine Oberfläche zu bringen.
Ein weiterer Ansatz zur Erzeugung kleiner und kleinster Strukturen ist es, das Substrat durch geeignete Verfahren (z.B. Plasmaverfahren) derart zu behandeln, dass Regionen unterschiedlicher Benetzbarkeit entstehen, zum Beispiel unter Verwendung von Masken, die ein Negativ der zu erzeugenden Struktur enthalten. Dies resultiert beispielsweise in Linien- breiten von 5 μm unter Verwendung wässriger Polymere [Science 2000, 290, 2123]. Unter Verwendung eines ähnlichen Ansatzes konnten bereits Strukturen mit Breiten kleiner 5 μm erzeugt werden. Allerdings sind für diese Verfahren aufwendige Lithografϊeschritte notwendig. [Nature Mater. 2004, 3, 171].
In US 2006/188823 Al wird eine Methode offenbart, bei der eine zusätzliche photoaktive
Beschichtung auf das Substrat aufgebracht wird. Diese wird dann physikalisch durch Eindrucken mit einer Struktur versehen. Die entstandene Struktur wird dann mittels UV- Licht ausgehärtet. Weiterhin sind auch nachfolgende Ätz- und Härteschritte vorgesehen. Die genaue Natur der verwendeten, in die entstandenen Strukturen eingefüllten leitfähigen Mate- rialien wird allerdings nicht offenbart. Diese Methode ist aufgrund der vielen
Bearbeitungsschritte vergleichsweise umständlich und aufwendig.
Ein einfacher nur mechanischer Prozess zur Erzeugung von kleinen Strukturen ohne Erzeugung einer leitfähigen Struktur insbesondere auf Polymeren nutzt das (Heiß-)prägen oder nanoskalige Eindrucken. Im Wesentlichen werden hier Stempel mit Druck auf das Substrat gepresst und damit wird eine Abformung des Negativs der Struktur des Stempels auf der Oberfläche erreicht. Insbesondere das Heißprägen von polymeren Substraten mit Stempeln oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers ist hier schon eingesetzt worden, um Strukturen mit einem Durchmesser von 25nm zu erzeugen. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Lithografieverfahren ist die verwendete Schablone (auch Master genannt) bei Prägeverfahren immer in Gänze wieder verwendbar. [Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3114; Adv. Mater. 2000, 12, 189; Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 1955].
Um aus den erhaltenen Strukturen nun leitfahige Strukturen zu erhalten, müssen diese mit geeignetem Material gefüllt werden. Für diesen Ansatz sind Rakel- und Wischprozesse prinzipiell geeignet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der WO 1999 45375 Al bekannt. Hierbei wird ein Überschuss des Materials, mit dem die Strukturen gefüllt werden sollen, auf das Substrat appliziert und in die Strukturen, in denen das Material verbleiben soll, verteilt, während das restliche Substrat mit der eingesetzten Wischtechnik weitgehend von dem Material gereinigt wird. Nachteilig an dieser Verfahrensweise ist, dass neben den unter Umständen hohen Verlusten an Füllmaterial auch eine vollständige Freiheit des
Substrates von Resten des Füllmaterials an nicht zu füllenden Stellen nur schwer sichergestellt werden kann. In US 6911385 Bl wird eine Methode offenbart, bei der ein kontinuierliches und diskontinuierliches Prägverfahren verwendet wird. In beiden Fällen wird eine leitfähige Tinte als homogener Film auf eine Oberfläche aufgebracht und nachfolgend mittels Prägen an jenen Stellen Material entfernt, an denen die Oberfläche nicht leitfähig sein soll. Alternativ wird eine Methode offenbart, bei der unter Verbleib eines porösen Prägemusters (Stempel) auf dem Substrat eine leitfahige Tinte durch dessen Öffnungen aufgebracht wird. An den Stellen, an denen der Stempel mit dem Substrat zum Zeitpunkt des Aufbringens der Tinte in direktem Kontakt steht, wird daher keine Tinte aufgebracht und somit die gewünschte Strukturierung erzielt.
Eine Füllung von feinen Strukturen kann grundsätzlich unter Nutzung der Kapillarkraft herbeigeführt werden, deren sinnvolle Nutzung aber eine gezielte Einbringung des Füllmaterials in die erzeugte Struktur voraussetzt, um Materialverschwendung zu vermeiden. Die Füllung von kleinen Strukturen (oder Röhren, siehe J. Colloid Interface Sei. 1995, 172, 278) mittels Kapillarkraft wurde bereits beschrieben, insbesondere mit flüssigen
Präpolymeren (z.B. Polymethylacrylat; J. Phys. Chem. B 1997, 101, 855), oder wässrigen Lösungen von Biomolekülen wie DNA in Mikrofluidikbauteilen (ChemPhysChem 2003, 4, 1291). Solche Strukturen mit Material zu füllen, das später leitfähig gemacht wird, wurde jedoch noch nicht offenbart.
Es war also Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, auf Oberflächen leitfähige Strukturen zu erzeugen, die unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des menschlichen, bloßen Auges liegen (d.h. kleiner 25 μm) und die Eigenschaften des Bauteils nicht in anderer Weise beeinflussen. Die weiteren oben beschriebenen Nachteile der bekannten Methoden sollten dabei vermieden werden. Es wurde gefunden, dass hierfür eine Kombination des Prägens einer Vertiefung in die
Substratoberfläche und der Verwendung von leitfähige Nanopartikel enthaltenen Tintenformulierungen mit nachfolgender Versinterung der Nanopartikel zu durchgängig leitenden Bahnen eingesetzt werden kann. Eine kurze Illustration des Prozesse gibt Fig. 1.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger
Strukturen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, auf einem Substrat mit formbarer Oberfläche, bei dem auf der Oberfläche des Substrats durch mechanische und gegebenenfalls zusätzlich thermische Einwirkung Kanäle erzeugt werden, die bevorzugt in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben (beispielsweise eine Breite an der Basis der Kanäle von weniger als 25 μm haben), auf die
Kanäle eine Tinte, bevorzugt eine Dispersion leitfähiger Partikel, aufgebracht wird, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, die Kanäle durch Kapillarkraft mit der Tinte gefüllt werden, und die Tinte durch Einbringen von Energie, insbesondere durch thermische Behandlung, in leitfähige Strukturen umgewandelt wird. Gegenstand der Erfindung sind auch die nach dem vorstehenden neuen Verfahren erhältlichen Substrate, die Strukturen aufweisen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben.
Bevorzugt wird zunächst ein Pressstempel oder eine Pressrolle, jeweils versehen mit einer erhabenen Mikrostruktur (Positiv) auf das Substrat gedrückt, das bevorzugt ein Polymersubstrat ist, um ein Negativ der Struktur des Stempels in die Oberfläche des
Substrats zu prägen. Wird ein Polymersubstrat eingesetzt, so hat der Stempel oder die Pressrolle hierbei bevorzugt mindestens die Temperatur des Glasübergangspunktes des verwendeten Polymersubstrates. Besonders bevorzugt liegt die Stempel- oder Pressrollentemperatur mindestens 20 0C über der Glasübergangstemperatur. Weiterhin bevorzugt weist der Stempel oder die Pressrolle kleine Strukturen auf seiner Oberfläche auf, die in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, bevorzugt von 25 μm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 10 μm bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt von 1 μm bis 100 nm. Die Zeitdauer des Einpressens des Stempels in das Substrat sollte insbesondere 1 bis 60 Minuten betragen, bevorzugt 2 bis 5 Minuten, besonders bevorzugt presst man für 3 bis 4 Minuten ein. Die Verwendung einer Pressrolle bedarf demgegenüber kürzerer Presszeiten, da hierbei ein höherer Pressdruck angewendet wird. Die Erzeugung von Prägestrukturen erfolgt hierbei kontinuierlich.
Die relative Geschwindigkeit von Substrat zu Rolle liegt bei diesem Prozess bei 10 bis 0,00001 m/s, bevorzugt 1 bis 0,0001 m/s, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,0001 m/s. Die Parameter Anpressdruck, Temperatur und Zeitdauer des Einpressens korrelieren jedoch in der Art, dass mit höherer Temperatur oder höherem Druck die Einpresszeit verringert werden kann. Damit sind entsprechend geringere Zeiten und somit höhere Bauteildurchsätze mit hier vorgestellten Verfahren denkbar. Weiterhin denkbar sind somit auch Verfahren, die unter Anwendung hoher Anpressdrücke bei geringer Zeitdauer auch bei entsprechend niedriger Temperatur der Stempel oder Rollen das gewünschte Ergebnis zeigen.
Bevorzugt wird also die Rolle auf das Substrat gedrückt, während das Substrat unter dieser Rolle hergezogen wird und sich die Rolle dadurch dreht, oder die Rolle wird angetrieben und damit das Substrat gefördert unter Einprägen der Kanäle in das Substrat.
In die so entstandenen Kanäle wird dann eine Tinte eingefüllt, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können. Im einfachsten Fall besteht die Tinte aus einem Lösungsmittel oder einer Suspensionsflüssigkeit und einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bzw. einer Vorläuferverbindung für einen elektrisch leitfähigen Werkstoff. Die Tinte kann beispielsweise elektrisch leitfahige Polymere, Metalle oder Metalloxide, Kohlenstoffpartikel oder Halbleiter enthalten. Bevorzugt ist eine Tinte, die Nanopartikel eines leitfähigen Materials, insbesondere von Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes) und/oder Metallpartikel dispergiert in einem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, enthält, die durch Vereintem zu einer durchgehend leitenden Struktur führen. Besonders bevorzugt enthält die Tinte Nanopartikel aus Silber in Wasser, die durch Versintern der Silberpartikel zu einer durchgehend leitenden Struktur führen. Geeignete Metalloxide sind z.B. Indium-
Zinn-Oxid, Fluor-Zinn-Oxid, Antimon-Zinn-Oxid, Zink-Aluminium-Oxid. Halbleiter umfassen zum Beispiel Zinkselenit, Zinktellurit, Zinksulfid, Cadmiumselenit, Cadmiumtellurit, Cadmiumsulfϊd, Bleiselenit, Bleisulfϊd, Bleitellurit und Indiumarsenit. Weiterhin sollte zur besseren Ausnutzung der Kapillarkräfte die im neuen Verfahren bevorzugt verwendete Tinte das Substrat möglichst gut benetzen, d.h. einen möglichst niedrigen Kontaktwinkel auf dem Substrat von nicht mehr als 60° , bevorzugt nicht mehr als 30° bilden und eine möglichst hohe Oberflächenspannung von mehr als 20 N/m, bevorzugt mehr als 40 N/m, besonders bevorzugt mehr als 50 N/m .Sollte die Tinte wie oben beschrieben Nanopartikel enthalten, so sollten diese insbesondere kleiner als 1 μm sein, bevorzugt kleiner als 100 nm. Besonders bevorzugt sind die Nanopartikel kleiner als 80 nm, insbesondere kleiner als 60 nm und weisen eine bimodale Teilchengrößenverteilung auf.
Diese Tinte wird dann in die wie oben beschrieben erzeugten Kanäle dosiert. Bevorzugt werden einzelne Tropfen in die Kanäle dosiert. Besonders bevorzugt verwendet man zum Dosieren einen Tintenstrahl Drucker mit einem Druckkopf, dessen Druckdüsen exakt über den Kanälen angeordnet werden und einzelne Tropfen in die Kanäle dosiert. Um mit dem neuen Verfahren in einer bevorzugten Variante möglichst lange Strecken der
Kanäle auf dem Substrat mit der Tinte zu füllen, muss unter Umständen mehrfach in einen Kanal dosiert werden. Bevorzugt wird die Tinte daher in regelmäßigen Abständen entlang der Kanäle mehrfach dosiert. Alternativ kann die Tinte von dem bevorzugt verwendeten Tintenstrahldrucker kontinuierlich auf das unter dem Druckkopf durchlaufende Substrat dosiert werden. Dies erfolgt bevorzugt in geeigneten Intervallen, die von der Art und Form der Kanäle auf dem Substrat abhängen. Beispielsweise kann bei entlang der Durchlaufrichtung des Substrats orientierten, ununterbrochenen Linien ein kontinuierlicher Tintenstrahl aufgegeben werden. Bei unterbrochenen Linien würde beispielsweise für die Zeitdauer der Unterbrechung die Dosierung eingestellt. In diesem Fall kann der Begriff unterbrochene Linie auch als eine nicht parallel zur Durchlaufrichtung des Substrates verlaufende Linie verstanden werden, z. B. bei rechtwinklig zur Durchlaufrichtung verlaufenden Linien. Hier können dann in regelmäßigen Abständen nebeneinander angeordnete Druckdüsen vorgesehen werden, um die gesamte Kanalstruktur während einer einzelnen Passage zu füllen.
In einer bevorzugten Variante sind bewegliche Druckköpfe vorgesehen, die während der Relativbewegung des Substrates unter ihnen der aufgeprägten Kanalstruktur folgen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn entlang der Orientierung des Substrates gebogene, bevorzugt gewellte Kanäle aufgeprägt wurden. Wenn die Druckköpfe senkrecht zur Durchlaufrichtung des Substrates bewegbar sind, führt eine Oszillation der Druckköpfe in senkrechter Richtung zum Substrat relativ zu diesem zu einer Wellenbewegung. Somit kann eine wellenförmige Struktur kontinuierlich mit Tinte gefüllt werden. Dies ist im Besonderen bei unterbrochenen Strukturen auch erweiterbar auf Montageausführungen, bei denen kurzzeitig die Druckköpfe der Durchlaufrichtung des Substrates folgen. D. h., dass eine Vorrichtung der Druckköpfe vorgesehen wird, die eine Bewegung in zwei Dimensionen zulässt.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren anwendbaren Substrate sind Substrate mit formbaren Oberflächen, z.B. Glas, Keramik oder Polymere, insbesondere transparente Polymere. Diese Substrate sind elektrische Isolatoren. Es ist jedoch wünschenswert die aus dem Substrat resultierenden Bauteile zumindest an bestimmten Stellen mit leitfähigen Eigenschaften auszustatten.
Polymerwerkstoffe haben vielfach besondere Eigenschaften, die sie in vielen Anwendungsbereichen zu bevorzugten Werkstoffen machen. Dies umfasst beispielsweise ihre vergleichsweise hohe Flexibilität, die vielfach im Vergleich zu anorganischen Werkstoffen geringere Dichte bei gleicher oder ähnlicher mechanischer Belastbarkeit, sowie die große gestalte- rische Freiheit durch die leichtere Formbarkeit dieser Werkstoffe. Gleichzeitig zeigen einige Werkstoffe (z.B. Polycarbonat, Polypropylen, Polymethylmethacrylat (PMMA) und einige
PVC-Typen) daneben noch besondere Eigenschaften wie zum Beispiel optische Transparenz. Bevorzugt im neuen Verfahren einzusetzende Polymere sind transparent und/oder sie haben eine hohe Glasübergangstemperatur. Polymere mit hoher Glasübergangstemperatur bezeichnet Polymere mit einer Glasübergangstemperatur oberhalb von 1000C. Insbesondere bevorzugt verwendet man im neuen Verfahren ein Polymer aus der Reihe: Polycarbonat, Polyurethan, Polystyrol, Polymethyl(meth)acrylat oder Polyethylenterephthalat.
Nach den oben beschriebenen Schritten befindet sich in den erzeugten Kanälen eine Tinte, aus der durch geeignete Nachbehandlung die Strukturen mit der gewünschten Leitfähigkeit erzeugt werden.
Erfindungsgemäß umfasst diese Nachbehandlung den Eintrag von Energie in die erzeugten, mit Tinte gefüllten Kanäle. Im Fall der bevorzugten Verwendung von Tinten mit leitfähigen Polymeren in Lösungsmittelsuspensionen werden die im Lösungsmittel in Suspension vorliegenden Polymerpartikel z.B. durch Erwärmung der Suspension auf dem Substrat miteinander verschmolzen, während das Lösungsmittel verdampft. Bevorzugt wird der Nachbehandlungsschritt bei der Schmelztemperatur des leitfähigen Polymers durchgeführt, besonders bevorzugt oberhalb dessen Schmelztemperatur. Dadurch entstehen durchgängige Leiterbahnen.
Im Fall der alternativen bevorzugten Verwendung von Kohlenstoffhanoröhrchen enthaltenden Tinten wird durch die thermische Nachbehandlung der Substratoberfläche das Lösungsmittel zwischen den dispergiert vorliegenden Kohlenstoffpartikeln verdampft, um durchgängige, perkolationsfähige Bahnen aus leitfähigem Kohlenstoff zu erhalten. Der Behandlungsschritt wird im Bereich der Verdampfungstemperatur des in der Tinte enthaltenen Lösungsmittels durchgeführt, bevorzugt oberhalb der Verdampfungstemperatur des Lösungsmittels. Ist die Perkolationsgrenze erreicht, entstehen die erfindungsgemäßen Leiterbahnen.
Verwendet man in einer anderen bevorzugten Variante des Verfahrens die oben beschriebenen Suspensionen von Metallnanopartikeln in Lösungsmitteln, so erfolgt die Nachbehandlung, indem man das gesamte Bauteil oder gezielt die Leiterbahnen auf eine
Temperatur erwärmt, bei der die Metallpartikel miteinander versintern und das Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft. Hierbei sind Metallpartikel mit möglichst kleinem Partikeldurchmesser vorteilhaft, da bei nanoskaligen Partikeln die Sintertemperatur zu der Partikelgröße proportional ist, so dass bei kleineren Partikeln eine niedrigere Sintertemperatur als bei größeren erforderlich ist. Hierbei liegt der Siedepunkt des
Lösungsmittels möglichst nah an der Sintertemperatur der Partikel und ist möglichst niedrig, um das Substrat thermisch zu schonen. Bevorzugt verwendet man als Lösungsmittel der Tinte eines mit einer Siedetemperatur von < 250 0C, besonders bevorzugt einer Temperatur < 200 0C, insbesondere einer Temperatur < 100 0C. Alle hier angegebenen Temperaturen beziehen sich auf Siedetemperaturen bei einem Druck von 1013 hPa. Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind n-Alkane mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, Alkohole mit bis zu vier Kohlenstoffatomen, wie z.B. Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol, Ketone und Aldehyde mit bis zu fünf Kohlenstoffatomen, wie z.B. Aceton und Propanal, Wasser, sowie Acetonitril, Dimethylether, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, N-Methyl-Pyrrolidon
(NMP), Ethylenglykol und Tetrahydrofuran Der Sinterschritt wird bei der angegebenen Temperatur so lange durchgeführt, bis eine durchgängige Leiterbahn entstanden ist. Bevorzugt ist eine Zeitdauer für die Sinterung von einer Minute bis 24 Stunden, besonders bevorzugt von fünf Minuten bis 8 Stunden, insbesondere bevorzugt von zwei bis 8 Stunden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer Tinte, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, zur Herstellung von Substraten, die an ihrer Oberfläche leitfähige Strukturen aufweisen, die in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, bevorzugt von 20 μm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 10 μm bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt von 1 μm bis 100 nm, wobei die Tinte bevorzugt eine Suspension leitfähiger Partikel ist, wie sie oben beschrieben sind, und das Substrat bevorzugt transparent ist, beispielsweise Glas, transparente Keramik oder ein transparentes Polymer wie oben beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend unter Verwendung der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: ein Schema der Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens mittels eines Pressstempels mit A) Pressen des oben befindlichen Pressstempels in das Substrat, B) Abheben des Pressstempels, C) Aufbringen der Tinte in den gebildeten Kanal des Substrats und D) Sintern des Tintenmaterials im Kanal
Fig. 2: eine Mikrofotografie eines Querschnitts durch eine Polystyrolplatte mit eingeprägten Kanälen
Fig. 3: eine vergrößerte Ansicht des Querschnitts durch eine Polystyrolplatte mit gesintertem Süberieiter Beispiele
Beispiel 1
Ein Gitter von Kanälen auf einem Polymersubstrat wurde durch Einpressen einer Gitterstruktur (MASTER) in ein Polystyrolsubstrat mit einer Glasübergangstemperatur Tg von 100 0C (N5000, Shell AG) hergestellt. Hierfür wurde der MASTER auf 180 0C erwärmt und mittels einer kleinen Presse (Tribotrak, DACA Instruments, Santa Barbara, CA, USA) 3 min. lang mit einer Last von 3 kg auf das Substrat gedrückt. Der MASTER wies einen Abstand der Linien von 42 μm auf, wobei im Querschnitt gesehen die Vertiefungen im MASTER als abgeschnittene Dreiecke erscheinen, die auf dem Kopf stehen (Fig. 2). Die Erhebungen im MASTER weisen eine Höhe von 20 μm auf und sind ebenfalls im
Querschnitt gesehen abgeschnittene Dreiecke. Die Basisbreite der Erhebungen im MASTER betrug 32 μm und die Breite der Spitze der Erhebungen etwa 4,5 μm .
Ein einziger Tropfen einer Silbernanotinte (Nanopaste™, Harima Chemicals, Japan) wurde auf eine der wie oben beschriebenen hergestellten Linien platziert. Die Tinte besteht aus einer Dispersion von Silbernanopartikeln eines mittleren Durchmessers von etwa 5 nm in
Tetradecan. Durch die Kapillarkraft bildete sich sofort eine Linie der Tinte in den Kanälen. Es konnte eine etwa 4 mm lange einheitliche Line erhalten werden. Die präzise Positionierung des Tintentropfens wurde mittels eines Ink-jet-Systems erreicht (Autodrop™ System; Microdrop Technologies, Norderstedt, Germany.) Das System war ausgestattet mit einem 68 μm Düsenkopf. Die maximale Breite der resultierenden Silberlinie betrug etwa
6,3 μm auf Füllhöhe, wie in Fig. 3 zu erkennen ist. An ihrer dünnsten Stelle betrug die Breite etwa 3,7 μm (siehe Fig. 3 Basis). Schließlich wurde das Substrat 1,5 h lang bei 200 0C getempert, wodurch die Tinte in eine durchgehende aus versintertem Silber bestehende Linie überführt wurde. Die Abweichung zwischen der Breite der Vertiefungen an ihrem Boden (3,7 μm) und der entsprechenden Breite der Oberkanten des MASTER
Profils (4,5 μm), sind mit der Quellung des Substrats unter Einwirkung des Tintenlösungsmittels und der Erwärmung des Substrats beim Prägen zu erklären. Auf einer Strecke von 6 mm wurde an 4 parallelen Linien ein Widerstand von 2,5 Ω gemessen.
Beispiel 2
Ein Gitter von Kanälen wurde durch Einpressen eines Gitters in eine Polycarbonatfolie mit einer Glasübergangstemperatur Tg von 205 0C (Bayfol®, Bayer MaterialScience AG), die auf 27Ü "C erwärmt wurde, erzeugt. AiIe weiteren Parameter des Prägens entsprachen Beispiel 1. Ebenso wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 eine leitfähige Linie erzeugt. Die erzielte Linienbreite und Längen der elektrisch leitfähigen Silberleiterbahnen waren denen gleich der in Beispiel 1 erzeugten Bahnen.
Beispiel 3:
Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren jedoch wurde anstelle des Prägeverfahrens mit einem Pressstempel eine Pressrolle verwendet.
Kontinuierliche Strukturen auf einem 10 mm dicken Polycarbonat Substrat (Makrolon, Bayer, Germany, Glastemperatur 148°C) wurden mittels einer auf einer kleinen Presse (Tribotrak, DACA Instruments, Santa Barbara, CA, USA) montierten Rolle erzeugt. Die speziell angefertigte Rolle, die an der kleinen Presse montiert worden war besaß erhabene Linienstrukturen mit einer Breite von 10 μm und einem Abstand von 3 mm. Hierbei wurde die Oberfläche des Substrats auf 600C erwärmt, während die Rolle eine Temperatur von 155°C hatte. Der Druck der Presse wurde mittels eines Gewichtes von 10 kg auf dem oben angegebenen Gerät eingestellt. Für die eingestellten Temperaturen und den verwendeten Anpressdruck wurde eine relative Vortriebsgeschwindigkeit von Rolle zum Substrat von 0,25 mm/s gewählt Hierbei wurde das Substrat mittels eines Schlittens unter der Rolle entlang gezogen, um die oben angegebene Relativgeschwindigkeit zu erreichen. Der Anpressdruck reichte aus, um die Rolle auf dem Substrat in eine Drehbewegung zu versetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, auf einem insbesondere optisch transparenten Substrat mit formbarer Oberfläche, bei dem ii) auf der Oberfläche des Substrats durch mechanische und gegebenenfalls zusätzlich thermische Einwirkung Kanäle erzeugt werden, iii) auf die Kanäle eine Tinte aufgebracht wird, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, iv) die Kanäle durch Kapillarkraft mit der Tinte gefüllt werden, v) die Tinte durch Einbringen von Energie in leitfähige Strukturen umgewandelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Tinte eine Suspension von Partikeln eines elektrisch leitfähigen Werkstoff bzw. einer Vorläuferverbindung für einen elektrisch leitfähigen Werkstoff in einem Lösungsmittel ist.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitfähiger Werkstoff bzw. Vorläuferverbindung für einen elektrisch leitfahigen Werkstoff der Tinte wenigstens ein Mittel aus der Reihe:
Kohlenstoffhanoröhrchen, elektrisch leitendes Polymer oder Metallnanopartikel, insbesondere Silbernanopartikel oder Metalloxidnanopartikel verwendet wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähigen Partikel einen Durchmesser von weniger als 1 μm aufweisen.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle an der Basis eine Breite von nicht mehr als 25 μm haben.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kanäle mittels eines Pressstempels oder einer Pressrolle in die Oberfläche des Substrats eingeprägt werden, wobei der Pressstempel oder die Pressrolle gegebenenfalls erwärmt sind.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat ein transparentes Polymer ist und der Pressstempel oder die Pressrolle insbesondere eine Temperatur haben, die oberhalb, bevorzugt mindestens 20 0C über der Glasübergangstemperatur des Polymeren liegt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tinte mittels des Tintenstrahldruckverfahrens auf die Kanäle eingebracht wird.
9. Substrat mit elektrisch leitfähigen Strukturen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, erhältlich gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung einer Tinte, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, zur Herstellung von insbesondere transparenten Substraten, die an ihrer Oberfläche leitfähige Strukturen aufweisen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben.
11. Verwendung gemäß Anspruch 10, bei der die Tinte eine Dispersion leitfähiger Partikel ist.
EP08784642A 2007-07-19 2008-07-08 Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen Withdrawn EP2179633A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710033523 DE102007033523A1 (de) 2007-07-19 2007-07-19 Verfahren zur Herstellung nicht sichtbarer leitfähiger Strukturen auf Oberflächen
DE200710043396 DE102007043396A1 (de) 2007-09-12 2007-09-12 Verfahren zur Herstellung feiner leitfähiger Strukturen auf Oberflächen
PCT/EP2008/005543 WO2009010208A1 (de) 2007-07-19 2008-07-08 Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2179633A1 true EP2179633A1 (de) 2010-04-28

Family

ID=39929915

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08784642A Withdrawn EP2179633A1 (de) 2007-07-19 2008-07-08 Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20090061213A1 (de)
EP (1) EP2179633A1 (de)
JP (1) JP5606908B2 (de)
KR (1) KR20100044176A (de)
CN (1) CN101755493A (de)
TW (1) TW200924576A (de)
WO (1) WO2009010208A1 (de)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009086161A1 (en) * 2007-12-20 2009-07-09 Cima Nanotech Israel Ltd. Transparent conductive coating with filler material
KR101009442B1 (ko) * 2009-04-15 2011-01-19 한국과학기술연구원 전도성 구조체를 이용한 전도성필름 제조방법 및 전도성필름
KR101145752B1 (ko) * 2010-07-20 2012-05-16 김용문 인쇄회로기판용 잉크 조성물
US9011651B2 (en) 2010-12-09 2015-04-21 Ut-Battelle, Llc Apparatus and method for the electrolysis of water
KR101771138B1 (ko) 2011-05-13 2017-08-25 삼성전자주식회사 와이어 그리드 편광자, 상기 와이어 그리드 편광자의 제조 방법 및 상기 와이어 그리드 편광자를 포함하는 디스플레이 패널
KR101968635B1 (ko) * 2012-11-22 2019-04-12 삼성전자주식회사 잉크젯 프린팅을 이용한 배선 형성 방법
CN106166792A (zh) * 2015-10-16 2016-11-30 圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司 具有复杂几何形状的透明陶瓷和其制造方法
WO2017069081A1 (ja) * 2015-10-22 2017-04-27 国立研究開発法人産業技術総合研究所 被印刷基材の表面構造及びその製造方法
US10700234B2 (en) 2017-08-17 2020-06-30 California Institute Of Technology Fabrication processes for effectively transparent contacts
US11227964B2 (en) 2017-08-25 2022-01-18 California Institute Of Technology Luminescent solar concentrators and related methods of manufacturing
EP3762965A1 (de) * 2018-03-06 2021-01-13 3M Innovative Properties Company Automatische registrierung zwischen schaltungschips und -verbindungen
US11362229B2 (en) 2018-04-04 2022-06-14 California Institute Of Technology Epitaxy-free nanowire cell process for the manufacture of photovoltaics
EP3572873A1 (de) * 2018-05-24 2019-11-27 Paul Scherrer Institut Verfahren zur verringerung der breite von durch farbabscheidung erzeugten strukturen auf vorstrukturierten substraten
WO2020041522A1 (en) 2018-08-21 2020-02-27 California Institute Of Technology Windows implementing effectively transparent conductors and related methods of manufacturing
CN109395790B (zh) * 2018-12-11 2024-03-29 福州大学 一种纸基复合三维微/纳电路及其加工方法
WO2020205800A1 (en) 2019-03-29 2020-10-08 California Institute Of Technology Apparatus and systems for incorporating effective transparent catalyst for photoelectrochemical application
US11745440B2 (en) * 2020-04-03 2023-09-05 The Boeing Company Automated lamination system and method for embedding printed electronic elements in a composite structure
WO2023069739A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-27 Worcester Polytechnic Institute Microchannel printing

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5091339A (en) * 1990-07-23 1992-02-25 Microelectronics And Computer Technology Corporation Trenching techniques for forming vias and channels in multilayer electrical interconnects
JP2900335B2 (ja) * 1992-08-06 1999-06-02 アルプス電気株式会社 転写印刷配線基板
NL1008460C2 (nl) * 1998-03-03 1999-09-06 Acheson Colloiden B V Geleidende inkt of verf.
US6103033A (en) 1998-03-04 2000-08-15 Therasense, Inc. Process for producing an electrochemical biosensor
SG108820A1 (en) * 2001-02-23 2005-02-28 Agency Science Tech & Res Method and apparatus for forming a metallic feature on a substrate
US6896864B2 (en) * 2001-07-10 2005-05-24 Battelle Memorial Institute Spatial localization of dispersed single walled carbon nanotubes into useful structures
US6887450B2 (en) * 2002-01-02 2005-05-03 Zyvex Corporation Directional assembly of carbon nanotube strings
US6872645B2 (en) * 2002-04-02 2005-03-29 Nanosys, Inc. Methods of positioning and/or orienting nanostructures
US6911385B1 (en) 2002-08-22 2005-06-28 Kovio, Inc. Interface layer for the fabrication of electronic devices
US7013562B2 (en) * 2003-03-31 2006-03-21 Intel Corporation Method of using micro-contact imprinted features for formation of electrical interconnects for substrates
US7618704B2 (en) * 2003-09-29 2009-11-17 E.I. Du Pont De Nemours And Company Spin-printing of electronic and display components
US20060124028A1 (en) * 2004-12-09 2006-06-15 Xueying Huang Inkjet ink compositions comprising carbon nanotubes
WO2006076603A2 (en) 2005-01-14 2006-07-20 Cabot Corporation Printable electrical conductors
US8097400B2 (en) 2005-02-22 2012-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Method for forming an electronic device
WO2006100790A1 (ja) * 2005-03-22 2006-09-28 Cluster Technology Co., Ltd. 配線基板の製造方法及び配線基板
JP2007062254A (ja) * 2005-09-01 2007-03-15 Dainippon Ink & Chem Inc 熱成形用積層シートの成形方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009010208A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100044176A (ko) 2010-04-29
JP2010533939A (ja) 2010-10-28
WO2009010208A1 (de) 2009-01-22
TW200924576A (en) 2009-06-01
US20090061213A1 (en) 2009-03-05
CN101755493A (zh) 2010-06-23
JP5606908B2 (ja) 2014-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2179633A1 (de) Verfahren zur herstellung feiner leitfähiger strukturen auf oberflächen
EP3215895B1 (de) Verfahren zur durchführung eines kapillar-nanodrucks, feld von tintentropfen und feld von drähten erhältlich nach dem verfahren
DE102011076994A1 (de) Tintenstrahldruckknopf mit Selbstreinigunsvermögen zum Tintenstrahldrucken
EP1646507B1 (de) Mehrschichtkörper, vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines flächenmusters hoher auflösung
DE112018007569T5 (de) Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenschutzschicht
WO2000040423A1 (de) Verfahren, vorrichtung und druckform zum übertragen von fliessfähiger druckfarbe auf einen bedruckstoff
DE102017001276A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands mittels schichtweisem Materialauftrag
EP1723681B1 (de) Verfahren zum ausbilden einer struktur
WO2020007677A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer bipolarplattenhälfte für eine brennstoffzelle
WO2006005487A1 (de) Mikrostrukturierte vorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung
EP1764648B1 (de) Stempel mit einer Nanostempelstruktur sowie Vorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung
WO2012100951A1 (de) Druckschablone zum aufbringen eines druckmusters auf ein substrat und verfahren zum herstellen einer druckschablone
DE102007043396A1 (de) Verfahren zur Herstellung feiner leitfähiger Strukturen auf Oberflächen
WO2019180031A1 (de) Verfahren zur herstellung und verwendung eines substrats mit einer funktionalisierten oberfläche
DE102014224276A1 (de) Verfahren zum hochpräzisen Drucken von Strukturen auf Oberflächen sowie Substrat mit einer eine gedruckte Struktur aufweisenden Oberfläche
DE102021003387A1 (de) Klebefilm
EP3046773B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum übertragen von fliessfähigen drucksubstanzen auf einen bedruckstoff
EP0867418B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von grossflächigen Präzisionsstrukturen auf Flachglas
DE102008055960A1 (de) Felder von Nanosticheln für Feinstdruck- und Prägeverfahren
DE102007033523A1 (de) Verfahren zur Herstellung nicht sichtbarer leitfähiger Strukturen auf Oberflächen
EP3205499B1 (de) Verfahren zum strukturieren einer oberfläche einer tiefdruckform
DE10159008A1 (de) Bipolarplatte, Pressvorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen
DE102004056492B3 (de) Verfahren zum strukturierten Aufbringen einer thermoplastischen Paste auf ein Substrat und dessen Verwendung
DE102009024982B4 (de) Maskierungsverfahren, Verwendung des Verfahrens und Zwischenprodukt und Verfahren zur Herstellung einer Kontakt-Struktur für ein Halbleiter-Bauelement
EP2030697A2 (de) Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Träger und Presswerkzeug oder Gegenwerkzeug

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20100219

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA MK RS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20101025

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: DR. JOLKE PERELAER

Inventor name: DR. PATRICK JAMES SMITH

Inventor name: SCHUBERT, ULRICH

Inventor name: HENDRIKS, CHRISTIAN, ETIENNE

Inventor name: MEIER, STEPHAN, MICHAEL

Inventor name: EIDEN, STEFANIE

Inventor name: BAHNMUELLER, STEFAN

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: DR. JOLKE PERELAER

Inventor name: DR. PATRICK JAMES SMITH

Inventor name: SCHUBERT, ULRICH

Inventor name: HENDRIKS, CHRISTIAN, ETIENNE

Inventor name: MEIER, STEPHAN, MICHAEL

Inventor name: EIDEN, STEFANIE

Inventor name: BAHNMUELLER, STEFAN

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: DR. JOLKE PERELAER

Inventor name: DR. PATRICK JAMES SMITH

Inventor name: SCHUBERT, ULRICH

Inventor name: HENDRIKS, CHRISTIAN, ETIENNE

Inventor name: MEIER, STEPHAN, MICHAEL

Inventor name: EIDEN, STEFANIE

Inventor name: BAHNMUELLER, STEFAN

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: BAYER INTELLECTUAL PROPERTY GMBH

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: CLARIANT INTERNATIONAL AG

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: H05K 1/09 20060101ALN20140930BHEP

Ipc: H05K 3/12 20060101AFI20140930BHEP

Ipc: H05K 3/00 20060101ALI20140930BHEP

Ipc: H05K 3/10 20060101ALN20140930BHEP

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20141126

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: BAHNMUELLER, STEFAN

Inventor name: MEIER, STEPHAN, MICHAEL

Inventor name: HENDRIKS, CHRISTIAN, ETIENNE

Inventor name: EIDEN, STEFANIE

Inventor name: SCHUBERT, ULRICH

Inventor name: PERELAER, JOLKE, DR.

Inventor name: SMITH, PATRICK JAMES, PROF. DR.

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20150528