Riesendisplays von der Rolle

Ingenieure der Universität Berkeley arbeiten an einem Tiefdruckverfahren, um kostengünstig große Flächen mit Nanotube-Transistoren und Sensoren herzustellen.

Viele Nachrufe sind bereits auf die „Gutenberg-Galaxis“, die Welt der Druckerzeugnisse, verfasst worden. Wie es aussieht, war das voreilig: Druckverfahren könnten die industrielle Fertigung der kommenden Jahrzehnte prägen – nur dass in Zukunft weniger Buchstaben aus Druckmaschinen kommen, sondern vermehrt Alltagsgegenstände und -elektronik. Forscher der University of California in Berkeley haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie große Flächen von leistungsfähigen Transistoren auf Plastikfolien für neuartige, wandgroße Displays herstellen wollen.

Die Transistoren bestehen aus Kohlenstoffnanoröhren, die seit zehn Jahren als potenzielles Hochleistungsmaterial für elektronische Anwendungen gelten. Der Vorteil dieser „Nanotubes“: Sie sind mechanisch äußerst belastbar, können sowohl als hochwertige Leiter als auch als Halbleiter dienen und ermöglichen im Prinzip Transistoren, die wesentlich energieeffizienter sind als ihre herkömmlichen Gegenstücke aus Silizium. In eine Lösung gebracht, lassen sie sich zudem bei niedrigen Temperaturen als elektronische Tinte verarbeiten.

Bisher sei die Leistungsfähigkeit von gedruckten Nanotube-Transistoren aber noch zu gering gewesen, sagt Berkeley-Informatiker Ali Javey, der die Arbeit an dem neuen Verfahren geleitet hat. Seiner Gruppe ist es nun gelungen, eine Nanotube-Transistorfolie zu drucken, die erstmals eine sehr hohe Leistung bringt. Sie verwendet ein Nanotube-Gemisch, das zu 99 Prozent aus der halbleitenden Variante der Röhrenmoleküle besteht.

Das Verfahren haben die Forscher kürzlich im Journal Nano Letters vorgestellt: Sie arbeiten mit dem sogenannten Rotationstiefdruck. In der Laborversion werden Plastikfolien auf einen Zylinder gespannt und auf einer glatten Oberfläche abgerollt, deren Vertiefungen in einem bestimmten Muster mit der elektronischen Tinte gefüllt sind. Diese Maske soll in der nächsten Entwicklungsstufe auf einer weiteren Rolle montiert werden. Wie im Rotationstiefdruck üblich, könnte die Folie dann durch eine ganze Druckstraße geführt werden.

Zunächst wollen die Berkeley-Forscher die Druckmaske verbessern, um eine gleichmäßigere Anordnung von Transistoren zu erreichen und deren Leistungsfähigkeit noch weiter zu steigern. Danach wollen sie komplexere Muster aus Schaltkreisen angehen, die auch Sensoren und andere Display-Bauteile enthalten.

Die Transistoren zeigen sich dabei sehr robust: Auch bei einer Krümmung der Folie mit einem Radius von nur einem Millimeter konnten die Ingenieure keine nennenswerte Verschlechterung der Transistor-Leistung feststellen. Im Gegensatz zu bisherigen Versuchen zeichnen sich die gedruckten Nanotube-Transistoren durch eine hohe Beweglichkeit der Elektronen aus. Lag die Beweglichkeit der Ladungsträger bislang bei 0,1 Quadratzentimeter pro Volt und Sekunde, kommen die gedruckten Transistorfolien auf über 9 cm2/(V s) - in einzelnen Nanoröhren werden allerdings Werte von 4000 cm2/(V s) erreicht.

Die sei gerade für Displays entscheidend, sagt Javey, denn bei mobileren Elektronen könne man mit geringeren Spannungen die Stromstärken erzeugen, die man für den Betrieb organischer Leuchtdioden (OLEDs) in Bildschirmen benötigt. Das mehrstufige Druckverfahren könnte zu günstigen Displays führen, die ganze Wände bedecken, so Javey. „Solche großen Flächen sind angesichts der Fertigungskosten mit konventionellen Verfahren nicht machbar.“

Das Paper:
Lau, Pak Heng et al.: "Fully Printed, High Performance Carbon Nanotube Thin-Film Transistors on Flexible Substrates", Nano Letters, August 2013. ()