Batterie und Elektronik aus dem Tintenstrahldrucker

Unter einem Tisch im Labor von Sang-Young Lee befindet sich ein normaler, etwas abgenutzter Tintenstrahldrucker, den er so modifiziert hat, dass er elektronische Schaltkreise und Superkondensatoren produziert. Dazu entleert Lee die Tintenbehälter und befüllt sie mit speziellen Batterie-Materialien und leitfähiger Tinte. Auf behandeltem Papier druckt das Gerät dann flexible, haltbare Superkondensatoren und einfache Schaltkreis-Komponenten, zum Beispiel in Form einer hochaufgelösten Karte der Republik Korea, Blumen oder Logos.

Lee ist Batterieforscher am Ulsan National Institute and Technology in Südkorea, wo er seit fünf Jahren an flexiblen gedruckten Energiespeichern arbeitet. "Die Architektur von Batterien hat sich seit dem Lithium-Ionen-Akku nicht verändert", sagt er. Üblicherweise werden Energiespeicher-Materialien auf Metallfolie aufgebracht und zusammen mit einem flüssigen Elektrolyt in wenige Standardformen wie Zylinder, Münzen oder rechteckige prismatische Zellen verpackt. Dadurch ist beispielsweise das Design von tragbaren Gesundheitsmessgeräten, ob in Textilien oder einem Armband, eingeschränkt. Lee will stattdessen flexible Batterien, die in einem Entwurf verschwinden und mit einfacherer Technik wie eben Tintenstrahldruckern hergestellt werden können.

Spezielles Rezept für gedruckte Elektronik

Damit das funktioniert, musste er alle Materialien in seinem Rezept maßschneidern. Wenn die Tinte auf dem Papier verschmiert oder verläuft, funktioniert der Superkondensator nicht. Also wird als erste Schicht eine Grundierung aus Zellulose gedruckt, die Tinte absorbiert und nicht verläuft. Als Nächstes kommen Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Ersatz für den Folien-Kollektor in einer Batterie und Elektroden aus Silber-Nanodrähten, und zum Schluss eine Elektrolyt-Tinte. Jede Tinte musste so zusammengesetzt werden, dass sie durch den Druckkopf fließen kann und vorher im Behälter nicht verklumpt.

Entscheidend für Lees System war die Entwicklung eines Elekrolyten, der sich für Tintenstrahldruck eignet. Üblicherweise handelt es sich bei diesem Medium für das Leiten von Ionen und Elektronen um eine Flüssigkeit. Lee hat als Erster einen vollständig Tintenstrahler-kompatiblen Satz von Materialien hergestellt, die auch den Elektrolyt umfassen. Bei anderen Forschungsprojekten wird nach seinen Worten ein flüssiger Elektrolyt hinzugefügt, nachdem der Rest gedruckt wurde. Und wenn die Batterie eine Flüssigkeit enthalten muss, bedeutet das wieder Design-Einschränkungen. Es gibt zwar bereits Festkörper-Elektrolytmaterialien, doch die eignen sich nicht zum Drucken und sind nicht immer flexibel.

Schaltkreise auf gedruckten Designs

Seinen Prototypen hat Lee jetzt in einem Aufsatz in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science beschrieben. Darin erklärt er, wie Batterie und Schaltkreise gleichermaßen in gedruckten Designs verschwinden. Auf einem gedruckten Blatt dient das Wort BATTERIE als Stromversorgung für die Worte "Gedruckter Schaltkreis", die Strom zu einer LED leiten. In einem Entwurf für eine Kaffeebecher-Hülle schaltet ein Sensor abhängig von der Temperatur des Inhalts das gedruckte Wort COLD mit einem blauen Licht oder HOT mit rotem Licht an.

"Das Ziel beim Internet der Dinge und bei Ubiquitous Computing ist, dass die Technologie im Hintergrund verschwindet, so dass wir auf eine natürlich wirkende Weise mit der Welt interagieren können", sagt Inna Lobel, Ingenieurin und Industriedesignerin bei der New Yorker Designfirma Frog. Die gedruckten Superkondensatoren ermöglichen einen ersten Blick darauf, wie die Technologien und Materialien dafür aussehen könnten, so Lobel.

Noch gibt es dafür aber einiges zu tun. Weil das Feld so neu ist, musste Lee die Anlagen zum Testen seiner flexiblen Batterien, während sie verdreht und auf andere Weise verformt werden, selbst bauen. Als Nächstes, so sagt er, will er die Speicherkapazität seiner gedruckten Technik erhöhen und mit Drucken auf anderen Materialien auf Papier experimentieren.

(sma)