Leiten wie gedruckt

Marginale Spalte

Oben: Elektronik aus ultradünnen Metallschichten druckt PolyIC auf Folie. Foto: Poly IC

Beinahe unsichtbar und dennoch hoch leitfähig: die PolyTC®-Folie. Foto: Poly IC

Juli 2013

 

PolyIC produziert transparente, leitfähige Folien im Rollendruckverfahren – mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Für die nötige Präzision bei der Herstellung sorgt die Systemlösung IndraMotion.

 
 

Eine transparente Heizfolie, die verhindert, dass die Scheiben des Autos im Winter beschlagen. Ein Touchscreen, der auch auf Eingaben mit mehreren Fingern blitzschnell reagiert. Ein Display in einem Bereich mit besonders hohen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. In jeder dieser Anwendungen kann ein Produkt der PolyIC GmbH und Co. KG stecken – auch wenn man es meist nicht sehen würde. Das Unternehmen mit Sitz in Fürth ist Spezialist für gedruckte Elektronik. Das Produkt, das sich in vielen Displays und anderen Anwendungen wiederfindet, ist die transparente, leitfähige Folie PolyTC®.

So wenig sichtbar, wie die Folie in ihrer Anwendung ist, so bemerkenswert ist ihre Produktion. PolyIC druckt Elektronik, die aus fein strukturierten, ultradünnen Metallschichten besteht, im Rolle-zu-Rolle-Prozess – also mit derselben Technik, mit der beispielsweise Zeitungen gedruckt werden. Das zu bedruckende Material – auch Substrat genannt – ist eine transparente Polyesterfolie.

Als „Tinte“ nutzt PolyIC verschiedene Materialien, die sich in gelöster Form mit unterschiedlichen Druckverfahren auf dem Substrat abscheiden lassen. Dazu gehören halbleitende, leitfähige und isolierende Kunststoffe sowie diverse Metallformulierungen. Derartige kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren sind preiswert und realisieren die geforderte Struktur direkt im Herstellungsprozess. Der Endkunde muss in der Regel nur noch wenige oder keine weiteren Verarbeitungsschritte mehr durchführen.

Transparente Metallschichten

Bei der Herstellung gedruckter Elektronik sind strukturierte, leitfähige Schichten mit hoher Auflösung in fast allen Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Mittels moderner Druckverfahren lassen sich sehr dünne Metallschichten mit Auflösungen von zehn Mikrometern realisieren – viermal dünner als der Querschnitt eines menschlichen Haares. Übliche Druckverfahren drucken mit einer Auflösung in einem Bereich über 100 Mikrometer. Für die gedruckte Elektronik werden jedoch Auflösungen unter 20 Mikrometer angestrebt, da die Auflösung des Druckverfahrens die elektrische Performance des Endprodukts aktiv beeinflusst.*

So druckt die Maschine optisch transparente Filme, die gleichzeitig elektrisch leitfähig sind. Für derartige Anwendungen wird heutzutage oftmals Indiumzinnoxid (ITO) eingesetzt. Die darauf basierende Technologie hat jedoch einige Nachteile. So sind die erzeugten ITO-Schichten recht brüchig und relativ teuer.

Die Firma PolyIC positioniert sich hier mit einer flexiblen und preiswerten Alternative: den PolyTC®-Folien. Das Rolle-zu-Rolle-Verfahren liefert schließlich hauchdünne, strukturierte Metallschichten auf Kunststoffsubstraten. Die PolyTC®-Folie ist nahezu vollständig transparent und weist eine hohe Leitfähigkeit auf. Vor der erfolgreichen Markteinführung musste das Unternehmen jedoch einige Herausforderungen meistern, insbesondere in der Produktions- und Prozesstechnik.

Präzise Prozesse

Die Folie wird in den Bahnspeicher umgelenkt, um einen Bahnstillstand bei laufendem Prozess zu ermöglichen.

 

Die Zugspannung der Substratbahn beeinflusst maßgeblich die Genauigkeit und Stabilität des Produktionsprozesses sowie die Messtechnik zur Qualitätsprüfung. Denn im Gegensatz zu klassischen Druckprozessen, wie dem Tiefdruck, sind die Prozesskräfte, die auch die Bahn führen, meist gar nicht vorhanden.

Je nach Dicke und Material des Substrats ergibt sich ein spezifisches Transportverhalten. Um einen hochpräzisen und stabilen Bahnprozess zu erreichen, installierte PolyIC die Systemlösung IndraMotion von Rexroth, die Motion Control und SPS in einer Steuerung vereint. Integrierte Funktionen wie der Zugspannungsregler und die Wickelfunktion beschleunigten die Anpassung an die individuellen Anforderungen des Kunden.

Damit die übereinanderliegenden elektrischen Strukturen funktionieren, ist eine hohe Registergenauigkeit entscheidend. Diese gibt an, wie präzise die einzelnen „Farben“ zueinander positioniert sind, und ist so ein Qualitätsmerkmal für den Druck beziehungsweise die Struktur. Die verschiedenen Bahnzugbereiche sind durch den Bahnlauf miteinander verkettet und müssen gleichzeitig geregelt werden.

Die notwendige, genaue Regelung erfordert eine komplexe Entkopplung mehrerer kaskadierter Zugspannungsregler. Um diese Aufgabe zu lösen, kombinierten die Ingenieure den Prozessregler mit der Maschinensteuerung. Die exakte Umsetzung einer komplexen Regel entsteht durch die Echtzeitintegration des Prozessreglers und der Steuerung der Bahnbewegung in der Systemlösung IndraMotion. Dadurch verdreifacht sich die Qualität der Bahnspannung. Eine immense Verbesserung der Prozessstabilität – und die Voraussetzung, um die geforderte Registergenauigkeit von wenigen Mikrometern zu erreichen.

Zur Überwachung der elektrischen Funktionen mit hochpräziser Messtechnik muss die Folienbahn während der Produktion angehalten werden. Dazu kombiniert IndraMotion die Rollenbewegung des Bahntransports mit der linearen Bewegung eines Schlittens. Der Schlitten des sogenannten Bahnspeichers fährt mit gleicher Geschwindigkeit entgegen der Bahnlaufrichtung und erzeugt den Bahnstillstand. So steht ein Teil der Bahn zur elektrischen Funktionsprüfung für einen Moment still, ohne dass der gesamte Prozess anhält und Produktivität einbüßt.

Perfekte Zusammenarbeit

Die leitfähige PolyTC®-Folie auf der Druckmaschine. Foto: Poly IC

 

Wolfgang Mildner, Geschäftsführer von PolyIC, ist zufrieden mit dem Ergebnis der Kooperation: „Für die Herstellung gedruckter Elektronik ist die Zusammenarbeit verschiedener Partner, die Experten auf ihrem Gebiet sind, essenziell notwendig. Bosch Rexroth mit seinem Systemportfolio für die Automation von hochgenauen Bahnprozessen und PolyIC als führender Hersteller gedruckter Elektronik zeigen ein ausgezeichnetes Beispiel für eine derartige Kooperation.“ Durch moderne Druckverfahren wird die gedruckte Elektronik in Zukunft neue Einsatzfelder für Elektronik generell eröffnen


*[Siehe: H. Rost, „Vom Polymer-Transistor zur gedruckten Elektronik“, Kunststoffe 10, 209–214 (2005)]