Materialforschung

Flexible Elektronik: Papier wird zum Hightech-Werkstoff

Papier dient als leichtes und faltbares Rohmaterial, um auf kostengünstige und einfache Weise elektrisch leitende Strukturen zu erzeugen

Papier wird zum Hightech-Werkstoff. Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm haben gezielt leitfähige Strukturen in Papier erzeugt, und zwar auf sehr einfache Weise: Mit einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker druckten sie einen Katalysator auf einen Papierbogen und erhitzten das Blatt anschließend. Dabei verwandelten sich die bedruckten Bereiche in leitfähigen Graphit. Papier eignet sich mithin als preiswerter, leichter und flexibler Ausgangsstoff für elektronische Bauteile in Alltagsgegenständen.

Mit kostengünstigen und biegsamen Mikrochips erschließen sich der Elektronik Anwendungen, für die Silicium-Chips zu sperrig und teuer sind und für die die inzwischen weit verbreiteten RFID-Chips nicht genug leisten: Kleidung etwa, die Körperfunktionen kontrolliert, flexible Bildschirme oder Etiketten, die über ein Produkt mehr verraten als sich auf die Verpackung drucken lässt.

Zwar entwickeln weltweit zahlreiche Forscher erfolgreich flexible Chips, sie setzen dabei aber fast immer auf Kunststoffe als Träger und nutzen teilweise auch Polymere und andere organische Moleküle als leitfähige Komponenten. Diese Materialien erfüllen viele Bedingungen, die an sie gestellt werden, sie sind aber durchweg hitzeempfindlich. „Ihre Verarbeitung lässt sich nicht in die übliche Produktion von Elektronik integrieren, weil dabei Temperaturen  über 400 Grad Celsius auftreten“, sagt Cristina Giordano, die am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung eine Arbeitsgruppe leitet und nun eine Alternative präsentiert.

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Ein einfacher Weg zur Elektronik: Ein Tintenstrahldrucker trägt zunächst einen Katalysator in einem gewünschten Muster auf ein Papier auf (A). Hitze wandelt die bedruckten Stellen in einer Stickstoff-Atmosphäre in leitfähigen Graphit und die nicht bedruckten Stellen in amorphen Kohlenstoff um (B). Dass tatsächlich nur die bedruckten Bereiche leitfähig sind, zeigt die anschließende Elektrolyse (C), bei der die leitfähige Struktur als Kathode dient und nur das mit Katalysator behandelte Muster mit Kupfer überzogen wird.
© MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Papier-Elektronik ermöglicht dreidimensionale leitfähige Strukturen

Die Kohlenstoff-Elektronik, die Giordano und ihre Kollegen aus Papier erzeugen, hält bei der Herstellung unter Sauerstoff-Ausschluss dagegen selbst Temperaturen um die 800 Grad Celsius aus und würde die gängigen Prozesse nicht durcheinander bringen. Und das ist nicht der einzige Trumpf einer Elektronik aus Papier: Das leichte und preiswerte Material lässt sich auch denkbar einfach verarbeiten, und das sogar zu dreidimensionalen leitfähigen Strukturen.

In Graphit verwandeln die Potsdamer Forscher die Cellulose des Papiers mit Eisennitrat als Katalysator. „Mit einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker tragen wir eine Lösung des Katalysators in einem fast beliebig feinen Muster auf ein Blatt auf“, sagt Stefan Glatzel, der die Elektronik in seiner Doktorarbeit aufs Papier gebracht hat. Wenn die Forscher die mit Katalysator bedruckten Bögen in einer Stickstoff-Atmosphäre nun auf 800 Grad Celsius erhitzen, setzt die Cellulose solange Wasser frei, bis nur noch reiner Kohlenstoff übrig bleibt. Während in den bedruckten Bereichen jedoch eine elektrisch leitende Mischung aus den regelmäßig strukturierten Kohlenstoffblättern des Graphit und Eisencarbid entsteht, lässt die Hitze die restlichen Gebiete als Kohlenstoff ohne regelmäßige Struktur zurück, der nicht leitfähig ist.

Dass auf diese Weise tatsächliche präzise geformte Leiterbahnen entstehen, bewiesen die Forscher in einem einfachen Experiment: Sie druckten den Katalysator zunächst im Muster der Minerva, des filigranen Symbols der Max-Planck-Gesellschaft, auf eine Blatt Papier und verwandelten das Muster in Graphit. Anschließend verwendeten sie die Graphit-Minerva als Kathode, die sie elektrolytisch mit Kupfer überzogen. Nur auf den Linien, die der Drucker vorgezeichnet hatte, schied sich dabei das Metall ab.

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Marc Brümmer

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