ECO Touch – Transparente Elektroden auf Kohlenstoff-Basis

Den Hans-Jürgen Warnecke Innovationspreis 2012 erhielt eine IPA-Innovation, welche seltene Materialien wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO) für Displays ersetzen können. Aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) stellten die Preisträger Tinten her, die durch hohe elektrische Leitfähigkeit und Flexibilität bestechen und somit für neuartige Displays optimal geeignet sind.

Touchdisplays sind heute aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken und verdanken ihre einfache Bedienung der obersten Schicht der Displays. Eine dieser transparent leitfähigen Schichten (TCF) ist Indiumzinnoxid (ITO). Sie wird deshalb häufig verwendet, da sie die benötigten Eigenschaften von elektrischer Leitfähigkeit und hoher optischer Transparenz am besten erfüllt. Nachteile dieses Materials sind seine schwierige Beschaffung, sein Materialpreis und seine Brüchigkeit. Alternative Materialien entwickelt das Fraunhofer IPA. Es stellt aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) Tinten her, die durch hohe elektrische Leitfähigkeit und Flexibilität bestechen und somit für neuartige Displays optimal geeignet sind.

Spätestens seit der Vorstellung des iPhones im Jahre 2007 sind Smartphones nicht mehr aus unserem Leben wegzudenken. Dies ist sicherlich dem Umstand geschuldet, dass diese Geräte intuitiv mit dem Finger bedient werden können. Diese einfache Bedienung liegt an der obersten funktionalen Schicht des Displays, welche die Eigenschaften einer elektrischen Leitfähigkeit sowie einer hohen optischen Transparenz vorweisen muss. Man spricht von transparent leitfähigen Schichten (TCFs, transparent conductive films). Doch nicht nur für die Displaytechnik sind TCFs von großem Interesse. TCFs können ebenfalls in einer Photovoltaikanlage sowie anderen elektronischen Geräten verwendet werden. Die Kombination der geforderten Eigenschaften besitzen nur wenige Materialien, allen voran Indiumzinnoxid (ITO, indium tin oxide). Heutzutage bestehen TCFs fast ausschließlich aus ITO. Die Nachteile dieses Materials liegen in der Beschaffung aus Mienenarbeiten, dem Materialpreis und der Brüchigkeit des Materials. Solar- und Elektronikhersteller sind daher seit Langem auf der Suche nach alternativen Materialien. Der Markt wird auch in Zukunft ein schnelles Wachstum erleben und es ist daher unerlässlich, nach Alternativen zu ITO zu forschen.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung dünner leitfähiger Schichten liefern diverse Nanomaterialien. Insbesondere Graphen und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs, carbon nanotubes) gelten als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige transparente Elektroden. Entlang seiner Achse besitzt ein einzelnes CNT eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Bisher konnte diese Eigenschaft nicht auf ein Ensemble aus vielen CNTs übertragen werden, weshalb die Leitfähigkeit einer reinen CNT-Schicht für viele Anwendungen nicht ausreichend ist.

Um diese Schichten herzustellen, benutzt das Fraunhofer IPA Tinten aus CNT. Der innovative Ansatz, der in der Abteilung »Funktionale Materialien« am Fraunhofer IPA verfolgt wurde, beruht auf der zusätzlichen Verwendung des leitfähigen Polymers PEDOT:PSS. Da sowohl CNTs als auch PEDOT:PSS in Wasser dispergierbar sind, kann eine Hybridtinte (ECO TOUCH I) aus beiden Substanzen gemischt werden. Die Schicht kann durch Sprühen oder Roll-Coating der Hybridtinte auf einer PET-Folie dargestellt werden.

ECO Touch I erweist sich als weitaus Hitze-, Feuchtigkeits- und UV-resistenter als reine PEDOT:PSS-Schichten und hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit als reine CNT-Schichten. ECO Touch I liefert einen großen Vorteil: die Flexibilität der Schicht. Biegetests belegen eine Verminderung der Leitfähigkeit von weniger als 1 Prozent nach 10 000 Biegezyklen. Somit können neuartige Displays und Anwendungen realisiert werden.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. (FH) Ivica Kolaric | Telefon +49 711 970-3729 | ivica.kolaric@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA | www.ipa.fraunhofer.de