Funktionstinten für Applikationen der Gedruckte Elektronik und Sensorik mit Anwendung von Inkjet-, Aerosol- und Siebdruck

Thema

Unsere Arbeitsgruppe forscht und entwickelt Funktionstinten für Anwendungen der gedruckten Elektronik, Sensorik sowie Integration von Elektronik in Textilien (smart textiles). Hierbei setzen wir auch alternative, sehr schnelle und selektive Laser-Sintermethoden ein. Mit diesen Materialien und Technologien können Konzepte auf Basis Polymerfolie, Papier, Textil und flexible dünne Keramik (ZrO2 oder Spinell) bzw. Dünnglas umgesetzt werden.

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Inkjet Digitaldruck von Temperatur-Sensoren auf PET.
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LED Kontaktierung auf Textil.
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Gedruckte Schaltung auf PET.
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IKTS Silbertinte auf Papier.
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Platin Elektroden in Spinell-Keramik.

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

Kompatibilität Funktionstinte mit Substratmaterial

 

Das IKTS entwickelt ein Spektrum druckbarer Tinten, welche kompatibel mit unterschiedlichen Substratmaterialien für Anwendungen auf Polymer bis hin zu Keramik sind.

Temperatur-Einsatzbereiche verschiedener Materialtinten.

Temperatur Bereich Anwendung Substratauswahl
Niedrig < 150 °C Polymere wie PET, PVC, PTFE, PI, PEEK, LCP oder Papier
Mittel 150 bis 350 °C Dünnglas und Metalle
Hoch > 350 °C Keramik, co-firing Mehrlagenkeramik
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IKTS Nanopartikel.
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Edelmetall-Tinten mit Variation der Einbrenntemperatur.

Materialspektrum

 

Die Funktionstinten sind so abgestimmt, dass sie mit Inkjet- (Piezo DOD) und Aersol-Druckverfahren kompatibel sind. Darüber hinaus können die entwickelten Funktionsmaterialien auch in Siebdruckpasten überführt werden. Die Tinten basieren auf Nanopartikel eigener Herstellung bzw. auf der Verarbeitung kommerzieller Pulver. Das IKTS entwickelt auf Kundenwunsch und in gemeinsamen Forschungsprojekten auch neue, individuelle Druckformulierungen wie:

  • Edelmetall-Tinten, wie Ag, Au, Pt oder Pd
  • Metall-Tinten Cu, Ni und Si
  • Widerstands- und Komposittinten (bspw. Ag-Glas, RuO2-Glas)
  • Kohlenstoff-Tinten (Grafit, CNTs)
  • Flexible Polymer-Metall Komposittinten
  • Spezial-Tinten auf Kundenwunsch
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Gesinterte IKTS Ag-Tinte auf PET Folie.
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Gesinterte IKTS Ag-Tinte auf PET Folie.

Ausstattung Drucktechnologie

 

Für gemeinsame Forschungsprojekte greifen wir auf verschiedene Drucktechnologien zurück:

  • Inkjet-Druck mit Dimatix Druckköpfen DMP Klasse (bis zu 20x20 cm2 Druckfläche)
  • Aerosol-Drucker M3D von Optomec Inc. (bis zu 20x20 cm2 Druckfläche)
  • Verschiedene Siebdrucker der Fa. EKRA halb- und vollautomatisch E5, X5, HX2 (bis zu 25x25 cm2 Druckfläche)
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Inkjet Ausstattung.
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Aerosol Ausstattung.
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Siebdruck Ausstattung.
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Siebdruck Ausstattung.

Funktionalisierungstechnologien

 

Das Aushärten bzw. Sintern der gedruckten Strukturen kann mit verschiedener Technologien erfolgen. Hierbei erforschen und entwickeln wir auch Anwendungen auf Basis neuartiger, sehr schneller Wärmebehandlungsmethoden in Kooperation mit führenden Anbietern. Diese Technologien haben großes Potenzial für eine zukünftige Produktion im Rolle-zu-Rolle (R2R) Maßstab der gedruckten Elektronik und Sensorik.

  • Kontinuierliche Linien-Laser Behandlung (HDPL)
  • Blitzlampen Verfahren (FLA)
  • Elektronenstrahl Methoden
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Linienlaser für eine schnelle und selektive Sinterung gedruckter Strukturen auf thermisch empfindlichen Substraten (Arbeitsbreite 30 mm).
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Linienlaser für eine schnelle und selektive Sinterung gedruckter Strukturen auf thermisch empfindlichen Substraten (Arbeitsbreite 30 mm).
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Inkjet gedruckte, elektrisch leitfähige Cu-Leitbahn auf PET nach einer Linien-Laser Wärmebehandlung.
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Inkjet gedruckte, elektrisch leitfähige Cu-Leitbahn auf PET nach einer Linien-Laser Wärmebehandlung.

Unsere Antwort auf technische Herausforderungen gedruckter Schichten

 

Aufgrund unserer umfangreichen Erfahrung im Bereich Forschung und Entwicklung von Funktionstinten in Kombination mit verschiedenen Drucktechnologien und Wärmebehandlungsverfahren können wir häufig anzutreffenden technologischen Problemen der gedruckten Elektronik und Sensorik begegnen:

  • Schichtdicken (Erfahrungsbereich 0.1 bis 100 µm)
  • Haftung
  • Substratvorbehandlung
  • Elektrische Leitfähigkeit, Widerstand
  • Druckqualität (z.B. Feinliniendruck, Miniaturisierung)
  • Aspekt-Verhältnis der Druckschicht
  • Skalierung der Technologie für kommerzielle Anwendungen
  • Individuelle Anpassung der Druckformulierung

Wir organisieren Konsortien und nehmen als Projektpartner an nationalen und europäischen Forschungsvorhaben teil. Darüber hinaus führen wir Machbarkeitsstudien für Kunden durch. Auf Basis unseres Netzwerks können wir Partner aus der Forschung und Industrie zusammenbringen.

Veröffentlichungen basierend auf IKTS-Tinten:

2020

[43] M. Fritsch, S. Mosch, M. Vinnichenko, N. Trofimenko, M. Kusnezoff, F.M. Fuchs, L. Wissmeier, N. Samotaev, K. Oblov “Printed Miniaturized Platinum Heater on Ultra-Thin Ceramic Membrane for Mox Gas Sensors” ECS Meeting Abstracts, Vol. MA2020-01, IMCS 03: Electrochemical and Metal Oxide Sensors, 2020. DOI: 10.1149/MA2020-01282125mtgabs.

[42] M. Avraham, S. Stolyarova, T. Blank, S. Bar‐Lev, G. Golan, Y. Nemirovsky “A Novel Miniature and Selective CMOS Gas Sensor for Gas Mixture Analysis—Part 2: Emphasis on Physical Aspects” Micromachines 11(6), pp.587, 2020. DOI: 10.3390/mi11060587.

[41] D. Shlenkevitch, S. Stolyarova, T. Blank, I. Brouk, Y. Nemirovsky “Novel Miniature and Selective Combustion-Type CMOS Gas Sensor for Gas-Mixture Analysis—Part 1: Emphasis on Chemical Aspects” Micromachines 11(4), pp. 345, 2020. DOI: 10.3390/mi11040345.

2019

[40] N. Samotaev, K. Oblov, A. Gorshkova, M. Fritsch, S. Mosch, M. Vinnichenko, N. Trofimenko, M. Kusnezoff, F.M. Fuchs, L. Wissmeier “Ceramic microhotplates for low power metal oxide gas sensors”, Materials Today: Proceedings, in press. DOI: doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.394.

[39] B. Cruz, A. Albrecht, P. Eschlwech, E. Biebl „Inkjet printing of metal nanoparticles for green UHF RFID tags“ Adv. Radio Sci., 17, 119–127, 2019. DOI: 10.5194/ars-17-119-2019.

[38] S. Khan and D. Briand “All-printed low-power metal oxide gas sensors on polymeric substrates”, Flex. Print. Electron. 4, 015002, 2019. DOI: doi.org/10.1088/2058-8585/aaf848

[37] N. Samotaev, K. Oblov, A. Gorshkova, M. Fritsch, S. Mosch, F.M. Fuchs, L. Wissmeier, M. Vinnichenko, N. Trofimenko, M. Kusnezoff „Ceramic microhotplates for low power metal oxide gas sensors“, International Scientific Conference “Materials Science: Composites, Alloys and Materials Chemistry” (MS-CAMC), St. Petersburg Russia, 20.-21.11.2019.

[36] S. Kapadia, M. Fritsch, A. Kabla, F.M. Fuchs, E. Bilbao, L. Monsalve, J. Fossati, K.Y. Mitra, A. Trul, E. Agina, S. Ponomarenko „The development & fabrication of the all inkjet printed electronic devices using novel functional materials suitable for various sensing applications in the field of printed and flexible electronic“, Printing for Fabrication conference, San Francisco USA, 29.09-03.10.2019.

[35] N. Samotaev, K. Oblov, A. Ivanova, A. Gorshkova, B. Podlepetsky „Rapid Prototyping of MOX Gas Sensors in Form-factor of SMD Packages“, 31st International Conference on Microelectronics (MIEL), Nis Serbia, 16.-18.09.2019.

[34] M. Fritsch, S. Mosch, N. Trofimenko, V. Sauchuk, M. Vinnichenko, M. Kusnezoff, N.  Beshchasna, M.S. Draz “Material inks for inkjet printed biomedical sensor applications“,30th Annual Conference of the European Society for Biomaterials (ESB), Dresden Germany, 09.-13.09.2019.

[33] M. Fritsch, S. Mosch, N. Trofimenko, M. Vinnichenko, M. Kusnezoff „Platinum Nanoinks for Inkjet printed Sensors“, Printed Electronics Konferenz und Messe 2019, IDTechEx Berlin Germany, 10.-11.04.2019.

[32] M. Zea, A. Moya, M. Fritsch, E. Roman, R. Villa, G. Gabriel “Enhanced performance stability of iridium oxide based pH sensors fabricated on rough inkjet-printed platinum”, Journal of Applied Materials and Interfaces, 11, 16, pp.15160-15169. 2019. DOI: doi.org/10.1021/acsami.9b03085

 

2018

[31] Andreas Albrecht “Printed Sensors for the Internet of Things”, Dissertation Thesis, Technische Universität München, Germany, 2018.

[30] S. Khan, T.P. Nguyen, M. Lubej, L. Thiery, P. Vairac, D. Briand “Low-power printed micro-hotplates through aerosol jetting of gold on thin polyimide membranes” Microelectronic Engineering, 194, pp.71–78, 2018. DOI: doi.org/10.1016/j.mee.2018.03.013.

[29] A. Moya, M. Ortega-Ribera, X. Guimerà, E. Sowade, M. Zea, X. Illa, E. Ramon, R. Villa, J. Gracia-Sancho, G. Gabriel “Online oxygen monitoring using integrated inkjet-printed sensors in a liver-on-a-chip system” Lab Chip, 18, pp.2023–2035, 2018. DOI: 10.1039/c8lc00456k.

[28] M. Vinnichenko, M. Fritsch, X. Junchen; D. Makarov, T. Voitsekhivska, V. Sauchuk, M. Kusnezoff “Flexible High-Performance Metallic Interconnects Prepared by Innovative Diode Laser Array Treatment of Inkjet-Printed Layers” Society for Imaging Science and Technology -IS&T-: Printing for Fabrication 2018: Materials, Applications and Processes, 34th International Conference on Digital Printing Technologies (NIP), September 23-27, 2018, Dresden, Germany; Technical Program, Abstracts, and USB Proceedings. Springfield/Va.: IS&T, pp. XIV, 2018.

[27] M. Schubert, Y. Wang, M. Fritsch, M. Vinnichenko, L. Rebohle, T. Schumann, K. Bock „Evaluation of Nanoparticle Inks on Flexible and Stretchable Substrates for Biocompatible Application”, 7th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC) 2018, 18-21.September 2018 Dresden, proceeding in press, IEEE, 2018. DOI: 10.1109/ESTC.2018.8546494.

[26] M. Vinnichenko, D. Makarov, M. Fritsch, T. Voitsekhivska, V. Sauchuk, M. Kusnezoff “Realizing Flexible High-Performance Silver Interconnects on Thin and Ultrathin Substrates by Inkjet-Printing and Innovative Laser Treatment” 14th International Conference on Modern Materials and Technologies (CIMTEC), 04-14.06.2018, Perugia Italy, 2018.

[25] M. Vinnichenko, M. Fritsch, D. Makarov, N. Trofimenko, V. Sauchuk, M. Kusnezoff “Innovative laser processing of inkjet-printed layers” Printed Electronics Europe 2018, IDTechEx, 11.-12.4.2018, Berlin Germany, 2018.

[24] M. Fritsch, M. Vinnichenko, N. Trofimenko, M. Kusnezoff „Metal nanoinks for inkjet printed interconnects on flexible substrates“ LOPE-C 2018, Munich Germany, 14.03.2018, 2018.

 

2017

[23] J. Stulik and A. Hamacek “Carbon Nanotubes Ammonia Sensor Printed by Aerosol Jet System” 1st PCNS Passive Components Networking Days, 12-15th Sep 2017, Brno, Czech Republic, paper 4.5.  New Development Session, PCNS2017 Proceedings pp.91-94. ISBN: 978-80-905 768-8-9.

[22] A. Habermehl, R. Eckstein, N. Strobel, N. Bolse, G. Hernandez.Sosa, A. Mertens, C. Eschenbaum, U. Lemmer „Microfluidic surface-enhanced Raman analysis systems by aerosol jet printing“ IEEE Sensors, Glasgow, United Kingdom, 2017. DOI: 10.1109/ICSENS.2017.8234346.

[21] A. Habermehl, N. Strobel, R. Eckstein, N. Bolse, A. Mertens, G. Hernandez-Sosa, C. Eschenbaum, U. Lemmer „Lab-on-Chip, Surface-Enhanced Raman Analysis by

Aerosol Jet Printing and Roll-to-Roll Hot Embossing” Sensors, 17 (10), 2401, 2017. DOI:10.3390/s17102401.

[20] A. Moya, M. Zea, E. Sowade, R. Vila, E. Ramon, R.R. Baumann, G. Gabriel “Inkjet-printed dissolved oxygen and pH sensors on flexible plastic substrates” Proceedings of SPIE

Vol. 10246, 102460F, 2017, DOI: 10.1117/12.2264912.

[19] M. Fritsch, M. Vinnichenko, D. Makarov, T. Voitsekhivska, M. Kusnezoff “High-performance silver interconnects prepared on thin and ultrathin flexible substrates by inkjet-printing and laser treatment” Pro Flex 2017 conference, Dresden 27.11.2017, 2017.

[18] M. Fritsch, N. Trofimenko, M. Vinnichenko, V. Sauchuk “Synthesis, formulation and rapid curing of particles based inkjet and aerosoljet printed films for electronic and sensory devices” Poster presented at Printed and Flexible Electronics Congress, London 21.-22.2.2017, 2017.

 

2016

[17] E. Sowade “Inkjet printing of photonic structures and thin-film transistors based

on evaporation-driven material transportation and self-assembly” Dissertation Thesis, Technische Universität Chemnitz, Germany, 2016.

[16] M. Fritsch, “Synthesis of particles inks for inkjet printing of microelectronic components” TheICJ 3rd Annual InkJet Conference 2016, Düsseldorf 4.6.10.2016, 2016.

[15] M. Fritsch, M. Vinnichenko “Synthesis And Formulation Of Particle Inks For Inkjet And Aerosol-Jet Printing Methods”, Printed Electronics Europe, New Material – New Possibilities, Berlin April 28, 2016.

[14] A. Moya, E. Sowade, F. J. del Campo, K. Y. Mitra, E. Ramon, R. Villa, R. R. Baumann, G. Gabriel „All-inkjet-printed dissolved oxygen sensors on flexible plastic substrates“, Organic Electronics 39, pp.168-176, 2016, DOI 10.1016/j.orgel.2016.10.002.

[13] M. Zea “Platinum microelectrodes fabricated on flexible substrate by inkjet Printing for pH sensing”, Master’s Thesis, Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), 2016.

[12] M. Fritsch, V. Sauchuk, N. Trofimenko, M. Vinnichenko “Synthesis, formulation and rapidcuring of particles based inkjet and aerosoljetprinted films for electronic and sensory devices” Poster presented at 2016 MRS Fall Meeting & Exhibit, Boston 27.11-02.12.2016, 2016.

[11] M. Vinnichenko, V. Sauchuk, M. Fritsch, D. Hauschild; N. Trofimenko, M. Kusnezoff “Millisecond laser functionalization of the structures prepared using wet chemical deposition”, 2016 MRS Fall Meeting & Exhibit, Boston 27.11-02.12.2016, 2016.

 

2015

[10] R. Jurk, M. Fritsch, M. Eberstein, J. Schilm, F. Uhlig, A. Waltinger, A. Michaelis „Ink jet printable silver metallization with zinc oxide for front side metallization for micro crystalline silicon solar cells”, J. Micromech. Microeng. 25, No.12, Art.125021, 7 pp., ISSN: 0960-1317, 2015, DOI: 10.1088/0960-1317/25/12/125021.

[9] R. Soukup, J. Navratil, J. Reboun, T. Rericha “A Comparison of the Interdigital Electrodes Prepared by Aerosol Jet Printing and Lift–Off Technique”, 38th Int. Spring Seminar on Electronics Technology, ISBN 978-1-4799-8860-0, IEEE pp. 30-35, 2015, DOI 10.1109/ISSE.2015.7247956.

[8] S. Hildebrandt, I. Kinski, S. Mosch, A. Waltinger, F. Uhlig, A. Michaelis “Non-contact printing: conductive track geometry affected by ink rheology and composition”, Microsystem Technologies 21, No.6, ISSN: 0946-7076, pp.1363-1369., 2015, DOI 10.1007/s00542-014-2275-8.

 

2014

[7] R. Jurk, S.Mosch, M.Fritsch, M.Ihle “Synthesis of nano metal particles for low sintering conductive inks”, Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2014 - DDMC, Berlin (12./13.3.2014), E-ISBN: 978-3-8396-9128-1 , pp.269-273, 2014, DOI 10.13140/2.1.5044.5766.

[6] M. Eberstein, U. Schmidt, S. Komer, K. Reinhardt, R. Jurk, U. Partsch „In-situ Observations of Glass Frit Related Effects during the Front Side Paste Contact Formation”, Conference: Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), ISBN 978-1·4799-4398-2, IEEE, pp. 3463-3469, 2014, DOI: 10.13140/2.1.3068.2567.

[5] N. Trofimenko, S. Mosch, M. Fritsch, R. Jurk, M. Ihle “Metal Nano-inks: From Synthesis to application“, Coating International, 9, pp.16-17, 2014.

 

2013

[4] K. Swiecinski, M. Ihle, R. Jurk, E. Dietzen, U. Partsch, M. Eberstein “Aerosol jet printing of two component thick film resistors on LTCC”, Additional Conferences (Device Packaging, HiTEC, HiTEN, & CICMT): September 2013, Vol. 2013, No. CICMT, pp. 000240-000246, DOI 10.4071/CICMT-THA25.

[3] M. Neubert, S. Cornelius, J. Fiedler, T. Gebel, H. Liepack, A. Kolitsch, and M. Vinnichenko: Overcoming challenges to the formation of high-quality polycrystalline TiO2: Ta transparent conducting films by magnetron sputtering. J. Appl. Phys. 114, 083707, 2013, DOI 10.1063/1.4819088.

 

vor 2012

[2] M. Fritsch and R. Jurk, “Method for producing nanoparticles from a noble metal and use of the nanoparticles thus produced”, patent application (WO2012/016565A2 and US2013/0205950A1), description of the synthesis of nanoparticles and ink formulation, 2012.

[1] M. Fritsch et al. ”Ink jet printing of fine line metallization with particle Ag inks”, Journal of microelectronics and electronic packaging, IMAPS/ACerS 6th International Conference and Exhibition on Ceramic Interconnect and Ceramic Microsystems Technologies (CICMT, 18.-21.04.2010), Chiba, Japan, 2010.