Tintenstrahldruck organisch/anorganischer Komposite

In dieser Arbeit wird die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Verarbeitung von organisch/anorganischen Kompositen zu homogenen, gedruckten Schichten vorgestellt. Hierfür wird als keramisches Material Barium-Strontium-Titanat (BST) verwendet und als Polymer Polymethylmethacrylat (PMMA). Solche Komposite werden im Bereich der gedruckten Elektronik und speziell im Tintenstrahldruck, aufgrund der höheren Komplexität des Systems, bisher kaum eingesetzt, obwohl diese Materialklasse sehr vielversprechende dielektrische sowie mechanische Eigenschaften aufweist.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Entwicklung einer BST/PMMA-Komposittinte bzw. ... mehreines Tintensystems für den Druck homogener Strukturen aufgezeigt. Neben den Anforderungen an eine stabile Druckbarkeit wird das Hauptaugenmerk auf dem Trocknungsverhalten der Tinten liegen. Hierbei werden erstmals die Zusammenhänge der unterschiedlichen Komponenten einer organisch/anorganischen Komposittinte im Tintenstrahldruck betrachtet und detailliert untersucht. Durch die geeignete Wahl der Tintenzusammensetzung können negative Trocknungseffekte (z. B. der coffee stain effect) erfolgreich vermieden und eine homogene Strukturmorphologie erzielt werden. Ausschlaggebend hierfür ist das Zusammenspiel der BST-Partikel und der PMMA-Moleküle. Letztere bilden hydrophobe Wechselwirkungen untereinander und gleichzeitig Wechselwirkungen mit der BST-Oberfläche aus. Diese sind bei entsprechender Stärke oder Anzahl geeignet, die Partikelmobilität während der Trocknung zu reduzieren bzw. vollständig zu unterbinden. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Zusammensetzung der Tinten, sowohl in Bezug auf die verwendete Lösemittelzusammensetzung als auch auf die Zusammensetzung des Feststoffs.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Eignung des zuvor entwickelten Tintensystems für die Herstellung vollständig gedruckter Plattenkondensatoren demonstriert. Der Multilagenaufbau stellt dabei höchste Anforderungen an die Kompatibilität der einzelnen Tinten und an die Strukturqualität des Komposits. Durch die Wahl geeigneter Silbertinten wurde eine hinreichend gute Qualität sowie Leitfähigkeit der gedruckten Elektroden realisiert. Die BST/PMMA-Tinten erlauben eine schnelle und einfache Herstellung der dielektrischen Schichten in einem einzelnen Prozessschritt, mit Schichtdicken im Bereich von 5–10 µm und liefern dabei eine äußerst gleichmäßige Topographie sowie Mikrostruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl die Zusammensetzung des Komposits als auch die BST-Partikelgröße erfolgreich variiert und deren Einflüsse auf die dielektrischen Eigenschaften charakterisiert. Bei einer Frequenz von 1 kHz liefern die BST/PMMA-Schichten Werte für die Permittivität εr von 20–55. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber reinen Polymeren dar und verdeutlicht das hohe Potential des Tintenstrahldrucks organisch/anorganischer Komposite für den Bereich der gedruckten Elektronik.

This doctoral thesis presents the suitability of the inkjet printing technology for the processing of organic/inorganic composites to homogeneous printed films. For this purpose barium strontium titanate (BST) is used as the ceramic material and poly(methyl methacrylate) (PMMA) is used as the polymer. Such composites and their application via inkjet printing are currently receiving only minor attention in the field of printed electronics due to the higher complexity of the system, although this material class offers very promising dielectric and mechanical properties.
... mehrIn the first part of the thesis the development of a BST/PMMA composite ink respectively a versatile ink system for printing of homogeneous structures is presented. In addition to the requirements to a stable printability, the main focus will be on the drying behavior of the inks. For the first time, the interrelations between the different components of an organic/inorganic composite ink are examined in detail with regard to inkjet printing. By selecting suitable ink compositions, negative drying effects, such as the coffee stain effect, are successfully avoided. A homogeneous structural morphology can be achieved. This is due to interaction between the BST particles and the PMMA molecules. The latter form interactions with the BST surface, as well as hydrophobic interactions between them. These are, with appropriate strength or number, suitable to reduce and even completely prevent the particle mobility during drying. This allows a high flexibility in the composition of the inks, both in respect of the solvent composition and the composition of the solids.
The second part of this work demonstrates the suitability of the previously developed ink system for the fabrication of fully printed plate capacitors. The multilayer structure places the highest demands concerning the compatibility of the individual inks and the structural quality of the composite films. By selecting suitable silver inks, a sufficiently good quality as well as conductivity of the printed electrodes was realized. The BST/PMMA inks allow a fast and easy fabrication of the dielectric layers in a single process step with a thickness in the range of 5–10 μm. The inks result in an extremely uniform topography and homogeneous microstructure. Within the framework of this work, the compositions of the composites as well as the BST particle size are successfully varied and their influence on the dielectric properties is characterized. At a frequency of 1 kHz, the BST/PMMA layers provide values for the permittivity εr of 20–55. This represents a significant improvement over pure polymers and illustrates the high potential of inkjet printed ceramic/polymer composites for printed electronics.