Auch Schokolade möglich: Forscher fertigen feine Leiter auf abbaubaren Materialien
Immer mehr elektronische Geräte mit teils kurzer Lebensdauer führen zu steigenden Mengen an Elektronikschrott. Insbesondere übliche Platinenmaterialien sind dabei kaum recycelbar. Etliche Forschungsgruppen und Unternehmen arbeiten daher seit Jahren an biologisch abbaubaren Alternativen . Die sind bislang aber eine Nischenlösung. Forscher der University of Glasgow haben allerdings eine praxistauglichere Lösung gefunden(öffnet im neuen Fenster) .
Sie entwickelten einen neuen Fertigungsprozess, der industriell skalierbar ist und ohne aufwendige Materialien wie spezielle Tinten auskommt. Biologisch abbaubare Materialien sind oft nicht mit klassischen Fertigungsprozessen nutzbar. Daher werden bei vielen anderen Ansätzen die Leiter etwa gedruckt. Die Glasgower Forscher hingegen fertigen sie auf einer Aluminiumfolie. Von dort werden sie auf das eigentliche Platinenmaterial übertragen.
Eine Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Communications(öffnet im neuen Fenster) beschreibt den Prozess: Auf die Aluminiumfolie wird eine Fotomaske aufgebracht, in den nicht maskierten Bereichen anschließend in einer Lösung mit Kaliumhydroxid und Zinkoxid Impfkristalle(öffnet im neuen Fenster) aufgewachsen. Die dienen anschließend als Ausgangspunkt zum elektrochemischen Aufwachsen von Zinkleitern.
Leiter als Abziehbild
Die Leiter werden anschließend auf das finale Platinenmaterial (Substrat) übertragen. Es wird als Flüssigkeit auf den Aluminiumträger gegossen oder, etwa bei Thermoplasten, durch Erwärmen verflüssigt. Nach dem Aushärten wird der Träger abgezogen.
Dabei nutzen die Forscher die geringe Haftung zwischen Aluminium und Zink aus. Aufgrund der Rauheit der Leiter und der größeren Kontaktfläche zum Substrat ist die Haftung an diesem wesentlich höher. Dass grundsätzlich jedes verflüssigbare Material als Substrat geeignet ist, zeigen die Forscher mit Schokolade und Glukose.
Zudem demonstrieren ihre Prototypen, dass der entwickelte Prozess mit etablierter industrieller Fertigung mithalten kann. Hier realisierten die Forscher Leiter mit einer minimalen Breite von 5 μm, wobei allerdings unter 25 μm Breite die Fehleranfälligkeit rapide stieg. Unter Reinraumbedingungen erwarten die Forscher aber bessere Werte. Die realisierbaren Leiterbahnabmessungen hängen dabei vom verwendeten Maskenmaterial (Dicke) und Belichter (Breite) ab.
Stabil, aber etwas schlechter als Kupfer
Dass Zink verwendet wird, hat einen Vorteil beim Recycling: Zink ist für Organismen im Gegensatz zu Kupfer weniger bedenklich, weshalb die Platinen komplett kompostiert werden könnten. Allerdings leitet Zink Strom schlechter als das sonst verwendete Kupfer. Die Forscher bestimmten für ihre Prototypen einen Leitwert von 1,8 x 10 7 S/m, etwa ein Drittel des Werts von Kupfer ( 5,8 x 107 S/m(öffnet im neuen Fenster) ). Im Vergleich zu leitfähigen Tinten ist der Wert allerdings eine Größenordnung besser.
Neben der geringeren Leitfähigkeit haben die Zink-Platinen gegenüber Kupfer einen weiteren Nachteil: Die maximale Leiterbahnstärke geben die Forscher mit 20 μm an, während bei regulären Platinen zumindest auf den Außenlagen 35 μm üblich sind. Die Haltbarkeit ihrer Platinen sehen die Forscher hingegen positiv, nach einem Jahr Lagerung konnten sie keine signifikante Verschlechterung bei Leitfähigkeit und Impedanz feststellen.