Graphen von der Rolle: Serienfertigung von Elektronik aus 2D-Nanomaterialien

Graphen, Kohlenstoff in zweidimensionaler Struktur, wird seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 als ein möglicher Werkstoff der Zukunft gehandelt: Sein geringes Gewicht, die extreme Festigkeit, vor allem aber seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit wecken Hoffnungen, Graphen bald für vollkommen neue Geräte und Technologien einsetzen zu können. Einen ersten Schritt gehen jetzt die Forscher im EU-Forschungsprojekt „HEA2D“: Ihr Ziel ist es, das 2D-Nanomaterial von einer großflächigen Kupferfolie durch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf Kunststofffolien und -bauteile zu übertragen. Auf diese Weise soll eine Serienfertigung elektronischer und opto-elektronischer Komponenten auf Graphenbasis möglich werden.

Besonders interessiert an hochleistungsfähiger Elektronik aus 2D-Materialien ist die Automobilindustrie, die diese in Schaltern mit transparenten Leiterbahnen, Symbolbeleuchtung oder Tageslichtsensoren einsetzen könnte. Aber auch in der Energieerzeugung und -speicherung sowie in der Medizintechnik finden sich Anwendungsfelder für graphenbeschichtete Folien und Bauteile.

Die Partner im Forschungsprojekt entwickeln deshalb eine durchgängige Verarbeitungskette, die verschiedene Abscheideverfahren von 2D-Materialien auf Metallsubstrate, Verfahren für den Transfer auf Polymerfolien sowie die serientaugliche Übertragung auf Kunststoff-Spritzguss-Bauteile umfasst.

Um die 2D-Materialien, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition) bereits großflächig auf Kupferfolie hergestellt werden können, für die Weiterverarbeitung im Spritzgussverfahren nutzbar zu machen, erforscht das Fraunhofer IPT die Übertragung auf Kunststofffolien. Für den ressourceneffizienten und gleichzeitig kostengünstigen Transfer der zweidimensionalen Graphenschichten auf die Polymerfolien setzen die Aachener Forscher auf ein neues Rolle-zu-Rolle-Anlagenkonzept. Hier kommen verschiedene technische Verfahren wie der Schlitzdüsenauftrag flüssiger Polymere mit In-situ-Vernetzung oder das Laminieren von Transferfolien in Frage. Beide Alternativen untersucht das Fraunhofer IPT gemeinsam mit der Coatema Coating Machinery GmbH. Die Graphen-Proben für die Versuche werden von der Universität Duisburg-Essen bereitgestellt.

Die Qualität des Transferprozesses und des Graphens analysieren und bewerten Forscher der Universitäten Siegen und Duisburg-Essen, die ebenfalls am Projekt mitwirken. Auf der Basis der experimentellen Untersuchungen soll dann ein vollständiges Anlagenkonzept zum effizienten Transfer von Graphen auf Polymer-Substrate erarbeitet werden.

Als Ergebnis des Projekts soll am Ende eine durchgängige Prozesskette zur Herstellung graphenbeschichteter Bauteile stehen. Diese reicht von der Simulation des CVD-Wachstums von Graphen über die kontinuierliche Abscheidung auf großflächige Metallsubstrate im Rolle-zu-Rolle-Verfahren bis zum Transfer des abgeschiedenen Materials auf Polymerfolien und zur Integration der Folien in Kunststoffkomponenten durch Spritzgieß- und Heißprägeverfahren. Die Entwicklungen zum letzten Prozessschritt werden mithilfe des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid durchgeführt.

Die Leistungsfähigkeit der neuen Prozesskette soll abschließend anhand ausgewählter Prototypen, einer Folientastatur sowie Tageslichtsensoren, Photodetektoren und Symbolbeleuchtungselementen auf Folie, validiert werden.