Organisch elektrochemische Transistoren mittels Tampondruckverfahren herstellen – Masterarbeit im Studiengang Druck- und Verpackungstechnik
Im Rahmen einer Masterarbeit des Studiengangs Druck- und Verpackungstechnik, betreut von Prof. Dr.-Ing. Ingo Reinhold in Zusammenarbeit mit der pg40 GmbH, ist es gelungen, organisch elektrochemische Transistoren (OECTs) im Tampondruckverfahren herzustellen. OECTs nutzen Ioneninjektion aus einem Elektrolyten, um die Leitfähigkeit des organischen Halbleiterkanals zu steuern. Dabei werden kleine Spannungsänderungen am Gate (VG) in große Änderungen des Drainstroms (ID) umgewandelt. Die Verstärkung wird durch die Transkonduktanz gm (∂ID/∂VG) angeben. Für Transistoren mit Kanalmaßen im Mikrometerbereich erreichen OECTs bei niedriger Betriebsspannung enorme Transkonduktanzwerte im Millisiemens-Bereich. Diese Eigenschaft und die Kompatibilität mit wässrigen Umgebungen macht OECTs ideal für Sensoranwendungen, zum Beispiel in der Medizin zur kontinuierlichen Glukosemessung.
Das zur Herstellung verwendete Tampondruckverfahren ist ein indirektes Tiefdruckverfahren und bekannt aus dem grafischen Druck für Ziffernblättern von Armbanduhren, die Schrift auf Computertastaturen sowie andere gewölbte und unebene Oberflächen. Seit wenigen Jahren findet es nun zunehmend Anwendung in der gedruckten Elektronik: Die Farbübertragung mittels elastischen Silikontampon von Druckplatte auf Substrat bietet gegenüber den etablierten Druckverfahren (Sieb-, Inkjet- und Tiefdruck) einige Vorteile und erweitert damit das Anwendungsfeld von Drucktechnik in der Elektronik.
Im Druckprozess ist es durch die exakte Ausrichtung des Substrats gelungen, den mehrschichtigen Aufbau aus drei funktionalen Materialien (Silberpaste von Henkel, PEDOT:PSS von Heraeus, Isolation von Marabu) umzusetzen und Kanallängen von 90 Mikrometern zu realisieren. Die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften erfolgte mithilfe des Parameteranalysators im Electronic Engineering Lab der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Gerold Bausch. Zunächst wurden ID - VD – Messungen bei festgelegten Gate-Spannungen durchgeführt, wobei typische Kennlinien für Transistoren im Verarmungsmodus erzeugt werden konnten. Anschließend wurden ID - VG – Messungen mit festgelegter Drain-Spannung (VD = 0,6 Volt) durchgeführt. Dabei wurde im Arbeitspunkt eine Transkonduktanz von 2,2 Millisiemens gemessen.
Die Abschlussarbeit von Florian Muschka zeigt, dass sich der Tampondruck als neues Herstellungsverfahren für organisch elektrochemische Transistoren eignet. Nun gilt es diese Erkenntnis zu nutzen, um in kommenden Arbeiten und Projekten das Potential und die Grenzen des Druckverfahrens zur Herstellung von OECTs weiter zu erforschen. Aktuell forscht er in den Projekten "PaperRock" und "IntelliSeal" im Team von Prof. Ingo Reinhold.
