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Highly Conductive Graphene Ink

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Innovative Graphentinte erweitert die Grenzen der Produktentwicklung

Europäische Projekt sind mitunter so erfolgreich, dass die festgelegten Ziele nicht nur erreicht, sondern übertroffen werden. HIGRAPHINK ist eines davon. Die bahnbrechende, sehr leitfähige Graphentinte wird wahrscheinlich zu einem Trend in Anwendungen, die von der Optoelektronik bis hin zu Verbundstoffen, Batterien und flexiblen OLED-Geräten reichen.

Industrielle Technologien

Der Fahrplan von HIGRAPHINK (Highly Conductive Graphene Ink) umfasste ursprünglich die Demonstration, dass Graphen als Additiv für organische Halbleitermaterialien taugt, um den Konzeptnachweis für Displays mit organischen Leuchtdioden (Organic light emitting diode, OLED) voranzubringen. Die Herstellung von Graphen, das bislang nicht für möglich gehaltene Eigenschaften aufwies, gestaltete sich im Rahmen des Projekts jedoch so erfolgreich, dass die gastgebende University of Cambridge sich dazu entschied, die Vermarktung vorzubereiten. „Dies war wahrscheinlich die zentrale Herausforderung, der wir bei diesem Projekt gegenüberstanden“, erinnert sich Prof. Andrea Ferrari, Leiter des Cambridge Graphene Centre und Koordinator des Projekts. „An einem Punkt mussten wir uns ausgehend von unserem Durchbruch, den wir erzielt hatten, auf die Produktionsaspekte unserer Graphentinte fokussieren und die Erforschung weiterer Optionen, über die wir anfangs gesprochen hatten, einstellen.“ Daran gab es nichts auszusetzen. Nur zweieinhalb Jahre nach dem Start des Projekts und sechs Monate nach Projektende hat HIGRAPHINK zur Herstellung eines Materials mit einer Abblätterungsausbeute von 100 % geführt, die einer Ausbeute von lediglich 1 % gegenübersteht, die möglich war, als das Projektteam mit seiner Arbeit begann. Die Mobilität der neuen Tinte ist 10 mal höher als die von Tinte, die derzeit in OLEDs verwendet wird. Die Industrie kann jetzt jährlich zehntausende Liter herstellen, während vor den Ergebnissen von HIGRAPHINK lediglich Mengen im Milligrammbereich in Aussicht standen. „Um dies zu schaffen, begannen wir mit Graphit und wir verwendeten ein Verfahren namens Mikrofluidisierung: Wir pressten das Graphit durch sehr kleine Kanäle mit einem sehr hohen Scherungsdruck, durch diese sehr hohe Scherung werden die Graphitblättchen zerlegt und wir erzielten eine Ausbeute, die um Größenordnungen besser ist, als das, was bisher erreicht worden war. Jetzt haben wir Tinte mit einer hohen Leitfähigkeit und mit einem geringen Flächenwiderstand, die sich auf eine Vielzahl von Substraten drucken lässt, die Eigenschaften haben, die vor dem Start des Projekts unerreichbar gewesen wären.“ Das Team testete das neue Material an verschiedenen Geräten. Es wurden bemerkenswerterweise ultraschnelle Laser hergestellt, indem die Tinte zusätzlich zu einem Lichtwellenleiter in Polymere integriert wurde. Dieses Material wurde außerdem zur Modulation von Licht im Terahertzbereich verwendet, dies ist der erste Schritt in der Herstellung von ultraschnellen Terahertzlasern. Es wurden durch Licht schaltbare Geräte und sogar neuartige Speichergeräte geschaffen. „Wir konnten diese Technik auch auf andere Schichtmaterialien wie zum Beispiel Phosphoren oder Bornitrid erweitern“, erklärt Prof. Ferrari begeistert. Den Anwendungsmöglichkeiten scheinen folglich kaum Grenzen gesetzt zu sein. HIGRAPHINK resultierte in der Gründung eines Spinoffs namens Cambridge Graphene Ltd, das vor Kurzem durch Versarien – ein britisches Unternehmen, das neuartige Materialien zur Schaffung innovativer technischer Lösungen nutzt – aufgekauft worden ist. Das Material ist außerdem im Sortiment von Sigma-Aldrich, das jetzt Teil von Merck ist, verfügbar. „Unsere Absicht war die Schaffung von Graphen mit Eigenschaften, die gut genug sind, um in Transistoren mit einer bestimmten Flexibilität verwendet zu werden. Dies wurde auch erreicht und wir arbeiten jetzt mit einem Unternehmen namens FlexEnable zusammen, um unser Material in das Design zukünftiger OLED-Displays zu integrieren“, fügt Prof. Ferrari hinzu. Auch wenn der Professor für Nanotechnologie der Cambridge University einräumt, dass die erfolgreichste Anwendung dieser Graphentinte schwer vorauszusagen sei, meint er, dass eine Anwendung letztlich im Bereich flexibler und biegsamer Geräte, Verbundstoffe, Beschichtungen, Sensoren oder Energiespeichergeräte liegen könnte. „Wir haben es geschafft, eine neue Technik für die Erzeugung großer Mengen an Tinte zu entwickeln, die eine hohe Qualität aufweist. Dies bedeutet, dass es hinsichtlich Anwendungen, die von Batterien bis hin zu Superkondensatoren, Displays, flexibler Elektronik, Optoelektronik, Verbundstoffen, Beschichtungen oder sogar medizinischen Geräten reichen, ein Potenzial für anspruchsvolle Sektoren gibt. Wir sind nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt“, sagt Prof. Ferrari. Eine der Anwendungen, von der er besonders überzeugt ist, ist die Integration der Tinte in Batterien. Dank dieser Anwendungsmöglichkeit können verbesserte Batterien mit höherer Speicherdichte und Recycelbarkeit produziert werden. Dieser Integrationsprozess ist tatsächlich bereits im Gange: Auch wenn Prof. Ferrari meint, es sei zu früh, weitere Informationen bekannt zu geben, erhielt er bereits zusätzliche Fördermittel, um das Herstellungsverfahren von HIGRAPHINK auf Batterien zu erweitern.

Schlüsselbegriffe

HIGRAPHINK, Graphen, Tinte, optoelektronisch, Batterien, OLED, FlexEnable, Cambridge Graphen, Mikrofluidisierung, ultraschneller Laser

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