Individuelle Touchscreens und kapazitive Tasten auf Basis von Carbon-Nanotube-Hybriden
Die Einführung des Multi-Touchscreens durch das Iphone ist zwischenzeitlich mehr als 10 Jahre her und der Multitouch, mit seiner edlen Glasoberfläche, hat sich seit dem auch in der Industrie als Standard etabliert. Eine der Kernanforderungen an den Multitouch- oder projektiv-kapazitiven Sensor ist dabei eine gute elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher optischer Transparenz, welche durch die Verwendung eines transparent leitfähigen Films (transparent conductive film, TCF) ermöglicht wird . Das Material der Wahl war hier anfangs fast ausschließlich ITO (Indium-Tin-Oxide bzw. Indiumzinnoxid). Beschichtet auf Glas oder Folie, wie bei der Vorgängertechnologie den analog-resistiven Touchscreens, konnte es mittels Ätzverfahren oder Laserablation bearbeitet werden.
Unterschiedliche Anwendungsgebiete haben aber auch unterschiedliche Anforderungen mit sich gebracht und es zeigten sich die Nachteile von ITO. Grundsätzlich sind das die geringe UV-Stabilität sowie eine geringe mechanische Flexibilität, die gute aber nicht hohe elektrische Leitfähigkeit und – je nach verwendeter Prozesstechnologie – hohe Werkzeugkosten oder lange Bearbeitungszeiten.
Abb1: Schematische Darstellung von Single Wall und Few Wall Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Dadurch dringen seit geraumer Zeit alternative Technologien auf das Gebiet der TCFs und versuchen ITO zu ersetzen. Hierzu gehören z.B. das Metal-Mesh (meist auf Kupfer-Basis), Silber-Nano-Drähte (AgNW), PEDOT (leitfähiges Polymer) oder Sensoren auf Basis von Kupferdrähten. Auch hier haben alle Technologien wiederum ihre Vor- und Nachteile wie Tabelle 1 beispielhaft zu zeigen versucht.
Tabelle 1
All diese ITO-Alternativen haben aber, wie ITO selbst, eine weitere Gemeinsamkeit: Ihre Liefer- und Produktionsketten starten meist China und sind damit anfällig für die geopolitischen Turbulenzen einer aufstrebenden Weltmacht oder – wie zuletzt zu erleben – Unterbrechungen aufgrund globaler Pandemien wie Covid2019.
Für alle diese Herausforderungen bietet EP Electronic Print in Zusammenarbeit mit einem amerikanischen Materialhersteller eine Lösung an: transparent leitfähige Filme auf Basis von Carbon-Nanotube Hybriden. Dieses Material ist ebenfalls hoch leitfähig und transparent, kann aber im Siebdruck verarbeitet werden und ist damit sehr flexibel an das Gesamtdesign oder -konzept der Bedienoberfläche anzupassen.
Carbon-Nanotubes
Ein paar Worte zur Technologie: Carbon-Nanotubes (CNT oder Kohlenstoff-Nanoröhren) sind einzelne Röhrchen aus Kohlenstoff in Form von Graphen, haben einen Durchmesser von nur 1 Nanometer, verfügen aber über eine hohe Festigkeit und sind sehr umweltstabil. Die ein- oder mehrwandigen Röhrchen (Single Wall oder Few Wall mit zwei oder mehr konzentrischen Wänden) können je nach Ausführung halbleitend bis vollleitend sein.
Carbon-Nanotubes werden mittels eines reaktiven Verfahrens hergestellt bei dem ein Katalysator unter Einwirkung von Druck und Temperatur die CNT-s wachsen lässt. Die Qualität, Reinheit und Menge der entstehenden CNT hängt sehr stark vom verwendeten Katalysator ab. Nach vielen Jahren Forschung und Entwicklung wurde ein Verfahren patentiert, welches die gewünschte Chiralität, Konfiguration und Reinheit auch bei Massenproduktion erzielt. Das National Institute of Science and Technology (NIST) verwendet diese Carbon-Nanotubes sogar als Ihren Referenzstandard.
Diese Carbon-Nanotubes in Form einer siebdruckfähigen Paste stellen ein Eingangsmaterial dar, ein Film aus Silber-Nano-Wires das zweite Eingangsmaterial. Wird der AgNW-Film mit der CNT-Paste in Form des gewünschten Schaltkreises bedruckt, so entsteht daraus der gewünschte CNT-Hybrid-Film.
Die Zusammenführung der beiden Materialien nutzt die vorhandenen Synergiepotentiale: Das Hybrid-Material ist transparenter und leitfähiger als es die beiden Einzelmaterialien sind.
Wie das bei 25.000-facher Vergrößerung im Detail aussieht zeigt Abbildung 2.
Abb2: CNT-Hybrid-Film bei 25.000-facher Vergrößerung
Konfigurationsmöglichkeiten
Für unterschiedliche Anwendungen gibt es dabei unterschiedliche Konfigurationen des Materials: von 91% Lichttransmission (VLT=visible light Transmission) bei 75/Ω/□ bis 78% Transmission bei <1/Ω/□.
Zum Vergleich: Standard-Fensterglas liegt ebenfalls bei ca. 90% Transmission. Eine höhere Transparenz bedingt somit eine leicht verringerte Leitfähigkeit. Dadurch empfiehlt sich eine passgenaue Abstimmung auf die Anwendung. So kommen zum Beispiel beleuchtete kapazitive Tasten mit weniger Transparenz aus als ein Touchscreen mit Display dahinter.
Die CNT-Hybrid-Filme spielen Ihren Flexibilitäts-Kosten-Vorteil besonders aus wenn diskrete Touchflächen benötigt werden, z.B. bei HMI– oder industriellen Steuerungen sowie weißer Ware. Auf der vergangenen Embedded World in Nürnberg wurde eine Designstudie mit 2×2-Felder-Touchscreen und drei kapazitiven Tasten in einer Folie vorgestellt.
Das zugehörige Demonstrationsvideo können Sie sich gerne im YouTube-Kanal von EP Electronic Print ansehen.
Zum Vergleich: Eine klassische Lösung würde hier einen Multitouch-Sensoren mit Controller(board), sowie eine separate Leiterplatte mit kapazitiven Tasten und LEDs für die Tastenbeleuchtung benötigen. Unsere Designstudie benötigt demgegenüber lediglich einen CNT-Hybrid-Film (Abb. 4) sowie eine Leiterplatte mit LEDs welche gleichzeitigt die Auswertelektronik der Touchelemente beherbergt. Das einfache Design sowie der daraus resultierende geringe Hardware-Bedarf kombiniert mit der flexiblen, lokalen Produktion stellen somit eine kosteneffiziente und leicht skalierbare Alternative dar.
Die möglichen Anwendungen sind allerdings nicht auf Touchscreens, kapazitive Tasten oder andere Sensoren beschränkt. Weitere Einsatzmöglichkeiten finden sich bei transparenten Schaltkreisen für LEDs, transparenten Heizungen oder transparenten Antennen/Abschirmungen.
Abb3: Designstudie mit 2×2-Felder-Touchscreen, kapazitiven Tasten und Ambientlight
Abb4: CNT-Hybrid-Filme wie in der Designstudie verwendet
Wenn Sie herausfinden möchten ob CNT-Hybride auch für Ihre Anwendung geeignet sind, so kontaktieren Sie uns bitte mit einer Beschreibung Ihrer Anforderungen unter projekte@ep-electronicprint.de.
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