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Flexible Touchscreens: Graphen-Elektronik wird greifbar

Erstmals gelang es, Folien aus Graphen herzustellen, die größer sind als nur ein paar Zentimeter. Mit ihrem Produkt bauten Forscher sogar gleich einen biegsamen Touchscreen.
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Dank eines neuen Verfahrens rückt die Zukunftsvision des zusammenrollbaren Computers in greifbare Nähe: Koreanischen Forschern ist es jetzt erstmals gelungen, großflächige Blätter aus Graphen kosteneffizient und industrietauglich herzustellen.
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Flexibler Touchscreen | Die hauchdünne Folie aus einer Atomlage Kohlenstoff schützten die Forscher mit Kunststoff. Das Endprodukt ist hochgradig biegsam und robuster als herkömmliche Touchscreens.
Das Team um Jong-Hyun Ahn und Byung Hee Hong von der Sungkyunkwan-Universität in Suwon konstruierte sogar umgehend einen funktionierenden Touchscreen aus der selbst hergestellten Graphenfolie.

Computerhersteller sehen in dem Material einen Nachfolger für das spröde und vergleichsweise langsame Silizium. Aber praktikable Anwendungen waren, trotz der seit Jahren geschürten Hoffnungen, lange Zeit nicht in Sicht.

Bei Graphen verbinden sich reine Kohlenstoffatome zu einer einzelnen, nur ein Atom dicken Lage miteinander. Das verleiht ihm elektrische Leitfähigkeit und eine extrem hohe Lichtdurchlässigkeit. Allerdings ließ sich Graphen bislang nur durch wenig praktikable Verfahren herstellen. Für die Zwecke der Elektronik taugliche Stücke maßen in der Regel nur selten mehr als ein paar Zentimeter.

Nun stellten die Wissenschaftler rechteckige Graphenbögen mit einem Durchmesser von 76 Zentimetern her. Aber das Verfahren sei noch lange nicht ausgereizt, berichtet das Team. Sogar Endlosbahnen aus dem begehrten Material könnten sich im Prinzip mit ihrer Technik produzieren lassen.

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Roll-to-Roll-Verfahren | Die Grafik demonstriert, wie die Forscher das Graphen herstellten: Zunächst lagerten sie einzelne Atome auf einer Kupferfolie ab und konservierten sie mit einem Polymer. Anschließend entfernten sie das Metall durch Ätzen. Die freigewordene Graphenschicht konnten sie nun von der Polymerschicht ablösen und auf ein gewünschtes Trägermaterial übertragen.
Ahn, Hong und Mitarbeiter orientieren sich am Roll-to-roll-Verfahren, mit dem beispielsweise auch Dünnschicht-Solarzellen und flexible Schaltkreise auf ein Material "gedruckt" werden. Sie dampften mittels chemischer Gasphasenabscheidung Kohlenstoff auf eine Kupferfolie auf. Das dabei entstehende Graphen fixierten sie anschließend mit Hilfe eines Polymers und ätzten das Kupfer weg. Im letzten Schritt musste das Graphen nur noch von der Polymerschicht abgezogen werden.

Herkömmliche Touchscreens bestehen aus Indiumzinnoxid (ITO), das genauso unflexibel wie Silizium ist und mit vergleichsweise hohen Kosten zu Buche schlägt. Messungen ergaben, dass das Graphen der koreanischen Forscher rund 90 Prozent des Lichts durchließ und einen geringeren Flächenwiderstand als ITO aufwies. Aufgedruckte Silberelektroden machten aus dem in Kunststoffschutzfolie verpackten Graphen schließlich einen funktionierenden Touchscreen.

"Theoretisch könnte man damit sein iPhone aufrollen und sich wie einen Bleistift hinter das Ohr klemmen", verspricht der Chemiker James Tour von der Rice University in Houston dem Magazin "Technology Review". Die Biegsamkeit des Prototypen wurde allein durch das aufgebrachte Silber begrenzt.

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Der fertige Touchscreen | Durch Aufdrucken von Silberelektroden versahen die Wissenschaftler ihre Folie mit einer Elektronik, die einen Laptop ansteuerte. Das berührungsempfindliche Display könnte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.
Der entscheidende Kniff des neuen Verfahrens ist die Verwendung eines Substrats aus Kupfer an Stelle von Nickel, wie bei früheren Ansätzen. Dadurch kann die Temperatur bei der Kohlenstoffabscheidung niedrig gehalten werden. Niedrigere Temperaturen würden bedeuten, dass das Kupfer als dünne Folie eingesetzt und damit leichter über Walzen geführt werden kann, so die Forscher. Dass auch Kupfer für diesen Zweck taugt, entdeckte im vergangenen Jahr Rodney Ruoff von der University of Texas in Austin.

Erst in der vergangenen Woche haben Forscher darüber berichtet, dass es ihnen gelungen sei, hauchdünne Leiterbahnen von nur 12 Nanometern Breite in Graphen zu schneiden [2]. Elisa Riedo vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und Kollegen verwendeten als Ausgangsmaterial Graphenoxid, aus dem sie mit der erhitzten Spitze eines Rasterkraftmikroskops Sauerstoffatome herausschossen – zurück blieben Schaltkreise aus leitfähigem Graphen. Der Herstellungsprozess lasse sich durch den parallelen Einsatz Hunderter solcher Spitzen sogar noch erheblich beschleunigen. Nach Angaben der Wissenschaftler würden ihre elektronischen Bauteile zehn Mal schneller arbeiten als die Gegenstücke aus Silizium.
25. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25. KW 2010

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  • Quellen
[1] Ahn, J.-H., Hong, B. H. et al.: Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. In: Nature Nanotechnology 10.1038/nnano.2010.132, 2010.
[2] Wei, Z. et al.: Nanoscale Tunable Reduction of Graphene Oxide for Graphene Electronics. In: Science 328, S. 137–1376, 2010.

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