Bild 1: LED-Licht auf Glas setzt Exponate in Szene. Als Displaybeleuchtung in Glasvitrinen erzeugt die Beleuchtung interessante Spiegeleffekte. (Bild: Turck Duotec)
Die Gebäude- und Medizintechnik sowie die Möbelindustrie fragen Licht- und Lichtsteuerungssysteme nach, die sich als modulare System- oder Steuerungskomponenten in Endanwendungen integrieren lassen. Dabei handelt es sich einerseits um Bedieneinheiten wie beispielsweise Touchanwendungen (Smartphone), andererseits aber auch um Basisanwendungen wie etwa LED-Leuchten. Alle Anwendungskonzepte basieren auf Elektroniken, die direkt auf gedruckt und anschließend in Möbeln wie Regalen, Vitrinen oder Schränken oder als Steuereinheit wie ein Touchpanel verbaut oder genutzt werden.
Für Licht und Lichtsteuerung
Bild 1: LED-Licht auf Glas setzt Exponate in Szene. Als Displaybeleuchtung in Glasvitrinen erzeugt die Beleuchtung interessante Spiegeleffekte. Turck Duotec
Elektroniken für lassen sich direkt auf eine Glasscheibe, die beispielsweise als Ablagefläche in einem Möbelstück verbaut ist, aufdrucken. In einem Regal verleiht diese sehr edel anmutende Lösung dem Glas sowie dem gesamten Einrichtungsgegenstand eine hochwertige, durch LED-Leuchtdioden ausgeleuchtete, saubere und klare Optik. Sie verwandelt das Möbelstück in ein innenarchitektonisches Wohnaccessoire mit zeitgemäßem Designanspruch. In dem LED-Demonstrator von Turck Duotec setzt sie als Displaybeleuchtung Exponate in Szene. Dabei handelt es sich um eine Glasvitrine, die mit direkt auf Glas gedruckter Elektronik und LED-Licht ausgestattet ist. Aufgrund der Lichtreflexion an den Vitrinenwänden entstehen interessante Spiegeleffekte, welche der Exponat-Präsentation zusätzliche Tiefe verleihen (Bild 1).
Bild 2: Bei dieser Tischleuchte wurden per Mehrfarbenlayerdruck hinterleuchtete Icons auf dem Glaspanel aufgebracht. Bei längerer Inaktivität blenden die Icons aus. Turck Duotec, Durable / Luctra
Direkt auf Glas gedruckte Elektroniken können aber auch als Bedien- und Steuereinheit fungieren, beispielsweise zur der Lichtintensität in Räumen oder Gebäuden. Diese Anforderung lässt sich als Touchanwendung auf Basis kapazitativer Sensorik oder als Gestensteuerung mit optischen Sensoren realisieren. Eine intelligente Hinterleuchtung ermöglicht außerdem Zusatzfunktionen wie etwa den Verschwindeeffekt. Hinterleuchtete Icons visualisieren dabei Funktionen (heller/dunkler, Farbtemperatur), die bei allzu langer Inaktivität verschwinden.
Auf dieser Grundlage sind komplexe Bedieneinheiten auf Glas vorstellbar, die mehrere, technisch relevante Funktionen enthalten – unter anderem könnten dies die Steuerungen von Heizung, Klima, Audio oder TV sein, die über ein auf Glas gedrucktes, hinterleuchtetes Menü-Icon aktivier- und steuerbar sind. Veranschaulicht wird dieses Prinzip mit dem Bedienelement einer Tischleuchte. In dieser Anwendung erfüllt der Druck auf Glas ausnahmslos ästhetische Anforderungen. Mit Mehrfarbenlayerdruck wurden mehrere hinterleuchtete Icons auf dem Glas aufgebracht, die verschiedene Funktionen repräsentieren. Bei längerer Inaktivität blenden die Icons aus und nutzen den Verschwindeeffekt, wie beispielsweise bei der Tischleuchte Luctra (Bild 2).
Wie sich mit dem Direktdruck von Elektronik auf Glas besonders schlanke Bauformen realisieren lassen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.
Schlanke Bauformen
Bild 3: Die Footprint-Positionen erhabener Bauteile, wie hier die Kabelüberbrückung an den Wandecken, werden per Siebdruck visualisiert und im Anschluss verlötet. Turck Duotec
Turck Duotec bedruckt Glas seit 2014 mit Leiterbahnen. Im Dickschichthybridverfahren werden entsprechende Druckmaterialien – Silber für Leiterbahnen, spezielles Isoliermaterial und keramische Farben – Schicht für Schicht per Siebdruck aufgebracht (Bild 3). Ein großer Vorteil des Siebdrucks besteht darin, dass sich durch die verschiedenen Gewebefeinheiten der Druckform, über die Keramikfarben oder Isolierpaste auf dem Trägermedium „aufgerakelt“ werden, der Farbauftrag variieren lässt.
Der Siebdruck ist in der Farbseparierung sehr präzise, kann aber auch sehr hohe Farbschichtdicken erzielen – eine wesentliche Eigenschaft für die Leitfähigkeit der Leiterbahnen als auch für die Isolierungen. Gleichzeitig ist es auch möglich, unterschiedliche Feinheitsgrade abzubilden, die insbesondere bei komplexen Elektronikstrukturen und anspruchsvollem Funktionsumfang entscheidend sind.
Weil Glas allerdings bei 500 bis 600 °C Grad schmilzt, muss die Festigkeit des aufgebrachten Materials unter thermischen Rahmenbedingungen hergestellt werden, die unterhalb des Glasschmelzpunktes liegen. Deshalb kommt neben dem Siebdruck als additives Verfahren das Sintern als thermisches Verfahren zur Verbindung von Leiterbahn und Glas zum Einsatz. Wird dagegen Elektronik unter Glas verbaut, müssen Anwendungen die beiden separaten Haupt-Komponenten Glas und Trägerplatte aufnehmen.
Die Fertigung der Komponenten geschieht in völlig unterschiedlichen Produktionsschritten und sie werden in einem zusätzlichen Weiterverarbeitungsschritt zusammengefügt. Diese sehr aufwendige Form der Herstellung lässt Anwendungen mit eher großen Bautiefen entstehen; auch deshalb, weil die Bauteilbestückung einer FR4-Leiterplatte von beiden Seiten erfolgen kann. Insbesondere im Zusammenhang mit Lichtanwendungen auf Glas stellt dies bei Möbelherstellern eine unerwünschte Option dar.
Vor diesem Hintergrund bringen direkt auf Glas gedruckte Elektroniken mehrere Vorteile mit sich. Wesentlich ist, dass sich grundsätzlich schlankere Bautiefen realisieren lassen – auch dann, wenn für die Lichtsteuerung relevante Zusatzfunktionen wie Hinterleuchtung oder Verschwindeeffekt erforderlich sind. Sie lassen sich sehr einfach per Dickschichttechnik umsetzen und direkt auf dem Glas integrieren. Damit entfällt die doppelseitige Bauteilbestückung vollständig. Eine Funktionserweiterung durch die Integration weiterer Schaltungsteile wie Netzteil, kapazitative Sensoren oder optische Sensoren für eine berührungslose Anwendungssteuerung über Gesten, Funkanbindung oder Schaltausgang ist denkbar einfach. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den Direktdruck der Elektronik auf das Glas das Fügen des Glases mit dem Elektronikträger entfällt.
Details des Herstellungsprozesses und welche Materialien beim Druck auf Glas zum Einsatz kommen, beschreibt der Beitrag auf der folgenden Seite.
Herstellungsprozess
Bild 4: Im zweiten Schritt der Herstellung erfolgt Farbgebung und es werden unveränderliche Positionen für Schaltflächen für den Druck auf Glas definiert. Turck Duotec
Vom einfachen Glas als Trägermaterial zu einem mit Elektronik bedruckten, vollständig integrierten System werden verschiedene Arbeitsschritte durchlaufen. Ob LED-Leuchte, Lichtsteuerung oder andere Anwendungen – für alle Applikationen gilt: im ersten Schritt muss die Auswahl des Glases und dessen Größe sowie des Trägermaterials erfolgen. Danach ist zu entscheiden, ob und in welchen keramischen Farben CD-Elemente (CD, Corporate Design) wie Logos, Grafiken oder Text auf dem Glas zu erscheinen haben, ob das Glas selbst behandelt werden muss und welche Anwendungen generell mit der Elektronik ansteuerbar sein sollen.
Dadurch definiert sich dann auch die Komplexität der Leiterbahnen oder der Schaltungen. Im zweiten Schritt erfolgt die Farbgebung und es werden unveränderliche Positionen für Schaltflächen oder erhabene abgebildet (Bild 4). Nach der Fertigstellung des Strukturlayouts der Elektronik wird das Glas mit der gewünschten elektronischen Funktion ausgestattet.
Materialien beim Druck auf Glas
Für den Druck von Elektroniken auf Glas setzt Turck Duotec überwiegend handelsübliches Float- und Weißglas ein. Je nach anwendungsspezifischen Anforderungen kann das Glas oberflächenbehandelt werden. Kanten lassen sich mit einem besonderen Schliff versehen und anschließen polieren. Zusätzlich können Bohrungen eingebracht oder das Glas mit Fensterapplikationen oder einer ergonomischen Fingerkuppenform veredelt werden. Gerade für Lichtapplikationen bieten diese Optionen einen erheblichen Gestaltungsspielraum. Glas als Werkstoff bietet den Vorteil, sich leicht reinigen zu lassen und robust, widerstandsfähig sowie hochgradig temperaturfest zu sein.
Eck-Daten
Turck Duotec bietet den Druck von Elektroniken direkt auf Glas seit 2014 an. Der Druckprozess wird dabei in Mehrlagentechnik durchgeführt, wodurch auch die Herstellung komplexer Elektroniken möglich ist. Für die ausreichende Isolierung der Leitbahnen im Mehrlagendruck sorgt eine eigens dafür entwickelte Dielektrikumspaste. Der Druck von Elektronik auf Glas ermöglicht schlanke, ästetische Designs und Features wie den Verschwindeeffekt von Bedienelementen bei Inaktivität. Anwendungsbereiche für die gedruckte Elektronik auf Glas sind neben der Vitrinenbeleuchtung auch Möbelindustrie, Gebäude- oder Medizintechnik.
Der Schmelzprozess beginnt bei einer Temperatur von 600 °C, wobei sich Glas in dieser Phase noch nicht verformt. In fester Form ist Glas ein hervorragender Isolator, flüssigkeitsundurchlässig und chemisch inert. Als transluzenter Werkstoff eignet sich Glas insbesondere für elektronische Bauelemente, die auf optischer Basis funktionieren, wenn etwa optoelektronische Sensoren in Bedienelementen verbaut sind.
Um Elektroniken wie beispielsweise Leiterbahnen voneinander zu trennen, die mit der Mehrlagentechnik aufgebracht wurden, ist zur Vermeidung von Kurzschlüssen eine Isolierung erforderlich. Weil dieses Isoliermaterial speziell für den Elektronikdruck auf Glas zunächst nicht erhältlich war, ließ Turck Duotec eine Dielektrikumspaste entwickeln. Als Nichtleiter gewährleistet sie die Isolation zwischen den Elektronikschichten und ähnelt dem Aufbau der keramischen Farben. Auch deshalb wird sie im Siebdruckverfahren auf dem Glas additiv als eine oder mehrere Zwischenschichten hinzugefügt.
Andere Anwendungsmöglichkeiten
Gerade für Anwendungen im medizinischen Umfeld eignet sich auf Glas gedruckte Elektronik zur Bedienung von Geräten ganz besonders. Der Grund dafür ist der vergleichsweise unkomplizierte Pflegeaufwand des Oberflächenmaterials Glas. Müssen aus Hygienegründen Verunreinigungen der Glasoberfläche vollständig ausgeschlossen werden, empfiehlt sich eine Elektronik auf Glas, die über in die Glasoberfläche integrierte optoelektronische Sensoren eine berührungslose Steuerung über Gesten oder Bewegungen erlaubt. Das schließt den unmittelbaren Kontakt mit der Anwendung sowie die potentielle Gefahr, durch eine direkte Berührung der Oberfläche Keime zu übertragen und den sterilen Zustand zu riskieren, konsequent aus. Auch in der Medizintechnik kommt der Druck auf Glas beispielsweise in Labor-Temperaturschränken zum Einsatz. Dort verhindern Heizleiterbahnen, ähnlich wie bei der Glasbeheizung im Auto, den Beschlag der Glastüren.
(na)
