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Organische und gedruckte Elektronik Organische und gedruckte Schaltungen revolutionieren die Mikroelektronik

Redakteur: Anke Geipel-Kern

Kunststoffe mit einstellbaren Werkstoffeigenschaften – formstabil als Thermo- oder Duroplast sowie Elastomer, Folie oder Beschichtung, granular oder geschäumt – sind von einfachen Gebrauchsgegenständen bis zu konstruktiv anspruchsvollen Strukturelementen ein unabdingbarer Teil unserer Lebenswelt.

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Flexibler elektrophoretischer Farbbildschirm für E-Reader oder Tablets mit „Backplane“ aus organischen Transistoren (OTFT)
Flexibler elektrophoretischer Farbbildschirm für E-Reader oder Tablets mit „Backplane“ aus organischen Transistoren (OTFT)
(Bild: Plastic Logic)

Düsseldorf – Nun erweitert sich diese strukturelle Vielseitigkeit der Kunststoffe um eine weitere Dimension: Sie dienen mit geeigneter molekularer Konfiguration auch als elektrische Leiter und Halbleiter (wenngleich mit noch eingeschränkter Mobilität der Ladungsträger). Sie fungieren damit als Systemkomponenten der organischen und gedruckten Elektronik. Organisch deswegen, weil ihre Transistoren, Sensoren und Leuchtdioden nicht auf Silizium oder Galliumarsenid basieren, sondern auf Kohlenstoff-Derivaten. Gedruckt, weil sie als flächiges Schaltungsmuster mit Strukturfeinheiten von einigen zehn Mikrometern mit gängigen Massendruckverfahren „von der Rolle“ auf flexible, auch transparente Substrate druckbar ist.

Integration in Objekte

Damit erhält man elektronisch oder photonisch funktionalisierte Oberflächen, dreidimensional auf allen möglichen Objekten – auch auf Textilien. Sie bilden kapazitive Touch-Sensoren, großflächige Leuchtfelder mit OLEDs (organische Leuchtdioden), Messfühler und Detektoren für Umwelt- oder medizinisch relevante Daten wie Temperatur oder Feuchte. Sie arbeiten als organische Solarzellen. Oder als flache, gedruckte Batterien für miniaturisierte Geräte. Das ermöglicht neue, exotische Applikationen in smarten Objekten und deren Vernetzung.

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Die neue Edition der Roadmap der OE-A (Organic and Printed Electronics Association), einer Arbeitsgruppe im VDMA mit über 220 Mitgliedern weltweit, verdeutlicht den Stand und die Trends der organischen Elektronik über einen Zeitraum von zehn Jahren.

OLED-Bildschirme – erster Massenmarkt

Kleine OLED-Bildschirme in Handys und Smartphones sind mittlerweile zum Massenmarkt gediehen. Dies hat der organischen Elektronik im letzten Jahr ein Umsatzvolumen von knapp neun Milliarden Dollar verschafft. Bis 2025 soll daraus ein Jahresmarkt von 200 Milliarden werden. Farbstarke und kontrastreiche OLED-Bildschirme sind für 55-Zoll-Fernseher schon erhältlich, allerdings noch sehr kostspielig.

Flexible Bildschirme für E-Reader

Auch die E-Reader mit „elektronischem Papier“ von E-Ink sind wegen des energetisch günstigen, bistabilen Anzeigeprinzips der elektrophoretischen Displays populär. Sie eignen sich im Wesentlichen zur Darstellung statischer Inhalte wie Buchseiten. Der nächste Entwicklungsschritt bringt leichtere, flexible, vielleicht sogar aufrollbare E-Reader und Tablets ohne die schweren Deckgläser. Am weitesten bei der Entwicklung ist hier die Firma Plastic Logic, die sogenannte „Backplanes“ aus organischen Dünnfilmtransistoren (OTFT) herstellt, also der Aktivmatrix zur individuellen Ansteuerung der Pixel.

Was die Entwicklung der organischen Photovoltaik und Anzeigetechnik derzeit bremst, ist ihre hermetische Einkapselung gegen den atmosphärischen Wasserdampf, der ihre Elektroden korrodiert und die Lebensdauer verkürzt. Die Lösung sind auflaminierte Barriere-Folien. Bestens geeignet erscheinen transparente Schichten aus amorphem Siliziumdioxid (Tonerde).

Treiber der Anwendung

Die Treiber der Applikationsentwicklung finden sich u.a. in der Pharmaindustrie und in smarten Verpackungen für Lebensmittel, Medikamente und andere Konsumartikel. Smarte Verpackungen können mit billig ein- oder aufgedruckten Funk-Etiketten (RFID-Tags) die Warenwirtschaft effizienter gestalten und dem Verbraucher über dynamisch aktualisierte Anzeigefelder das Verfallsdatum nennen, auf unterbrochene Kühlketten empfindlicher Güter verweisen oder die Authentizität hochwertiger Artikel durch die Anbindung an rückverfolgbare Lieferketten garantieren.

Organische Photovoltaik und Batterien

Die organische Photovoltaik (OPV) ist bereits zur lokalen Versorgung mobiler Daten- und Consumergeräte kommerziell verfügbar. Langfristig stehen auch Anwendungen in der Außenhülle von Fahrzeugen und Gebäuden (Building Integrated Photovoltaics, BIPV) in Aussicht. Als Systemkomponenten liegen gedruckte Datenspeicher – in Gestalt der ferroelektrischen, nicht-flüchtigen Speicherfolien des finnischen Herstellers Thinfilm – vor. Sie lassen sich mit einer beim kalifornischen Auftragsforscher Parc entstandenen Transistor-Logik zu Software-adressierbaren Speicherbausteinen kombinieren. Mit einem gedruckten Thermistor als Temperaturfühler und einem Anzeigefeld nebst gedruckter Batterie wird daraus ein komplettes Messsystem.

Gedruckte Batterien stehen bei der Systemintegration ebenfalls im Fokus. Sie lassen sich mit Anzeige- und Leuchtfeldern, Touch-Sensoren und Solarzellen in Verpackungen, Textilien und andere Gebrauchsgegenstände integrieren.

Innovationen zum Thema „organische und gedruckte Elektronik“ werden auch auf der K 2013 zu erleben sein und ihr Zentrum im Pavillon „Printed Electronics Products and Solutions“ haben. Dort werden sowohl Drucktechnologien als auch funktionalisierte Oberflächen wie RFID-Lösungen, flexible Displays und OLEDs eine Plattform bekommen, um Fachbesuchern aus Verarbeiter- und Anwenderindustrien präsentiert zu werden.

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