Vorsprung durch Form und Funktion

Die gedruckte Elektronik hat den Sprung von der Entwicklung in die Anwendung geschafft. Die Mitglieder der Organic and Printed Elekctronics Association (OE-A) zeichneten im Frühjahr 2018 mit in der Umfrage zum Geschäftsklima ein positives Stimmungsbild.

Die Industrie für gedruckte Elektronik erwartet in diesem Jahr ein beachtliches Umsatzwachstum von 7 Prozent. Das ist zwar geringfügig weniger als im Vorjahr (9 Prozent), aber noch immer überdurchschnittlich und 2019 erwartet die Branche wieder 8 Prozent.Auf der diesjährigen LOPEC, der Fachmesse für gedruckte Elektronik in München, wurde sehr deutlich, dass der gedruckten Elektronik der Sprung in diverse Anwenderbranchen gelungen ist. Rund 2.500 Teilnehmer aus 51 Ländern kamen zur zehnten Ausgabe der internationalen Fachmesse und konnten nicht nur noch mehr Prototypen, sondern auch mehr kommerzielle Produkte entdecken.

Zu den treibenden Kräften für die Technologie zählt die steigende Nachfrage nach Sensoren, die für das Internet der Dinge ebenso unerlässlich sind wie für die Industrie 4.0 oder für die Gesundheitsversorgung der Zukunft und für den Trend zum autonomen Fahren. Gerade im Automobilbau steigt die Zahl der Anwendungen steil nach oben. So prognostizieren unabhängige Marktforschungsunternehmen, dass der Wertschöpfungsanteil der Elektronik am Automobil bis zum Jahr 2030 auf 50 Prozent ansteigt. „Wir sehen einen deutlichen Martketpull. Bestehende Produkte werden durch diese Technologie optimiert sowie neue Anwendungen ermöglicht“, sagt der OE-A Vorsitzenden Dr. Jeremy Burroughes.

Materialien in OLEDs

Individuelle Beleuchtungskonzepte im Automobil-Innenraum mit gedruckter Elektronik.Bildquelle: Messe München

Hans-Jürgen Lemp, Director Global Sales & Business Development New Platforms, Merck, Darmstadt, erklärt: „In der organischen Elektronik, mit der wir uns beschäftigen, braucht man nicht nur Materialexpertise, sondern auch ein tiefes Verständnis von der Interaktion der einzelnen gedruckten Schichten sowie von deren optimaler Abstimmung aufeinander. Eine hohe Mobilität der Elektronen ist von Bedeutung, sonst fließt kein Strom. Es ist uns gelungen, diese Mobilität in den vergangenen Jahren deutlich zu steigern. Das ist wichtig, denn je mobiler die Elektronen sind, desto mehr Anwendungen sind möglich.“ Die Basis für die Struktur der gedruckten Elektronik bilden Leiterbahnen und andere Strukturen aus Silber. Mehrere Schwierigkeiten der Edelmetalltinten und -pasten sind mittlerweile behoben. „Wir sträuben uns nicht gegen organische Leiter, aber unser Basismaterial ist Silber. Auf Polyesterfolie drucken wir Leiterbahnen mittlerweile so fein, dass man sie mit bloßem Auge nicht sieht“, so Dr. Wolfgang Clemens, Leiter Product Management, PolyIC, Fürth.

Auf der Lopec präsentierte Genes’ink, Rousset Cedex, Frankreich, eine kosteneffiziente Variante und bietet zudem eine Niedertemperatur-Silbertinte für das Bedrucken von hitzeempfindlichen Plastikfolien an. Ein weiteres Highlight des französischen Unternehmens ist eine transparente leitfähige Nanotinte für den Druck von organischen Leucht-dioden und organischen Solarzellen. Damit steht eine Alternative zur aufwendigen Hochvakuum-Beschichtung mit dem nur begrenzt verfügbaren Indiumzinnoxid (ITO) bereit. Eine höherer Lichtausbeute verspricht die OLED-Technologie, die aus einer Kooperation von BASF, Ludwigshafen, mit OLEDWorks, Hersteller von OLED-Paneelen, entstanden ist. Die neue Produktreihe mit dem Namen Brite 3 hat nicht nur eine höhere Lichtausbeute, sondern verfügt auch über eine hervorragende Farbwiedergabe sowie eine hohe Lichtleistung. Mit der neuen biegsamen Ausführung eröffnen sich für Beleuchtungshersteller und Lichtdesigner völlig neue Anwendungsgebiete. Das Brite-3-Portfolio ist in einer neuen runden Form sowie als biegsame Ausführung verfügbar.

Leitfähige Polymere für Displays

Bedienelemente mit gedrukckter Elektronik machen Knöpfe überflüssig. Eine wachsender Markt nicht nur im Automobilbau, sondern für alle moderne Bedinepanels. (Bildquelle: Messe München)

Leitfähige Polymere haben die Entwicklung moderner Displays erst ermöglicht. Dafür bietet Heraeus, Hanau, mit der Marke Clevios eine breite Produktpalette an. Das Material ist für den Gebrauch als Elektrode in Touchscreens und Printed Electronics geeignet. Die Variante HY 1 kann sowohl auf Plastik, als auch auf Glas angewendet werden und ermöglicht eine glatte, dünne, leitfähige Folie. Weiterhin lässt es sich durch herkömmliche Methoden, inklusive der Gravur und der Schlitzdüse, drucken. Clevios HY E ist ein verbessertes Hybridprodukt aus Silber-Nanodrähten und dem leitfähigen Polymer Pedot:PSS. Mit diesen Polymeren aus der Produkt-Familie lassen sich Flächenwiderstände auf flexiblen und faltbaren Touchscreens um mehr als 50 % reduzieren und verbessern damit die Leitfähigkeit und Transmission für die hauchdünnen leitfähigen Display-Schichten. „Mehr als 300.000 Biegungen mit einem Millimeter Biegeradius übersteht eine 40 Ohm/sq leitfähige Schicht damit unbeschadet“, sagt Dr. Armin Sautter, Leiter Technical Service bei Heraeus. Der Werkstoff eignet sich auch für gedruckte, kapazitive Touch-Sensoren in AMOLED Displays. Hier werden Schalter und Bedienelemente künftig nicht nur flach und zweidimensional, sondern beliebig formbar sein.

Integration von Elektronik in Kunststoffbauteile

Auf der Lopec war zu erkennen, dass immer mehr Aussteller auf smarte Bauteile mit integrierter Elektronik setzen. Die thermoverformbare Silbersiebdruckfarbe von Elantas, Wesel, eine Tochter des deutschen Chemiekonzerns Altana, eignet sich für die In-Mold-Elektronik, bei der gedruckte Elektronikstrukturen in das Thermoform- oder Spritzgießwerkzeug gelegt und hinterspritzt werden. Für den 3D-Druck eignet sich die Silbertinte von Sun Chemical aus den USA. Die Tinte erleichtert ebenfalls die Integration von Elektronik in Kunststoffbauteile unterschiedlichster Formen. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Bremen, bettet gedruckte Elemente wie Sensoren oder RFID-Transponder in dreidimensionale Objekte ein. Integrierte RFIDs dienen beispielsweise als Echtheitssiegel gegen Produktpiraterie oder zur Bauteilerkennung.

Bildquelle: Lopec

Unternehmen Brewer Science, Rolla, Vereinigte Staaten, beispielsweise präsentierte gedruckte Sensortechnik für das Monitoring von Umweltparametern und industriellen Prozessen. Die Sensoren messen Gase, Feuchtigkeit, Vibrationen und mehr. Einen Drucksensor zum Messen von Füllständen, stellte Hoffmann+Krippner und Witte Plusprint eine Sensorplattform für das Internet der Dinge.

Nachgehakt: Interview mit Dr. Norman Mechau, Geschäftsführer, Peptech, Kernen i. R.

Dr. Norman Mechau

Reproduzierbarkeit ist das größte Hindernis

Wo liegen Ihrer Ansicht nach derzeit noch Hindernisse im Einsatz gedruckter Elektronik?
Dr. Norman Mechau Die größten Hindernisse liegen in der Reproduzierbarkeit, sowohl bei den Tinten als auch bei den Prozessen. Daher bieten wir Tinten und die Prozessentwicklung an. Nur das stringente Vorgehen über die Struktur (gegeben durch die Tinte) den Prozess (das Drucken) und Nachfolgeprozesse, wie richtiges Trocknen, bestimmen am Ende das Bauteil. Konstante Umgebungsbedingungen sind ebenfalls erforderlich und dringend zu empfehlen. Allein das Thema gedruckte Elektronik vom Drucken her zu betrachten wird nicht ziel-
führend sein, da der graphische Druck weniger komplex ist.

Welche Märkte haben Ihrer Meinung nach das größte Potenzial in technologischer und in wirtschaftlicher Hinsicht?
Mechau Wir sehen für unsere Produkte die Märkte im
Bereich der Sensorik, gerade in Verbindung mit technischen Textilien. Aber auch der Ettikettendruck wie funktionale
Label in Verbindung mit NFC Technik wird immer interessanter.

Was sind für den Anwender die größten Herausforderungen und wie sollte er an das Thema herangehen?
Mechau Die Komplexität – nur durch interdisziplinäres Herangehen kommt man ans Ziel. Man sollte auch realistisch sein, bestimmt Anwendungen, beispielsweise eine hohe Stromtragfähigkeit, lassen sich noch nicht realisieren. Zudem ist häufig die Supply Chain noch nicht komplett, allein eine
funktionale Tinte macht noch keine gedruckte Elektronik.
Wir sehen die einzelnen Bausteine in der Tinte, im Substrat, im Druckprozess, im Trocknen & Sintern. Über allen einzelnen Themen und dem Gesamtprozess steht das Thema Repro-duzierbarkeit.

Warum haben Sie sich als Start-up selbstständig gemacht und worin liegt Ihr technologischer Vorsprung?
Mechau Mit Peptech verwirkliche ich meinen Traum, mein
eigenes Unternehmen zu schaffen. Ich bringe mein Wissen von 15 Jahren Forschungsarbeit ein. Unser technologischer Vorsprung liegt in der Ganzheitlichkeit von Tinte, Prozess und Nachbehandlung. Nächste Schritte sind von Lab-to-Fab, sowohl für die Tintenherstellung, als auch das Drucken von Komponenten.

Welche Anwendungen sind mit Ihren Tinten möglich und welche Drucktechnik wird verwendet?
Mechau Wir bieten resistive und kapazitive Sensorik für
Textilien und Elastomere. Daraus lassen sich beispielsweise Drucksensoren und Bewegungssensoren realisieren. Wir
verwenden klassischen Siebdruck und arbeiten in einem R&D-Projekt am Thema Inkjetdruck.

Sensoren aus gedruckter Elektronik

In der Medizintechnik sehen wviele Experten großes POtenzial für Anwendungen mit gedruckter Elektronik. (Bildquelle: Messe München)

Feuchtesenoren für Matratzen ist ein Anwendungsbeispiel den wasserbasierten Carbon-Ink Loctite ECI 7005 E&C Lack von Henkel, Düsseldorf. Der beständige und elastische Lack wird auf eine Folie gedruckt, die unter der Matratzendecklage positioniert und mit einem Sensor verbunden wird, der vorhandene Feuchtigkeit anzeigt. Ein Beispiel für den wachsenden Markt der Medizintechnik , in dem gedruckte Elektronik erfolgreich eingesetzt werden kann. Die Anwendungen reichen von der Überwachung der Körpertemperatur und der Atemfrequenz bis zum Einsatz in der Elektrokardiographie (EKG), der Elektroenzephalografie (EEG) oder der Messung der Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut. Zur Messung, Überwachung und Übertragung von Herzfrequenzdaten an drahtlos verbundene Geräte eignen sich Materialien von Henkel, die in intelligenten medizinischen Pflastern verwendet werden. Die Produktpalette von Henkel umfasst zudem leitfähige Elektrodenlacke, Haftklebstoffe, Beschichtungen für den Leiterplattenschutz sowie Niederdruck-Spritzguss-Produkte der Marke Technomelt.

„Der größte Vorteil der gedruckten Sensoren ist, dass sie nicht so sperrig und voluminös sind wie konventionelle. Das ist für die Patienten viel angenehmer“, erläutert Teemu Alajoki, Wissenschaftler am Technischen Forschungszentrum Finnland VTT, Espoo, Finnland. „Die geringen Herstellungskosten der gedruckten Elektronik spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle, denn der Trend geht dahin, dass medizinische Sensoren nur einmal beziehungsweise nur für einen Patienten verwendet werden. Druckverfahren senken die Kosten deutlich. Hier besteht aber noch Entwicklungsbedarf, vor allem hinsichtlich der Automatisierung der Massenproduktion von gedruckten Elektronikkomponenten.“ Außerdem sind die Einweg-Sensoren hygienischer und können auch therapeutische Funktionen übernehmen.

Das Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM, Neuchâtel, Schweiz, wiederum präsentierte auf der Lopec gedruckte Elektronik-Patches, die am Körper getragen werden. Sie enthalten Sensoren, Displays, Solarzellen und wieder aufladbare Batterien. Vorgestellt wurde auch der Wundverband Medilight mit Sensoren zur Temperatur- und Sauerstoffmessung sowie einer LED, deren antibakteriell wirkendes Licht chronische Wunden heilt.

Anwendungen im Automobilbau

Für die Automobilbranche bietet die OLED-Beleuchtungstechnik viele Anwendungsmöglichkeiten. Hier ein OLED-Rücklicht für Audi, vorgestellt auf der Lopec 2018.(Bildquelle: Messe München)

Auch die Automobilbranche ist nach wie vor starker Treiber bei der Entwicklung neuer Anwendungen gedruckter Elektronik. Da gedruckte Elektronikkomponenten dünner und leichter sind als herkömmliche Bauteile, sparen sie Platz und tragen zur Gewichts- sowie Treibstoffreduzierung bei. „In der Automobilindustrie tut sich extrem viel. Noch gibt es im Fahrzeuginnenraum viele Tasten und Drehknöpfe, aber die werden verschwinden. Die ältere Generation drückt vielleicht gerne einen Knopf, aber unsere Kinder bevorzugen schon Touch-Displays. Da befinden wir uns allgemein im Umbruch, auch bei Haushaltsgeräten und in der Unterhaltungselektronik“, so Dr. Wolfgang Clemens von PolyIC, Fürth.

Ashutosh Tomar, Principal Engineer (Research) bei Jaguar Land Rover, sieht große Chancen für die gedruckte Elektronik im Bereich autonomes Fahren und Elektromobilität: „Das Auto der Zukunft ist voll mit Elektronik. Von Entertainment Systemen für den Fahrer bis hin zu Sensoren zur Überwachung der Umgebung. Ohne gedruckte Elektronik bliebe für den Fahrgast kein Platz mehr. Der Bedarf nach Innovationen und Umsetzungsmöglichkeiten ist groß.“

Die Seiten des T-Books wurden im Inneren mit gedruckten Lautsprechern versehen. So können eindrucksvolle Bilder mit Geschichten oder Sound unterlegt werden.Bildquelle: Georg C. Schmidt

Weiterhin gibt es spannende Beleuchtungskonzepte im Automobilbau. Durch segmentierte Leuchtflächen kann beispielsweise das OLED Rücklicht des OE-A Mitglieds Osram, München, OLED zusätzlich zur Anzeige von Informationen oder als Kommunikationsmittel dienen. Daneben gab die Lopec auch außergewöhnlichen Anwendungen eine Bühne. Darunter beispielsweise ein Buch der OE-A Mitglieder TU Chemnitz, Chemnitz, und Arkema Piezotech, Pierre-Bénite, Frankreich, das beim Blättern der dünnen, flexiblen Seiten hinterlegte Tondateien abspielt, wie zum Beispiel Musik oder ein Interview. Die in die Seiten integrierten Lautsprecher sind vollständig gedruckt und bilden mit der klassischen Ansteuerelektronik ein gutes Beispiel eines Hybridsystems. Die gedruckten Lautsprecher können für verschiedene Zwecke genutzt werden, wie zum Beispiel für Bilderbücher oder auch für Bedienungsanleitungen.n