Die Elektronik aus dem Drucker wird wohl nicht aus dem heimischen Tintenstrahler kommen, das Verfahren ist dennoch ähnlich. Das Zauberwort heißt organische Mikroelektronik: Kunststoffe übernehmen elektrische Funktionen. Aufgrund von Material und Herstellungsprozess lassen sich sowohl bestehende Technologien preiswert ersetzen als auch völlig neue Anwendungen entwickeln. Der größte Reiz besteht aber wohl darin, sehr preiswert Massenelektronik herstellen zu können. Noch sind es aber ein paar Schritte bis ins Zeitalter der preiswerten Wegwerf-Elektronik.
Weniger ist manchmal genug
Derzeit werden elektronische Bauelemente weitgehend aus monokristallinem Silizium gefertigt – einem Material, das über eine außergewöhnlich hohe Integrationsdichte verfügt. Auf einem Quadratzentimeter monokristallinem Silizium lassen sich mehr als 1 Milliarde Transistoren platzieren. Dadurch lassen sich integrierte Schaltkreise relativ günstig herstellen: Ein Speicherchip mit einer Kapazität von einem Gigabyte kostet weniger als einen Euro. Problematisch wird es, wenn eine hohe Integrationsdichte nicht notwendig ist. Das gilt beispielsweise für Flachbildschirme mit Aktiv-Matrix. Hier wird jedes Pixel mit drei Transistoren ausgestattet, die für die korrekte Darstellung von Farbe und Helligkeit sorgen. Selbst für ein 24-Zoll-TFT-Display mit Full-HD-Auflösung werden aber nur ein paar Tausend Transistoren pro Quadratzentimeter benötigt. Bei einer derart geringen Integrationsdichte ist der Einsatz von monokristallinem Silizium nicht wirtschaftlich. Stattdessen kommen Dünnschichttransistoren zum Einsatz, die auf bis zu 10 Quadratmeter großen Glassubstraten gefertigt werden. Auch hier wird Silizium verwendet, allerdings als hydrogenisiertes, amorphes Silizium. Die deutlich geringere elektrische Leistungsfähigkeit ist hier nebensächlich, da die Anforderungen gering sind. Mit wachsenden Anforderungen werden aber auch hier Grenzen erreicht: Unzerbrechliche oder aufrollbare Bildschirme sind mit Glassubstraten nicht realisierbar – mit flexiblen Polymerfolien hingegen schon. Die Grundlage der elektronischen Polymere sind konjugierte Polymerhauptketten, die aus einer streng alternierenden Abfolge von Einfach- und Doppelbindungen bestehen. Die Polymere besitzen daduch ein delokalisiertes Elektronensystem, das Halbleitereigenschaften und nach chemischer Dotierung Leitfähigkeit bietet.
Allerdings ergeben sich Probleme bei der Verarbeitung: Die Temperatur während der Herstellung darf die Fließtemperatur des Polymers nicht übersteigen. Das ist mit anorganischen Halbleitermaterialien allerdings nicht möglich. Organische Substanzen können hingegen bei Temperaturen zwischen 20 und 100 Grad verarbeitet werden – damit sind flexible Polymerfolien und sogar Papier als Substrate möglich.
Halbleiter aus dem Drucker
Grundsätzlich erfordert die Herstellung organischer Elektronik andere Prozesse als bei der klassischen Halbleiterelektronik – erfreulicherweise sind die Anforderungen geringer als bisher. Spielen bei derzeitigen Verfahren hohe Temperaturen und ein Ultrahochvakuum eine entscheidende Rolle, können die organischen Substanzen bei deutlich geringeren Temperaturen mit klassischen Druckverfahren verarbeitet werden. Dabei haben Offset-, Flexo- und Tintenstrahldruck den großen Vorteil, additiv vorzugehen. Im Gegensatz dazu wird bei der derzeitigen Halbleiter-Produktion in einem subtraktiven Verfahren zunächst das ganze Substrat beschichtet und Überflüssiges nachträglich entfernt. Für die Druckverfahren müssen die leitfähigen organischen Moleküle aber als Lösung vorliegen. Fast alle in Frage kommenden Substanzen müssen daher chemisch modifiziert werden, damit sie sich als "elektronische Tinte" nutzen lassen.
Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bau-elementetechnologie (IISB) in Erlangen haben Forscher gerade erste erfolgreiche Versuche mit einer Tinte aus Nanopartikeln durchgeführt – mit einem Tintenstrahldrucker, der sich kaum von einem handelsüblichen Modell unterscheidet. Die Forscher rechnen damit, in einem Jahr Schaltungen mit einfachen Funktionen drucken zu können. Die Herstellung soll dann um etwa 50 Prozent günstiger sein als bei siliziumbasierten Verfahren.
Mit dem Druckverfahren und der Tinte sind aber nicht alle Probleme gelöst. Dass die elektrischen Eigenschaften schlechter sind als bei anorganischen Materialien, ist dabei ein kleineres Problem. Dies wird durch den entsprechenden Einsatz und die geringeren Kosten kompensiert. Wichtiger ist die Frage nach der Lebensdauer von elektronischen Polymerbaugruppen. Hier wartet noch viel Arbeit auf die Forscher.
Preiswerte Elektronik von der Rolle
Grundsätzlich können künftig nahezu alle elektronischen Anwendungen aus dem Drucker kommen. Allerdings geht es nicht darum, extrem leistungsfähige Mikroprozessoren zu ersetzen. Dazu ist die organische Mikroelektronik auf absehbare Zeit sicher nicht in der Lage. Das Ziel ist der Massenmarkt: Die Produktion von großen Stückzahlen zu niedrigen Kosten. Die beiden Basis-Anwendungen sind Organische Dünnfilmtransistoren (OTFTs) und Organische Photovoltaik (OVP). OTFTs kommen beispielsweise in OLEDs und RFIDs zum Einsatz. OVPs generieren Strom unter Lichteinfluss und sind damit prädestiniert für den Einsatz in Solarzellen, aber beispielsweise auch als Sensoren.
Unter den aktiven Komponenten, die sich auf organischer Basis herstellen lassen, gehören die Transistoren zu den Wichtigsten und sind von fundamentaler Bedeutung. Sie dienen als Bausteine für andere Geräte, beispielsweise Displays oder Sensoren. Neben der relativ banalen Ansteuerung beispielsweise von Pixeln in Displays lassen sich mit organischen Transistoren aber auch integrierte Schaltkreise herstellen.
Der intelligente Supermarkt
RFID als Alternative zum klassischen Barcode ist längst keine neue Technologie mehr. Schon jetzt werden beispielsweise in der Logistik Silikon-basierte RFID-Transponder eingesetzt. Möglich ist hier aber viel mehr: Mit RFID-Tags lassen sich Waren jeglicher Art markieren. So kann der Chip beispielsweise den Produktpreis enthalten, bei verderblichen Waren auch das Verfallsdatum. Damit lässt sich vielleicht noch kein vollautomatischer Supermarkt organisieren, der Metro Futurestore bei Duisburg kommt auf jeden Fall ohne Kassenpersonal aus. Ebenfalls vorstellbar ist künftig ein besserer Schutz von Markenprodukten mit RFID. All das ist mit Chips auf Basis der herkömmlichen Silizium-Technologie zwar möglich, aber zu teuer. Bei hochpreisigen Markenprodukten fällt das nicht ins Gewicht, bei Massenprodukten im Supermarkt sind derartige Aufpreise unrealistisch. Wenn sowohl der Schaltkreis als auch die Antenne in einem integrierten Prozess hergestellt werden, lassen sich RFID-Tags in sehr großen Stückzahlen und damit zu kleinen Preisen herstellen.
Die besseren Fernseher
OLED-Displays bieten gegenüber LCD-Displays einige grundlegende Vorteile: Da OLEDs keine Hintergrundbeleuchtung benötigen und die Pixel bei Nicht-Gebrauch wirklich abgeschaltet werden, verbrauchen sie deutlich weniger Energie als ein LCD-Modell. Dank der fehlenden Hintergrundbeleuchtung sind zudem sehr dünne Geräte möglich. Modelle mit drei Millimeter dünnen Displays gibt es bereits. Zudem sind deutlich höhere Kontraste von bis zu 1.000.000:1 möglich. Die größte Herausforderung für die Hersteller ist derzeit noch der Produktionsprozess: Sowohl das richtige Druckverfahren als auch eine hochwertige Tinte müssen für die Massenproduktion noch gefunden werden. An diese werden besonders hohe Ansprüche gestellt, denn um gegenüber LCDs konkurrenzfähig zu sein, müssen OLED-Displays das hohe Niveau bezüglich Auflösung, Helligkeit und Farbe erreichen. Kleine OLEDs sind allerdings schon in Handys und MP3-Playern im Einsatz.
Leichter lassen sich diese Probleme bei Beleuchtungen lösen, denn hier spielt beispielsweise die Auflösung keine Rolle. Besonders interessant sind die weißen OLEDs, die in verschiedenen Forschungsprojekten einen Lichtausbeute von 50 Lumen pro Watt und eine Lebensdauer von mehr als 10.000 Stunden erreichten. 30 mal 30 Zentimeter große OLED-Lampen erreichen damit eine Leistung, die der einer herkömmlichen Leuchtstoffröhre entspricht. Experten rechnen damit, dass sich der Beleuchtungs-Markt in den nächsten 10 Jahren radikal ändern und zu Gunsten von OLED verschieben wird.
Organischer Strom
Von großer Bedeutung ist auch die Stromversorgung sowohl durch Batterien als auch durch Solarzellen. Auch wenn für Anoden und Kathoden in Batterien üblicherweise anorganische Materialien verwendet werden, spielen organische Substanzen eine wichtige Rolle für Elektrolyten und Separatoren. Derzeit wird an Polymer-Elektrolyten gearbeitet, die eine ausreichend hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen. Zum Einsatz kommen gedruckte Batterien beispielsweise in RFIDs. Künftige Einsatzgebiete sind mobile Endgeräte wie Handys und Notebooks, deren Laufzeit sich bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung so deutlich erweitern lässt.
Mit Solarzellen von der Druck-Rolle lässt sich Sonnenenergie deutlich günstiger nutzen, als dies bisher der Fall ist. Wie bei allen anderen Anwendungen liegt das Problem auch hier in der Leistungsfähigkeit. Derzeit liegt die Effizienz organischer Solarzellen bei etwa drei Prozent. Um beispielsweise eine 60-Watt-Lampe zu betreiben, ist ein Modul von etwa zwei Quadratmeter Größe notwendig – das entspricht der Größe eines normalen Wohnhaus-Fensters. Bis 2012 wollen die Entwickler eine durchschnittliche Effizient von sieben Prozent erreichen. Neben der Verbesserung der Effizienz der Stromerzeugung muss auch die Lebensdauer der Module deutlich verbessert werden. Beides hängt maßgeblich vom Produktionsprozess und von der Qualität von Tinte und Substrat ab.
Eine weitere wichtige Anwendung der organischen Elektronik können die verschiedenen Bereiche der Sensoren werden. Zahlreiche Stimuli wie Druck, Licht und Temperatur können künstlich nachempfunden werden. Zu den möglichen Anwendungen gehören chemische Sensoren, elektronische Nasen und Zungen oder Druck- und Temperatursensoren in einer künstlichen Haut.
Große Erwartungen
Auch wenn es bisher kaum serienreife Produkte gibt, sind die wirtschaftlichen Erwartungen hoch. Das Marktforschungsunternehmen NanoMarkets erwartet für 2015 bei elektronischer Tinte und Substraten ein Marktvolumen von mehr als 11,5 Milliarden Dollar – 2008 waren es gerade einmal 1,1 Milliarden. Allerdings entfällt davon etwa ein Viertel allein auf die Substrate. Bis 2027 soll der Weltmarkt für Polymerelektronik dann laut IDTEchex sogar eine Größe von 300 Milliarden Dollar erreichen.
Es sieht derzeit allerdings nicht so aus, als wäre 2009 mit einer Flut an serienreifen Produkten zu rechnen. Selbst die verhältnismäßig fortgeschrittene OLED-Technologie ist noch nicht bereit für den Massenmarkt. Neben den schon seit Jahren verfügbaren Mini-Displays für Handys und MP3-Player gibt es bisher lediglich einen Fernseher: Sonys XEL-1 beeindruckt zwar mit einer sehr guten Bildqualität, ist mit einem 11-Zoll-Display und einem Preis von etwa 4.000 Euro alles andere als preiswerte Elektronik. Auch auf der CES in Las Vegas zeigten die Hersteller lediglich Prototypen.
Dennoch gibt der aktuelle Stand der Forschung Anlass zur Hoffnung. Zwar fällt heute noch keine Elektronik aus dem Druckerfach, die Billig-Elektronik aus der Massenherstellung ist aber nur noch eine Frage der Zeit.
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