Ein weiterer Durchbruch in der Polymerelektronik

Weltweit erste massengedruckte integrierte Elektronikschaltung kommt aus Chemnitz – Pilotanwendungen werden auf der Messe Plastic Electronics in Frankfurt/Main präsentiert

Seit Jahren suchen Forscher auf der ganzen Welt nach günstigen Herstellungsverfahren für einfache, meist kurzlebige und in Massen benötigte Elektronik-Bauteile. Dazu zählen mit Mini-Chips ausgestattete Waren-Etiketten, Gepäckanhänger oder Verpackungen. Am Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz wurde nun die weltweit erste elektronische Schaltung mit Massendruckverfahren hergestellt.

Das Projekt wurde von der BASF Future Business GmbH geleitet. Außerdem beteiligten sich Forscher der BASF AG in Ludwigshafen, der Lucent Technologies Bell Labs in Murray Hill (USA), der printed systems GmbH in Chemnitz sowie des Instituts für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz. Gemeinsam lösten sie die komplexen materialseitigen und verfahrenstechnischen Probleme, um Elektronik druckbar zu machen.

Bei der Schaltung handelt es sich um einen so genannten Ringoszillator, der aus 14 Transistoren besteht. Ringoszillatoren sind Grundbausteine für komplexere Schaltungen und dienen zur Erzeugung eines Taktsignals. BASF und Bell Labs brachten ihre Erfahrung mit den verwendeten Materialien sowie deren physikalischen Untersuchung ein. Bei den Materialien kamen neben Eigenentwicklungen auch handelsübliche Basismaterialien zum Einsatz, die von den Projektpartnern angepasst und modifiziert werden mussten. Die Schaltungen selbst wurden in der Firma printed systems und am Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz entworfen, gedruckt und untersucht. Zurückgegriffen wurde hier auf die Massendruckverfahren Offsetdruck, Tiefdruck und Flexodruck.

Mit einer Druckgeschwindigkeit von bis zu 0,8 Metern pro Sekunde wurden die Schaltungen gedruckt – und das ist in der Elektronik zugleich eine neue Dimension der Fertigungsgeschwindigkeit. Millionenfache Auflagen sind dabei kein Problem. Das Polymer- Druckverfahren basiert auf speziell entwickelten Drucktechniken: Dabei werden die Kunststoffmoleküle, die entweder leitend, halbleitend oder isolierend sind, in hauchfeinen Schichten mit hoher Präzision übereinander gedruckt. Die Kunststoffe lassen sich ähnlich wie Tinte verarbeiten. Im Vergleich zum klassischen Drucken sind jedoch die Anforderungen an die Genauigkeit sowie an die chemischen Eigenschaften der Druckstoffe wesentlich höher, denn Druckfehler würden sofort zu Funktionsstörungen der gedruckten Schaltungen führen.

Mit der verwendeten Strukturauflösung von 100 µm wurde eine Schaltfrequenz von 1 Hz erreicht. Prof. Dr. Arved Hübler, Direktor des Instituts für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz, dessen Arbeitsgruppe 2003 schon den ersten massengedruckten Einzeltransistor vorstelle, erläutert: „In diesem Projekt haben wir eine sehr große Herausforderung gemeistert, denn das Drucken von Elektronik stellt völlig andere Anforderungen an Material, Verfahren und Maschinen, als dies aus dem klassischen Drucken bekannt ist. Am Institut für Print- und Medientechnik wurden deshalb neue maschinenbauliche und verfahrenstechnische Entwicklungen realisiert, um die sehr hohen Anforderungen, die elektronische Schaltungen an die Druckeigenschaften stellen, erreichen zu können.“

Wie einer gestern von BASF verbreiteten Information zu entnehmen ist, wird das Unternehmen die Kooperation mit der printed systems fortsetzen, um eine marktfähige Technologie zu entwickeln. Durch den Einsatz der eigenentwickelten Halbleiter- und Dielektrikum- Materialien werden deutliche Verbesserungen bei den Eigenschaften der Schaltungen erwartet. Das Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz wird weiterhin wichtige wissenschaftliche Beiträge leisten. An dem Institut mit ca. 45 Mitarbeitern werden derzeit mehrere große Projekte im Bereich der gedruckten Elektronik bearbeitet.

Die Firma printed systems GmbH, ein 2003 aus der TU Chemnitz gegründetes Unternehmen, sieht in der neuen Technologie, Elektronik in Massen zu drucken, einen großen Zukunftsmarkt. Nach Aussage von „printed systems“-Geschäftsführer Prof. Dr. Olaf Gierhake bieten Massendruckverfahren eine weitaus höhere Produktivität, als sie bei der bisherigen Elektronikfertigung bekannt ist. Mit in Massen gedruckter Elektronik soll es in Zukunft möglich werden, in vielen alltäglichen Anwendungsfeldern einfache elektronische Intelligenz zu integrieren. Beispiele dafür sind RFID- Tags (mit Hochfrequenz lesbare Identifikations-Etiketten), flexible Displays und Tatstaturen, Eintrittskarten oder elektronische Schilder.

Die Chemnitzer Forscher stellen ihre Entwicklung gemeinsam mit Projektpartnern erstmals am 4. und 5. Oktober 2005 auf der Fachmesse Plastic Electronic in Frankfurt/Main (Halle 4.1, Stand D 19) der Öffentlichkeit vor.

Weitere Informationen:
TU Chemnitz, Institut für Print- und Medientechnik,
Prof. Dr. Arved Hübler,
Telefon (03 71) 5 31 – 23 64,
E-Mail pmhuebler@mb.tu-chemnitz.de