Nano-Werkstoffe und neue Druckverfahren bringen gedruckte Elektronik voran

Mit nanoteiligen Funktionswerkstoffen und neuen Druckverfahren revolutionieren die drei Partner die Drucktechnik. Ziel ist die Entwicklung zukunftsweisender Produkte der organischen Elektronik, wie transparente Photovoltaik-Folien oder biegsame Leuchtdioden.

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Spitzenclusters „Forum Organic Electronics“ sollen die ersten gedruckten Ergebnisse innerhalb von drei Jahren vorliegen. Dazu wurde das Projekt „Nanostrukturierung und Plastik-Elektronik Printplattform (NanoPEP)“ aufgelegt.

Biegsame Elektronik zu niedrigen Kosten

„Die Elektronik der Zukunft ist flexibel und biegsam. Elektronische Komponenten lassen sich bald zu geringen Kosten und Ressourcen schonend auf flexible Trägermaterialien drucken. Mit innovativen Verfahren und Materialien, an denen wir gerade arbeiten, schaffen wir neue Einsatzmöglichkeiten für die Drucktechnologie in der organischen Elektronik. Dabei können wir nach dem Baukastenprinzip zahlreiche Module für die ökonomisch rentable Massenfertigung bereitstellen“, sagt BASF-Projektleiter Prof. Dr. Bernd Sachweh.

Die organische Elektronik basiert auf leitfähigen Polymeren oder auch kleineren Molekülen der organischen Chemie und gilt als wichtige Zukunftstechnik. Die Anwendungen reichen von organischen Schaltungen und Speichern über die Photovoltaik bis zu organischen Leuchtdioden.

Eine von zahlreichen Anwendungen der gedruckten Elektronik sind so genannte Smart Label – mit Sensoren ausgerüstete Etiketten. Mit diesen Transpondern, die mitsamt Antenne auf Folien gedruckt werden können, lassen sich zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchte messen – ein wichtiger Aspekt für Transport und Lagerung von Waren.

Mehr Know-how als beim graphischen Drucken erforderlich

Zwar lassen sich einfache Schaltkreise bereits heute drucken, die Herausforderung liegt jedoch in der flexiblen Elektronik: Dafür müssen die Funktionsmaterialien – leitfähige organische Moleküle – in Nanometerdicken, defektfreien und sehr homogenen Schichten in mehreren Lagen übereinander auf flexible Träger aus Plastik oder Papier gedruckt werden. Diese Anforderungen gehen über die des graphischen Druckens weit hinaus.

„Unser langfristiges Ziel ist die Entwicklung von Druckmaschinen für die gedruckte Elektronik. Wir sind überzeugt, dass wir nur mit Druckprozessen die Kostenziele erreichen können, um die organische Elektronik zu wettbewerbsfähigen Preisen für den Consumer-Markt herstellen zu können“, sagt Projektleiter Dr. Gerd Junghans von der Heidelberger Druckmaschinen AG.

Entwicklung von Hybridwerkstoffen aus anorganischen und organischen Komponenten

Ein Forschungsschwerpunkt im Spitzencluster ist die Entwicklung von Hybridwerkstoffen aus anorganischen und organischen Komponenten. Die BASF SE entwickelt dabei neue Produktionsverfahren zur Herstellung von nanoskaligen Funktionsmaterialien wie zum Beispiel polymerveredeltem Zinkoxid. Diese bilden bestimmte Strukturen aus oder ordnen sich autonom zu Formen und Mustern an und bringen dadurch neue Eigenschaften für die Drucktechnik mit.

Insbesondere werden Multikomponentensysteme aus mehreren Materialien sowie integrierte Prozesse erforscht, mit denen Formulierungen von Materialien für die organische Elektronik hergestellt werden. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wie zum Beispiel der gleichmäßigen Einstellung der Leitfähigkeit erfüllen vor allem Nanopartikel die hohen Qualitätsanforderungen, die die organische Elektronik stellt. Die dabei eingesetzten Nanopartikel sind in Flüssigkeiten gebunden. Dadurch werden der direkte Umgang mit diesen Materialien vermieden und deren sichere Handhabung sowie die umweltgerechte Herstellung innovativer Elektronikprodukte garantiert.

Dreistufiger Prozessansatz bis zum serienreifen Drucken

In einem dreistufigen Ansatz vom Labormaßstab bis hin zur Produktionsumgebung optimieren die Experten das Zusammenspiel zwischen Materialien, Applikation und Druckprozess. Dabei profitieren alle Beteiligten von der räumlichen Nähe zu den Projektpartnern im Spitzencluster: In direkter Nachbarschaft der Metropolregion Rhein-Neckar können BASF SE, Heidelberger Druckmaschinen AG und die TU Darmstadt Forschungsergebnisse zügig austauschen. Insgesamt arbeiten 20 Forscher aus der Metropolregion an dem Projekt.

Der Spitzencluster „Forum Organic Electronics“ ist ein Kooperationsnetzwerk aus drei DAX-Unternehmen, acht internationalen Großunternehmen, fünf mittelständischen Unternehmen sowie elf Forschungseinrichtungen und Hochschulen, darunter zwei Eliteuniversitäten. Zielsetzungen des Spitzenclusters sind die Schaffung des weltweit führenden Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsstandortes für organische Elektronik, eines der attraktivsten Standorte für Spitzen- und Nachwuchskräfte sowie des weltweit führenden Innovationszentrums für Wissenstransfer und Unternehmensgründungen.

Die 27 Unternehmen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen arbeiten gemeinsam an den vom BMBF mit 40 Mio. Euro geförderten Forschungsprojekten im Bereich der organischen Elektronik.