Dünner als Papier, aber mit Hightech-Power: Filigrane gedruckte Elektronik sorgt für starke Innovationen

»Gedruckte Elektronik, wie sie uns sowohl im Stadion als auch in fast jedem unserer Lebensbereiche begegnet, ist nicht neu. Schon vor mehreren Jahrzehnten wurden erste gedruckte funktionale Elektronikbauelemente und -baugruppen in Unterhaltungselektronik oder in der Automobilindustrie eingesetzt. Meist sind diese per Drucktechnik hergestellten elektronischen Schaltungen in ihren heutigen Dimensionen so klein, leicht und nahtlos integriert, dass sie für Anwender nahezu unsichtbar bleiben« erklärt Prof. Dr. Ralf Zichner, Leiter der Abteilung »Printed Functionalities« am Fraunhofer ENAS.

Ihr Einsatz, so der Wissenschaftler, ziehe sich wie ein roter Faden durch unseren Alltag: Sei es beim Wäschewaschen, beim Geschirrspülen oder beim Kochen, sei es im Flugzeug auf dem Weg zum Urlaubsziel, unterwegs auf der Autobahn zum nächsten Geschäftstermin oder im Büro –gedruckte Komponenten sind überall präsent. Die Bandbreite ihrer Verwendung erstreckt sich von Haushalts- und Interieur-Accessoires, über die Luftfahrt und die Mobilitätsbranche bis hin zu IT-Infrastrukturen, dem Energiesektor oder Healthcare- und Life Science-Anwendungen. »Die Möglichkeiten ihres Einsatzes sind dabei beinahe genauso unerschöpflich wie ihre Ausprägung«, so der Forscher. Denn die flexiblen und zuverlässigen Elektroniklösungen können unter anderem in Form von Leiterbahnen, zum Beispiel in Tastaturen, Kabelbaumsegmenten in Fahrzeugen, als Antennen und Dioden in Unterhaltungselektronik, oder aber in Gestalt von Batterien, Sensoren oder Heizleitern fast überall realisiert werden.

Effizient und ressourcenschonend: Innovative Elektronik mit starken Benefits

Das Erfolgsrezept, welches die gedruckte Elektronik für viele dieser Branchen attraktiv macht, liegt in ihrer spezifischen DNA begründet, erklärt der Wissenschaftler: »Während für die Herstellung traditioneller elektronischer Schaltungen komplexe, ressourcenintensive Prozesse, wie beispielsweise Fotolithografie, Ätzen, Metallisierung und viele weitere Schritte, unerlässlich sind, ist die additive Erzeugung gedruckter und flexibler Elektronik deutlich effizienter. Eine hochleitfähige Leiterbahn lässt sich mithilfe von Drucktechnik beispielsweise nicht nur binnen weniger Minuten und in einem einzigen Schritt herstellen. Für ihre Produktion ist auch keine hochreine Umgebung erforderlich. Außerdem benötigt ihre Fertigung deutlich weniger Materialeinsatz, da auf aufwendige Zwischenschritte, wie den Einsatz von Ätzchemikalien zur Strukturierung von Leiterplatten, gänzlich verzichtet wird, und leitfähige Strukturen direkt aufgebracht werden. Dies beschleunigt Herstellungsprozesse, schont Ressourcen und verbessert die ökologische Bilanz.«

Und das ist noch lange nicht alles: Da sich mithilfe modernster Druckverfahren wie Inkjet, Siebdruck und Dispensen auf nahezu allen Substratmaterialien, Geometrien und Oberflächen Elektronik erzeugen lässt, entstehen völlig neue Möglichkeiten, Design und Technologie zu verbinden. »Sowohl hochflexible, biegsame und ultraflache Polymerfolien als auch dünne Papiere sowie starre oder elastische Trägermaterialien eignen sich zum Aufbringen leitfähiger Schichten. Aber auch 3D-Objekte und ungewöhnliche Geometrien lassen sich mit elektronischen Strukturen versehen und mit zusätzlichen Funktionen ausstatten. Damit eröffnen sich bisher ungeahnte Innovationsräume und Integrationspotentiale für gedruckte Elektronik. Selbst kleinster Bauraum kann dadurch optimal genutzt oder Flächen mit Elektronik versehen werden, die bisher für traditionelle Schaltungen nicht geeignet waren, was gänzlich neue ästhetische Designkonzepte eröffnet«, erläutert Ralf Zichner.

Zudem können gedruckte Strukturen nicht nur auf äußerst dehnbaren und elastischen Materialien aufgebracht werden, die sich optimal an die Kontur von Objekten anpassen und sich so beispielsweise flexibel an die Körperform anlegen können. Sie lassen sich auch mit klassischen starren Silizium-Bauelementen problemlos kombinieren, weshalb häufig auch von gedruckter, flexibler, hybrider Elektronik gesprochen wird. 

Druck in vollendeter Form: Elektronik für pures Live-Erlebnis im Fußballstadion

Nicht sehen, aber spüren könnten Fußballfans diese Möglichkeiten schon bald im Stadion. Denn ein Anwendungsbeispiel des Fraunhofer ENAS zeigt, wie selbst außergewöhnliche 3D-Objekte mit herausfordernden Geometrien und glatten Oberflächen mit leitfähigen Strukturen bedruckt werden können. »Gedruckte Heizstrukturen unter den Sitzschalen der Stadionsitze sorgen dafür, dass Stadionbesucher auch an kalten Tagen nicht frieren müssen und von einer ungetrübten Live-Atmosphäre bei Sportveranstaltungen profitieren können. Ihr Sitz lässt sich im Bruchteil von Sekunden – ähnlich wie eine Sitzheizung im Auto – aufheizen«, so der Fraunhofer-Forscher Ralf Zichner. Zusätzlich integrierte RFID-Bauteile (Radio Frequency Identification) ermöglichen es darüber hinaus, belegte Sitzplätze im Stadion zielgenau zu identifizieren, um ausschließlich für diese Sitzschalen die Heizung zu aktivieren. Das wiederrum senkt die Energiekosten und ist ressourcenschonend.

Innovations(t)raum Auto: Gedruckte Elemente für ästhetisches und funktionales Interior-Design mit starkem Sounderlebnis

Der Einsatz von Drucktechnologien für die Erzeugung elektronischer Komponenten auf ebenen und unebenen Oberflächen oder 3D-Objekten ist für viele Anwendungsbereiche und Sektoren interessant. »Man denke neben der Event-Branche nur an das eigene Auto. Auch hier sorgt die Sitzheizung für wohlige Wärme und mehr Fahrvergnügen in der kalten Jahreszeit. Die elektrischen Heizstrukturen, die in die Sitzflächen integriert sind, können per Drucktechnik hergestellt werden. Ein Knopfdruck genügt und die Wärme breitet sich binnen weniger Sekunden angenehm gleichmäßig aus. Dasselbe gilt für die Heckscheibenheizung. Die elektrischen Heizdrähte können direkt auf die Rückscheibe aufgedruckt werden. Da sie sehr filigran sind, beeinträchtigen sie die Sicht nicht und sorgen an frostigen Wintertagen für den richtigen Durchblick«, so Ralf Zichner.

Darüber hinaus können weitere funktionale und per Drucktechnik erzeugte elektronische Elemente die Freude am Fahren weiter steigern und den Pkw unter anderem mit (T)Raumklang erfüllen. »Drucktechnisch hergestellte Leiterbahnen, die beispielsweise in die Fahrzeugtür integriert werden, fügen sich nicht nur ästhetisch in das Fahrzeug ein, sondern können dort integrierte Lautsprecher mit Strom versorgen und so zu erstklassigen Sounderlebnissen während der Autofahrt beitragen. Dasselbe gilt für viele Sensortechnologien und touchgesteuerte Funktionen im Auto. Physische Schalter und Knöpfe können durch smarte, gedruckte Elektronik, unter anderem am Armaturenbrett, ersetzt werden. Sie sind hochfunktional, integrieren sich nahtlos in das Innenraumdesign und steuern Infotainment-Erlebnisse«, erläutert der Forscher.

Tradition trifft Hightech: Funktionale Elektronik für erzgebirgische Lichterwelten

Wie Design, Form und Funktion auch bei Handwerkskunst zu einer harmonischen Einheit verschmelzen können, stellten die Fraunhofer ENAS-Forschenden kürzlich unter Beweis. Sie ersetzten herkömmliche Kabelführungen durch drucktechnisch hergestellte extrem dünne leitfähige Strukturen für Strom- und Signalleitungen und brachten so einen Schwibbogen zum Leuchten. »Diese Strukturen können direkt auf die Innen- und Außenseite der Bogenelemente des Schwibbogens oder auf den Sockel des Kerzenbogens gedruckt und mit verschiedenen Lichtquellen ausgestattet werden«, so Ralf Zichner.

Da die leitfähigen Elemente direkt auf die Holzkomponenten des Schwibbogens gedruckt werden können, müssen keine separaten Aussparungen, wie bisher üblich, für Kabelführungen gefräst werden. Das macht zusätzliche Prozessschritte für das Herstellen von Kabelkanälen überflüssig. Gleichzeitig ermöglicht das Drucken leitfähiger Strukturen eine deutlich höhere Gestaltungsfreiheit im Lichtdesign mit beleuchteten Akzenten, auch über erzgebirgische Traditionskunst hinaus.

Edle Nanopartikel: Hightech aus leitfähiger Tinte

Eine zentrale Rolle bei der Herstellung solcher gedruckter und leitfähiger Funktionalitäten nimmt die Tinte ein. Sie besteht aus winzigen Edelmetall-Partikeln, wie Silber, Kupfer oder Gold, von 10 bis 100 Nanometern Größe. »Die elektrische Leitfähigkeit der von uns erzeugten Strukturen variiert in Abhängigkeit davon, mit welchen Edelmetall-Partikeln die Tinte angereichert ist. Silber weist beispielsweise im Vergleich zu allen anderen Edelmetallen die höchste Leitfähigkeit auf. Das spätere Einsatzszenario der gedruckten Elektronik und die gewünschten Eigenschaften des Druckprodukts entscheiden über das zu verwendende Substrat, dessen Oberflächenbeschaffenheit, den geeigneten Druckprozess sowie die Wahl der Tinte und damit über die Leitfähigkeit der gedruckten Komponenten«, führt der Wissenschaftler aus.

Während ausgewählte Tinten von spezialisierten Partnern bereitgestellt werden, werden ganz besondere Tinten am Fraunhofer ENAS für die Herstellung von Wasserstoffsystemen gezielt entwickelt. Sie enthalten die Edelmetall-Nanopartikel Platin bzw. Iridiumdioxid und werden zur Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen (Catalyst Coated Membrane, CCM) und Membran-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly, MEA) verwendet, die in Wasser-Elektrolyseuren und Brennstoffzellen Anwendung finden. »Als Institut verfügen wir hier über ein klares Alleinstellungsmerkmal. Die entwickelten Tinten sind beispiellos und basieren auf einer weltweit einzigartigen Rezeptur«, so Ralf Zichner. Ihre spezifische Zusammensetzung erlaubt es, sie direkt und kontaktlos auf eine Membran zu verdrucken und diese damit zu funktionalisieren.

Hierfür setzen die Forschenden beispielsweise das Inkjet-Druckverfahren ein. Mit diesem entsteht das gewünschte Druckbild in nur wenigen Minuten nach einer vordefinierten Designstruktur – und das völlig berührungslos und mit punktgenauer Präzision. Dabei werden Druckgeschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Minute bei einer Tropfenausstoßfrequenz von 20.000 feinen Tropfen pro Sekunde erreicht. Ein industrieller Inkjet-Druckkopf mit beispielsweise 1.280 Düsen stößt dabei 25,6 Millionen Tropfen pro Sekunde aus und ermöglicht damit enorme Druckgeschwindigkeiten. 

Elektrisch leitfähig sind die so hergestellten Strukturen, zum Beispiel aus Silber, nach erfolgtem Druck zunächst jedoch noch nicht. »Die metallischen Nanopartikel liegen nach dem Druck nebeneinander angeordnet vor. Erst der sich anschließende Trocknungsprozess, der auch als Sintern bezeichnet wird, sorgt durch Erhitzen dafür, dass die Partikel miteinander verschmelzen und ihre endgültige, leitfähige Form erhalten.«

Auf diese Weise können am Fraunhofer ENAS Strukturen mit ultradünnen Schichtdicken von 250 Nanometern bis 30 Mikrometern erzielt werden, weshalb die so erzeugte Elektronik auch Dünnschicht-Elektronik genannt wird »Ein Vergleich macht die winzigen Dimensionen unserer gedruckten Elektronik, die wir realisieren können, deutlich: Ein winziges Bakterium hat beispielsweise eine Größe von 300 Nanometern, ein einzelnes menschliches Haar einen Durchmesser von etwa 50 Mikrometern«, zeigt der Wissenschaftlicher auf.

Leitfähige funktionale Strukturen mit diesen Maßstäben, ist der Forscher überzeugt, werden unsere Zukunft entscheidend mitgestalten. Denn immer kleiner werdende Hightech-Innovationen setzen auf kleine und leichte Schaltungen, die sich flexibel an jeden noch so kleinen Bauraum anpassen müssen. Gedruckte Elektronik ist ein entscheidender Hebel, der diese Entwicklung in den kommenden Jahren maßgeblich prägen wird.

Forschungs- und Entwicklungsleistungen für gedruckte Funktionalitäten

Das Fraunhofer ENAS ist Ihr Ansprechpartner für Forschungs- und Entwicklungsleistungen im Bereich gedruckter, flexibler und hybrider Funktionalitäten und realisiert dank modernster Drucktechnologien elektrisch leitfähige funktionale Strukturen und komplexe Elemente auf nahezu jedem Objekt und jeder Oberfläche – und das unabhängig von Geometrie oder Kontur.

Das Portfolio umfasst das maßgeschneiderte Design elektronischer Komponenten, die Auswahl der passenden Tinte, die Festlegung des optimalen Druckprozesses, die angepasste Substrat-Vorbehandlung, die optimierte Druckschicht-Nachbehandlung sowie die Charakterisierung gedruckter Funktionsschichten und Designs. So verwandeln wir Ihre Visionen in punktgenaue Lösungen für Ihre individuellen Fragestellungen.

Unser Angebot im Detail:

• Anpassung von Drucktechnologien einschließlich der Auswahl von Materialien und Verfahrenstechniken für die Herstellung von Drucklösungen
• Analyse der Verdruckbarkeit beliebiger Tinten mit ausgewählten Drucktechnologien
• Durchführung von Drucktests, wie zum Beispiel
  • Reinraum-freier, kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle- und Bogenformat-Prozess | Siebdruck, Inkjet-Druck und Dispensen
  • Druck auf 3D-Objekte mittels Inkjet-Druck- und Dispenserverfahren
• Wissenstransfer zu bestehenden Drucktechnologien für den Funktionsdruck (Rollen- und Bogendruck), deren Anwendungsbereich und Umsetzung
• Entwurf und Demonstratorfertigung gedruckter Komponenten, wie zum Beispiel
  • Katalysatorbeschichte Membranen (CCM)/Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), Leiterbahnen, Elektroden, Antennen, Batterien, Sensoren, Widerstände, Transistoren, Kondensatoren, Dioden oder Schutzschichten
• Anfertigen von Produkt- und Schaltungsdesigns einschließlich Prototypenbau von gedruckter, flexibler und hybrider Elektronik
• Charakterisierung gedruckter Funktionsschichten im Hinblick auf deren Oberflächen- und elektrische Eigenschaften, zum Beispiel mittels
  • Röntgenfluoreszenzspektroskopie (µXRF), Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Analyse, taktiler Profilometrie, 4-Punkt-Messung, Messung der Strombelastbarkeit oder Hochfrequenzeigenschaften
• Charakterisierung gedruckter Komponenten, zum Beispiel
  • Katalysatorbeschichter Membranen (CCM)/Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), Leiterbahnen, Elektroden, Antennen, Batterien oder Widerstände
• Bestückung von SMD-Komponenten (surface mounted device) auf gedruckten Leiterbahnen

Sie wollen mehr über das Technologieangebot des Fraunhofer ENAS für Druckprozesse als Treiber für leistungsstarke Innovationen erfahren? Dann freuen wir uns über Ihre Kontaktaufnahme.