12.01.2005 - POLYMERTECHNIK

Massenhaft und kostengünstig

Erste Anwendungen für gedruckte Polymerelektronik

Volker Tzschucke

Karten mit ID-Tag + Lesegerät + Anwendungssoftware = Mehr Spaß beim Spiel mit Sammelkarten Foto: Susanne Domaratius/BurgEins

Harry Potter-Fans kennen sie schon: die Zeitung, in der die Fotos beweglich sind und zum Betrachter sprechen. Wenn man Olaf Gierhake und Arved Hübler, die Chefs des Chemnitzer Technologie-Unternehmens printed systems, nach ihren Visionen fragt, kommt schnell der Gedanke auf, dass die interaktive Zeitung in naher Zukunft nicht mehr nur ein Ding der Zaubererwelt ist: Von interaktiven Plakaten ist bei ihnen die Rede oder von Möbeln, die auf Knopfdruck die Farbe ihrer Oberfläche ändern. Möglich werden soll das durch eine Technologie, in der printed systems weltweit führend ist – den Massendruck von Funktionspolymeren.

Funktionspolymere sind Kunststoffe, die vor über zwanzig Jahren von den späteren Nobelpreisträgern A. J. Heeger, A. MacDiarmid und H. Shirakawa entdeckt wurden. Je nach Zusammensetzung ihrer Moleküle wirken Polymere elektrisch leitend, halbleitend oder isolierend. Wenn sie in flüssiger Form vorliegen, kann man sie wie Tinte verarbeiten: Sie lassen sich mit einer Druckmaschine auf Papier, Karton, Folie oder anderen Trägern zu elektronischen Schaltungen zusammenfügen.

So entstehen dann Printmedien, die nicht mehr nur optisch wirken, sondern mit elektronischen Eigenschaften ausgestattet sind: Legt man Strom an, passiert etwas. "Die Entwicklung steht aber noch am Anfang", erklärt Arved Hübler, technologischer Kopf bei printed systems: "Das Drucken von Elektronik stellt völlig andere Herausforderungen an Material, Verfahren und Maschinen, als dies aus dem klassischen Drucken bekannt ist. Im Vergleich sind die Anforderungen an die Genauigkeit sowie an die chemischen Eigenschaften der Druckstoffe wesentlich höher, denn Druckfehler würden sofort zu Funktionsstörungen der gedruckten Schaltungen führen."

In Chemnitz wurden deshalb neue maschinenbauliche und verfahrenstechnische Entwicklungen realisiert, um die sehr hohen Anforderungen, die elektronische Schaltungen an die Druckeigenschaften stellen, erfüllen zu können. Das vorhandene Know-how bei printed systems im Bereich des Massendrucks von Polymerelektronik umfasst heute die Modifikation der spezifischen Maschinenbasis dieser Druckverfahren, die Art der Druckformherstellung, die erforderlichen Druckprozess-modifikationen, die Auswahl geeigneter Drucksubstrate sowie Besonderheiten in der chemischen Formulierung der Druckstoffe, die auf der Basis kommerziell verfügbarer Funktionspolymere hergestellt werden.

Einblick in die Druckmaschine: Druck einer Pilotserie von Spielkarten mit ID-Tag.
Foto: Susanne Domaratius/BurgEins

Vor drei Jahren gelang auf diesem Weg der weltweit erste Massendruck eines einzelnen Transistors, im Herbst 2005 stellte printed systems gemeinsam mit BASF, Lucent Technologies und der TU Chemnitz die erste in einem Massendruckverfahren erzeugte elektronische Schaltung vor – einen Ringoszillator, der aus 14 Transistoren bestand. Ringoszillatoren sind Grundbausteine für komplexere Schaltungen und dienen zur Erzeugung eines Taktsignals. Der vorgestellte Oszillator brachte immerhin eine LED zum Blinken. Mit der verwendeten Strukturauflösung von 100 Mikrometern wurde eine Schaltfrequenz von 1 Hertz erreicht.

Produziert wurde der Ringoszillator in einem kombinierten Verfahren aus Offsetdruck, Tiefdruck und Flexodruck. Dabei werden die Kunststoffmoleküle in hauchfeinen Schichten in hoher Präzision übereinander gedruckt. Das Interessante an dieser Art der Produktion: 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 und die entstehen in einem Tempo, von dem die klassische Silizium-Elektronik nur träumen kann: Zwischen 10.000 und 100.000 mal schneller ist das Druckverfahren im Vergleich zur herkömmlichen Chip-Produktion – die Jahresproduktion einer Chip-Fabrik könnte mit einer schnellen Druckmaschine innerhalb einer guten Stunde produziert werden.

Printed systems erwartet aber nicht, dass in ganz naher Zukunft in jedem Handy oder Computer gedruckte Polymer-Chips stecken werden. Die gedruckte Elektronik wird sich nach Einschätzungen der Organic Electronics Association (OEA) des Verbandes der Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) langfristig nicht in einem kleinen Nischenmarkt entwickeln, sondern an der Schnittstelle des klassischen Druckmarktes (1.200 Mrd. € p. a.) und des klassischen Elektronikmarktes (350 Mrd. € p. a.) als ein breiter neuer Massenmarkt etablieren. BASF zum Beispiel rechnet mit einem Marktvolumen von etwa 20 Mrd. € und mehr innerhalb der nächsten sieben bis zehn Jahre.

Darauf ist auch die Strategie von printed systems ausgerichtet: "Wir nutzen die Kostenvorteile und die Produktivität des Massendrucks dazu, um neue Märkte für elektronische Anwendungen zu erschließen", erläutert der Vertriebsverantwortliche Andreas Ehrle die Strategie des Unternehmens: "Unsere Vision lautet: 'printed electronics everywhere'."

Mit Hilfe eines speziellen Kabels lassen sich die Papiertastaturen mit dem Computer
verbinden. Foto: Susanne Domaratius/BurgEins

So arbeitet das Unternehmen an der "Aufrüstung" klassischer Print-Produkte zu so genannten "access prints": Mit aufgedruckten Leiterbahnen, Tasten und kleinen digitalen Datenspeichern lassen sich zum Beispiel schon jetzt Spiel- und Sammelkarten zu einem Ticket zu mehr Spielspaß verwandeln. "Wenn man die elektronischen Kodierungen der Karte am Computer ausliest, entstehen zusätzliche Spieloptionen, werden Videosequenzen ausgelöst oder bestimmte Internetseiten angesteuert. Das erhöht für den Nutzer nicht nur den Spaß, sondern auch den Wert jeder einzelnen Karte", erklärt Ehrle das Prinzip. Die access print-Sammelkarten sollen so die reale Welt mit der virtuellen koppeln. Wann man sie kaufen kann, ist wohl nur noch eine Frage der Zeit: "Wir sind in Gesprächen mit namhaften Karten-Produzenten, die sich ernsthaft für die neue Dimension der Karten interessieren", so Ehrle.

Bereits im Einsatz befanden sich Karten mit dem polymeren ID-Tag als Eintrittskarten bei einer Automesse. Ein autarkes Lesegerät zeigte einfach durch ein grünes Licht an, ob die Karte echt oder gefälscht war. Das erleichterte den Einlass natürlich erheblich, weil das Personal nicht eine Reihe von Sicherheitsmerkmalen prüfen musste, sondern einfach die Karten ins Lesegerät geschoben hat. Als "effizient und fehlerfrei" lobte Andre Rehn, Pressesprecher der Messe Chemnitz das von printed systems entwickelte Ticketsystem. 

Nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten die access print-Tastaturen, die printed systems im Herbst auf der Fachmesse Plastic Electronics in Frankfurt präsentierte: Durch einen Tastendruck auf die gedruckte Papiertastatur gelangt man auf eine dem normalen Nutzer nicht zugängliche Internetseite, in einer anderen Variante konnte man den 'Affengriff' Strg+Alt+Entf mit einem einzigen Finger erledigen – die individuelle Tastaturbelegung, die durch den Aufdruck von elektronischen Strukturen erlaubt wird, machte es möglich. Mit dem Computer verbunden werden diese gedruckten Tastaturen durch ein spezielles von printed systems entwickeltes USB-Kabel, aber auch Funkverbindungen – zum Beispiel via Bluetooth – sind möglich. Anwendungsmöglichkeiten sieht Ehrle vor allem im Bereich der Werbe- oder Spieleindustrie, als nutzeraktivierende Werbemittel zum Beispiel, als interaktives Brettspiel oder als kostengünstige Spezialtastatur für Lernsoftware.

Ökonomisch interessant wird der Einsatz solcher neuartigen Produkte immer dann, wenn man eine große Zahl von Tastaturen oder Karten benötigt: "Hier gelten die Gesetzmäßigkeiten von Massendruck und Elektronikprodukten: Je größer die produzierte Auflage, desto geringer der Preis für das einzelne Produkt", erläutert Ehrle den wirtschaftlichen Aspekt.


Mehr im Internet:
Homepage der printed systems GmbH
Erste massengedruckte integrierte Elektronikschaltung aus Chemnitz 
Vision vom Internet der Dinge