Chips von der Rolle

Was vor einigen Jahren noch unvorstellbar war, gilt heute als großer Zukunftsmarkt: gedruckte elektronische Schaltkreise aus Kunststoff. Arved Hübler feilt an der Zukunft der Elektronik. Der Professor und Leiter des Instituts für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz entwickelt Verfahren, um elektronische Bauteile herzustellen, die aus unscheinbaren Streifen von Kunststoff-Folie bestehen. „Wir können inzwischen elektronische Schaltkreise mit Massendruckverfahren erzeugen”, sagt Hübler. Elektronische Bauteile aus der Druckerei: Was sich zunächst unglaublich anhört, hat sich in den letzten Jahren zu einem Fachgebiet entwickelt, an dem Forscher in Unternehmen und Instituten auf der ganzen Welt arbeiten. Ihre Vision: Statt elektronische Bauteile in vielen, sich über Wochen hinziehenden Fertigungsschritten aus Silizium zu produzieren, sie innerhalb von wenigen Stunden zu drucken. Als Farbe setzen die Forscher dabei bestimmte Kunststoffe ein, die als funktionale Polymere bezeichnet werden. Zufällig entdeckten vor knapp 30 Jahren die US-Amerikaner Alan Heeger und Alan MacDiarmid sowie der Japaner Hideki Shirakawa, wie man Polymere strukturieren muss, damit sie Strom leiten können. Vereinfacht gesagt gelang es den Forschern, einige Elektronen in den langen Kettenmolekülen kontrolliert zu entfernen oder hinzuzufügen, sodass die Polymere einen Mangel oder Überschuss an Elektronen aufwiesen. Damit hatten die Forscher, die für ihre Arbeiten im Jahr 2000 mit dem Chemienobelpreis geehrt wurden, die Pendants zu den Siliziumhalbleitern der klassischen Elektronik geschaffen. Da leitfähige Polymere sich im flüssigen Zustand verarbeiten lassen, kann man sie wie Farben drucken. Und so gelang es in den vergangenen Jahren verschiedenen Firmen und Forschungseinrichtungen, mit modifizierten Druckmaschinen erste elektronische Schaltkreise herzustellen. Sie bestehen aus Leiterbahnen, Kondensatoren, Dioden und Transistoren – eben mit allen fundamentalen Bausteinen der Elektronik. Beim konventionellen Massendruck von Zeitschriften ist es inzwischen machbar, fünf Mikrometer kleine Rasterpunkte – das entspricht etwa einem Zwanzigstel der Dicke eines menschlichen Haars – zu erzeugen und hochpräzise auf dem Druckpapier zu platzieren. Dabei können die zwei Meter breiten Papierbahnen mit einem Tempo von 15 Metern pro Sekunde – das sind etwa 50 Kilometer pro Stunde – durch die Maschinen gezogen werden. Doch diese imposanten Zahlen lassen sich nur bedingt auf das Drucken von Elektronik übertragen. Denn die Forscher haben dabei noch mit vielerlei zu kämpfen, was sie nicht oder nur unzureichend kontrollieren können. „Man darf sich nichts vormachen: Die gedruckte Elektronik ist heute nicht viel weiter als die klassische Elektronik im Jahr 1947, als der Transistor erfunden wurde”, sagt Arved Hübler. So ändert sich beispielsweise das Fließverhalten der Polymere, wenn sie beim Drucken gepresst werden. Außerdem beeinflussen Temperatur und Geschwindigkeit beim Trocknen nach dem Druckvorgang die Oberflächenbeschaffenheit des aufgetragenen Polymerfilms. Die Folge: Die Strukturen der elektronischen Bauteile haben keine ausreichend scharfen Kanten – was ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigen kann –, und die Dicke ihrer einzelnen Schichten variiert unkontrollierbar. So wundert es nicht, dass derzeit keine kommerziell erhältliche Druckmaschine darauf ausgelegt ist, alle Einflussgrößen zu kontrollieren, die für elektronische Bauteile erforderlich wären. Um diese Probleme zu lösen, versuchen die Protagonisten der gedruckten Elektronik, Polymere, Druckverfahren und -maschinen eng aufeinander abzustimmen. Hinsichtlich der elementaren elektronischen Eigenschaften schneiden die halbleitenden Polymere recht gut ab: „Die Beweglichkeit ihrer Ladungsträger liegt nur noch um zwei bis drei Größenordnungen unter der von Siliziumhalbleitern”, sagt Armin Wedel, Forschungsbereichsleiter für „Funktionale Polymersysteme” am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung in Potsdam. Das ist zwar immer noch ein enormer Unterschied, doch die Forscher konnten die Beweglichkeit in den letzten Jahren deutlich erhöhen. Eine hohe Beweglichkeit der Elektronen ermöglicht den Bau schneller elektronischer Komponenten. Dank einigen Jahren Forschungsförderung auf nationaler und europäischer Ebene hat man verstanden, wie man halbleitende Polymere synthetisieren und verarbeiten muss, um stabil arbeitende Bauelemente herzustellen. Ein bislang unerklärliches Phänomen sind dagegen die so genannten Ladungsträgerfallen, betont Wedel: „Die für die elektronische Funktion notwendigen Ladungsträger werden in einzelnen Schichten des Halbleiters oder an den Grenzflächen zwischen den Schichten eingefangen.” Dadurch unterscheidet sich die in der Praxis erreichbare Qualität der Polymerelektronik von dem, was theoretisch möglich ist. Wie der Einfang zustande kommt, wissen die Wissenschaftler nicht. Heutige mit Massendruckverfahren erstellte Schaltungen erreichen Taktfrequenzen in der Größenordnung von 100 Hertz, moderne PC-Prozessoren in klassischer Siliziumtechnik arbeiten im Gigahertzbereich – also zehn Millionen Mal so schnell. Auch wenn es theoretische Arbeiten gibt, die darauf hindeuten, dass ein Polymerprozessor mit 1000 Gigahertz möglich sein könnte, erwartet niemand, dass dies in absehbarerer Zeit Realität wird. Produktionsmethoden und Materialeigenschaften setzen da enge Grenzen. Bleibt die Frage, wo der Markt für die gedruckte Elektronik ist. Die Antwort der Polytronik-Forscher setzt bei den Kosten an. In der klassischen Siliziumhalbleitertechnik verwenden die Fertigungsunternehmen sehr reine, sehr gleichförmig aufgebaute Siliziumscheiben, um mit immensem technischen Aufwand in einem sich über Wochen hinziehenden Verfahren immer mehr Silizium von diesen Scheiben abzutragen, bis schließlich der gewünschte Mikrochip übrig bleibt. Die für eine solche Chip-Fabrik erforderlichen Investitionen liegen im Bereich von Milliarden Euro und werden wegen der wachsenden Leistung der Mikrochips – und der damit weiter fortschreitenden Miniaturisierung – auch künftig rasant steigen. So kostete den amerikanischen Halbleiterhersteller AMD der Bau seiner 2005 in Betrieb gegangenen zweiten Dresdner „Chip Fab” rund 2,4 Milliarden Euro. In die erste AMD-Chip-Fabrik im sächsischen Silicon Valley musste AMD fünf Jahre zuvor „nur” 1,9 Milliarden Euro investieren. Siliziumelektronik ist zwar im Lauf der Jahrzehnte deutlich billiger geworden, lässt sich aber heute für kein Produkt nutzen, das maximal ein paar Cent in der Herstellung kosten darf – beispielsweise für elektronische Warenetiketten. Die Produktion eines modernen PC-Prozessors kostet den Marktführer Intel durchschnittlich 35 Euro. Für gedruckte elektronische Bauelemente sind die Investitionskosten dagegen sehr bescheiden – sie liegen im Bereich von einigen Millionen Euro. Und die Herstellungskosten pro Chip betragen wenige Cent. Selbst Wegwerfprodukte mit elektronischen Funktionen liegen damit im Bereich des Möglichen. Diesen Markt hatte Arved Hübler im Auge, als er zusammen mit seinem Chemnitzer Professorenkollegen Olaf Gierhake im Jahr 2004 ein Unternehmen gründete: die ebenfalls in Chemnitz ansässige Firma Printed Systems. Die Start-up-Firma will Elektronik im industriellen Massendruck herstellen. Zu den Projektpartnern des Unternehmens gehören so renommierte Namen wie die BASF oder die Bell Labs. „Wir wollen nicht Elektronik, die es bereits gibt, anders machen, sondern uns neue Einsatz- und Produktfelder erschließen”, erläutert Hübler. So hat Printed Systems die Eintrittskarten für den Chemitzer Auto und Tuning Salon im Frühjahr 2005 gedruckt, den rund 15 000 Menschen besuchten. Statt der bislang auf vielen Konzert- oder Messetickets üblichen Hologramme als Sicherheitsmerkmale war auf diese Eintrittskarten eine elektronische Schaltung aufgedruckt, die einen digitalen Identifikationscode enthielt und dadurch Fälschungen verhindern sollte. Derzeit sucht Printed Systems einen Kooperationspartner für gedruckte elektronische Sammelkarten. Erste Prototypen zeigte das Unternehmen Anfang Oktober auf einer Fachmesse. Sammelkarten erfreuen sich seit Jahren bei Kindern und Jugendlichen großer Beliebtheit – zum Beispiel die von dem japanischen Zeichner Kazuki Takahashi entwickelte Yu-Gi-Oh-Kartenserie. Die Idee besteht darin, dass die verschiedenen Kartenmotive nach festgelegten Regeln getauscht werden. Neu erworbene Motive könnte man künftig dank gedruckter Elektronik als neue Charaktere in ein Computerspiel einlesen, in dem sie dann die handelnden Figuren sind. Durch das Sammeln und Tauschen der passenden Karten ließe sich der Spielverlauf am Bildschirm beeinflussen. Auch verschiedene technologisch orientierte Marktforschungsunternehmen sehen in solchen Karten erste Einsatzfelder für die gedruckte Elektronik, weil es hierbei nicht auf eine hohe Leistung der Schaltkreise ankommt. „Doch die meisten Verbraucher werden im Jahr 2006 sicher noch nichts von der gedruckten Elektronik bemerken”, schreibt Lawrence Gasman, Chefanalyst der US-Marktforschungsfirma Nanomarkets in Glen Allen (Virginia) in einer kürzlich erschienenen Studie zur gedruckten Elektronik. Von dieser langsamen Marktentwicklung dürfe man sich aber nicht täuschen lassen, meint Gasman. Zwar gäbe es derzeit noch keinen nennenswerten Markt für die Elektronik auf Kunststoffbasis – die Polytronik – doch für das Jahr 2010 prognostiziert Gasman einen Weltmarkt von mehr als sieben Milliarden Dollar. Er wird Produkte von gedruckten Displays und Funketiketten bis zu Solarzellen und Speicherchips aus der Druckerei umfassen. Gasmans Kollegen von der britischen Marktforschungsagentur IDTechEx haben im Sommer 2005 in einer Studie ebenfalls opulente Zahlen publiziert: Der Markt für polymerelektronische Produkte werde im Jahr 2015 rund 30 Milliarden Dollar erreichen und bis 2025 auf 250 Milliarden Dollar wachsen. Die weitaus meisten dieser Produkte würden gedruckt werden, sind die Experten von IDTechEx überzeugt. Egal, ob dieses prophezeite Wachstum tatsächlich eintreten wird oder nicht – die Zahlen zeigen jedenfalls, dass die Erwartungen an die neue Technik sehr hoch sind. Kein Wunder, dass sich inzwischen das Who-is-who der Industrie mit Polytronik beschäftigt: von Chemie- und Pharmaunternehmen wie BASF, Degussa, Dow, DuPont oder Merck bis zu Technologiekonzernen wie 3M, Motorola, Philips, Samsung oder Seiko Epson. Und die Chancen stehen gut, dass deutsche und europäische Unternehmen an diesem neuen Markt einen maßgeblichen Anteil haben werden. Das zeigt sich auch daran, dass in Deutschland die maßgebliche Organisation angesiedelt ist, die unter ihrem Dach Forschungseinrichtungen, Chemieunternehmen, Maschinen- und Anlagenbauer sowie junge Start-up-Firmen miteinander vereint: die Organic Electronics Association (OEA), die Ende 2004 als Arbeitsgruppe des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) gegründet wurde. Sie zählt bereits über 50 Mitglieder und dient als Plattform für den Informationsaustausch rund um die Polymerelektronik – manchmal auch als organische Elektronik bezeichnet. „Man darf nicht vergessen, dass das Drucken in Deutschland eine lange Historie hat”, sagt Wolfgang Clemens, Leiter Anwendungen bei der Erlanger PolyIC, die ebenfalls der OEA angehört. Dies erkläre auch die starke Stellung des Landes bei der Polymerelektronik. Bei PolyIC handelt es sich ebenfalls um einen Start-up, der allerdings zwei potente Gesellschafter im Rücken hat: den Münchner Elektronikkonzern Siemens und das Unternehmen Leonhard Kurz aus Fürth, einen Spezialisten für Heißprägefolien und Dünnschichttechnologie. „Noch im Verlauf des Jahres 2006 werden wir den Prototypen eines vollständig gedruckten Chips für Funketiketten vorstellen”, ist Clemens überzeugt. Über die Details der Druckverfahren schweigt er sich aus – Geschäftsgeheimnis. Die Funketiketten, auch als RFID-Tags (Radio Frequency Identification) bezeichnet, sollen im Lauf der kommenden 10 bis 15 Jahre den Strichcode auf Verpackungen ablösen. Das weltweit standardisierte Muster aus unterschiedlich dicken schwarzen Streifen dient heute dazu, Waren zu identifizieren, beispielsweise im Supermarkt. Auch Paketboten scannen den Strichcode eines Päckchens, bevor sie es dem Empfänger aushändigen. Der Strichcode sorgt zwar für eine schnelle und weitgehend fehlerlose Erfassung des Produkts, auf das er geklebt oder gedruckt wurde. Mit ihm kann man aber zum Beispiel nicht die einzelnen Kaugummipäckchen eines Großkartons unterscheiden, sondern man weiß höchstens, wie viele Päckchen es gibt. Erst durch die Funketiketten wären die Kaugummipäckchen voneinander unterscheidbar. Denn diese Etiketten bestehen aus einem Mikrochip, der eine eindeutige Identifikationsnummer elektronisch gespeichert hat, sowie einer Antenne, über die man diese Nummer mit einem geeigneten Lesegerät per Funk erfassen kann (bild der wissenschaft 6/2005, „Funkender Frischkäse”). Nun mag es irrelevant sein, ob zuerst das zweite oder das zehnte Kaugummipäckchen verkauft worden ist, aber beispielsweise bei Kleidern könnte man dadurch auf einen Blick erkennen, welche Größen noch am Lager sind. Die großen Handelskonzerne und Logistikunternehmen versprechen sich von den Funketiketten einen wesentlich besseren Überblick über die eigene Lieferkette – und sind bereit, dafür zu investieren. Die Herstellungspreise der Funketiketten von rund 30 Cent pro Stück stellen derzeit die größte Hürde für die Einführung der RFID-Technologie auf breiter Basis dar. Denn die Verpackung der Ware – und damit das Etikett – nimmt der Kunde nach dem Kauf mit nach Hause und wirft sie weg. Angesichts der geringen Gewinnspannen von einigen Cent beispielsweise bei Lebensmitteln verbietet sich aus heutiger Sicht ein Funketikett: Es würde mehr oder ähnlich viel kosten, wie sich mit der Ware verdienen ließe. Hier kommt PolyIC ins Spiel, denn gedruckte Etiketten sind billiger. „Der gedruckte Chip wird dann mit der Antenne verbunden” , erläutert Clemens, der überzeugt ist, dass es vom Funketiketten-Prototyp zum Serienprodukt nicht weit ist. Antenne und Chip sind sehr dünn und flexibel, sodass sie sich an jeder Ware anbringen lassen, ohne zu stören. Die Voraussetzungen für PolyIC scheinen also gut zu sein: Die Handels- und Logistikkonzerne wollen Funketiketten einführen, und sie können den Bedarf genau beziffern. Stattet man tatsächlich jeden Artikel – und nicht nur die Umverpackungen oder Paletten, in denen die Waren geliefert werden – mit einem solchen Funketikett aus, liegt der jährliche Bedarf in der Größenordnung von Milliarden. Clemens glaubt fest an den Erfolg seiner Technik – auch wenn bislang die Standardisierung und die Infrastruktur für das Erfassen von RFID-Signalen auf Funketiketten mit Siliziumelektronik ausgelegt sind. Doch das kann sich rasch ändern, wenn die Handelsketten die Vorteile der Polytronik erkennen. Auch Marktforscher sehen in Funketiketten eine wichtige Anwendung für die gedruckte Elektronik. Schon 2010, schreibt Nanomarkets-Analyst Gasman in seiner Studie, seien Funketiketten für einen Cent und flexible Displays Realität. ■ Michael Vogel arbeitet als freier Journalist in Bietigheim bei Stuttgart. Einer seiner thematischen Schwerpunkte sind neue Technologien. Michael Vogel COMMUNITY Internet Institut für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz: www.tu-chemnitz.de/mb/ printmedientech/ Homepage der Firma Printed Systems in Chemnitz: www.printed-systems.de Homepage der Firma PolyIC in Erlangen: www.polyic.de Ohne Titel Tiefdruck Dabei nehmen Vertiefungen (die so genannten Näpfchen) in der starren Druckform die Farbe auf und geben sie an ein Papier oder eine Folie ab, das oder die gegen die Druckform gepresst wird. Wirtschaftlich rechnet sich der Tiefdruck erst bei deutlich sechsstelligen Auflagen. Die großen auflagenstarken deutschen Wochenmagazine entstehen auf diesem Weg. Beim Tiefdruck von Polymerelektronik kann man die Farbe relativ gut variieren, allerdings lassen sich aus technischen Gründen Linien nur durch viele kleine Näpfchen darstellen. Eine hohe Auflösung ist deshalb nur schwer zu erreichen. Flexodruck Ein Hochdruckverfahren, bei dem die erhabenen Stellen der flexiblen Druckform die Farbe auf das Papier bringen. Auf diese Weise werden beispielsweise Verpackungen, Folien und Tapeten gedruckt. Der Vorteil des Verfahrens für das Drucken von Polymerelektronik ist , dass die Resultate nur wenig von der chemischen Zusammensetzung der Farbe abhängen. Aber: Aus technischen Gründen ist die aufgetragene Farbe am Rand dicker als in der Mitte, was die Strukturen inhomogener macht – ein unerwünschter Effekt bei elektronischen Bauteilen. Offsetdruck Im Vergleich zu den beiden anderen Verfahren sind die Druckformen hier am billigsten. Es handelt sich außerdem um das Druckverfahren, das die schärfsten Linien und Konturen erzeugt. Deshalb liefert der Offsetdruck auch in der Polymerelektronik die besten Ergebnisse, wenn es um scharfe Kanten und Linien geht. Allerdings muss die Farbe sehr zähflüssig sein (fester als Honig), weil sie nicht durch Vertiefungen oder Erhebungen auf der Druckplatte gehalten wird. Solche Farben sind schwierig herzustellen, bei vielen funktionalen Polymeren ist das sogar unmöglich. Tintenstrahldruck Das zugrunde liegende Prinzip kommt in Tintenstrahldruckern zum Einsatz, bei denen kleine Tintentröpfchen kontrolliert auf Papier oder Folie gespritzt werden. Vor allem in Druckereien in Großbritannien und Asien ist dieses Verfahren beliebt. Es ist hinsichtlich des Druckvolumens und der Druckgeschwindigkeit nicht mit den anderen Verfahren vergleichbar. Der Tintenstrahldruck bietet jedoch den Vorteil, dass die einzelnen zu druckenden Elemente unterschiedlich sein können, während bei den übrigen Rollendruckverfahren für verschiedene Elemente jeweils die Druckform ausgewechselt werden muss. Ohne Titel • Mit modifizierten Druckmaschinen lassen sich komplette elektronische Schaltkreise sehr einfach herstellen. • Hauptvorteil der gedruckten Elektronik sind die niedrigen Fertigungskosten. • Eine Anwendung sind Funketiketten.