Organische Elektronik für Wearables Aus Hardware wird Easywear

Auf Basis organischer Elektronik eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten.
Mechanisch flexible organische Elektronik bietet sich speziell für die Nutzung in Wearables an.

Organische Elektronik ist mechanisch sehr flexibel. Eine Wearable-Generation auf Basis dieser Technik eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten und kann auch viele der Schwierigkeiten ausräumen, die Verbraucher aktuell davon abhalten, Wearables langfristig zu verwenden.

Wearable-Elektronik ist gerade erst dabei, das Stadium der am Handgelenk getragenen Geräte zu verlassen. Nach wie vor sind Produkthersteller und Konsumenten dabei, klare Anwendungsfelder auszuloten. Obwohl die Mehrzahl der Endverbraucher die Wearable-Technik immer noch hauptsächlich mit Sport und Mode in Verbindung bringt, wird ihr Anwendungsgebiet sicherlich deutlich umfassender sein. Dieses Potenzial wird in Zukunft durch neue Techniken ausgeschöpft. Organische Elek­tronik wird sicherlich eine Rolle spielen, wenn es um die Steigerung des Nutzens für den Anwender von Wearable-Produkten geht. Durch das Anpassen von Displays und Sensoren an die Form des menschlichen Körpers lassen sich Funktionsumfang, Nutzen und Tragekomfort spürbar steigern.

Im folgenden Artikel geht es darum, wie organische Elektronik die Art und Weise verändern wird, wo und auf welche Weise Wearable-Elektronik im Alltag zum Tragen kommen kann, angefangen beim privaten Bereich bis zum professionellen und industriellen Einsatz.

Die Herausforderungen der Wearable-Technik

Zur Zeit hört man praktisch jede Woche von einer Smartwatch, einem Armband oder einem anderen Wearable-Produkt, das mit einer neuen Kombination an Funktionen auf den Markt kommt. Klar ist, das Interesse der Verbraucher an der Wearable-Technik wächst, zumal sich dieser neue Markt noch mitten in der Entwicklung befindet und ständig neue Anwendungsfälle hinzukommen. Ob eher universelle Geräte wie die Apple Watch bevorzugt werden oder ob speziellere Produkte wie z.B. Fitbit vorn liegen werden, wird sich aber erst mit der Zeit herausstellen.

Ein noch ungeklärtes Thema ist die Frage, wie nachhaltig sich Wearables durchsetzen werden. Eine von der Unternehmensberatung Endeavour Partners durchgeführte Umfrage ergab, dass 50 % der US-amerikanischen Konsumenten, die einen Activity-Tracker besaßen, diesen mittlerweile nicht mehr nutzten [1]. 33 % hätten ihn demnach binnen sechs Monaten nach dem Kauf nicht mehr verwendet. Das hat prinzipiell mit vielen Faktoren zu tun, aber im Kern geht es darum, in welchem Verhältnis die Vorteile, die ein Gerät dem Anwender beschert, zu den Verhaltensänderungen stehen, die für seine Verwendung erforderlich sind. Im Vergleich zu einer konventionellen Armbanduhr muss der Träger einer Smartwatch sein Gerät beispielweise alle paar Tage laden und für jedes Ablesen der Uhrzeit muss er vorher das Display einschalten. Solche erzwungenen Verhaltensänderungen sind ein Hindernis für eine langfristige Nutzung des Produkts. Laut Endeavour Partners gibt es insgesamt neun Faktoren [1], denen ein Einfluss auf die nachhaltige Nutzung von Wearables zugeschrieben wird. Darunter fallen Kriterien wie der Nutzwert oder die Robustheit des Geräts, das Design, der Tragekomfort oder die sogenannte "Lifestyle Compatibility". Mit dem letzten Punkt ist die Integrationsfähigkeit des Geräts in den Alltag des Benutzers gemeint. An insgesamt sechs dieser neun Stellschrauben kann mit Hilfe von organischer Elektronik gedreht werden. Sie bietet Entwicklern die Möglichkeit zur Abkehr von der starren Struktur der heutigen massiven, eckigen und flachen Elektronikbaugruppen. Glas und andere spröde Materialien lassen sich über diesen Weg für die Wearable-Elektronik umgehen, sodass die Voraussetzungen für größere Displays und Sensoren geschaffen werden können, die sich an die Form des menschlichen Körpers anpassen. Das Resultat ist ein neues Erscheinungsbild der Wearables und erhöhter Komfort für die Anwender.

Organische Transistoren

Elektronische Geräte bestehen heute aus einer großen Zahl unterschiedlicher Bauteile. Die wichtigste Komponente dürfte der Transistor sein, der nicht nur in Mikrochips und Prozessoren, sondern auch in Displays und Sensoren zum Einsatz kommt. Zum Beispiel enthält jedes Pixel eines Display einen oder mehrere Transistoren, die als eine Art Lichtschalter für dieses Pixel dienen. Ähnlich ist es bei vielen Sensoren. Man denke nur an Bild-, Fingerabdruck- sowie biometrische und elektrochemische Sensoren: Hier ist jedes Sensorelement in der Regel mit Transistoren verbunden, um die einzelnen Pixel-Elemente auswählen und auslesen zu können und um die schwachen Signale zu verstärken, die vom eigentlichen Sensormaterial aufgenommen werden.

Bis vor Kurzem basierten diese Transistoren in der überwiegenden Mehrzahl auf Silizium und wurden wegen der hohen, meist mehrere hundert Grad Celsius betragenden Prozesstemperaturen auf Glas-Substraten hergestellt. Die Notwendigkeit, Transistoren auf Glas anzuordnen, brachten zwangsläufig Einschränkungen dafür mit sich, wo und wie das betreffende Display oder der Sensor in einem Produkt platziert werden konnte. Inzwischen gibt es jedoch einige Prozesse, mit denen sich Silizium-Transistoren auch auf flexiblen Substraten herstellen lassen (am aktivsten sind in dieser Hinsicht Samsung Display und LG Display). Die hierbei entstehenden hohen Kosten erklären sich aus den exotischen Kunststoff-Substraten, die wegen der hohen Temperaturen erforderlich sind, sowie aus der niedrigen Fertigungsausbeute infolge der Schwierigkeiten beim Umgang mit diesen Kunststoffen.

Organische Elektronik kann ­Wearable-Technik verändern

Bei der organischen Elektronik verfolgt man einen grundlegend anderen Ansatz zur Herstellung von Transistoren. Anstelle von Silizium wird eine Gruppe organischer, halbleitender Materialien verwendet. Da es sich bei diesen halbleitenden Materialien um Kunststoffe handelt, ergibt sich hieraus eine unerreicht mechanisch flexible Transistortechnik (Bild 1). Hinzu kommt, dass sich diese Werkstoffe häufig bei Zimmertemperatur oder geringfügig darüber (in der Regel unter 100 °C) verarbeiten lassen. Folglich können kostengünstige Kunststoffsubstrate wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET) zum Einsatz kommen, und auch die Ausbeuten sind hoch, weil der Umgang mit solchen Kunststoffen relativ unkompliziert ist.

Das Resultat ist eine neue Art von Elektronik, nämlich die erwähnte organische Elektronik. Diese ermöglicht Displays, die sich gleichsam um einen Bleistift herumwickeln lassen und sich damit auch an die unregelmäßigen Formen und Konturen des menschlichen Körpers anpassen. Eine so mechanisch flexible Elektronik bietet sich für die Verwendung in Wearable-Elektronik an.

Display-Eigenschafta-Si Glas-LCDoTFT (Kunststoff-LCD)
Gewicht (g/cm²0,250,025
Dicke (mm~1,2~0,3
Krümmungsradius (mm)420035
Freie FormgebungLeichtLeicht
PreisNiedrigNiedrig
Ladungsträgermobilität (cm²/Vxs)0,5~2,0
Leckstrom (A)10 -14<10 -17

 

Das Thema der organischen Elektronik ist durchaus nicht neu, doch erst in den letzten Jahren haben die industriellen und elektrischen Kenndaten ein Niveau erreicht, das ihre Verwendung interessant macht. Organische Transistoren (organic thin-film transistor, oTFT) sind inzwischen in elektrischer Hinsicht besser als TFTs aus amorphem Silizium (a-Si), die man in heutigen Fernsehgeräten findet. Auch flexible Displays auf der Basis organischer TFTs befinden sich heute in der Produktion, und die dabei erzielten Ausbeuten sind mit jenen existierender Glas-LCDs vergleichbar. In der Tabelle sind die Vorteile flexibler oTFT-Displays gegenüber LCDs auf Silizium-Basis aufgeführt. Es ist sicher, dass sich die elektrischen Kenndaten organischer Elektronik noch weiter verbessern werden. Mehrere Hersteller organischer Halbleitermaterialien streben für die kommenden Jahre Ladungsträgermobilitätswerte von 10 cm²/Vs oder mehr an.

Mit organischer Elektronik lassen sich unter anderem die folgenden elektronischen Bauteile für Wearable-Produkte herstellen:

  • Gebogene und anpassungsfähige Displays (Bild 2). Sie sind wesentlich großflächiger als aktuell für Weara­bles genutzte Displays und können komfortabler am Körper getragen werden. Verglichen mit einem Glas-Display kann eine Smartwatch die drei- bis vierfache Display-Fläche bieten, wenn sie sich eng an die Form des Handgelenks anpassen kann. Nicht zuletzt erschließt dies vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten für Displays. Denkbar sind beispielsweise Schuhe, deren gesamte Oberfläche sich entsprechend dem übrigen Outfit schnell farblich anpassen lässt.
  • Anpassungsfähige biometrische Sensoren. Sie eignen sich zum Abbilden der Hautoberfläche wie etwa des Fingerabdrucks, aber auch von anderen Merkmalen, wie der im Körper verlaufenden Venen. Indem man einen Bildsensor wie ein Pflaster auf die Haut klebt, lassen sich Merkmale dieser Art einfach erfassen - nicht zum Bestätigen der Identität einer Person, sondern zur Überwachung von Vitalzeichen.
  • Papierdünne Biosensoren. Die dauerhafte Überwachung verschiedener Gesundheits-Parameter kann mit schlanken und unauffälligen Sensoren bequem erfolgen. Denkbar wäre ein Sensor-Array zur Messung von Gesundheitsfaktoren wie etwa des Blutzuckerspiegels oder der Alkoholkonzentration im Blut.