Kompostierbare Elektronik zum Ausdrucken:: Biomüll statt Elektroschrott

Gedruckte Elektronik ist billig und wird nach der Nutzung weggeworfen, z.B. als Etikett mit der Verpackung oder Sensorik in Wundpflastern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) werden daher gedruckte Elektronik aus kompostierbaren Materialien sowie passende Produktionsverfahren entwickelt.

Bildquelle: © KIT

Halbleiter und Farbstoffe aus Pflanzenextrakten oder Isolatoren aus Gelatine – Nachwuchswissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) [1] arbeiten mit biologisch leicht abbaubaren Materialien zur Herstellung gedruckter Elektronik.

Dr. Gerado Hernandez-Sosa leitet die Nachwuchsforschergruppe Biolicht Bildquelle: © KIT
Dr. Gerado Hernandez-Sosa leitet die Nachwuchsforschergruppe Biolicht: „Als ‚organisch‘ bezeichnen wir alle Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis. Über die Umweltverträglichkeit sagt der Begriff allein noch nichts aus“.

„Diese sind zwar nicht so langlebig wie die anorganischen Alternativen, doch die Lebensdauer von Einwegelektronik überstehen sie schadlos“, sagt Dr. Gerado Hernandez-Sosa (Bild), Leiter der Nachwuchsforschergruppe Biolicht. Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung für vier Jahre mit insgesamt 1,7 Mio. Euro unterstützte Nachwuchsgruppe Biolicht erforscht die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften nachhaltiger Materialsysteme sowie deren Prozessierung mit Hilfe von Druckverfahren. Ziel ist es, gedruckte Elektronik zu entwickeln, die einfach über den Biomüll kompostiert werden kann und verrottet, sobald sie ausgedient hat. Die Wissenschaftler gehen davon aus, kompostierbare organische Elektronik innerhalb der nächsten drei Jahre bis zur Marktreife zu entwickeln.

Für gängige gedruckte Elektronik, etwa für organische Leuchtdioden (OLEDs), gilt dies bislang nicht. Die Trägerfolie von OLEDs wird z.B. aus dem gleichen Kunststoff hergestellt wie herkömmliche Getränkeflaschen. Die Nachwuchsgruppe Biolicht verwendet dagegen nur Materialien, die in der Natur vorkommen, z.B. Speisestärke, Zellulose oder Chitin für die Trägerfolien.

Elektronikbauteile auf Bio-Folien drucken

Die Funktion der gedruckten Strukturen hängt von der verwendeten Tinte ab. In ihr sind leitende, halbleitende oder nichtleitende Materialien gelöst. Nach dem Druckvorgang trocknet das flüssige Lösemittel und die zurückbleibende Schicht bildet das entsprechende elektronische Bauteil. Im Rahmen der Forschung müssen biologisch abbaubare Tinten entwickelt werden, die auf das neue Bio-Folienmaterial abgestimmt sind und gleichzeitig mit bestehenden Geräten gedruckt werden können. Für die Tinten müssen die Nachwuchswissenschaftler zunächst umweltverträgliche Materialien mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften identifizieren. Beispielsweise eignet sich Hartgelatine zum Isolieren.

Das Lösemittel muss bei druckfähigen Temperaturen flüssig sein und darf nicht in das Trägermaterial eindringen, sondern sollte darauf einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bilden, ohne abzuperlen. Es darf auch nicht zu dickflüssig sein, sonst verstopft es den Druckkopf. Ein zu dünnflüssiges Lösungsmittel dagegen verläuft auf der Trägerfolie und benetzt sie nicht gleichmäßig. Die Eigenschaften des getrockneten Materialfilms hängen entscheidend von der Druckqualität ab. Beispielsweise darf die Schichtdicke, die weniger als 1 μm beträgt, maximal um fünf Prozent schwanken.

Die Nachwuchsgruppe Biolicht, eine Arbeitsgruppe am Institut für Lichttechnik des KIT, nutzt Labore des InnovationLab in Heidelberg, einer anwendungsorientierten Forschungs- und Transferplattform von Wissenschaft und Wirtschaft. Träger des InnovationLab sind neben dem Karlsruher Institut für Technologie die Unternehmen BASF SE, Merck, Heidelberger Druckmaschinen AG und SAP AG sowie die Universität Heidelberg.