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Gedruckte Elektronik

Sensoren aus dem Industriedrucker - Stand der Technik

Gedruckte Sensoren werden an einer Druckmaschine vom Typ Gallus RCS430 bei der Heidelberger Druckmaschinen AG gefertigt.
Gedruckte Sensoren werden an einer Druckmaschine vom Typ Gallus RCS430 bei der Heidelberger Druckmaschinen AG gefertigt.
© Heidelberger Druckmaschinen

Druckverfahren für die industrielle Fertigung von elektronischen Bauteilen sind im Kommen. Mittlerweile können erste Sensoren in Großserie gefertigt werden. Was noch fehlt, sind standardisierte Entwicklungswerkzeuge für den Kunden, ähnlich zu den PDKs aus der Halbleiterfertigung.

Die klassische Elektronik, wie wir sie heute kennen, lässt sich aus dem täglichen Leben nicht mehr wegdenken. Besonders deutlich wird dies z.B. bei Smartphones, die fester Bestandteil des Lebens der meisten geworden ist. Die herausstechende Eigenschaft ist die schnelle Verfügbarkeit von Informationen. Dies führt zu erheblich beschleunigten Entscheidungsprozessen im privaten, aber auch beruflichen Alltag. Die enormen Vorteile der Informationsverfügbarkeit spiegelt sich gerade in den derzeitigen Aktivitäten um das Internet der Dinge im privaten Gebrauch, oder dessen großen Bruder IIoT oder Industrie 4.0 wider. Dabei wird gerade das Interface zwischen realer und digitaler Welt immer wichtiger. Sensoren jeglicher Art stellen dabei die Haut dar, mit der die digitale Welt die reale erfassen kann.

 

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Sensorentwicklung mit gedruckter Elektronik

Um möglichst weite Bereiche zu digitalisieren, sind immense Mengen an Sensoren notwendig, die Druck, Temperatur, Abstände, Feuchtigkeit und vieles mehr erfassen können. Für den wirtschaftlichen Einsatz in der Masse müssen sie aber nicht nur sehr zuverlässig funktionieren, sondern vor allem günstig und umweltfreundlich sein. In bevorzugter Art und Weise wird dies durch die gedruckte und organische Elektronik gewährleistet. Sensorische Eigenschaften werden erzielt, indem funktionelle Tinten auf vielfältigen teils flexiblen und dehnbaren Substraten wie PET, PEN, PI, TPU oder anderen auch biologisch abbaubaren Materialien verdruckt werden.

Durch die Verwendung additiver Rolle-zu-Rolle-Herstellungssysteme, wie sie auch im Zeitungsdruck genutzt werden, kann dies sehr kosteneffizient und energiesparend durchgeführt werden, nahezu ohne limitierende Anforderungen der Technologie und mit sehr hoher Flexibilität im Design. Gerade Sensoren profitieren hiervon. Im Druckverfahren lassen sich beispielsweise heute schon Druck-, Temperatur-, Feuchtigkeits- und Gassensoren produzieren. Zusätzlich können mehrere Sensoren auf einem Substrat platziert werden, um ortsaufgelöste Messungen zu erzielen. Durch die flexible Anpassbarkeit der Sensorik lassen sich diese sowohl in Massenprodukten mit bis zu Milliarden Stückzahlen sowie auch maßgeschneidert für Anwendungen, die sonst gar nicht adressiert werden könnten, verwenden. Gerade die freie Anpassbarkeit macht einen wirtschaftlichen Einsatz teilweise auch ab Losgröße 1 möglich.

Gedruckte Elektronik
Der internationale Fachverband für organische und gedruckte Elektronik OE-A fasst unter gedruckter Elektronik einen neuen Typ von elektronischen Komponenten und Systemen zusammen, der in industriellen Druckverfahren hergestellt wird. Dazu werden elektrisch leitende und isolierende Tinten auf großflächigen Folien aus Kunststoff, Papier oder Glas aufgetragen. So hergestellte Elektronikkomponenten gelten als leicht, dehnbar, dünn und robust. Die Fertigungsmethode kommt u.a. für organischen Transistoren, ICs, Sensoren, Lichtquellen, Solarzellen und Displays infrage. Anwendungen sieht die OE-A in allen großen Märkten von der Konsumelektronik über medizinische Wearables bis zur Automobilindustrie.

 

Anwendungsbereiche

Ein gutes Beispiel für die Leistungsfähigkeit der Technologie ist der Sensor »OccluSense« vom Zahntechnikhersteller Dr. Jean Bausch. Hierbei ist es gelungen 1200 Drucksensoren, jeder kleiner als ein Quadratmillimeter, in einem 60 µm dicken Artikulationspapier, dem Papier zum Markieren der Berührpunkte von Zähnen beim Zubeißen, zu integrieren. Das wäre mit klassischen elektronischen Komponenten nicht möglich. Das System wird heute von Zahnärzten eingesetzt, um die Druckverteilung beim Zubeißen zu bestimmen.

Zahntechnik ist nicht der einzige Einsatzbereich für gedruckte Elektronik. In der Zukunft werden gerade die Branchen Healthcare, Retail & Logistics sowie SmartCity und Automotive enorm profitieren. Zusätzlich ist durch den Einsatz in IIoT-Systemen der Produktion eine stark vermehrte Zunahme an Sensorik zu erkennen. Gerade die gedruckte Sensorik überzeugt hier durch die sehr freie Einsetzbarkeit. Mit anderen Worten, überall dort, wo flächendeckend Sensoren eingesetzt werden können, ist die gedruckte Elektronik der Enabler für Wirtschaftlichkeit und individuelle Anpassbarkeit. Denkbar sind großformatige Auflagen für Krankenbetten zur Prävention von Dekubitus, intelligente Sitze in Fahrzeugen, die nicht nur erkennen, dass der Sitz belegt ist, sondern auch ob es ein Kind oder ein Erwachsener ist; und wie müde die Person ist. Lagerverwaltungssysteme, bei denen das Regal selbst erkennt, ob es belegt ist und dies unabhängig von der Bestandsführung; sowie intelligente Verkehrsleitsysteme mit Flächensensorik; Gebäude, die die Feuchtigkeit in Wänden selbst messen und mit intelligenten Fußböden ausgestattet sind, die selbst detektieren, wer über sie läuft; oder künstliche Roboterhäute die Roboter-Mensch-Interaktion in Produktionssystemen ermöglicht – all dies rückt in greifbare Nähe.

Prototypenerstellung und Serienfertigung

Bei all den Vorteilen handelt es sich bei der gedruckten Elektronik aber nach wie vor um eine neue Technologie. Die Entwicklung der Technologie ist aufwendig, da es noch keine standardisierten Werkzeuge für Entwickler gibt. Dies steht im direkten Gegensatz zu der klassischen Elektronikentwicklung mit z.B. standardisierten ASIC-Process-Design-Kits.
Die zielgerichtete Entwicklung außerhalb der Standards wird derzeit nur von wenigen beherrscht. Um diese Lücke zu schließen, hat die Firma InnovationLab das »LAB-to-FAB«-Konzept etabliert. Dabei stehen Experten im Bereich der gedruckten Elektronik zur Verfügung, um bei Bedarf Komponenten der gedruckten Elektronik im Prototyp zu realisieren, die Produktion zur kommerziellen Produktion zu skalieren und diese unter anderem gemeinsam mit der Heidelberger Druckmaschinen AG auch in Massen zu produzieren. Die Kooperation ermöglicht erstmals die Entwicklung und Herstellung kundenspezifischer Drucksensoren im industriellen Maßstab und zu wirtschaftlichen Kosten. Einer Produktion im Dreischichtbetrieb mit einem Durchsatz von bis zu 160 m/min an gedruckter Elektronik steht so nichts im Wege.

 

Der Autor

 

Christoph Kaiser vom KIT
Dr. Christoph Kaiser vom KIT
© KIT

Dr. Christoph Kaiser

ist promovierter Elektroingenieur und hat sich während seiner akademischen Ausbildung an der Fachhochschule Kaiserslautern sowie am Karlsruher Institut für Technologie mit der Mikrosystemtechnik beschäftigt. Vor seiner Position als Leiter der Tech-2-Market-Abteilung war er zwei Jahre lang als Leiter des Bereichs Technologiekooperationen tätig. Seine Expertise umfasst fünf Jahre am Fraunhofer ITWM, wo er das Anwendungszentrum


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