Das leuchtende Zeitalter
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
OLED-Materialien für 5 Mrd. Euro
Derzeit werden die OLED-Displays in einigen hochwertigen Smartphones verwendet; hier werden Stückzahlen von einigen hunderttausend Geräten pro Jahr erreicht. Dies scheint auf den ersten Blick eine beachtliche Menge zu sein. Bei smarten Verpackungen (Bild 4) werden jedoch Milliardenstückzahlen zu bewältigen sein, was technisch und wirtschaftlich optimierte Fertigungstechnologien erforderlich macht.
Bei einer PET-Getränkeflasche mit Kunststoffschraubverschluss etwa sind Hochleistungswerkstoffe, 3D-Lasersintern von komplexen Formteilen aus Metallen, Robotik und elektrische Antriebstechnik erforderlich, um viele Hundert Milliarden PET-Flaschen pro Jahr wirtschaftlich herzustellen.
Im Bereich der OLED-Anwendungen wird ein Wachstum des Markts für OLED-Materialien von 360 Mio. Euro im Jahr 2012 auf mehr als 5 Mrd. Euro im Jahr 2019 erwartet (NanoMarkets, 2011). Diese Zahlen verdeutlichen das enorme Marktpotenzial dieser neuen Technologie, machen aber zugleich auch die Notwendigkeit der Entwicklung eines kostensparenden, massentauglichen Produktionsprozesses deutlich.
Die Vorteile gedruckter Elektronik
Aufgrund ihres hohen Entwicklungsstands und der großen Vielfalt von verfügbaren Verfahren und Verfahrensvarianten eignen sich Massendruckverfahren ideal zur Herstellung von Anwendungen der organischen Elektronik. Die Fertigung der elektronischen Bauteile erfolgt in einem additiven Prozess: Die einzelnen Materialien werden nacheinander Schicht für Schicht (Leiter, Isolationsschicht, Halbleiter) auf das Substrat aufgebracht. Auf diese Weise können elektronische Bauteile auf einem so niedrigen Kostenniveau hergestellt werden, wie man es gegenwärtig nur von Produkten aus Papier kennt. Zudem erlauben die verwendeten leitfähigen Tinten und organischen Materialien die Verarbeitung auf unterschiedlichen Substraten, die nicht notwendigerweise eben und dünn sein müssen. Mit der Möglichkeit, direkt auf gewölbte oder flexible Oberflächen zu drucken, lassen sich dünne Displays, Bedienelemente und Lichtquellen auf Armaturenbrettern, Fahrradhelmen, Säulen auf Bahnsteigen und anderen ungewöhnlichen Objekten aufbringen.
Die Vorteile gedruckter Elektronik liegen auch in einer Beschränkung auf additive Prozesse; häufig werden weniger Fertigungsschritte benötigt, was die Produktion vereinfacht. In der klassischen Halbleiterfertigung werden oft Schichten großflächig aufgebracht und erst anschließend, beispielsweise durch chemisches Ätzen oder Laserablation, strukturiert. Zudem sind zusätzliche Hilfsschichten als Masken erforderlich, die ebenfalls wieder beseitigt werden müssen. Additive Herstellungsverfahren vermeiden den Einsatz scharfer Ätzmittel und anderer, teilweise heikler Materialien und Chemikalien, die bei klassischen, subtraktiven Prozessen erforderlich sind. Sie sind daher meist einfacher, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher.
Die nur wenige Nanometer dicken, defektfreien und sehr homogenen Schichten in mehreren und übereinander liegenden Lagen auf flexiblen Trägern aus Plastik oder Papier heben die bisherigen Grenzen herkömmlicher Elektronik-Komponenten auf. Die wichtigsten Anwendungsfelder liegen hier in intelligenten Verpackungen, in der Medizintechnik und Pharmaindustrie und im Bereich Unterhaltungselektronik.
Druckverfahren für Elektronik-Bauteile
Statt herkömmlicher, industrieller Druckfarben werden bei der Fertigung von Elektronik-Bauteilen elektronische Funktionsmaterialien eingesetzt. Diese können sowohl dünnflüssig als auch in Form von Pasten verdruckt werden. Von den herkömmlichen, industriellen Druckverfahren kommen in der gedruckten Elektronik hauptsächlich der Inkjet- und Siebdruck sowie die sogenannten Massendruckverfahren (Tief-, Offset- und Flexodruck) zum Einsatz. Während die Massendruckverfahren meist in Kombination mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R – Roll to Roll) eingesetzt werden, werden Inkjet- und Siebdruck eher bei Bogen-Verfahren (S2S – Sheet to Sheet) verwendet. Welches Druckverfahren jeweils genutzt wird, richtet sich nach den Anforderungen an die gedruckten Schichten, den Eigenschaften der aufgedruckten Materialien und nach wirtschaftlichen und technischen Erwägungen.
Massendruckverfahren ermöglichen gleichzeitig hohe laterale Auflösungen bis unter 20 µm, hohe Schichtqualitäten sowie eine große Bandbreite an erreichbaren, einstellbaren Schichteigenschaften und prozessierbaren Materialien. Offset- und Flexodruck eignen sich vornehmlich für organische und anorganische Leiter, Flexodruck darüber hinaus auch für Dielektrika. Der Tiefdruck hingegen wird wegen der hohen erreichbaren Schichtqualität für besonders qualitätssensible Schichten wie organische Halbleiter und Halbleiter-Dielektrikum-Grenzschichten in Transistoren verwendet – wegen der hohen Auflösung aber auch für organische und anorganische Leiter. Im Gegensatz zu Massendruckverfahren wird Inkjet-Druck bevorzugt für organische Halbleiter in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) genutzt. Front Planes und Back Planes von OLED-Displays, integrierte Schaltungen, organische photovoltaische Zellen (OPVCs) und andere Bauelemente und Baugruppen können mit Hilfe des Inkjet-Drucks hergestellt werden.
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