Funktionsdruck für elektronische Massengüter
Die organische und gedruckte Elektronik steht an der Schwelle zur industriellen Massenfertigung. Sie verspricht eine Vielzahl von leichten, dünnen, flexiblen und robusten Produkten, die sich äußerst kostengünstig herstellen lassen – durch die funktionale Umwidmung etablierter graphischer Druckverfahren. Funktionsdruck ermöglicht die Strukturierung sehr dünner Schaltungskomponenten, Halbleiter, Isolatoren und Laminierungen (“barriers”) auf flexiblen Kunststoffsubstraten. Eine Vielzahl innovativer Produktideen zeichnet sich ab: organische Solarzellen, flexible Displays und großflächige OLED-Leuchtelemente, E-Books, extrem flache Batterien, RFID-Etiketten, Sensoren und Aktuatoren zur Integration “ambienter Intelligenz” in Textilien und Intelligente Verpackungen – sogar preisgünstige Einwegprodukte zum einmaligen Gebrauch.
Lope-C 2010 (Large-area, Organic and Printed Electronics Convention), die jährliche Konferenz und Ausstellung der OE-A, wird vom 31. Mai bis 2. Juni 2010 im Congress Center Messe Frankfurt die wirtschaftlichen Trends, die neuesten Prozesstechnologien und Applikationen einem weltweiten Fachpublikum von Technologen, Investoren und Anwendern demonstrieren.
Elektronik von der Rolle
Der Funktionsdruck von Massenprodukten der organischen Elektronik basiert auf diversen, rasch evolvierenden Druckverfahren. Flexographischer Druck, eine Variante des Hochdrucks, transferiert funktionale Tinten von einer erhabenen Druckform auf z.B. Plastiksubstrate. Eine Alternative dazu ist Tiefdruck (Gravur): Das zu druckende Muster ist definiert durch winzige, in den Druckzylinder eingravierte, mit Tinte gefüllte Vertiefungen. Gravurdruck arbeitet mit hohem Anpressdruck und kann lokal unterschiedliche 
Schichtdicken erzeugen. Auch Offset, als weit verbreitete Flachdruckmethode für Massendrucksachen, ist für die organische Elektronik eine Option. Offset liefert ausgezeichnete Auflösungen bei höchstem Durchsatz.
Auch der Siebdruck hat für die Massenfertigung organischer Elektronik großes Potential. Siebdruck wird schon lange zur Strukturierung von gedruckten Leiterplatten traditioneller elektronischer Systeme eingesetzt und kommt nun auch in der organischen Elektronik vielfach zum Einsatz: Das zu druckende Muster ist definiert durch eine auf ein feinmaschiges Sieb aufbelichtete Maske. Durch die offenen Bereiche der Maske wird funktionale Tinte auf das Substrat gedrückt. Rotationssiebdruck ermöglicht das Aufbringen sehr dicker funktionaler Schichten in Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
“Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren eröffnen neue Wege in der Massenproduktion organischer Komponenten und Systeme”, sagt Dr.Christian Maas von der Werner Kammann Maschinenfabrik in Bünde. “High-end Screen Printing ist eine vielseitige Ausgangsbasis für hoch produktive Druck- und Beschichtungs- vorgänge.” Dazu zählen, sagt Maas, äußerst feine und gleichmäßig strukturierte Elektroden für Defibrillatoren und Glukose-Teststreifen für die Medizintechnik, kundenspezifische, flexible Batterien für kleine tragbare Kommunikationsgeräte, Antennen für RFID-Etiketten sowie Dichtmaterialien für die Automobilfertigung.
Einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Druck- und Strukturierungstechnologien der organischen Elektronik und Zeitmarken zukünftiger Anwendungen gibt die in dritter Edition vorliegende “OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics” der Organic Electronics Association (OE-A).
Inkjet mit hohem Durchsatz
Ein weiterer starker Wettbewerber beim Drucken organischer Elektronik ist das aus der Büroumgebung bekannte Inkjet- Verfahren. Inkjet versprüht feinste Tropfen funktionaler Tinten mittels thermischer oder piezoelektrischer Effekte gezielt auf das Substrat und formt damit die Schaltungsmuster. Gegenwärtig erzielt man Auflösungen in der Größenordnung einiger Mikrometer. Inkjet ist überdies ein digitales Druckverfahren: Jedes einzelne Druckexemplar lässt sich mit unterschiedlichen Layouts und Signaturen, etwa mit fortlaufenden Nummern, modifizieren. Individualität trotz Massenproduktion.
“Inkjet hat eine glänzende Zukunft bei der Deposition digitaler Materialien auf organischen Substraten”, sagt Martin Schoeppler, CEO und Präsident von Fujifilm Dimatix im kalifornischen Santa Clara. Mit mehreren parallelen Druckköpfen lässt sich der Durchsatz stark steigern. Das macht Inkjet zu einem hoch qualitativen Massendruckverfahren. “Die Einsatzmöglichkeiten”, sagt Schoeppler, “reichen von Polymerfilmen für Solarzellen, polymer-basierten Leuchtelementen, E-Books, papierähnlichen elektronischen Produkten bis zur intelligenten Verpackung von Konsumgütern mit aufgedruckten interaktiven Displays.”
Beschichtung und Versiegelung
In der organischen Elektronik kommt eine Vielzahl weiterer Strukturierungstechniken zum Einsatz, die von hoch spezialisierten Unternehmen weltweit vorangetrieben werden: Laserablation, Vakuum-Deposition, Soft-Lithography und großflächige optische Lithographie. Auch Lösungsmittel- basierte Beschichtungen, wie Slot-die, Wire-bar oder Curtain Coating, sind im Gebrauch. Zudem zeigen Vakuumverfahren großes Potential für die großflächige Beschichtung von Rolle zu Rolle und werden gegenwärtig bei Fraunhofer IPMS in Dresden erforscht und entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist die Deposition organischer Funktionsschichten für die Photovoltaik- und OLED- Leuchtelemente auf flexiblen Substraten.
Eine weitere Alternative ist die Plasma-basierte Pulverbeschichtung flexibler Substrate mit feinsten Mikro- und Nanopartikeln. Sie wird derzeit bei Reinhausen Plasma in Regensburg entwickelt. “Plasmadust”, so die Bezeichnung dieses Prozesses, verwendet metallisch partikuläre Materialien wie Al, Cu und Zn, oder auch Polymere. Damit werden hohe Depositionsraten bei gleichzeitig geringer thermischer Belastung des Substrats erzielt. Unter den Anwendungen sind Plasma- und Laser-Sinterprozesse, die Metallisierung von Wafern für Solarzellen und die Herstellung von Dünnfilmbatterien und Brennstoffzellen.
“Electronics Everywhere”
Die organische und gedruckte Elektronik eröffnet mit den genannten großflächigen Fertigungsverfahren eine Vielzahl neuer funktionaler und gestalterischer Möglichkeiten für attraktive, Consumerprodukte und intelligente Verpackungen. Die ersten interaktiven Massenmedien, als Kombination von Print- und Online-Content, erscheinen derzeit am Markt. Ganz oben auf der Agenda sind auch medizintechnische Applikationen, organische Solarzellen und effiziente OLED- Lichtquellen.
Der mittelfristige Ausblick für die organische und gedruckte Elektronik geht aus dem OE-A Roadmap White Paper (3. Edition 2009) hervor. Die aktuellen Fortschritte bei Produkten und Prozessen demonstriert die kommende Konferenz und Ausstellung Lope-C 2010 vom 31. Mai bis 2. Juni 2010 in Frankfurt.
