Gedruckte Elektronik

Das Schweizer Technologie-Innovationszentrum CSEM mit Standorten in Allschwil, Alpnach, Bern, Landquart, Neuenburg und Zürich beschäftigt sich bereits seit mehreren Dekaden mit gedruckter Elektronik. «Anfangs ging es darum, Verfahren zu entwickeln, um gedruckte Elektronik für neuartige Anwendungen prinzipiell herstellen zu können», erklärt Felix Kurth, Gruppenleiter der Abteilung Biosystems Engineering. Forscherinnen und Forscher experimentierten mit verschiedenen Materialien und entwickelten Grundlagen für spätere Anwendungen. Heute ist die Forschung deutlich spezifischer geworden. Das CSEM arbeitet unter anderem an miniaturisierten und dreidimensionalen Druckapplikationen – etwa für Diagnostiksensoren, Solarzellen oder die Raumfahrt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Nachhaltigkeit. Zum Beispiel kommen anstelle von Silber, das wegen seiner Leitfähigkeit häufig für gedruckte Elektronik eingesetzt wird, zunehmend Alternativen wie Kupfer, Kohlenstoff oder Graphen zum Einsatz. Felix Kurth: «In der Photovoltaik geht es etwa darum, diese Leiterbahnen aus nachhaltigen Materialien druckbar zu machen und deren Leitfähigkeit zu optimieren.» 2023 gelang Forscherinnen und Forschern an der britischen Universität Swansea erstmals der 3D-Druck von Solarmodulen aus Perowskit. Dieses Mineral kann das Sonnenlicht extrem gut einfangen und in elektrische Energie umwandeln. Die Solarzellen sind dünn und biegsam und sehen ähnlich wie eine Frischhaltefolie aus.

Medizintechnik als Wachstumsfeld

Aus Sicht des CSEM liegt eines der grössten Wachstumsfelder aber eindeutig in der Medizintechnik und der Diagnostik. «Intelligente Sensorpflaster, Glukosesensoren oder Elektroden zur Messung elektrischer Signale – all diese Anwendungen könnten durch gedruckte Elektronik deutlich kostengünstiger hergestellt werden», sagt Felix Kurth. Heute werden solche Sensoren mit Materialien wie Platin noch aufwendig gefertigt. Mit gedruckter Elektronik bräuchte man sehr viel weniger Material, und die Fertigungstechnik wäre simpler. Auch Kundisch hat die Medizintechnik im Visier. Das Unternehmen mit Sitz im deutschen Villingen-Schwenningen ist innerhalb des Schweizer Technologiekonzerns Phoenix Mecano mit Sitz in Stein am Rhein auf Eingabesysteme spezialisiert und betreut seit rund sechs Jahren auch die Sparte der gedruckten Elektronik. Hendrik Bergau, bei Kundisch verantwortlich fürs Marketing und zuständig für die technische Projektleitung: «Bereits anwendungsreif sind Sensoren, die direkt mit der Haut verbunden werden.» Sie können zum Beispiel in eine EEG-Haube oder in ein Pflaster integriert werden, um verschiedene Körperfunktionen zu messen. «Aktuell sind EEG-Hauben noch teuer und aufwendig in der Herstellung, weil Kupfer verdrahtet werden muss. Gedruckte Elektronik reduziert sowohl den Verdrahtungsaufwand als auch den Kupferbedarf.» Solche Sensoren könnten auch in Textilien eingearbeitet werden, zum Beispiel in Kleidungsstücke zur Muskelstimulation. Dehnbare Materialien wie thermoplastisches Polyurethan (TPU) – ein weicher Kunststoff, der häufig in der Medizin eingesetzt wird – lassen sich ebenfalls schon bedrucken. Hendrik Bergau: «Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten für tragbare Sensorik.»

Vielseitige Anwendungen

Ein weiteres Einsatzgebiet von Kundisch sind transparente Heizfolien. Verwendung finden sie zum Beispiel in Brillen oder industriellen Kamerasystemen. Sie verhindern das Beschlagen oder Vereisen optischer Flächen. «Wir strukturieren die Heizleistung so, dass sie sich optimal im Sichtbereich verteilt», erklärt Hendrik Bergau, und er liefert das anschauliche Beispiel eines Eisbrechers, der in der Antarktis unterwegs ist. «Am Bug des Schiffs befindet sich eine Leuchte. Früher lieferte eine Glühbirne das Licht. Ihre Wärmeabstrahlung verhinderte zugleich das Vereisen der Glashaube dieser Leuchte.» Als Glühbirnen vom Markt verschwanden, musste der Besitzer des Eisbrechers auf LED-Leuchtmittel ausweichen – und die geben bekanntlich keine Wärme ab. Die Lösung von Kundisch war eine in die Glashaube eingearbeitete, transparente Heizfolie.

Technische Herausforderungen bleiben

Trotz aller Fortschritte gibt es aber noch einige technische Hürden zu überwinden. Eine der grössten Herausforderungen ist laut Felix Kurth vom CSEM die Herstellung hochleitfähiger Leiterbahnen, die ihre Leitfähigkeit auf allen Trägermaterialien erreichen und behalten. «Das ist noch nicht der Fall», räumt er ein. Ein weiteres Problem stellen die verwendeten Tinten dar: Erst durch Erhitzen – das sogenannte Sintern – verbinden sich die Partikel einer Tinte nämlich zu einem durchgehenden, stromleitenden Netzwerk. Dafür sind jedoch in der Regel Temperaturen von 200 Grad oder mehr nötig. Viele Substrate schmelzen aber bereits bei 70 bis 140 Grad. «Deshalb suchen wir nach Wegen, Sinterungsverfahren so zu verändern, dass sie ohne extreme Hitze auskommen», erklärt Felix Kurth. Zudem wird an neuen Substraten geforscht, die mit den verschiedenen Sinterungsverfahren kompatibel sind. Auch Hendrik Bergau von Kundisch sieht hier das grösste Problem: «Das Know-how aufzubauen, damit elektronische Bauteile und Basismaterialien dauerhaft verbunden bleiben, ist noch eine Herausforderung.»

Potential noch nicht ausgeschöpft

Der Markt für gedruckte Elektronik ist da, aber noch sind die Dimensionen überschaubar. «Bei Kundisch macht der Anteil gedruckter Elektronik am Gesamtumsatz derzeit etwa fünf bis zehn Prozent aus», schätzt Hendrik Bergau. «Aber ich bin überzeugt: Dieser Anteil wird in den nächsten Jahren stark wachsen. Denn aktuell befinden sich viele unserer Produkte in der Anfangsphase der Serienproduktion.» Adriaan Spierings, Ressortleiter Industriesektoren bei Swissmem, dem Verband der Schweizer Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie, erachtet Print-Technologien ebenfalls als vielversprechend. «Sie sind ganz grundsätzlich ein Forschungs- und Entwicklungsthema für eine sehr breite Vielfalt an industriellen Anwendungen. Das geht wohl weit über den konventionellen 3D-Druck hinaus», sagt er. «Deshalb bin ich persönlich davon überzeugt, dass auch gedruckte Elektronik ein grosses Potential besitzt.» Vor allem das Drucken von Leiterbahnen, Sensoren und einfachen elektronischen Bauteilen eröffnet laut ihm neue Möglichkeiten: zum Beispiel für die Energiegewinnung, funktionalisierte Textilien oder gedruckte Kondensatoren. «Allerdings», so Adriaan Spierings, «ist die Thematik noch zu wenig in der breiten Industrie angekommen. Das dürfte unter anderem damit zusammenhängen, dass sie eben noch stark forschungslastig ist.» Die entscheidende Frage sei, wie gross das Marktpotential tatsächlich ist. «Der Markt ist durchaus gross, aber es wird wohl noch einige Zeit in Anspruch nehmen, das Potential von gedruckter Elektronik zu erschliessen.»

Mehrschichtige Leiterplatten als Ziel

Einen weiteren wichtigen Entwicklungsschritt dafür sieht Felix Kurth vom CSEM in mehrschichtig bedruckten Leiterplatten. «Gedruckte Elektronik wird derzeit häufig in einzelnen Lagen aufgetragen. Für grösseren Erfolg in gewissen Anwendungen sind aber mehrschichtige Leiterplatten oder Platinen wichtig, vor allem in der Industrie.» Solche Strukturen existieren zwar bereits, haben aber noch grosses Wachstumspotential. Denn aktuell ist das Bedrucken von mehreren Lagen in einer komplexen Architektur noch schwierig. Felix Kurth: «Man muss verschiedene Fertigungstechniken anwenden, um mehrere Lagen getrennt aufzubringen und sie an spezifischen Stellen miteinander zu verknüpfen.» Trotzdem ist auch er überzeugt: «So wie der 3D-Druck viele neue Möglichkeiten eröffnet hat, so könnte das auch mit komplexer gedruckter Elektronik sein. Es ist auf jeden Fall jede Menge Potential da.»