Materialien für die Polymerelektronik

Prozesstechnik – Organische Photovoltaik – Organische Leuchtdioden

Nachbericht

Branchen- und prozesskettenübergreifender Wissenstransfer für Plastic Electronics

Prozesstechnik, Leuchtdioden und Photovoltaik hießen die Leitthemen des Cluster-Forums „Materialien für die Polymerelektronik“ am 6. November 2008 in der Stadthalle Fürth. Mehr als 90 Teilnehmer aus den Branchen Chemie, Elektronik/Mikrotechnologie, Automobil, Energietechnik und aus der Forschung besuchten die vom Cluster Neue Werkstoffe in Zusammenarbeit mit dem Cluster Energietechnik und dem Netzwerk BAIKEM veranstaltete Kooperationsplattform der Bayern Innovativ GmbH in Fürth.

Organische Elektronik, Polymerelektronik oder Plastic Electronics – was steht eigentlich hinter diesen Begriffen? Vereinfacht gesagt übernimmt bei dieser Technologie Kunststoff elektrische oder elektronische Funktionen. Noch bis 1977 waren Polymere mit elektrischer Leitfähigkeit unbekannt. Erst die Forschung der späteren Nobelpreisträger Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa führte zu der Vision von Plastic Electronics.
Die Pioniere dachten nicht nur daran, mit organischen Materialien neue Funktionalitäten einzuführen, sie wollten eine ganz neue Technologie entwickeln – für integrierte Halbleiterstrukturen, Leuchtdioden, Photovoltaikzellen oder Sensoren auf Basis organischer Materialien.
Dafür sind jedoch integrierte Entwicklungsansätze erforderlich, wie zu Beginn des Cluster-Forums Prof. Dr. Peter Strohriegel, Universität Bayreuth, und Dr. Johannes Canisius, Merck Chemicals Ltd. Southampton, erläuterten. Beide zeichneten auch Perspektiven für völlig neue Möglichkeiten beim Design von elektronischen Bauteilen, für großflächige Anwendungen und für eine kostengünstige Produktion von Plastic Electronics auf.

Gedruckte Elektronik
Eine dieser Visionen ist die gedruckte Elektronik. Diese beruht auf großtechnischen Druckverfahren – mit dem Unterschied, dass anstelle von Farben funktionelle Materialien aufgebracht werden. Um auf diesem Weg elektronische Bauteile herzustellen, müssen beispielsweise das Schaltungsdesign, die Materialien und das eingesetzte Druckverfahren aufeinander abgestimmt entwickelt und optimiert werden.
Prof. Dr. Reinhardt R. Baumann, TU Chemnitz, erläuterte die Potenziale des Inkjetdruckes. Basieren Massendruckverfahren wie Offset- oder Tiefdruck auf dem Prinzip „Eine Schablone – viele Bilder“, nutzt der Inkjetdruck das Prinzip „eine Vorlage – ein Bild“ und zeichnet sich somit durch hohe Flexibilität aus.
Gerhard Klink, Fraunhofer-IZM, erläuterte die Herstellung gedruckter Elektronik in kontinuierlichen Prozessen. Diese Mirkofabrikation auf Folie benötigt eine Prozessierbarkeit, die weitgehend frei von Aufbauschritten ist und „Rolle-zu-Rolle“ Beschichtungs- und Strukturierungsmethoden nutzen kann. Zum Einsatz kommen verschiedenste Konzepte: von reinen Polymerelektroniken bis hin zu Hybridsystemen. Ob sich die im Printbereich etablierten Geschwindigkeiten 1:1 auf die gedruckte Elektronik übertragen lassen, ist derzeit allerdings noch fraglich.
Den Stand der industriellen Entwicklung von Produkten im Bereich der Plastic Electronics veranschaulichte Dr. Henning Rost, PolyIC GmbH. Das Unternehmen stellt RFID-Tags in einem kombinierten Rolle-zu-Rolle Prozess her. Pilotanwendungen der PolyIC GmbH im Bereich elektronischer Tickets und Gutscheine zeigen das Potenzial dieser Technologie.
Bei der Strukturierung von Plastic Electronics liefert die Forschung neue Impulse. Ein Schwerpunkt der Arbeit von Prof. Dr. Marcus Halik, FAU Erlangen-Nürnberg, liegt auf der Fähigkeit von Molekülen zur Selbstorganisation. Diese kann genutzt werden, um elektrische Schaltungen durch selbstorganisierte Monolagen, also Molekülfilme im nm-Bereich, aufzubauen.

Organische Photovoltaik
Als bedeutender Zukunftsmarkt für den Einsatz der Plastic Electronics gilt die organische Photovoltaik (OVP). Entsprechende Solarzellen nutzen organische Materialien, beispielsweise in farbstoff-sensitivierten Zellen, als Donor- oder Akzeptormaterialien, oder in organisch-anorganischen Hybridsystemen zur Stromerzeugung. Solche Werkstoffe lassen auch hier den Einsatz von Drucktechnologien zu. Damit kann die „Solarzelle von der Rolle“ schon in naher Zukunft Realität werden, wie Dr. Ulrich Schindler, Leonhard Kurz Stiftung & Co. KG zeigte. Er wies aber auch darauf hin, dass noch einige Entwicklungsarbeit notwendig ist, um ein marktfähiges Produkt herzustellen. Eine dieser Herausforderungen liegt in der Erhöhung des derzeit im Labor erreichten Wirkungsgrades von 5 %. Verbesserungen können neue Materialkonzepte liefern, wie Prof. Dr. Jens Pflaum, Universität Würzburg, an kristallinen organischen Materialien als photoaktive Schicht zeigte. Diese benötigen zwar aufwändige Prozessierungstechnologien, haben aber durch ihre strukturelle Ordnung bessere Transporteigenschaften für die Ladungsträger.
Ein weiteres Forschungsgebiet sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Ausgangsmaterial für die organische Photovoltaik. Prof. Dr. Dirk M. Guldi, FAU Erlangen-Nürnberg, stellte vor, wie die Prinzipien der Photosynthese auf die Materialentwicklung mit Kohlenstoffstrukturen übertragen werden können.

Organische Leuchtdioden
Wie die OVP gelten organische Leuchtdioden (OLED) als Zukunftsmarkt – mit denselben Chancen und Herausforderungen. Einsatzgebiete liegen in erster Linie bei Bildschirmen, Displays und großflächigen Beleuchtungen. Auch hier können Drucktechnologien verwendet werden, um den Schichtaufbau der flachen Leuchtelemente zu realisieren,
Das wachsende Verständnis der physikalischen Vorgänge im Bereich der Lichterzeugung ermöglicht, Optimierungsparameter zu identifizieren und gezielte Verbesserungen vorzunehmen. Eine wichtige Stellschraube ist die Lichtauskopplung aus dem Schichtsystem der OLEDs. Die vorhandenen Möglichkeiten zeigte Prof. Dr. Wolfgang Brütting, Universität Augsburg, auf. Er betonte, dass bislang nur etwa 20 % der Photonen aus der OLED ausgekoppelt werden.
Prof. Dr. Hartmut Yersin, Universität Regensburg, erläuterte orbitaltheoretische Betrachtungen zum besseren Verständnis von OLED-Materialien. Rückschlüsse auf die Effizienz lässt vor allem die Molekülsymmetrie der Emittersubstanzen zu.
Dr. Karsten Heuser, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, schlägt für die Markteinführung von OLEDs ein mehrstufiges Modell vor: Auf erste Pilotprodukte als Lichtkunst folgen Luxusartikel, bevor mit funktionellem Beleuchtungsdesign der Volumenmarkt angesprochen wird. OSRAM ist den ersten Schritt durch eine Zusammenarbeit mit dem Lichtkünstler Ingo Mauer bereits gegangen: Eine Tischleuchte aus OLEDs wird als limitierte Edition angeboten.

Netzwerkgedanke
Die Chancen für weitere erfolgreiche Entwicklung und neue Anwendungen von Plastic Electronics beflügeln die Akteure in Forschung und Industrie. Gleichzeitig verdeutlichten sie, dass die Herausforderungen nur durch Zusammenarbeit erfolgreich gemeistert werden können – ein Netzwerkgedanke, der ganz im Sinne des Clusters Neue Werkstoffe ist, der sich diesbezüglich als Türöffner zu bayerischen Werkstoffkompetenzen und weiteren relevanten Disziplinen und Branchen versteht. Dieser Ansatz wurde auch in der begleitenden Ausstellung deutlich durch die Beteiligung der Organic Electronics Association, des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials“ der FAU Nürnberg-Erlangen und des Clusters „Forum Organic Electronics“ der Region Rhein-Neckar einem der Sieger der ersten Runde des BMBF-Spitzencluster-Wettbewerbs.