Polymere Elektronik 10.12.2004, 18:35 Uhr

Polymerelektronik – preiswerte Technologie aus der Druckerpresse

VDI nachrichten, Frankfurt, 10. 12. 04 -Der VDMA, Hort der deutschen Maschinenbauer, setzt auf organische Halbleiter aus der Druckerpresse. Nach dem ersten Polymerelektronik- Kongress Ende Oktober wurde nun am 8. Dezember der Arbeitskreis „Organic Electronics Association“ gegründet.

Die „organische Elektronik“, angelsächsisch auch „printable electronics“ genannt, entwickelt derzeit weltweit beträchtliche Aktivitäten in Forschung, Fertigung und Marketing. Im Hinblick auf breite neue Einsatzfelder, die tief in die Warenwirtschaft und Verbrauchergewohnheiten eingreifen werden, ist das eine Art vorauseilender Gehorsam. Denn organische Displays (OLEDs) und RFID-Tags auf Polymerbasis bieten da bislang nur vage Konturen.
Allerdings käme eine neue Mikroelektronik mit organischen Transistoren, Leuchtdioden und Solarzellen gerade recht, allein um die horrend teure lithographische Reinraumfertigung auf Siliziumbasis und ihre Monate lange Vorlaufzeit vom Design zum fertigen Chip zu verbilligen und abzukürzen.
160 Teilnehmer kamen daher Ende Oktober zum kleinen, aber feinen, visionär fokussierten VDMA-Kongress „Zukunftstechnologie Polymerelektronik“ nach Erding bei München. Mit den Fraunhofer-Instituten IZM (München) und IAP (Potsdam), den britischen Firmen Merck Chemicals und Avecia, mit Philips Research, der TU Chemnitz, KSW Microtec in Dresden, der Festo AG und Siemens A&D, MAN Roland Druckmaschinen und PolyIC aus Erlangen waren neben dem BMBF als zentraler Förderinstanz alle derzeitigen Exponenten der Polymerelektronik versammelt. Für den euphorisch langfristigen Marktausblick auf ungeahnte Stückzahlen bei RFID und „smart packaging“ sorgte die britische Consulting-Firma IDTechEx Ltd.
Das ist die Grundidee: Mit heute gängigen Offsetdruckerpressen ließen sich die einzelnen Funktionsschichten organischer Halbleiter auf breiten Bahnen massenhaft übereinander drucken – von der Rolle. In einer halben Stunde, so Arved Hübler, Professor an der TU Chemnitz, wäre in Zukunft per Rotogravur die Jahresproduktion einer stattlichen Waferfab mit 8000 Waferstarts pro Woche zu erledigen – einfach, schnell und sauber. Sozusagen im Hinterhof. Oder gleich im Copyshop bei der Dönerbude. Um gerecht zu sein: Der Vergleich bezieht sich auf die bedruckte Fläche. An Hüblers Institut für Print- und Medientechnologie wurde vor Jahresfrist mit weltweitem Medienecho der erste Transistor per Massendruck realisiert. Inzwischen kann man dort organische Feldeffekt-Transistoren (FETs) mit 40 bis 120 µm Gate-Länge drucken, mit Versorgungsspannungen um 15 Volt.
Wenn das reicht als saftig grün organischer Appetitanreger, dann wird es Zeit für die vielen noch ungelösten Herausforderungen der polymerbasierten Elektronik – die sich im Übrigen nicht auf die Drucktechnik beschränkt, wie der Kongressorganisator Klaus Hecker betont: „Die Polymerelektronik ist mehr als Drucktechnik vom Verfahren her, und mehr als RFID-Tags von der Anwendung.“ Auch Spin-on aus der Lösung und Aufdampfen sind zukünftige Prozessvarianten.
Das grundsätzliche Handicap der organische Halbleiter: ihre im Vergleich zum Silizium sehr viel geringere Ladungsträgermobilität. Bei relativ großen Schaltungsstrukturen von einigen zehn Mikrometern (richtig „nano“ werden die organischen FETs wohl nie werden) sind niedrige Schaltgeschwindigkeiten (heute maximal 600 kHz), unzureichende Schaltschwellen und hohe Versorgungsspannungen (um 50 V) die Folge. Das ist noch kaum RFID-geeignet. Denn gedruckte Antennen geraten dabei viel zu groß. Erst bei 13,56 MHz würden die Anwenderbedingungen erfüllt – wenn die Funketiketten für 1 Cent pro Stück produzierbar sind. Erst dann käme die universelle „item-level“-Kennung aller Produkte und ihre „smarte“ logistische Vernetzung von der Fertigung bis zum individuellen Gebrauch.
Alles das, sagt Wolfgang Mildner von PolyIC, führt zu unterschiedlichen Positionierungen künftiger Polymer- und Siliziumchips im Markt. Für die gedruckte Elektronik heißt das: relativ niedrige Komplexität (1000 Transistoren pro Chip), mechanische Robustheit, Flexibilität und extreme Flachheit, sowie Systemkosten zwischen einem und zehn Cent. Siliziumchips hingegen passen in komplexe Systemanwendungen mit hoher Schaltungsdichte und hoher Fertigungsausbeute. Die Systemkosten können dementsprechend deutlich höher tendieren und bis zu einigen zehn oder hundert Euro pro Stück ausmachen.
Polymer-FETs auf flexiblem Polyestersubstrat, mit Source und Drain aus konjugiertem P3AT-Polymer, Isolatorschichten aus Poly-Hydroxystyrene (PHS) und Gate-Elektrode aus Polyanilin (PAnl) sind laut Mildner „die grundlegenden Elemente für integrierte Plastikchips.“
Wenn es schon so etwas wie eine organische Roadmap gibt, dann steht sie derzeit bei der Materialoptimierung und ersten Logikschaltungen mit wenigen Transistoren (Ringoszillatoren). Als nächstes käme die Optimierung der Fertigung. Alles in einem Zeithorizont von sechs bis acht Jahren, der von ersten aktuellen Produkten (wie einem intelligenten Temperatursensor von KSW Microtec) bis zu den echten, Epoche machenden Massenprodukten reicht. Die Funketiketten werden dafür die Wegbereiter sein. Klaus Hecker vom VDMA: „Es gilt jetzt alle Kräfte zu bündeln.“ Deutschland und Europa haben reelle Standortchancen.
WERNER SCHULZ

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