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Wie gedruckte Elektronik die Elektronikindustrie weiter verändert

Elektronik aus dem 3D-Drucker ist eine zukunftsweisende Technologie. Leitfähige Farben haben den Weg für die gedruckte Elektronik geebnet, die heute eine Vielzahl von Anwendungen bedient. Von gedruckten RFID-Tags über Sensoren bis hin zu Touchscreens. Laut IDTechEx wird der Markt für leitfähige Farben und Pasten bis 2025 auf 3,2 Milliarden US-Dollar geschätzt. Schon diese Zahl deutet auf die möglichen Auswirkungen auf den Elektronikmarkt hin.

Membranschalter und Druckkantenelektroden für Touchscreens sind zwei der wichtigsten Anwendungen für die gedruckte Elektronik. Und das obwohl es in einer Vielzahl von Bereichen Wachstum gibt. Leitfähige Materialien haben ihren Weg zu Touchpanels und zum Drucken auf gekrümmten Oberflächen gefunden. Man erwartet, dass leitfähige Tinten für Embedded-Technologielösungen in Zukunft wachsen.

Die Entstehung der gedruckten Elektronik

Gedruckte Elektronik ist keine neue Technologie. Es gibt sie seit den 1940er Jahren. Aber in den letzten zehn Jahren ist der Markt für gedruckte Elektronik explodiert, und es ist so viel los, dass man mehrere Fertigungslösungen auf die gedruckte Elektronik abstimmt, um die Wachstumsdynamik zu nutzen.

Der Tintenstrahldruck hat einen erheblichen Einfluss auf die gedruckte Elektronik gehabt. Er ermöglicht den Druck einer Vielzahl von Materialien auf einer Vielzahl von Substraten. Aber die 3D-Elektronik umfasst ein breites Spektrum an Drucktechnologien, darunter Siebdruck, Laserdruck und andere Verfahren. In den meisten Fällen werden mit diesen Verfahren leitfähige Materialien auf eine ebene Oberfläche gedruckt. Das macht sie für Anwendungen wie Leiterplatten nützlich.

Gedruckte Elektronik für Membranschalteranwendungen

Im Bereich der Folientastaturen hat die 3D-Elektronik eine rationalisierte Fertigung erreicht. Wobei Anwendungen wie silberne Flex-Folientastaturen auf silber- und kohlenstoffleitenden Tinten beruhen. Diese werden auf flexible Polyesterschichten gedruckt, die durch Klebeabstandshalter getrennt sind. Elektronische Produkte, die alle Branchen abdecken, verlassen sich auf Membranschalterbaugruppen für effektive Mensch-Maschine-Schnittstellen, so dass gedruckte Elektronik bereits weit verbreitet ist, sowohl bei Anwendungen mit Verbraucher- als auch bei Industriekontakt.

Die Technologie der gedruckten Elektronik bietet zahlreiche Vorteile, darunter Fertigungseffizienz und sogar Wirtschaftlichkeit, sowie die Möglichkeit, schlanke, platzsparende flexible Folientastaturen herzustellen. Tatsächlich ist dieser Prozess so effektiv, dass er die gebräuchlichste Methode für flexible, kundenspezifische Folientastaturen ist.

gedruckte Elektronik setzt sich durch

Gedruckte Elektronik entwickelt sich zu einem gangbaren Weg für die Zukunft der Elektronik.. Ein Jahrzehnt der Forschung führte zur Entwicklung neuartiger leitfähiger Materialien und der 3D-Drucktechnologie. „Der 3D-Elektronikdrucker ist ein hybrider 3D-Drucker, der sowohl mit Kunststoff- als auch mit leitfähiger Tinte gespeist werden kann, was ein wichtiger Bestandteil für den Druck von 3D-Elektronik ist. Der Drucker ist in der Lage, Quadcopter, Elektromagnete und voll funktionsfähige elektromechanische 3D-Baugruppen herzustellen“, so ein Bericht von EBN.

Natürlich ist 3D-Elektronik noch nicht weit verbreitet. Die zweidimensionale Methodik bietet im Vergleich zur 3D-Drucktechnologie noch eine Reihe von Vorteilen. Darunter Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und in einigen Fällen auch Erschwinglichkeit. Gedruckte Elektronik kann je nach Substrat und gewählten leitfähigen Materialien sehr kostengünstig sein. Insbesondere wenn man ein großes Volumen an Schaltungen druckt.

Die Zukunft der gedruckten Elektronik

Die Forscher sind bestrebt, 3D-gedruckte Elektronik in den Mainstream-Elektronikmarkt zu bringen. Während die Technologie näher rückt, ist es wahrscheinlich, dass die Kosten weiterhin unerschwinglich bleiben werden, damit sie noch mindestens mehrere Jahre lang eine realistische Option für die Massenproduktion von Elektronik wird. Dennoch birgt die 3D-gedruckte Elektronik ein enormes Potenzial, das komplexe Geometrien, die Einbettung von strahlungsabweisenden Kunststoffen und die Massenanpassung umfasst.

Obwohl es mehrere Herausforderungen zu meistern gilt, könnten die Kosten für hochvolumige Teile letztendlich attraktiver sein als die aktuellen Preise für 2D-Druckelektronik. Wie bei vielen Herstellungsverfahren sind die Kosten in der Regel hoch, wenn die Technologie neu und noch nicht verfeinert oder perfektioniert ist. Aber während die Forscher die Methoden verfeinern und die richtige Kombination von Prozessen und Materialien finden, die die Produktionskosten minimiert, breitet sich die Technologie aus und wird allmählich zur Norm.

Die 3D-Elektronik wird sich nur noch weiter verbreiten, da die Technologie es ermöglicht, höhere Stückzahlen zu vernünftigen Kosten herzustellen. Den Sweet Spot zwischen Wert und Preis zu erreichen, wird zu einer erfolgreichen und angewandten Technologie führen.

Lesen Sie hier, welche Methoden es gibt, gedruckte Elektronik herzustellen.

Methoden der gedruckten Elektronik

Gedruckte Elektronik ist eine Reihe von Druckverfahren, mit denen elektrische Geräte auf verschiedenen Substraten hergestellt werden. Der Druck verwendet typischerweise gängige Druckgeräte, die geeignet sind, Muster auf Materialien zu definieren, wie z.B. Siebdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Offset-Lithografie und Inkjet. Nach den Standards der Elektronikindustrie sind dies kostengünstige Prozesse. Elektrisch funktionierende elektronische oder optische Tinten werden auf das Substrat aufgebracht, wodurch aktive oder passive Vorrichtungen wie Dünnschichttransistoren oder Widerstände entstehen. Gedruckte Elektronik ermöglicht weit verbreitete, sehr kostengünstige, stromsparende Anwendungen wie flexible Displays.

Der Begriff gedruckte Elektronik bezieht sich auf organische Elektronik oder Kunststoffelektronik, bei der eine oder mehrere Tinten aus kohlenstoffbasierten Verbindungen bestehen. Die gedruckte Elektronik umfasst organische Halbleiter, anorganische Halbleiter, metallische Leiter, Nanopartikel, Nanoröhrchen, etc.

Der wichtigste Vorteil des Druckens ist die kostengünstige Serienfertigung. Die niedrigeren Kosten ermöglichen den Einsatz in mehr Anwendungen. Der Druck auf flexiblen Substraten ermöglicht es, die Elektronik auf gekrümmten Oberflächen zu platzieren, z.B. indem man Solarzellen auf Fahrzeugdächern platziert. Typischerweise rechtfertigen konventionelle Halbleiter ihre viel höheren Kosten durch eine viel höhere Leistung.

Gedruckte Elektronikmaterialien

Für die gedruckte Elektronik werden sowohl organische als auch anorganische Materialien verwendet. Die Farbmaterialien müssen in flüssiger Form für Lösung, Dispersion oder Suspension vorliegen. Sie müssen als Leiter, Halbleiter, Dielektrika oder Isolatoren fungieren. Die Materialkosten müssen für die Anwendung geeignet sein.

Die Materialeigenschaften bestimmen maßgeblich die Unterschiede zwischen gedruckter und konventioneller Elektronik. Bedruckbare Materialien bieten neben der Bedruckbarkeit entscheidende Vorteile, wie mechanische Flexibilität und funktionale Anpassung durch chemische Modifikation (z.B. Lichtfarbe in OLEDs).

Bedruckte Leiter bieten eine geringere Leitfähigkeit und Mobilität der Ladungsträger.

  • Einweg-Herzüberwachungssensor-Array auf Hot-Melt TPU
  • Atemfrequenzsensor auf TPU gedruckt & auf T-Shirt übertragen
  • Bedruckte Muster, die auf Handschuhe aufgebracht werden, um sie leitfähig zu machen.
  • Gedruckte flexible Heizgeräte und Wärmer (PTC-Technologie)
  • Gedruckt mit handelsüblichen leitfähigen oder leitfähigen Plastisol-Tinten.
  • Elektronikpakete werden über Schwanz oder Schnappverschluss mit dem Sensor verbunden.

Flexible Substrate

Die gedruckte Elektronik ermöglicht den Einsatz von flexiblen Substraten, was die Produktionskosten senkt und die Herstellung von mechanisch flexiblen Schaltungen ermöglicht. Während Inkjet- und Siebdruck typischerweise starre Substrate wie Glas und Silikon bedrucken, werden bei Massendruckverfahren fast ausschließlich flexible Folien und Papiere verwendet. Poly(ethylenterephthalat)-Folie (PET) ist aufgrund ihrer niedrigen Kosten und höheren Temperaturstabilität die gängige Wahl.

Seien Sie Teil der neuen Revolution auf dem Technik-Markt.

Gedruckte Elektronik: Eine neue Revolution

Ein elektronischer Zeit-/Temperatursensor für 30 Cent? Ja, wirklich. Dieser gedruckte elektronische Temperatursensor wird zur Überwachung von verderblichen Gütern und Arzneimitteln entwickelt. Er ist der erste einer Reihe von extrem kostengünstigen elektronischen Sensorgeräten, die durch einen neuen Fertigungsansatz ermöglicht werden. Drucken statt Lithografie.

Die Idee der Druckelektronik ist nicht neu. Transistoren wurden vor mehr als einem Jahrzehnt in den Bell Labs gedruckt, und gedruckte elektronische Sensoren gehen noch weiter zurück. Tatsächlich waren Sensoren eines der experimentierfreudigsten Gebiete für gedruckte Elektronik. Gedruckte Sensoren verwendet man, um Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Druck, Licht, Schall, Lebensmittelfrische und toxische Gase zu erfassen und zu messen.

Bis vor kurzem gab es nur begrenzte kommerzielle Fortschritte bei der Integration von gedruckten Sensoren mit den anderen gedruckten Komponenten, wie Speicher-, Display- oder RF-Kommunikation, um die Kostenvorteile des Druckens voll auszuschöpfen.

Das wird sich bald ändern – und es eröffnen sich neue Möglichkeiten im Sensorbereich.

Gedruckte Elektronik – Warum jetzt?

Die Druckelektronik hat klare Vorteile bei den Produktionskosten. Die Investitionen sind gering, der Materialeinsatz hoch.

Sensoren waren ein wichtiger Bereich für die Demonstration der gedruckten elektronischen Funktionalität innerhalb der Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft. Die Gerätestruktur ist einfach, der Druckprozess ist relativ einfach und die für Sensoren verfügbaren Materialien sind reichlich vorhanden. Weltweit wurde eine bedeutende Werkzeugkiste mit gedruckten Sensoren aufgebaut.

Das Gleiche galt nicht für andere Komponenten. Vor allem Speicher und Logik erfordern ein hochpräzises Drucken, und die Möglichkeiten sind geringer geworden. Gedruckte Logik erfordert spezielle Funktionstinten und ist noch nicht ausgereift.

In letzter Zeit ist der gedruckte wieder beschreibbare Speicher jedoch kommerziell erhältlich. Und zwar zu einem Preis, der unter dem eines EEPROM liegt. Gleichzeitig haben chemische Fortschritte von Unternehmen wie Polyera, Merck und BASF Materialien hervorgebracht, die „gut genug“ für den kommerziellen Druck von Logik sind.

Im Oktober 2011 wurde ein wichtiger Meilenstein für die Integration von Sensoren, Speicher und Logik in gedruckte Systeme demonstriert. Thin Film Electronics zeigte den ersten gedruckten adressierbaren Speicher mit organischer Logik. Diese entwickelte man bei PARC, einem Xerox-Unternehmen. Um einen gedruckten elektrischen Speicher zu lesen und zu schreiben, der den ersten Baustein eines skalierbaren Drucksystems darstellt. Seitdem haben sich weitere Unternehmen unserem Ökosystem angeschlossen, um das erste gedruckte elektronische Zeit-/Temperatursystem zu entwickeln.

Erschließung neuer Chancen im Sensormarkt

Die Kosten für eine gedruckte Sensorvorrichtung betragen 1/10 bis 1/100 der Kosten für ein Sensorsystem, das mit konventioneller Elektronik hergestellt wird. Obwohl die gedruckte Elektronik eine viel geringere Leistung aufweist als ihre reiferen Cousins auf Siliziumbasis, bieten sie eine Cost-per-Function, die auf andere Weise unerreichbar ist.

Infolgedessen werden gedruckte Sensorsysteme herkömmliche elektronische Geräte ergänzen und nicht verdrängen. Sie bieten digitale Funktionalität in Marktsegmenten, die bisher nur mit chemischen Sensoren adressierbar waren.

Nehmen wir zum Beispiel den Markt für Zeit-/Temperatursensoren. Es gibt eine markante Kluft zwischen den niedrigsten Preisen für elektronische Geräte bei $5,00 und den höchsten Preisen für Etiketten auf Chemiebasis bei 40 Cent. Gedruckte Elektronik schließt diese Lücke, indem sie Etiketten, die Dutzende von Cent kosten, mit elektrischer Funktionalität ausstattet und es ermöglicht, die digitale Abtastung auf die Artikelebene zu verschieben.

Das Internet der Dinge aktivieren

Gartner hat „The Internet of Things“ (IoT) als eine der Top 10 strategischen Technologien dieses Jahrzehnts identifiziert, und IDC hat den Markt für intelligente Systeme und IoT auf zwei Billionen Dollar bis 2015 geschätzt.

Diese Prognosen haben ihre Skeptiker angesichts des Kostenpunktes der traditionellen Elektronik.

Gedruckte Sensorsysteme sind der Schlüssel dazu. Sie werden den Einsatz von Elektronik in einer Weise ermöglichen, die bisher nicht möglich war. Den Wegwerfartikeln kann Intelligenz hinzugefügt werden: erstmals Einweg-Elektronik.

Führende Unternehmen in Asien, Nordamerika und Europa haben mit der Planung der Integration solcher Geräte in ihre Produkte und Systeme begonnen, um den Wert und die Produktdifferenzierung zu steigern. Der Aufbau der richtigen Partnerschaften wird der Schlüssel zur Einführung dieser Art von Elektronik in hochvolumige Anwendungen sein.

Wie Randall Sherman von New Ventures Research es ausdrückte, „…. die gesamte gedruckte Elektronikindustrie ist die nächste Revolution in der Elektroniktechnologie. Wir sehen an dieser Stelle nur die Spitze des Eisbergs“ (Printed Revolution Coming to Electronics).

Jetzt ist es an der Zeit, sich zu engagieren.

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