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Kostengünstiges Druckverfahren für Smart Active-Matrix-Sensoren mit Forschungspreis ausgezeichnet

JOANNEUM RESEARCH erhält für das 3PLAST-Projektteam den IDTechEx Printed Electronics Europe 2011 Academics R&D Award für die Entwicklung einer Technologie für gedruckte Elektronik.

Als Gutenberg bewegliche Metall-Drucktypen mit Druckerschwärze aus Leinsamenöl und Ruß in eine Schraubpresse zwang, revolutionierte er die Buchproduktion. Seine Erfindung führte direkt in das Zeitalter der Aufklärung und machte den Weg frei für die Naturwissenschaften, auf denen unsere Gesellschaft bis heute fußt. Eine ähnlich wichtige Rolle könnte auch der gedruckten Elektronik zukommen, da sich die Herstellungsmethoden der elektronischen Komponenten in Bezug auf Kosten, Massenproduktion und Substratmaterialien radikal ändern könnten. Gedruckte Komponenten, die aus mehreren Einzelelementen aufgebaut sind, konnten den Markt aus Kostengründen allerdings bisher noch nicht erobern.

Unter der wissenschaftlichen Koordination von Dr. Barbara Stadlober von JOANNEUM RESEARCH MATERIALS haben Forschungseinrichtungen und Industrie deshalb im von der Europäischen Union geförderten und vom Fraunhofer ISC koordinierten 3PLAST-Projekt gemeinsam ein vollgedrucktes matrixgesteuertes Sensorarray entwickelt. Den Forschungspartnern gelang es, die Komplexität der Prozesse und Bauelementearchitektur zu verringern und so ein kostengünstiges Verfahren für die Herstellung von großflächiger organischer Elektronik zu schaffen, das mit nur fünf verschiedenen Druckpasten auskommt. Dafür wurde JOANNEUM RESEARCH nun stellvertretend für das Konsortium mit dem IDTechEx Printed Electronics Europe 2011 Academics R&D Award ausgezeichnet.

Das gedruckte 3PLAST Aktiv-Matrix-Sensor-Array nutzt ein ferroelektrisches Polymer aus der Gruppe der Polyvinylidenfluoride (P(VDF-TrFE)), das im Siebdruckverfahren in kristalliner Form auf PET-Folien aufgebracht werden kann. Nachdem diese ferroelektrische Schicht gepolt wurde, reagiert sie empfindlich auf kleine Temperatur- bzw. Druckänderungen. Diese Sensitivität bleibt auch über längere Zeiträume und nach unterschiedlichen Belastungstests stabil. Um das Sensorsignal auszulesen und zu verstärken, werden gedruckte Transistoren genutzt, die in Bezug auf Impedanz und Betriebsspannung an das Sensorfeld angepasst sind.

Die Sensoren können mit – ebenfalls gedruckten – elektrochromen Displays kombiniert werden, die von 3PLAST-Partner Acreo entwickelt wurden. So konnte ein komplett gedrucktes, ortsaufgelöstes Eingabemodul verwirklicht werden, das berührungslos gesteuert werden kann. Eine Fingerbewegung vor dem Sensor oder ein Laserpointer genügen zur Aktivierung der jeweiligen Displayfelder. Der gedruckte Sensor reagiert schnell auf die Hand- oder Fingerbewegungen oder auf einfache Gesten. Damit ist der Weg frei für die Entwicklung einer gedruckten polymerbasierten, berührungslosen Mensch-Maschine Schnittstelle. Da der gedruckte Sensor auch als piezoelektrischer Wandler funktioniert, kann er ebenfalls als Sensor für eine Berührungssteuerung eingesetzt werden. Dies zeigte ein weiterer 3PLAST-Partner, die Johannes-Kepler-Universität Linz.

Die in 3PLAST entwickelte Technologie zur Herstellung gedruckter Sensoren erlaubt, auch komplexe Bauteile mit verschiedensten Arten von elektronischen Komponenten wie Druck- und Temperatursensoren, organische Transistoren oder elektrochrome Displays einfach in monolithischer Bauweise auf flexiblen Substraten zu integrieren. Besonders attraktiv dabei ist die Beschränkung auf eine sehr kleine Basis aus nicht toxischen Materialien: PEDOT:PSS, Graphit-Leitpaste, P(VDF-TrFE), Elektrolyt und SU-8.

Es handelt sich also um ein Herstellungsverfahren, das mit einfacherer Technologie und reduzierter Materialvielfalt Kosten spart, die Ausschussrate reduziert und durch den Aufbau auf flexiblen Substraten neue Anwendungsfelder erschließen kann. Damit eröffnet sich ein gangbarer Weg für eine Vielzahl von Märkten im Bereich neuartiger Kommunikationstechnologien.