Recyclebar und nachhaltig Durchbruch für papierbasierte Elektronik

Redakteur: Hendrik Härter

Im Vergleich zu Kunststoff ist Papier besser recyclebar und sogar biologisch abbaubar. Forscher haben einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich Elektronik auf Papier aufdrucken lässt.

Papierbasierte Elektronik: Forscher haben einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich elektronische Komponenten wie Sensoren auf Papier aufdrucken lassen.
Papierbasierte Elektronik: Forscher haben einen Demonstrator entwickelt, mit dem sich elektronische Komponenten wie Sensoren auf Papier aufdrucken lassen.
(Bild: SUPERSMART project)

Elektronik auf Papier gedruckt ist nicht nur eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Trägermaterialien, sondern zudem auch noch umweltfreundlich. Sensoren und smarte Etiketten auf Papier lassen sich in Produktion, Handel und der Logistik einsetzen. Doch warum ist gerade Papier so prädestiniert?

Der Markt der Verpackung ist wie auch die Elektronikbranche in Europa in Bewegung. Miniaturisierte und kostengünstige elektronische Etiketten können Transport und Logistik überwachen oder fälschungssichere Auskünfte über Herkunft und Echtheit von Produkten geben. Eine intelligente Verpackung schafft einen Mehrwert. Papier spielt seinen Vorteil gegenüber Kunststoff aus: Hergestellt aus nachwachsenden Rohstoffen, gut recycelbar und haltbar, und am Ende sogar Biologisch abbaubar, wenn entsprechend verarbeitet.

Elektronik auf Papier gebannt

Bisher hatte Papier als Trägermaterial für elektronische Geräte kaum eine Rolle gespielt, denn mit klassischer Elektronikfertigung kann Papier nicht kombiniert werden. Das sollte sich ändern: Ein europäisches Konsortium mit elf Partnern hat im Forschungsprojekt «SUPERSMART» drei Jahre daran gearbeitet, gedruckte Elektronik aufs Papier zu bringen, in hochskalierbaren technologischen Verfahren, die auch eine Massenfertigung erlauben.

Entstanden sind zwei Anwendungsbeispiele: Ein Sensor zur Schockerkennung und ein fälschungssicheres Etikett. Dabei sind die Materialien und Verfahren aufeinander abgestimmt, mit denen elektronische Schaltungen und Displays direkt auf das Papier gedruckt werden können. Ausgelesen werden beide Komponenten über eine Smartphone-App.

Was auf das Funktionspapier kommt

Auf dem Weg zur wettbewerbsfähigen und zuverlässigen Herstellung von papierbasierten smarten Labels und Sensoren ist eines der grossen Hindernisse, dass hochfunktionelle, druckbare Materialien zu kostenintensiv sind, weil sie bislang nur in kleinen Prototypsynthesen durchgeführt werden. Zudem erfüllen diese Materialien häufig nicht die Ansprüche an gleichbleibende Qualität.

Im Projekt «SUPERSMART» haben die Entwickler einen besonderen Wert auf die industrielle Hochskalierung der funktionellen Materialien und die Entwicklung von präzisen Prozessprotokollen für die Qualitätssicherung gelegt. Neben dem Funktionspapier selbst waren das vor allem Piezopolymere, ferroelektrische Nanopartikel, elektro-chrome Materialien, Metall-Oxid-Halbleiter für die Drucktinten und Barrierebeschichtungen für das Papier.

Um zu demonstrieren, dass die hochskalierten Materialien die gleichen Eigenschaften haben wie die bisher in kleinen Mengen hergestellten Chemikalien, wurden die Etiketten auf Hochdurchsatz-Prozessanlagen verarbeitet, sowohl im Rolle-zu-Rolle- als auch im Blatt-zu-Blatt-Verfahren. Sogar die notwendige Polarisierung der piezoelektrischen Materialien wurden auf einer automatisierten Polungsanlage hochskaliert, so dass Piezosensoren auch in grossen Mengen zeiteffizient konfektioniert werden können.

Papier spielt seine Vorteile aus

Mit sogenannten Pick-and-Place-Technologien wurden auf den Papiersubstraten zusätzliche mikroelektronische Bauteile wie Batterien oder Chips für die Kommunikation integriert.

Wie ressourcenschonend genau gedruckte Elektronik auf Papier ist und wo Verbesserungspotenziale stecken, das wurde begleitend in einem Life-Cycle-Assessment (LCA) bewertet. Der Austausch von organischem oder anorganischem Substrat durch Papier vereinfacht das spätere Recycling und reduziert das Abfallaufkommen sowohl in der Herstellung als auch am Ende der Lebensdauer des Produkts.

Druckprozesse verbrauchen weniger Energie und Ressourcen als konventionelle Halbleiterprozesse, auch wird das Design im Hinblick auf späteres Recycling vereinfacht. Ein direkter Vergleich zwischen Papier- und PET-Substraten für die Herstellung elektronischer Komponenten ergab deutliche Vorteile von Papier im Vergleich zu PET. In fast allen der im LCA untersuchten 18 Kategorien wie Erderwärmung, Wasserverbrauch oder Nitratbelastung, Ozonabbau in der Stratosphäre oder Ökotoxizität würde ein Papiersubstrat nur 10 bis 20 Prozent der Auswirkungen von PET verursachen.

Hürden beim Einsatz von Papier beseitigt

Das Projekt «SUPERSMART» hat mit seinem Ansatz, technologisch reife Hochdurchsatz-Verfahren auf den Druck elektronischer Komponenten zu übertragen, grosse Hürden für einen breiteren Einsatz beseitigt. Und attraktiv sind die papierbasierten Sensoren und Etiketten für zahlreiche Anwendungen. Sie lassen sich einfach in Verpackungen und Gebrauchsgegenstände integrieren.

Ein Anti-Fälschungs-Etikett für besonders schützenswerte oder teure Waren kann helfen, Hersteller und Verbraucher vor Betrug zu schützen. Eine grossflächige Schockerkennung, die in Verpackungen integriert wird, sorgt für Transportschutz und Nachverfolgbarkeit von Ereignissen. Schliesslich können diese gedruckten Elemente als Sicherheitsmerkmale verwendet werden und verleihen einfachen Produkten digitalen Mehrwert, und das zuverlässig und zu geringen Kosten. Doch selbst neue Einsatzgebiete sind denkbar: In der Filtertechnik oder der Bildung.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal elektronikpraxis.vogel.de

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