Technologie zur Herstellung gedruckter, integrierter Elektronikkomponenten für Verpackungen

Innerhalb der letzten Jahre sehen wir eine immer stärkere Verschmelzung von Elektronik und physischen Gegenständen zu „intelligenten Objekten“. Aus diesem Grund war die Untersuchung von Produktionstechnologien für die Integration von gedruckten Elektronikbauteilen mit verschiedenen Funktionalitäten wie einfachen Schaltungen, Berührungssensoren, Niedrigenergieanzeigen und Solarzellen in flexible Systeme das Ziel dieses Projekts.

Gedruckte Solarmodule

Solarzellenbahn bei der Herstellung der Halbleiterschichten in der Labordruckmaschine © T. Zillger / pmTUC

Es gibt dabei eine stetige Weiterentwicklung bei flexiblen elektronischen Komponenten in Richtung der Drucktechnologie. Die Anwendungsszenarien auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik konzentrierten sich aber oft auf gedruckte Leiterbahnen in Kombination mit herkömmlichen Bauelementen in einer sogenannten Hybridtechnologie. Hauptaugenmerk für die Technologieentwicklung bei dieser Hybridelektronik waren relativ teure Nischenanwendungen. Die Integration mehrerer vollständig gedruckter elektronischer Komponenten in völlig flexible Multifunktionssysteme wurde in diesem Zusammenhang bisher wenig untersucht. Hier setzt das deutsch-indische Projekt an, das im Juli 2015 nach drei Jahren Laufzeit abgeschlossen wurde.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnten eine Vielzahl von spezifischen Multifunktionssystemen aufgebaut werden, die auf  unterschiedlichen Einzelkomponenten basieren.

smart labels gegen Produktfälschungen

Sicherheitsettikett

Sicherheitsetikett des Spin-offs Saralon mit gedrucktem EC-Display und gedruckter Batterie. Oben: Display inaktiv. Unten: Etikett aktiviert, Logo sichtbar © M. Ali, Saralon

Im FLEXIPRIDE-Projekt wurden erfolgreich Smart-Label-Anwendungen in komplexere Druckprodukte integriert. Dabei wurden alle Elemente dieses smarten Etiketts über Drucktechnologien hergestellt. Die im Projekt untersuchten Technologien, bei denen mit konventionellen Druckmaschinen auf einfache und kostengünstige Weise Elektronikkomponenten integriert werden können, sind für Massenmärkte wie die Verpackungsindustrie sehr attraktiv. Intelligente Verpackungsanwendungen – wie aktive Kommunikationslösungen (über smarte Schachteln, Displays, Poster), elektronisch gesicherte Verpackungen oder Verpackungslösungen ausgestattet mit Licht bzw. Ton – werden von Markenunternehmen und der Werbeindustrie nachgefragt. Diese ersten Anwendungen, und zwar Sicherheitsetiketten gegen Produktfälschungen – sogenannte „smart labels“–, wurden im Rahmen des Projekts zusammen mit dem Spin-off-Unternehmen Saralon entwickelt. Das Unternehmen wurde von einem ehemaligen Mitarbeiter der TU Chemnitz aus dem FLEXIPRIDE-Projekt gegründet.

Selbstleuchtende Anzeigen in der Entwicklung

Weiterhin wurden neben den einfachen, nicht leuchtenden Anzeigen auch gedruckte Schaltungen für selbstleuchtende  Anzeigen untersucht. Um die nächstmögliche Entwicklungsstufe für selbstleuchtende smarte Etiketten zu demonstrieren, wurde eine gedruckte Elektrolumineszenzanzeige aufgebaut und durch eine vollständig gedruckte Schaltung zum Leuchten angeregt.

Gedruckte Solarzellen als Energiequelle

Zur Integration einer flexiblen und skalierbaren Energiequelle in Smart-Label- Anwendungen waren flexible gedruckte Polymersolarzellen im Fokus der Forschung. Im Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren konnte die großtechnische Herstellung von polymeren Solarzellen nachgewiesen werden. Für eine öffentlichkeitswirksame Darstellung der Projektergebnisse wurden 588 Solarmodule mit einer Nennspannung von 4 Volt pro Modul hergestellt und in Form eines Solarbaums auf der HANNOVER MESSE 2015 präsentiert.

Deutsch-Indische Zusammenarbeit bei der Entwicklung des Inspektionssystems

Neben der Fertigungstechnik, der Integration und dem Schaltungsdesign von verschiedenen elektronischen Komponenten war auch die Qualitätskontrolle und Inspektion der gedruckten elektronischen Komponenten Ziel des Projekts.
In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden optische Verfahren zur Fehlererkennung und Inhomogenitätsanalyse von gedruckten Solarzellenschichten untersucht. Dabei erfolgte die Modellierung der einzelnen Schichten und die Voruntersuchungen am IIT Kanpur in Indien. Diese Ergebnisse flossen danach in den Aufbau des Inspektionssystems durch die Chromasens GmbH ein. Die TU Chemnitz implementierte das aufgebaute Messsystem in eine Rolle-zu-Rolle-Labordruckmaschine und führte erfolgreich die Messung an den gedruckten Solarzellenschichten durch. Mithilfe dieses Inspektionssystems ist es nun möglich, Prozessabweichungen, die während der Solarzellenproduktion entstehen können, frühzeitig zu erkennen und regulierend einzugreifen.

Weitere Projektinformation

Ansprechpartner/in

DLR Projektträger | Europäische und internationale Zusammenarbeit
Cornelia Parisius
Tel.: +49 228 3821 1422

TU Chemnitz, Institut für Print- und Medientechnologie (pmTUC)
Prof. Dr. Arved Hübler
Tel.: +49 371 5312 3610

Chromasens GmbH, Konstanz
Indian Institute of Technology Kanpur, Department of Physics
Anil Printers Pvt Ltd, Nasik