Smarte gedruckte Sensoren auf Papier

Gedruckte elektronische Komponenten wie Sensoren und smarte Etiketten auf Papier können eine wesentliche Rolle beim Aufbau eines Smart Environments für Produktion, Handel und Logistik spielen. Effiziente und zuverlässige Produktions­prozesse machen sie wirtschaftlich konkurrenz­fähig. Und im Hinblick auf Ressourcen­schonung, Klima und Umwelt hat auf Papier gedruckte Elektronik überragende Vorteile gegenüber konventionellen Substraten und Herstell­prozessen für smarte elektronische Komponenten. Das zeigt das von EIT RawMaterials, einer Innovations­gemeinschaft des Europäischen Instituts für Innovation und Technologie, geförderte Forschungs­projekt SUPERSMART.

Miniaturisierte und kostengünstige elektronische Etiketten können Transport und Logistik überwachen oder fälschungs­sichere Auskünfte über Herkunft und Echtheit von Produkten geben. Intelligente Verpackungen schaffen so einen Mehrwert. Doch gleich­zeitig stehen Verpackungen vor einem Umbruch: Die gesell­schaftliche Verpflichtung zu Klimaschutz und Ressourcen­schonung hat verschärfte Richt­linien und Gesetze zu den noch erlaubten Bestand­teilen gebracht und den Einsatz von Kunststoff­verpackungen reguliert. So wird die Suche nach umwelt­freund­licheren und kosten­günstigen Alternativen immer wichtiger für die Wirtschaft.

Damit kommt der altbekannte Werkstoff Papier neu ins Spiel. Hergestellt aus nach­wachsenden Rohstoffen, gut recycelbar und haltbar, und am Ende sogar bioabbaubar, wenn entsprechend verarbeitet. Doch als Träger­material für Elektronik hat Papier bisher kaum eine Rolle gespielt, denn mit klassischer Elektronik­fertigung kann Papier nicht kombiniert werden. 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.

 In SUPERSMART wurde für zwei Anwendungs­beispiele – einen Schock­erkennungs­sensor und ein smartes fälschungs­sicheres Etikett – Materialien und Verfahren aufeinander abgestimmt, mit denen elektronische Schaltungen und Displays direkt auf Papier gedruckt werden können. Ausgelesen werden beide Komponenten einfach über eine Handy-App.

Auf dem Weg zur wettbewerbs­fähigen und zuverlässigen Herstellung von papier­basierten Smart 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. SUPERSMART legte besonderen Wert auf die industrielle Hoch­skalierung der funktionellen Materialien und die Entwicklung von präzisen Prozess­protokollen für die Qualitäts­sicherung. Neben dem Funktions­papier selbst waren dies bei SUPERSMART unter anderem Piezopolymere, ferro­elektrische Nanopartikel, elektrochrome 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. Mit 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 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 die Verwendung eines Papier­substrats nur zehn bis zwanzig Prozent der Auswirkungen von PET verursachen.

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 auch ganz neue Einsatz­gebiete sind denkbar, beispiels­weise in der Filter­technik oder im Bildungs­bereich.

Fh.-ISC / RK

Weitere Infos

• SUPERSMART – for paper based and polymer based electronic systems, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg
• EIT RawMaterials, Europäisches Institut für Innovation und Technologie, Budapest