Das von EIT RawMaterials geförderte Forschungsprojekt Supersmart betrifft gedruckte elektronische Komponenten wie Sensoren und smarte Etiketten auf Papier. Dabei stehen Ressourcenschonung, Klima- und Umweltaspekte im Mittelpunkt.
Als Trägermaterial für elektronische Geräte 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.
Es wurden 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 über eine Handy-App.
Funktionelle Materialien
Im Projekt wurden industrielle funktionelle Materialien und präzise Prozessprotokolle für die Qualitätssicherung entwickelt. Neben dem Funktionspapier selbst waren das u.a. 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. Auch 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.
Vorteile für Klima und Umwelt
Wie ressourcenschonend genau gedruckte Elektronik auf Papier ist und wo Verbesserungspotenziale stecken, 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.
Viele Einsatzgebiete stehen offen
Papierbasierte Sensoren und Etiketten lassen sich 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. Gedruckten Elemente können als Sicherheitsmerkmale verwendet werden und verleihen einfachen Produkten digitalen Mehrwert. Weitere Einsatzgebiete sind z. B. in der Filtertechnik oder im Bildungsbereich denkbar.
Die Projektpartner waren:
- Arkema, Frankreich (Projekt Koordination)
- Arjowiggins, Frankreich
- Centre National de la Recherche Scientifique-2 (CNRS-UB), Frankreich
- Coatema Coating Machinery, Deutschland
- French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), Frankreich
- Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Deutschland
- Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Deutschland
- Joanneum Research, Österreich
- Luquet & Duranton, Frankreich
- VTT Technical Research Centre of Finland, Finnland
- NOVA School of Science and Technology | FCT NOVA, Universidade NOVA de Lisboa, Portugal
- Université de Bordeaux, Frankreich
