KIT entwickelt nachhaltige Druckmaterialien und Tinten

Kompostierbare Elektronik zum Ausdrucken

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Organische Leuchtdioden (OLED) lassen sich einfach und günstig herstellen. Dank kompostierbarer Materialien werden sie auch nachhaltig.
Organische Leuchtdioden (OLED) lassen sich einfach und günstig herstellen. Dank kompostierbarer Materialien werden sie auch nachhaltig. (Bild: KIT)

Nachwuchsforscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln gedruckte Elektronik aus kompostierbaren Naturmaterialien sowie Verfahren für eine industrielle Produktion. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt das Projekt für vier Jahre mit insgesamt 1,7 Mio. Euro.

Knapp zwei Millionen Tonnen Elektroschrott fallen pro Jahr in Deutschland an. Gedruckte Elektronik befördert den Wegwerftrend, indem sie Herstellungskosten senkt und mit Einwegprodukten, wie interaktiven Verpackungen oder intelligenten Pflastern, neue Märkte erschließt. Um dem entgegenzuwirken, entwickelt die Nachwuchsgruppe Biolicht am KIT nachhaltige Druckmaterialien und Tinten für biologisch leicht abbaubare elektronische Bauteile.

Halbleiter und Farbstoffe aus Pflanzenextrakten oder Isolatoren aus Gelatine seien zwar nicht so langlebig wie die anorganischen Alternativen, doch die Lebensdauer von Einwegelektronik würden sie schadlos überstehen, sagt Dr. Gerado Hernandez-Sosa, Leiter der Nachwuchsforschergruppe Biolicht. Zudem könne man die Elektronik, sobald sie ausgedient habe, einfach in den Biomüll oder auf den Kompost werfen, wo sie gleich einer Bananenschale verrotte.

Für gängige gedruckte Elektronik, etwa für organische Leuchtdioden (OLED), gelte dies bislang nicht. „Als ‚organisch‘ bezeichnen wir alle Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis. Über die Umweltverträglichkeit sagt der Begriff allein noch nicht aus“, erklärt Dr. Hernandez-Sosa. So sei beispielsweise die Trägerfolie von OLEDs – das Papieräquivalent für elektronische Tinten – aus dem gleichen Plastik wie herkömmliche Getränkeflaschen. Die Nachwuchsgruppe Biolicht verwendet hierfür nur Materialien, die in der Natur tatsächlich vorkommen. Als Trägerfolien seien beispielsweise Speisestärke, Zellulose oder Chitin geeignet. Auf Metalle und Halbmetalle, wie Silizium, verzichten die Wissenschaftler fast vollständig. Der Vorteil von Plastik: Es ist biegsam, kostengünstig und lässt sich zu kilometerlangen Druckerfolien verarbeiten. Mit dieser Technologie werde es möglich, etwa Aufkleber mit einer elektronischen Ampel für das Haltbarkeitsdatum oder Pflaster mit eingebauten Sensoren, die den Heilungsprozess überwachen, im industriellen Maßstab herzustellen.

Zunächst gelte es allerdings, auf die kompostierbaren Folien elektronische Bauteile zu drucken, ähnlich wie Buchstaben auf Papier. Ihre Funktion hängt von der verwendeten Tinte ab: Anstelle von Farbpartikeln sind darin leitende, halbleitende oder nichtleitende, also isolierende, Materialien gelöst. Nach dem Auftragen trocknet das flüssige Lösemittel und die zurückbleibende Schicht bildet das entsprechende Bauteil. Ziel der Nachwuchsgruppe ist es, biologisch abbaubare Tinten zu entwickeln, die auf das neue Folienmaterial abgestimmt sind und gleichzeitig mit bestehenden Geräten gedruckt werden können. „Hersteller organischer Elektronik können so auf die umweltfreundlichen Materialien umsteigen, ohne ihr Druckerarsenal auszutauschen“, sagt Dr. Hernandez-Sosa.

Für die Tinten müssen die Nachwuchswissenschaftler nun umweltverträglichen Materialien mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften identifizieren. Beispielsweise eigne sich die Hartgelatine, aus der Medikamentenkapseln bestehen, zum Isolieren. Aufwendig sei auch die Wahl des Lösemittels: Eine Voraussetzung sei, dass es bei druckfähigen Temperaturen in flüssiger Form vorliegt. Weiterhin dürfe es im Unterschied zu gewöhnlicher Tinte nicht in das Trägermaterial eindringen, sondern sollte darauf einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bilden, ohne abzuperlen. Ein zu dickflüssiges Lösemittel würde die Poren des Druckers verstopfen, ein zu dünnflüssiges auf der Trägerfolie verlaufen und sie nicht gleichmäßig benetzen. Die Eigenschaften des getrockneten Materialfilms seien aber für die Funktion der elektrischen Bauteile entscheidend: So dürfe seine Dicke, die weniger als einem tausendstel Millimeter beträgt, maximal um fünf Prozent schwanken. Die Wissenschaftler rechnen damit, kompostierbare organische Elektronik innerhalb der nächsten drei Jahre marktreif zu machen.

Die Nachwuchsgruppe Biolicht ist strukturell am Institut für Lichttechnik des KIT angesiedelt. Ihre Labore hat sie am InnovationLab in Heidelberg, einer anwendungsorientierten Forschungs- und Transferplattform von Wissenschaft und Wirtschaft. Träger sind neben dem Karlsruher Institut für Technologie, die Unternehmen BASF SE, Merck, Heidelberger Druckmaschinen AG und SAP AG sowie die Universität Heidelberg.

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