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Funktional, leicht und flexibel – von Antennen bis zu integrierter Sensorik : Ausgabe 20/2017, 07.12.2017

Gedruckte Elektronik ist im Kommen

Die Automobilindustrie ersetzt Taster und Drehknöpfe immer mehr durch Touch­displays. Dabei kommen vermehrt gedruckte Leiterbahnen zum Einsatz. Denn während Leiterplatten gross und schwer sind, ist gedruckte Elektronik dünn, leicht und flexibel und kann grossflächig aufgebracht werden. In neuen Autos übernehmen solche bedruckten Folien bereits viele Aufgaben im Innenraum.

Autor: Johannes Becker, Leiter des Competence Centers Schreiner PrinTronics

Bilder: Schreiner PrinTronics

Gedruckte Elektronik bezeichnet die Kombination aus leitfähigen Materialien mit Lack- und Farbsystemen, die grossflächig und kostengünstig auf Folie, Papier oder andere Träger in mehreren Schichten übertragen werden. Der Clou: Sie übernehmen Aufgaben der konventionellen Elektronik, lassen sich dank der besonderen Verarbeitungsmöglichkeiten aber weitaus flexibler und effizienter einsetzen.

Ob leitende Bahnen, Widerstände oder andere technische Funktionen – Folien lassen sich mit allen gewünschten Eigenschaften bedrucken oder ausstanzen. Zugleich sind sie leicht, ultradünn, flexibel und durchleuchtbar – Grundvoraussetzungen für den platzsparenden und wirtschaftlichen Einbau in unterschiedlichste Produkte. Die Folienbauteile auf Rolle lassen sich höchst effizient automatisch applizieren und kontaktieren. Die Kontaktierung erfolgt über Klebtechnik, über Steckkontakte oder über Crimpverbindungen – optional sogar mit zusätzlichem Korrosionsschutz.

Flexible Leiterbahnen für Touchdisplays

Die Herausforderung bei gedruckter Elektronik besteht darin, die speziellen Lacke und Pasten zu finden, die elektrisch funktionieren und den Ansprüchen der PKW-Branche entsprechen. Eine effiziente Lösung ist ein Aufbau mit verschiedenen Schutzschichten, die im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert werden. Durch das Drucken lassen sich auch mehrere elektrisch leitende Lagen erzeugen, wodurch sich weitere Funktionen, wie RFID-Antennen, integrieren lassen. Diese Art der Herstellung von transparenten leitfähigen Strukturen erlaubt eine effizientere Materialnutzung im Vergleich zu klassischen Indium-Zinnoxid-Folien, die vollflächig beschichtet und danach durch Materialabtragung strukturiert werden. Transparente polymere Leitlacke und feine Strukturen aus Metallpasten ersetzen die Funktion des seltenen Metalls Indium und bilden die Basis für gedruckte Elektronik, die unseren Alltag verändern wird.

Neben leitfähigen Folien kann auch mit transparenten, elektrisch leitfähigen Leitpasten gedruckte Elektronik umgesetzt werden. Die Verarbeitung der Leitpasten zu transparenten Schaltflächen auf Folie ist in Serie möglich. Wichtig ist dabei die Wahl der passenden Materialkombination, die den Anforderungen des jeweiligen Marktes gerecht wird. Die ersten Serienprodukte auf Basis gedruckter, transparenter Leitpasten finden bereits ihren Einsatz als durchscheinende, voll durchleuchtbare Touchsensoren.

Hybridsysteme kommen zum Einsatz

Durch das Zusammenwachsen von Chipanwendungen wie RFID und gedruckter Elektronik sind künftig auch Hybridsysteme, etwa als Lösungen für Sensorikanwendungen und den Produkt- und Markenschutz, im Einsatz. Die Entwicklung solch innovativer Labelsysteme mit Mehrfachfunktion und -nutzen ist in vollem Gange. RFID, kombiniert mit gedruckter Elektronik, ermöglicht, komplexe Funktionen in Folien zu integrieren. Um etwa Lebensmittel vor Manipulationen zu schützen, bietet sich ein Erstöffnungssensor mit einem NFC-Chip an. Dieser lässt sich dank einer aufgedruckten NFC-Antenne mit entsprechend ausgerüsteten Smartphones kontaktlos auslesen. Wird eine Verpackung mit der gedruckten RFID-Sensorplattform verschlossen, erfüllt das Label zwei essentielle Funktionen: Es erfasst durch einen Sensor kontinuierlich Daten über die gesamte Lieferkette, beispielsweise die Temperatur, und speichert sie über die volle Lebensdauer ab. Möglich ist das durch eine sehr dünne, flexible Batterie im Label.

Lösungen für zahlreiche, verschiedene Branchen

Weitere Einsatzbereiche für die sensorische Erfassung von Temperaturen, physiologischen Daten oder Umweltdaten ausserhalb der Verpackungsbranche sind medizinische Geräte, Sicherheitssysteme im Automobil oder das Gebäudemanagement. Die Kombination aus Sensorschnittstelle, NFC-Kompatibilität und Unterstützung sowohl des batteriegestützten als auch des batterielosen Betriebs ermöglicht es Entwicklern, drahtlose Datenerfassungsanwendungen zu kreieren oder existierende Anwendungen effizienter zu implementieren.

Elektronik in Folie: klassische und gedruckte Schaltungen verbinden

Kleben, Crimpen und Stecken sind entscheidende Verbindungstechniken, um gedruckte Elektronik, beispielsweise grossflächige Sensorfolien, und klassische Elektronik miteinander zu verbinden. Normalerweise werden elektronische Bauelemente in der Industrie durch Löten bei Temperaturen bis zu 250 °C mit einer Leiterplatte verbunden. Günstige PET-Folien halten jedoch nur max. 150 °C aus. Temperaturbeständigere Folien wiederum, wie für Lötverbindungen üblich, verursachen deutlich höhere Kosten.

Die Lösung ist die Verbindung von gedruckter Elektronik und Leiterplattentechnologie: «Mit Rollenprozessen lassen sich grossflächige flache und flexible Sensorflächen herstellen und mit klassischer Leiterplattentechnologie verbinden, indem man die Schnittstellen für die Verbindungstechnik vorbereitet», erklärt André Kalio von Schreiner PrinTronics.

Platz, Gewicht und Kosten sparen

Neben dem Crimpen steht als Verbindungstechnik auch das Leitkleben zur Verfügung. Ein elektrisch leitfähiger, mit Metall­partikeln gefüllter Klebstoff wird aufgetragen, und mittels Temperatur gehärtet. Diese elektrisch leitfähige und mechanisch stabile Verbindung findet Anwendung bei der Aufbringung flexibler Leiterplatten. Die Vorzüge der Verbindungstechnik werden unter anderem in der Automobilindustrie genutzt, um Platz, Gewicht und Kosten zu sparen und Sonderformen flexibel zu hinterlegen. 

Infoservice

Schreiner PrinTronics
Bruckmannring 22, DE-85764 Oberschleissheim
Tel. 0049 89 315 845 251, Fax 0049 89 315 845 166
www.schreiner-group.com



Für gedruckte Elektronik braucht man fundiertes technisches Know-how


Das sichere Verbinden von gedruckter Elektronik auf Folie ist kein Standardprozess