Metropolregion Rhein-Neckar | BASF SE, Heidelberger Druckmaschinen AG (Heidelberg) sowie die TU Darmstadt ziehen eine positive Bilanz zum Verlauf der ersten Phase ihres gemeinsamen Forschungsprojekts „Nanostrukturierung und Plastik-Elektronik Printplattform“ (NanoPEP) und haben die Fortsetzung der gemeinsamen Aktivitäten vereinbart.
Bereits seit Sommer 2009 arbeiten die Forscher der beteiligten Partner an nanoteiligen Funktionsmaterialien und den zugehörigen neuartigen Druckverfahren, mit denen diese verarbeitet werden können. Die daraus entstehenden Anwendungen der organischen Elektronik basieren auf leitfähigen Polymeren oder auch kleineren Molekülen der organischen Chemie und gelten als wichtige Zukunftstechnologien mit hohem wirtschaftlichem Potenzial. Ihre Einsatzgebiete reichen von organischen Schaltungen und Speichern über die Photovoltaik bis zu organischen Leuchtdioden.
Das Projekt ist als Querschnittsprojekt eines der Schwergewichte im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Spitzencluster „Forum Organic Electronics“ mit Sitz in der Metropolregion Rhein-Neckar. Es verfügt mit seinen Verknüpfungen zu den übrigen Mitgliedern des Spitzenclusters, die sich mit Themen wie OLED, Solarzellen und gedruckten Schaltungen beschäftigen, über ein weites Feld, um mögliche Anwendungen zu entwickeln.
Erste funktionsfähige Elemente im Labor realisiert
In der ersten Projektphase wurden bereits wichtige Fortschritte erzielt: Grundlage dafür bildete die Inbetriebnahme einer Rollendruckmaschine auf Basis einer Gallus RCS 330. Heidelberg ist zu 30 Prozent an der Schweizer Gallus-Gruppe beteiligt. Im Reinraum des Spitzenclusters konnten bereits erste funktionsfähige Bauelemente mit modifizierten Druckverfahren unter Laborbedingungen hergestellt werden. Diese Prozesse auf den industriellen Maßstab zu übertragen, ist in den nächsten zwei Jahren wesentlicher Inhalt des Folgeprojekts NanoPEP2, das 2012 begonnen hat. Neben der Weiterentwicklung der nanostrukturierten Materialien und der zugehörigen Druckverfahren soll die Funktion der gedruckten Bauteile in praxisnahen Demonstratoren gezeigt werden. Dies können zum Beispiel flexible OLEDs oder Solarzellen sein, die im gemeinsamen Reinraum des Spitzenclusters hergestellt werden.
Die Druckmaschine spielt dabei eine zentrale Rolle: Sie dient als Plattform für modifizierte oder völlig neu entwickelte Druck- oder Beschichtungswerke und somit als Integrator für die neu entwickelten Verfahren. Die Anforderungen an die Druckverfahren sind dabei sehr hoch: Bei Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer müssen die gedruckten Schichten extrem homogen und defektfrei sein.
Um diese hochkomplexen Druckprozesse auf den Produktionsmaßstab übertragen zu können, müssen die in einem Druckwerk ablaufenden Prozesse selbst genau verstanden werden. Daher wird am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren (IDD) der Technischen Universität Darmstadt an einer Modellbildung gearbeitet, die wichtige Parameter für eine Produktion definieren kann. Dabei untersuchen die Forscher auch die spezifischen physikalischen Mechanismen, die zu Inhomogenitäten in den gedruckten organischen Halbleiter- und Dielektrikumschichten und somit zum Ausfall des späteren Produktes führen können.
Forscher der BASF arbeiten an innovativen Hybridmaterialien
Die druckbare organische Elektronik erfordert völlig neue Materialien, die im Projektteil Nanostrukturierung von den Experten der BASF entwickelt werden. Die Grundlage bilden speziell designte Nanopartikel, die als funktionale Bauelemente mit neuen Prozesstechnologien in einer Art Baukastensystem zu Funktionsmaterialien zusammengebaut werden. In weiteren Prozessschritten werden diese dann zu einer druckbaren Suspension verarbeitet und beim Projektpartner getestet. Viel versprechen sich die Forscher dabei von innovativen Hybridmaterialien, die aus anorganischen und organischen Komponenten bestehen und perfekte elektronische Eigenschaften im gedruckten Film ermöglichen.
In den vergangenen drei Jahren wurden neue, sogenannte integrierte Produktionsprozesse für diese innovativen Hybridmaterialien entwickelt, die ohne Zwischenschritte zum Beispiel zur Stabilisierung der Materialien auskommen. In den dafür aufgebauten Anlagen ist die Herstellung der für die Drucktests benötigten Materialien bereits im Kilogramm-Maßstab möglich.
Parallel dazu untersuchen die BASF-Forscher druckbare Suspensionen für die organische Elektronik, die bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können. Dies stellt eine weitere große Herausforderung an die Materialentwicklung dar, da die Komponenten und deren Zusammenwirken auf diese Bedingungen beim Druck komplett neu eingestellt werden müssen. Mit diesen Materialien soll die Herstellung von Bauteilen auf preiswerten flexiblen Polymerfolien mit dem Roll-to-roll-Druckverfahren möglich werden.