Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

Organische Elektronik - Hightech aus Kunststoff

Kunststoffe mit metallischen oder halbleitenden Eigenschaften sind teilweise seit Jahrzehnten bekannt, die Leistungsfähigkeit dieser Materialien erreicht aber erst in den letzten Jahren durch intensive Forschung die Grenze zur Wirtschaftlichkeit, vor allem durch die Erschließung neuer Materialklassen, die Optimierung von Schichtstapeln und die Realisierung innovativer Anlagentechnik.

Organische Elektronik versus "anorganische" Elektronik

Bewährte Materialien wie Kupfer, Silizium oder Metalloxide durch funktionalisierte Kunststoffe zu ersetzen ist aus verschiedenen Gründen erstrebenswert. Zum einen weisen diese Stoffe eine quasi unbegrenzte Verfügbarkeit auf, zum anderen lassen sie sich zumeist sehr kostengünstig herstellen.

Ein weiterer Vorteil kann je nach Anwendung eine einfachere Verarbeitung sein, wie die Drucktechnologie, während die Siliziumtechnologie auch heute noch auf Reinraumbedingungen und Verarbeitung in Chargen angewiesen ist.

Das gleiche trifft auf die Entsorgung zu, bei der die Kunststoffelektronik als Beitrag zu einer "grünen Elektronik" unter Umständen sogar mit Kompostierbarkeit aufwarten kann. Dies ist allerdings zunächst ein Fernziel.

Auch die mechanischen Eigenschaften der organischen Elektronik können von Vorteil sein, weil sie auf flexiblen, transparenten Kunststofffolien (später vielleicht auch auf Papier) hergestellt werden kann. Sie ermöglicht so völlig neue Anwendungen, die mit der Siliziumtechnologie nicht ohne weiteres realisierbar sind.

Dennoch steht die Organische Elektronik in vielen Fällen nicht in direkter Konkurrenz zur bisherigen "anorganischen" Elektronik, da die Kenngrößen der organischen Materialbasis (Leitfähigkeiten, Wirkungsgrade etc.) meist um Größenordnungen unter der siliziumbasierten Elektronik liegen.

Vielmehr ist in den nächsten Jahren die Entwicklung eines komplementären Marktes zu erwarten, in den die anorganische Elektronik aus Kostengründen nicht vordringen kann.

Bündelung von Know-how im Spitzencluster

Unter dem Motto "Deutschlands Spitzencluster - Mehr Innovation. Mehr Wachstum. Mehr Beschäftigung" startete das BMBF im Sommer 2007 den Spitzencluster Wettbewerb. Die leistungsfähigsten Cluster aus Wissenschaft und Wirtschaft, die strategische Partnerschaften eingehen, sollen die Innovationskraft und den ökonomischen Erfolg Deutschlands stärken.

In diesem Rahmen zeichnete das BMBF im Herbst 2008 das Cluster "Forum Organic Electronics" in Heidelberg aus. Dort arbeiten Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft entlang der gesamten Wertschöpfungskette der organischen Elektronik eng zusammen, angefangen von der Erforschung und Entwicklung neuer Materialien, über die Konzeption von Devices und Systemen bis hin zur Vermarktung von Anwendungen und Dienstleistungen.

Das BMBF fördert die Forschungsprojekte der Clusterpartner mit ca. 40 Millionen Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren.

OLAE-Anwendungen finden sich zurzeit vor allem in der Photonik vertreten durch organische Leuchtdioden (OLED) und organische Photovoltaik (OPV). Zudem sind viele weitere Anwendungen wie Sensoren, Speicherbausteine, Transistoren und Batterien möglich.

Organische Leuchtdioden (OLEDs)

Die Lichterzeugung erfolgt hier analog zu klassischen LEDs. Im Gegensatz zu bisherigen Halbleitermaterialien ist die Bandlücke in polymeren Halbleitern über einen großen Bereich frei einstellbar ist. Daher können OLEDs beliebiger Farben erzeugt werden. Durch Mischen oder Stapeln verschiedener Emitter lässt sich prinzipiell jede beliebige Farbtemperatur einstellen.

Da OLEDs "flächig" emittieren und im abgeschalteten Zustand sogar transparent sein können, lassen sich viele neue Anwendungen realisieren. Diese finden sich im Bereich "Displays" (hier sind kleine Displays bereits seit einigen Jahren auf dem Markt), "Signage" (Beschilderung, Bedienelemente, Werbung) und "General lighting" (Raumbeleuchtung, Architektur, Design).

Eine Zukunftsvision: Transparente OLED-Fenster © OSRAM Opto Semiconductors GmbHLetzteres wird als erster großindustrieller Markt für Produkte der organischen Elektronik gesehen. Langfristig werden hier Produkte wie "leuchtende Tapeten" oder Fensterscheiben, die abends als Lichtquelle für den Raum dienen, erwartet.

Mit der Innovationsallianz OLED 2015 hat das BMBF seit 2006 die Entwicklung der OLED-Technologie erfolgreich unterstützt und die F&E-Förderung mit konkreten Verabredungen zu industriellen Investitionen verbunden.

Insbesondere ist hier das Commitment der beteiligten Unternehmen zu nennen, zu den vom BMBF bereitgestellten 100 Mio. Euro an F&E-Fördermitteln erhebliche eigene Investitionen in Deutschland zu tätigen.

Jüngstes Zeichen ist dabei die Eröffnung der OSRAM-OLED-Pilotfertigung am 30. August 2011 in Regensburg. Das neue Materialforschungszentrum von Merck in Darmstadt, der Bau des neuen Forschungszentrums samt Pilotfertigung von Aixtron in Herzogenrath oder die OLED-Pilotlinie von Philips in Aachen sind weitere Erfolgsbeispiele.

Damit haben die Bundesregierung und die Wirtschaft in den vergangenen Jahren mehr als 800 Mio. Euro in die Erforschung der OLEDs und in den Standort Deutschland investiert.

Die Ergebnisse sind schon heute beachtlich: Weltweit sind deutsche Forscher und Unternehmen führend im Bereich der OLED-Entwicklung. .Erste Produkte der großen Lampenhersteller sind seit 2010 auf dem Markt. Dabei kommen die effizientesten und besten OLEDs heute aus Deutschland.

Organische Photovoltaik (OPV)

Organische Solarzellen lassen sich vor allem als sog. "Dünnschichtsolarzellen" realisieren, in Analogie zu siliziumbasierten Solarzellen und auf Basis verschiedener Farbstoffe. Die erreichten Wirkungsgrade sind hier noch gering und liegen im Bereich von fünf bis acht Prozent.

Flexible organische Solarzelle © heliatek GmbHDer Vorteil liegt vor allem in der Möglichkeit, zukünftig auf flexiblen Substraten zu produzieren und die Zellen damit in verschiedene Produkte integrieren zu können, ohne das Produktdesign verändern zu müssen. Denkbar sind hier beispielsweise die Integration einer (farblich einstellbaren) Solarzellenschicht in das Hardcover von Mobiltelefonen oder Laptops, um die Akkulebensdauer entscheidend zu verlängern, oder transparente Solarzellen zur Integration in Fenster und Fassaden.

Sogar transparente Folien, die einfach auf die Scheibe aufgeklebt werden und damit zur Energiegewinnung beitragen, liegen im Bereich des Möglichen.

Hauptproblem ist zurzeit noch eine günstige, flexible Verkapselung der Zellen, die die Degradation durch Sauerstoff und Wasser verhindern soll.

Die Forschung zu derartigen Fragestellungen der OPV hat das BMBF seit 2008 in der "Innovationsallianz OPV 2015" gebündelt. Hier wird die öffentliche F&E-Förderung erneut mit industriellen Investitionen zur Umsetzung der Ergebnisse verbunden, so dass eine möglichst umfassende Ergebnisverwertung in Deutschland angestrebt wird.

Diese Innovationsallianz beinhaltet Zusagen der beteiligten Unternehmen zur Investition in die Thematik, welche die eingesetzten BMBF-Mittel von 60 Millionen Euro um das Fünffache übersteigen.

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  Schavan weiht OLED-Pilotproduktionslinie bei OSRAM ein

  Der Weg ist frei für die nächste Beleuchtungsgeneration - die organischen LEDs. Am 30. August 2011 wurde die neue OLED-Pilotproduktionslinie bei der Firma OSRAM in Regenburg eingeweiht. mehr
  (URL: http://www.bmbf.de/de/18722.php)