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Flexible Kunststoffelektronik vor dem Durchbruch: Kunststoffspeichermedium entwickelt

Das Potenzial für die flexible Kunststoffelektronik ist enorm, von ausrollbaren Displays, über ultradünne Solarfolien bis zu intelligenten Textilien und Verpackungen. Schätzungen gehen davon aus, dass das noch junge Technologiefeld bereits in 15 Jahren weltweit rund 330 Milliarden Dollar umsetzen wird. 

Die Kunststoffelektronik wird auch als organische Elektronik bezeichnet, da sie auf Polymeren und organischen Molekülen auf der Basis von Kohlenstoff basiert – im Unterschied zur Silizium-basierten klassischen Elektronik (anorganische Chemie). Die Kunststoffe werden dabei so optimiert, dass sie Strom transportieren können, in der organischen Photovoltaik Licht absorbieren und in elektrische Energie umwandeln oder wie bei organischen Leuchtdioden (OLEDs) Licht emittieren können. Entscheidende Vorteile der Technologie sind neben dem Kostenfaktor und der guten Verfügbarkeit der Rohstoffe vor allem auch die Flexibilität des Materials und entsprechend neue Anwendungsmöglichkeiten.

Kunststoffelektronik kurz vor der Kommerzialisierung

Die Kunststoffelektronik hat sich rasend schnell entwickelt und steht an der Schwelle des kommerziellen Durchbruchs. Im März 2012 hat die Heliatek GmbH in Dresden die weltweit erste Produktionsanlage zur Herstellung von flexiblen, organischen Solarmodulen eingeweiht. Die Solarfolien wiegen nur 500 Gramm pro Quadratmeter und ermöglichen damit vollkommen neue Anwendungsbereiche. Der Wirkungsgrad ist mit bislang 10,6 Prozent zwar nur rund halb so hoch wie bei gängigen Silizium-Solarmodulen, das von Heliatek entwickelte Rolle-zu-Rolle Verfahren mittels Vakuumdeposition bei niedrigen Temperaturen ist allerdings energiesparend und kostengünstig.

Für die Entwicklung der organischen Elektronik hatten die Entwickler im Dezember 2011 bereits den Deutschen Zukunftspreis erhalten (Projekt-Trailer zum Deutschen Zukunftspreis 2011).

Kunststoffspeichermedium

Ein weiterer Schritt ist nun der Universität von Groningen und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung gelungen: Nach Kunststofftransistoren und Kunststoffdioden wurde nun erstmals ein Kunststoffspeichermedium entwickelt. Die Forscher verwendeten dafür das preisgünstige Polymer PVDF (Polyvinylidenfluorid), das bereits häufig für Membranfilter und Verpackungsfolien verwendet wird. PVDF ist wärmebeständig und chemisch sehr stabil, für Anwendungen als Speichermedium fehlten bislang jedoch die benötigten ferroelektrischen Eigenschaften. Das Material muss eine elektrische Polarisierung besitzen, die mit den Nord- und Südpolen eines Magnets vergleichbar ist. Diese Polarisierung kann dann durch das Anlegen eines elektrischen Felds gewechselt und der bistabile Polarisierungszustand genutzt werden, um Informationen zu speichern.

Herausforderungen gemeistert

Bild: Zwei dünne PVDF Proben: rechts, milchige, raue PVDF Folie, die konventionell hergestellt wurde und links: transparente glatte PVDF Folie, die mit verbesserten Verfahren hergestellt wurde / MPI für Polymerforschung
Bild: Zwei dünne PVDF Proben: rechts, milchige, raue PVDF Folie, die konventionell hergestellt wurde und links: transparente glatte PVDF Folie, die mit verbesserten Verfahren hergestellt wurde / MPI für Polymerforschung

Einen funktionstüchtigen elektrischen Schalter aus reinem PVDF herzustellen war schwierig. Zum einen stellte es eine große Herausforderung dar, eine glatte, dünne Folie aus PVDF herzustellen, das an sich rau wie mikroskopisches Sandpapier ist. Zudem erzeugt die konventionelle Verarbeitung nicht-ferroelektrische dünne Folien. Das erste Problem konnte gelöst werden, da sich PVDF bei hohen Verarbeitungstemperaturen in eine glatte, dünne Folie verwandelt. Durch das Anlegen eines kurzen elektrischen Puls werden die Folien zudem ferroelektrisch.

Vorteile gegenüber bisherigen Kunststoffspeichern

Bereits verfügbare Kunststoffspeichermedien bestehen aus einem speziellen Copolymer von PVDF mit Trifluoroethylen. Das Material ist allerdings aufwendig herzustellen und damit sehr teuer. Außerdem verliert es bereits bei Temperaturen von über 80°C seine ferroelektrischen Eigenschaften und alle gespeicherten Daten gehen verloren. Die Speicherfolien aus dem nun entwickelten Delta-PVDF sind hingegen temperaturunempfindlicher und erhalten die Daten auch bei Temperaturen von bis zu 170°C. Die Herstellung der Folien ist zudem einfacher und kostengünstiger.

Den Forschern zufolge ist das Delta-PVDF somit der ideale Kandidat für die Datenspeicherung in der Kunststoffelektronik. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen dabei von flexiblen Displays bis zu intelligenten Materialien für Textilien, Lebensmittelverpackungen, Etiketten und Tickets.

(mb)

Marc Brümmer

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