Biotonne statt Elektroschrott

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Sosa
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Knapp zwei Millionen Tonnen Elektroschrott fallen pro Jahr alleine in Deutschland an. Neue Verpackungsmaterialien mit Elektronikelementen und Einwegprodukte steigern den Wegwerftrend weiter und auch die geringeren Herstellungskosten durch gedruckte Elektronik aus dem Drucker fördern den wachsenden Müllberg. Nachwuchsforscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln daher nachhaltige Druckmaterialien und Tinten für gedruckte Elektronik sowie Verfahren für die industrielle Produktion.

Die Nachwuchswissenschaftler der Forschungsgruppe Biolicht am KIT arbeiten mit biologisch leicht abbaubaren Materialien, wie Halbleiter und Farbstoffe aus Pflanzenextrakten oder Isolatoren aus Gelatine. „Diese sind zwar nicht so langlebig wie die anorganischen Alternativen, doch die Lebensdauer von Einwegelektronik überstehen sie schadlos“, erläutert Dr. Gerado Hernandez-Sosa, Leiter der Nachwuchsforschergruppe. Hat die Elektronik ausgedient, so kann man sie laut Dr. Hernandez-Sosa einfach in den Biomüll oder auf den Kompost werfen, wo sie wie eine Bananenschale verrottet.

Für gängige gedruckte Elektronik, wie zum Beispiel organische Leuchtdioden (OLEDs), gilt dies bislang nicht. Der Begriff organisch kann hier irreführend sein, denn als ‚organisch‘ werden alle Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis bezeichnet. Über die Umweltverträglichkeit sagt dieser Begriff allein also nichts aus. Die Trägerfolie von OLEDs, also das Papieräquivalent für elektronische Tinten, besteht laut Dr. Hernandez-Sosa beispielweise aus dem gleichen Plastik wie herkömmliche Getränkeflaschen.

20150727 CN 02 005Die Entwicklung biologisch abbaubarer Spezialtinten ist das Ziel der Forschungsgruppe / © Tanja Meißner, KIT

Die Forschungsgruppe am KIT verwendet hingegen nur Materialien, die in der Natur tatsächlich vorkommen. Als alternatives Material für die Herstellung der Trägerfolien eignen sich beispielsweise Speisestärke, Zellulose oder Chitin. Auf Metalle und Halbmetalle, wie Silizium, verzichten die Wissenschaftler fast vollständig. Das Material ist kostengünstig, biegsam und lässt sich zu kilometerlangen Druckerfolien verarbeiten. Mit dieser Technologie wird es laut dem KIT möglich, Aufkleber mit einer elektronischen Ampel für das Haltbarkeitsdatum oder Pflaster mit eingebauten Sensoren, die den Heilungsprozess überwachen, im industriellen Maßstab herzustellen.

Auf die kompostierbaren Folien müssen dazu zunächst elektronische Bauteile gedruckt werden. Dieser Prozess gleicht dem normalen Druckprozess von Tinte auf Papier. Die Funktion der gedruckten elektronischen Komponenten hängt von der verwendeten Tinte ab. Anstelle von Farbpartikeln sind in der Spezialtinte leitende, halbleitende oder isolierende und damit nicht leitende Materialien gelöst. Nach dem Auftragen trocknet das flüssige Lösemittel und die zurückbleibende Schicht bildet das entsprechende Bauteil.

Ziel der Forschungsgruppe ist es, biologisch abbaubare Tinten zu entwickeln, die auf die neuen Folienmaterialien abgestimmt sind, aber gleichzeitig mit bereits vorhandenen Geräten gedruckt werden können. Damit könnten Hersteller organischer Elektronik auf die umweltfreundlichen Materialien umsteigen, ohne ihr Druckerarsenal auszutauschen.

20150727 CN 02 007Kompostierbare Elektronik zum Ausdrucken soll in den nächsten 3 Jahren auf den Markt kommen / ©KIT, Tanja Meißner

Dazu müssen die Nachwuchswissenschaftler umweltverträgliche Materialien mit den notwendigen elektrischen Eigenschaften identifizieren. Hartgelatine, aus der Medikamentenkapseln bestehen, eignet sich beispielsweise zur Isolierung. Auch die Wahl des Lösemittels stellt eine Herausforderung dar, denn es muss unter anderem bei druckfähigen Temperaturen in flüssiger Form vorliegen und darf im Unterschied zu gewöhnlicher Tinte nicht in das Trägermaterial eindringen. Stattdessen muss es einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bilden, ohne abzuperlen. Ist das Lösemittel jedoch zu dickflüssig, verstopft es die Poren des Druckers. Ist es zu dünnflüssiges, verläuft es auf der Trägerfolie und bildet keinen gleichmäßigen Film. Die Eigenschaften des getrockneten Materialfilms aber sind entscheidend für die Funktion der elektrischen Bauteile. Auch wenn der Materialfilm weniger als eine tausendstel Millimeter dick ist, darf diese Abmessung nur maximal um fünf Prozent schwanken.

Die Nachwuchsgruppe Biolicht gehört zum Institut für Lichttechnik des KIT. Ihre Labore hat sie am InnovationLab in Heidelberg, einer anwendungsorientierten Forschungs- und Transferplattform von Wissenschaft und Wirtschaft. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt das Forschungsteam für vier Jahre mit insgesamt 1,7 Millionen Euro.

Die Wissenschaftler rechnen damit, kompostierbare organische Elektronik innerhalb der nächsten drei Jahre zur Marktreife zu bringen.

Quelle: http://www.kit.edu/
Video zur Forschung: www.kit.edu/videos/druckbareelektronik

 

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