Überblick über die Entwicklung der flexiblen gedruckten Elektronikindustrie (Teil 1) — Rezension

Die flexible gedruckte Elektroniktechnologie ist eine elektronische Fertigungstechnik, die auf Druckprinzipien basiert. Die siliziumbasierte Halbleiter-Mikroelektroniktechnologie hatte lange Zeit eine absolut dominierende Stellung in der Elektroniktechnologie. Aufgrund der zunehmenden Komplexität der siliziumbasierten integrierten Schaltkreisfertigung und der enormen Investitionen ist die Fertigung jedoch weltweit von einigen wenigen großen Unternehmen monopolisiert. Daher hat Forschung und Entwicklung lösungsbasierter organischer und anorganischer Halbleitermaterialien in den letzten zehn Jahren die Erforschung der Herstellung verschiedener elektronischer Geräte mit traditionellen Drucktechniken angestoßen.

Laut Umfragedaten decken die Druckelektroniktechnologie und die Branche ein breites Spektrum ab, darunter organische, anorganische oder synthetische Materialien, die Schaltungen oder elektronische Bauteile drucken können, sowie Transistoren, Displays, Sensoren, Photoröhren, Batterien, Beleuchtungsgeräte, Leiter, Halbleiter und andere Bauelemente, ebenso wie Prozesse und Produkte zur Verbindungsschaltung. Obwohl die Druckverarbeitung selbst nicht über die hohe Auflösung und hohe Integration der traditionellen Mikronano-Verarbeitung verfügt, reichen ihre Vorteile von gleicher Fläche, Flexibilität und niedrigen Kosten aus, um bedruckte Elektronik in vielen neuen Anwendungsfeldern eine Rolle spielen zu lassen.

Ein Jahrzehnt im Rückblick

Was den Markt für gedruckte Elektronik betrifft, begann das britische Marktforschungsunternehmen IDTechEx bereits vor zehn Jahren, ihn zu verfolgen. Das Unternehmen veröffentlicht jährliche Berichte über die Entwicklung der gedruckten Elektronikindustrie, einschließlich Marktanalysen und Prognosen. Abbildung 157 zeigt die Einschätzung der Aussichten von IDTechEX für die Entwicklung gedruckter Elektronik im Jahr 2008. Damals war er sehr optimistisch hinsichtlich der Aussichten der gedruckten Elektronik und verglich die nächsten 20 Jahre der Entwicklung der gedruckten Elektronik mit der Entwicklung von Siliziumhalbleitern und Mikroelektronik damals.

Es sind damals 10 Jahre vergangen, seit die Vorhersage gemacht wurde. Rückblickend auf die Entwicklung gedruckter Elektronik im Jahr 2018 erreichte der Markt nicht das damals prognostizierte Niveau. Im Jahr 2015 präsentierte der Präsident von Samsung Electronics auf der koreanischen Konferenz für flexible gedruckte Elektronik einen Vergleich des tatsächlichen Entwicklungsstands des Marktes für gedruckte Elektronik mit frühen Prognosen verschiedener Marktforschungsfirmen (Grafik 158). Offensichtlich ist die tatsächliche Marktentwicklung weit entfernt von früheren Prognosen. Eine detailliertere Analyse veröffentlichter Marktdaten zeigt, dass der Markt zwar auf den ersten Blick groß erscheint, der Großteil seines Marktanteils aber tatsächlich aus traditionellen, reifen Produkten und Märkten stammt.

Diagramm 158: Vergleich der Entwicklung und Prognose des Marktes für gedruckte Elektronik (2015)

Diagramm 159 zeigt die Marktanteilsaufteilung gedruckter Elektronik, veröffentlicht von IDTechEx im Jahr 2016. Der Gesamtmarkt von 24,2 Milliarden Dollar umfasst nicht nur gedruckte Elektronik, sondern umfasst auch organische und flexible Elektronik. Die beiden letztgenannten Produkttypen werden nicht zwangsläufig durch den Druck hergestellt.

Zum Beispiel fällt der 16-Milliarden-Dollar-OLED-Displaymarkt nicht in die Kategorie gedruckte Elektronik und verwendet weiterhin Vakuumdampfabscheidungsprozesse. Der 6,5-Milliarden-Dollar-Sensormarkt besteht hauptsächlich aus Blutzuckertestsstreifenprodukten, die bereits vor 2008 ausgereifte Produkte waren. Der 1,3-Milliarden-Dollar-Markt für leitfähige Tinten konzentriert sich hauptsächlich auf leitfähige Pasten für bedruckte kristalline Silizium-Solarzellenelektroden und gedruckte Touchscreen-Randelektroden, anstatt auf den aufkommenden Markt für niedrigtemperaturgesinterte nanoleitfähige Tinten.

Im letzten Jahrzehnt haben einige frühe, bekannte Unternehmen für gedruckte Elektronik dramatische Höhen und Tiefen erlebt. So brachte das amerikanische Unternehmen Kovio 2008 ein Produkt zur Herstellung von Dünnschichttransistoren und RFID mit bedruckter Nanosilizium-Tinte heraus, womit sie bedruckte anorganische Nanomaterialien vorantrieb und ein Produktpionier wurde. Damals ging die Branche allgemein davon aus, dass Kovios vollständig gedrucktes RFID wahrscheinlich den gängigen Silizium-integrierten Schaltkreischip-RFID ersetzen würde.

Die Konarka Company in den Vereinigten Staaten wurde 2001 gegründet und kündigte 2008 den Bau einer 1GW-Produktionslinie für gedruckte organische Solarzellen an, wodurch sie zu einem Star-Unternehmen in der Industrialisierung der gedruckten Elektronik zu jener Zeit wurde. Beide Unternehmen verschwanden jedoch nacheinander, da ihre Produkte nicht auf den Markt kamen. Ein weiteres Beispiel ist PolyIC in Deutschland, das zu den ersten international gehörte, die gedruckte organische elektronische Etiketten und transparente Leitfolien mit Metallgittern auf den Markt brachte, aber da deren Produkte den Markt nicht erschließen konnten, wandten sie sich der Entwicklung anderer Technologien zu.

Im Bereich transparenter leitfähiger Filme gibt es neben PolyIC auch viele Unternehmen, die beschichtete Nanosilberdrähte oder Kohlenstoffnanoröhren einsetzen und gedruckte Elektroniktechnologie befürworten. Einige dieser Unternehmen haben über 10 Jahre überlebt, aber aufgrund des heftigen Marktwettbewerbs – insbesondere der starken Preissenkungen traditioneller ITO-Materialien und ihres Kampfes, ihre ursprünglichen Märkte zu halten – haben die meisten dieser Unternehmen eine lauwarme Marktleistung erzielt, und einige haben sich komplett aus dem Markt zurückgezogen, wie Carestream, ein frühes Unternehmen, das Nano-Silberdraht-transparente Leitfolien stark förderte, und Cima, ein selbstgebautes Unternehmen für Nano-Silber-Silber-Tinte Nanotech-Unternehmen, unter anderem.

Herausforderung

Das Konzept der gedruckten Elektronik ist sehr ansprechend. Wenn das Drucken erwähnt wird, denken die Menschen natürlich an gedruckte Zeitungen und Zeitschriften sowie an die Vorteile der Massenproduktion elektronischer Produkte zu niedrigen Kosten. Um jedoch gedruckte Elektronik wie Zeitungen wirklich zu erreichen, gibt es dennoch viele technische, industrielle und marktorientierte Herausforderungen. Erstens hat die gedruckte Elektroniktechnologie selbst Einschränkungen:

(1) Die grafische Auflösung der Druckverarbeitung ist deutlich niedriger als die der traditionellen Mikronano-Verarbeitung. Derzeit sind die feinsten durch Druck erreichbaren Linien etwa 1 Mikrometer, während die von integrierten Schaltkreisen verarbeiteten Mustergrößen den Bereich von 10 Nanometer erreicht haben.

(2) Die Voraussetzung für gedruckte Elektronik ist die Verfügbarkeit druckbarer elektronischer Tintenmaterialien, aber derzeit sind die Arten solcher Materialien begrenzt und haben im Allgemeinen eine geringere Leistung als ihre festen Gegenstücke. Die gedruckten elektronischen Geräte leisten zudem eine schlechtere Leistung als die von traditioneller Mikronano-Verarbeitung hergestellten Geräte.

(3) Elektronische Geräte benötigen in der Regel mehrschichtige Strukturen. Mehrschichtige Druckstrukturen sind durch die Registrierungsgenauigkeit begrenzt. Die Druckregistrierungsgenauigkeit ist in der Regel deutlich niedriger als die Mehrschicht-Ausrichtungsgenauigkeit der Mikronano-Verarbeitung.

(4) Um die ursprünglichen Materialeigenschaften der gedruckten elektronischen Tinte wiederherzustellen, sind Aushärtungs- und Sintringsprozesse erforderlich. Bei einigen Materialien kann die Sintertemperatur sehr hoch sein, was die Auswahl der Substratmaterialien einschränkt. Außerdem sind die Eigenschaften des gesinterten und ausgehärteten Materials meist schwer auf die ursprünglichen Eigenschaften des festen Materials, wie etwa die Leitfähigkeit, zurückzuführen.

(5) Aufgrund von Unterschieden zwischen gedruckten elektronischen Geräten und traditionellen mikroelektronischen Geräten können bestehende mikroelektronische Designmethoden und Software nicht direkt auf gedruckte Elektronik angewendet werden.

Die Annahme, dass traditionelle Druckereien direkt auf gedruckte Elektronik umsteigen können oder dass Leiterplatten mit Druckmethoden hergestellt werden können (Anmerkung: Traditionelle Leiterplatten und Leiterplatten werden nicht durch Drucken hergestellt), sind allesamt Missverständnisse über gedruckte Elektronik in traditionellen Industrien. Die für gedruckte Elektronik erforderliche Drucktechnologie ist wesentlich komplexer als die für Zeitungen, einschließlich der Kompatibilität von elektronischer Tinte und der Registrierungspräzision des mehrschichtigen elektronischen Tintendrucks. Derzeit haben die Leitfähigkeit und Präzision von leitfähigen Druckfarben noch nicht die Anforderungen traditioneller PCBs erreicht.

Die attraktivste Anwendung der gedruckten Elektronik, nämlich Drucktransistoren, ist noch weit von der praktischen Anwendung entfernt. Derzeit werden einige Produkte mit organischen oder anorganischen Halbleiterfarben zur Herstellung von Transistoren entwickelt, aber die meisten basieren weiterhin auf traditionellen Verfahren wie Lithografie, um grafische Transistorstrukturen zu erreichen, und sind keine wirklich vollständig gedruckten Transistoren. Es gibt noch viele technische Probleme bezüglich Stabilität und Verpackung gedruckter Solarzellenprodukte.

Zweitens muss gedruckte Elektronik mit traditioneller Elektronik auf dem Markt konkurrieren. Bedruckte elektronische Produkte haben eigene Produktformen (flexibel, kunststoffbasiert, papierbasiert), haben aber auch Leistungsnachteile. Nehmen wir RFID-Tags als Beispiel: Traditionelle RFID-Chips sind weniger als ein Millimeter groß und können Zehntausende von Transistoren integrieren. Gedrucktes RFID kann abgesehen von der gedruckten Antenne nur etwa tausend Transistoren auf einer begrenzten Etikettenfläche drucken, sodass seine Leistung natürlich weit hinter RFID-Chips zurückfällt, die mit Zehntausenden von Transistoren integriert sind. Darüber hinaus können RFID-Chips so klein wie Sesamsamen auch auf flexiblen RFID-Antennen installiert werden, um flexible RFID-Tags zu erreichen. Daher besteht die Herausforderung bei der Kommerzialisierung gedruckter Elektronik darin, differenzierte Produkte zu schaffen, die den Nutzern neue Benutzererfahrungen bieten, die bestehende Mikroelektroniktechnologien ergänzen können.

Bedruckte Elektronik gewinnt im Marktwettbewerb nur einen Vorteil, indem sie ein revolutionäres und beispielloses Produkt oder ein kostengünstiges Produkt entwickelt. Ein erfolgreicher Fall ist der gemischt gedruckte nanosilberne Metallgitter-Gitter-Transparent-Leitfilm, der von Nanchang OFILM in Massenproduktion hergestellt wurde. Da dieser neue transparente leitfähige Film für Touchscreens leitfähiger und empfindlicher ist als der transparente leitfähige Film von ITO und die Herstellungskosten niedriger sind, kann er den Markt schnell erschließen. Aber das ist nur auf dem Markt für große Touchscreens erhältlich. Im Bereich des Touchscreens von Mobiltelefonen sind aufgrund der kleinen Bildschirmgröße die Nachteile der ITO-Hochwiderstandsfähigkeit nicht offensichtlich. Darüber hinaus sehen sich ITO-Lieferanten der Konkurrenz durch nicht-ITO-Materialien ausgesetzt und haben erhebliche Preissenkungsstrategien eingeführt, was es extrem schwierig macht, transparente Leitfolien aus Metallgittern in den Touchscreen-Markt für Mobiltelefone zu gelangen. Es sei darauf hingewiesen, dass die kostengünstige Eigenschaft gedruckter Elektronik nur durch Massenproduktion realisiert werden kann. Druckgedruckte Elektronik, die in kleinen Chargen hergestellt wird, kann keine niedrigen Kosten erzielen. Wenn Sie also nicht in großen Mengen produzieren, haben Sie möglicherweise keinen Vorteil im Marktwettbewerb.