Elektronische Bauteile landen künftig im Biomüll

Biegsame Solarzellen, organische Leuchtdioden, interaktive Verpackungen und geschwungene Displays im Autocockpit: Die gedruckte Elektronik eröffnet vielen Branchen ungeahnte technische und gestalterische Möglichkeiten. Allerdings befördert sie auch den Wegwerftrend, denn sie senkt die Herstellungskosten deutlich und wird daher zunehmend für Einwegprodukte gebraucht. Damit sich die wachsende E-Schrott-Problematik nicht noch zusätzlich vergrößert, entwickeln Nachwuchsforscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gedruckte Elektronik aus kompostierbaren Naturmaterialien.

Die Wissenschaftler des KIT verwenden für ihre gedruckte Elektronik nur Materialien, die in der Natur tatsächlich vorkommen und die biologisch leicht abbaubar sind. Auf Metalle und Halbmetalle wie Silizium verzichten sie dabei fast vollständig. „Halbleiter und Farbstoffe können aus Pflanzenextrakten oder Isolatoren aus Gelatine hergestellt werden. Als Trägerfolien eignen sich beispielsweise Speisestärke, Zellulose oder Chitin“, erklärt Gerado Hernandez-Sosa, Leiter der neuen Nachwuchsforschergruppe Biolicht. „Diese Materialien sind zwar nicht so langlebig wie die anorganischen Alternativen, doch die Lebensdauer von Einwegelektronik überstehen sie schadlos.“ Zudem könne man die Elektronik, sobald sie ausgedient habe, einfach in den Biomüll oder auf den Kompost werfen, wo sie gleich einer Bananenschale verrotte.

Damit der Verbraucher diese elektronischen Bauteile unbedenklich in den Kompost geben kann, müssen allerdings erst einmal Tinten her, die ebenfalls biologisch abbaubar sind. Ähnlich wie Buchstaben auf Papier werden die elektronischen Bauteile auf die kompostierbaren Folien gedruckt. „Anstelle von Farbpartikeln sind darin leitende, halbleitende oder nichtleitende, also isolierende Materialien gelöst. Nach dem Auftragen trocknet das flüssige Lösemittel und die zurückbleibende Schicht bildet das entsprechende Bauteil“, erklärt Hernandez-Sosa das übliche Herstellungsverfahren für gedruckte Elektronik. Für die Tinten müssten die Nachwuchswissenschaftler nun umweltverträgliche Materialien mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften identifizieren.

Qual der Wahl des passenden Lösemittels

Die neuen biologisch abbaubaren Tinten müssen aber nicht nur auf das neue Folienmaterial abgestimmt sein, sie müssen auch mit bestehenden Geräten gedruckt werden können. „Hersteller organischer Elektronik können so auf die umweltfreundlichen Materialien umsteigen, ohne ihr Druckerarsenal auszutauschen“, schildert Hernandez-Sosa den Anspruch an die neuen Tinten.

Aufwendig ist offenbar auch die Wahl des Lösemittels. Zum einen muss es bei druckfähigen Temperaturen in flüssiger Form vorliegen. Zum anderen darf es im Unterschied zu gewöhnlicher Tinte nicht in das Trägermaterial eindringen, sondern sollte darauf einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bilden, ohne abzuperlen. „Ist es zu dickflüssig, verstopft es die Poren des Druckers. Ist es zu dünnflüssig, verläuft es auf der Trägerfolie und benetzt sie nicht gleichmäßig“, erzählt der KIT-Wissenschaftler. Die Eigenschaften des getrockneten Materialfilms seien aber für die Funktion der elektrischen Bauteile entscheidend. So darf seine Dicke, die weniger als einen tausendstel Millimeter beträgt, maximal um fünf Prozent schwanken.

All diese Herausforderungen wollen die Nachwuchswissenschaftler relativ schnell meistern. Sie rechnen nach eigenen Angaben damit, kompostierbare organische Elektronik innerhalb der nächsten drei Jahre marktreif zu machen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Nachwuchsgruppe für vier Jahre mit insgesamt 1,7 Millionen Euro.