Physik Unsere Schaltkreise sollen weicher werden

Einem südkoreanischen Elektronikkonzern kamen jüngst zwei Fernseher abhanden. Die Prototypen waren auf dem Weg zur internationalen Funkausstellung in Berlin, trafen dort aber nie ein. Ob normale Langfinger am Werk waren oder Industriespione, ist ungeklärt. Beides käme in Frage, handelte es sich doch um große, besonders brillante Bildschirme aus organischen Leuchtdioden (“organic light emitting diodes“, kurz Oled). Die Technologie ist brandneu und im Großformat extrem teuer.

Oleds sind die derzeit erfolgreichsten Produkte eines Forschungs- und Technologiefeldes, das vor zehn Jahren einmal eine ganz große Zukunft vor sich zu haben schien und darüber zum Opfer eines der schwersten Forschungsskandale überhaupt wurde (siehe Kast „Gefälschter Fortschritt“). Heute ist es um die organische Elektronik ein wenig stiller geworden.

Dabei sind die Hoffnungen von damals nach wie vor wach - und das keineswegs deswegen, weil das Wort „organisch“ eine Art Öko-Elektronik verheißen würde. Der Begriff kommt aus der Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Unter diesen organischen Materialien, zu denen auch Kunststoffe gehören, gibt es welche mit den Eigenschaften von Halbleitern. Damit lassen sie sich genauso für elektronische Schaltungen nutzen wie die heute verbreiteten anorganischen Halbleiter, vor allem das Silicium.

Dass manche organische Moleküle elektrischen Strom leiten können, wissen Chemiker seit langem. Einige können elektrische Energie in Licht verwandeln, das geschieht in einer Oled. Oder sie machen umgekehrt aus Licht Strom in einer organischen Solarzelle. Das alles können Siliciumhalbleiter auch, wozu also noch organische?

“Es geht um die Vision, damit völlig neu zu gestalten“, erklärt Mark Verrall vom Chilworth Technical Centre in Südengland, einem Forschungslabor des Chemiekonzerns Merck. Die organische Elektronik soll dabei Dinge ermöglichen, die mit den spröden anorganischen Halbleitermaterialen schlicht nicht machbar sind: extrem flache Bildschirme auf flexiblen Folien etwa oder auf komplexen Formteilen. Andere Einsatzmöglichkeiten wären aufrollbares elektronisches Papier, transparente Solarzellen, intelligente Warenetiketten oder Spielkarten. Vor allem aber bietet die organische Elektronik den Vorteil, dass sie auf große Flächen aufdruckbar ist. Entsprechende Verfahren werden derzeit von einigen Firmen und Forschergruppen erprobt.

Die elektronischen Strukturen müssen dazu mit einer Art Druckertinte auf ein Substrat aufgebracht werden. Im Idealfall funktioniert das dann bei Zimmertemperatur, was enorm Energie spart, weil die hohen Prozesstemperaturen der Siliciumtechnologie vermieden würden. Zudem kommt die Herstellung organischer Elektronik ohne giftige und ätzende Reagenzien aus. Auch gefährliche Schwermetalle sind bei organischer Elektronik kein Thema: Sie wäre tatsächlich vergleichsweise „grün“.

So weit die Vision. Wie weit ist man bei der Verwirklichung? Bei Merck in Chilworth bekommt man einen gewissen Überblick über den Entwicklungsstand des Gebiets. Schließlich arbeitet das Darmstädter Unternehmen an chemischen Rezepturen für fast alle Gebiete organischer Elektronik. Im Zentrum steht dabei die Bildschirmtechnologie, denn Merck liefert auch Flüssigkristalle (Liquid Crystals, LC) für die meisten der heute etablierten LC-Displays. Seit vielen Jahren feilen die Wissenschaftler aber auch an der Chemie organischer Leuchtdioden.

Eine Schwäche ist die Sauerstoff-Empfindlichkeit

Oleds wirken so brilliant, weil sie von selbst leuchten, während Flüssigkristalle mit einer Hintergrundbeleuchtung oder mit einfallendem Licht arbeiten müssen. Ob Oleds die etablierten Flüssigkristalle eines Tages vom Markt verdrängen können, ist nach Einschätzung der Forscher in Chilworth völlig offen. Auch wenn Smartphones mit Oled-Displays bereits auf dem Markt sind, stehen einer Verbreitung in andere Segmente noch etliche Hürden entgegen. Die größte ist die Herstellung großer Bildschirmflächen in Massenproduktion, erklärt Udo Heider, Chef der Oled-Abteilung bei Merck.

Dabei schleichen sich noch zu viele Fehler ein, die gnadenlos ins Auge springen. Bei den kleinen Handy-Displays kann die Industrie mit dem Ausschuss inzwischen leben. Mit der Größe der Bildschirmfläche wächst jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass der Produktionsfehlerteufel viele Displays trifft. Das ist einer der Gründe für den stolzen Preis, zu dem nun die ersten großen Oled-Fernseher auf den Markt kommen.

Aber es bestehen noch andere Probleme. Eine Schwäche aller organischen Halbleitermoleküle ist ihre Empfindlichkeit gegen Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit, die sie schnell altern lassen. Deshalb sind Oleds derzeit nur in starren Displays aus Glas auf dem Markt, in denen sie sicher verkapselt sind. Bei den visionären biegsamen Plastikdisplays, die vor zehn Jahren Aufmerksamkeit erzeugten, kann man so nicht verfahren. Denn Kunststoffe sind molekulare Netzwerke, die kleine Sauerstoff- und Wassermoleküle eindringen lassen. Sie müssen zum Beispiel mit wasserabweisenden Schichten versiegelt werden, weshalb kommerzielle flexible Oled-Displays noch eine Weile Zukunftsmusik bleiben werden.

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In größeren Displays braucht zudem jeder Bildpunkt einen Transistor zur Ansteuerung. Auch dieser muss organisch sein, wenn Flexibilität gefragt ist. An solchen aufdruckbaren Transistoren wird in Chilworth ebenfalls gearbeitet. Allerdings ist die organische Halbleitertechnik noch viel weniger leistungsfähig als die anorganische. Das demonstriert zum Beispiel ein organischer Mikroprozessor, den das Holst-Forschungszentrum in Eindhoven 2011 stolz präsentierte.

Gerade mal viertausend organische Transistoren brachten die Niederländer auf einer Fläche unter, auf der in modernen Silizium-Mikroprozessoren Milliarden von Transistoren sitzen. Das ficht jedoch die Entwickler organischer Elektronik nicht an, denn diese soll nur einfache Aufgaben bewältigen. Dagegen ist auch die Behäbigkeit organischer Transistoren ein Problem. Der Eindhovener Mikroprozessor kam auf ganze sechs Schaltvorgänge pro Sekunde - im Zeitalter von Gigaherz-Prozessoren mit Milliarden Operationen pro Sekunde ist das äußerstes Schneckentempo. Doch Merck-Forscher Mark James hält dagegen: Neue Materialentwicklungen würden wesentlich höhere Frequenzen erlauben, jedenfalls genug für perfekt flüssige Bewegungsdarstellungen.

Der Grund für die schlechteren elektronischen Eigenschaften liegt in der Natur des organischen Materials. Halbleiter heißen so, weil die Elektronen in ihnen nicht ganz so freiwillig fließen wie in Leitern. Die Elektronen brauchen erst einen Kick. Damit springen sie auf einer Art Energietreppe eine Stufe höher und erreichen einen Quantenhighway, auf dem sie ungehindert rasen können.

Für diesen Energiekick kann eine elektrische Spannung sorgen - oder in einer Solarzelle das eingefangene Licht. Umgekehrt können die Elektronen wieder auf die tiefere Energiestufe zurückfallen und die frei werdende Energie zum Beispiel als Licht aussenden. Anorganische Halbleiter bestehen nun aus einem regelmäßigen Kristallgitter aus Atomen. Elektronen haben als Quantenteilchen auch Wellencharakter, und wenn ihre Wellenlänge gut zum räumlichen Rhythmus des atomaren Gitters passt, können sie sich fast ungehindert durch den Kristall schwingen. Die organischen Halbleiter bestehen dagegen aus einem chemisch vergleichsweise lockeren Verbund von Molekülen, die längst nicht so perfekt geordnet sind. Sie besitzen ebenfalls zwei Energiestufen, doch die Elektronen können sich nicht so frei bewegen.

An der Frage, wie man ihnen die Ausbreitung im Material leichter machen könnte, forscht zum Beispiel das Fürther Unternehmen PolyIC. Es wurde 2003 aus dem Unternehmen Siemens heraus gegründet mit der Idee, intelligente Warenetiketten aus organischer Elektronik herzustellen. Diese sogenannte RFID-Funketiketten besitzen einen Datenspeicher, auf dem die Information über die Ware nach Bedarf aktualisiert werden kann.

Der Plan war wohldurchdacht, denn an der Gründung von PolyIC war das Fürther Unternehmen Leonhard Kurz beteiligt, dem es heute zu hundert Prozent gehört. Leonhard Kurz ist Experte für das Bedrucken von Materialien aller Art, etwa mit aufwendigen Sicherheitsmerkmalen wie beispielsweise Hologrammen. Doch gegen die heute etablierte anorganische RFID-Technik konnte sich die organische Alternative bislang nicht behaupten. Dafür gelang es den Fürthern unter anderem, eine flexible Folie zu entwickeln, die als berührungsloser Sensor funktioniert. Es gibt bereits eine damit ausgerüstete Designerlampe, die über Gesten steuerbar ist. Wie so oft entstand aus einer neuen Technologie eine unerwartete Anwendung.

Die Vorteile organischer Solarzellen

PolyIC setzt für seine Produktion Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren ein. Mit verschiedenen „Tinten“ drucken die Fürther elektronische Strukturen und feine Schichten auf lange Kunststoffbänder. Ein anderes Rolle-zu-Rolle-Verfahren nutzt die Firma Heliatek, um organische Solarzellen herzustellen. Das Dresdner Unternehmen, das 2011 den Zukunftspreis des Bundespräsidenten erhielt, hat gerade die erste Anlage für eine Kleinserienproduktion in Betrieb genommen. Hier läuft die Rolle mit dem Kunststoffträgermaterial durch eine Vakuumanlage und wird Schicht für Schicht mit dem organischen Halbleitermaterial bedampft. Das erfordert zwar Temperaturen um die 300 Grad Celsius, liefert aber gute Qualität.

Kürzlich erreichten die organischen Solarzellen der Dresdner einen Rekordwirkungsgrad: Knapp elf Prozent des eingefangenen Sonnenlichts wandeln sie in elektrische Energie um. Damit können sie bereits mit kommerziellen Dünnschichtsolarzellen aus anorganischen Halbleitern konkurrieren. Nur klassische Solarzellen aus kristallinem Silicium erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade. Dafür frisst deren Herstellung so viel Energie, dass sie diese erst nach zwei bis drei Jahren Betrieb wieder eingespielt haben. „Unsere Solarzellen haben eine Energierücklaufzeit von nur einem halben Jahr“, betont Martin Pfeiffer, Mitbegründer von Heliatek. Und er zählt weitere Vorteile organischer Solarzellen auf:

Im Vergleich zu anorganischen Solarzellen verlieren sie weniger an Wirkungsgrad, sobald sie heiß werden oder das Licht nachlässt. Vor allem kann man sie auf großen transparenten Folien in vielen Farben herstellen. Deshalb sieht Pfeiffer einen wichtigen Markt in Fassadenelementen oder getönten Fenstern, die eleganterweise aus dem abgefangenen Licht Strom erzeugen.

Dabei sollen die Dresdner Solarzellen laut Heliatek zwanzig Jahre halten, weshalb die Bauindustrie erstes Interesse zeigt. Wenn aber Fenster Licht in Strom verwandeln können, könnten sie ja auch umgekehrt als Leuchten funktionieren. Tatsächlich besteht diese Vision schon lange, sagt Jörg Amelung vom Dresdner Leuchtmittelherstellers Ledon. Ledon liefert bereits Oled-Leuchtmittel für teure Lichtinstallationen. Oled ermöglichen erstmals große, warmtonig leuchtende Flächen, die auch transparent sein können. „2014 oder 2015 werden wir erste Anwendungen auf dem Markt sehen“, prophezeit Amelung. Allerdings sieht er zunächst nur eine Chance bei teuren professionellen Beleuchtungssystemen.

Die Hoffnungen sind also ungebrochen. Gleichwohl, verglichen mit der anorganischen Elektronik steckt die organische auch zehn Jahre nach dem ersten großen Hype noch immer ein Stück weit in den Kinderschuhen. Das heißt keineswegs, dass sie nicht doch ihren Weg machen und unseren elektronischen Alltag noch einmal völlig umgestalten könnte. Auch das Silicium hat dazu mehr als ein Jahrzehnt gebraucht.