2021 war jedoch ein aufregendes Jahr für gedruckte Elektronik: Zahlreiche Anwendungen erreichten den kommerziellen Durchbruch, und der Sektor erhielt erhebliche Investitionen. Selbst wenn Technologien noch nicht kommerziell verfügbar sind, verlagern Unternehmen ihren Fokus zunehmend von der Technologieentwicklung und der Herstellung spekulativer Demonstrationsprototypen hin zu Entwicklungs- und Qualifizierungsprojekten für konkrete Kunden.

Gesundheit und Wohlbefinden: Flexibilität als Chance.
Um gedruckte/flexible Elektronik erfolgreich zu vermarkten, müssen Anwendungsbereiche identifiziert werden, in denen ihre Unterschiede zu herkömmlicher Elektronik einen signifikanten Mehrwert bieten. Elektronische Hautpflaster sind hierfür ein Paradebeispiel: Flexible Dünnschichtgeräte verbessern den Patientenkomfort und ermöglichen gleichzeitig die kontinuierliche Überwachung biometrischer Parameter.

Das Interesse an elektronischen Hautpflastern hat 2021 deutlich zugenommen. Große Unternehmen wie DuPont und Henkel haben spezielle Materialien entwickelt, und die Pflaster werden bereits in Krankenhäusern eingesetzt. Diese verstärkte Nutzung ist teilweise auf COVID-19 zurückzuführen, da Patienten und medizinisches Fachpersonal Fernbehandlungen mit anschließender Nachsorge zu Hause nun deutlich bevorzugen. Zudem kämpfen viele Gesundheitssysteme mit einem Behandlungsstau aufgrund abgesagter Operationen und Untersuchungen. Dies verstärkt den Druck, neue Technologien einzuführen, die die Effizienz steigern können, beispielsweise durch eine frühere Entlassung aus dem Krankenhaus.

Automobilindustrie: Unterstützung des Übergangs zu Elektrofahrzeugen.
Der Übergang zu Elektro- und autonomen Fahrzeugen erregt zwar viel Aufmerksamkeit, geht aber mit der Einführung anderer Technologien einher, die teilweise unbemerkt bleiben. Die zunehmende Verbreitung gedruckter Elektronik ist ein Beispiel dafür, mit Anwendungen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Fahrzeugs (ausführlicher dargestellt im IDTechEx-Bericht „Printed and Flexible Electronics for Automotive Applications 2021–2031: Technologies and Markets“).

Der Innenraum bietet besonders vielversprechende Möglichkeiten für Innovationen, die das Fahrerlebnis verbessern, da es für Hersteller schwieriger ist, Elektrofahrzeuge anhand ihres Antriebsstrangs zu differenzieren. Gedruckte/flexible Elektronik birgt in diesem Zusammenhang großes Potenzial, die Kabine um zusätzliche Funktionen zu erweitern und eine effizientere Fertigung zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind die Integration leistungsstärkerer Displays und berührungsempfindlicher Bedienoberflächen. So sind beispielsweise hintergrundbeleuchtete kapazitive Touchsensoren, bestehend aus eingebetteten transparenten, gedruckten Metallgewebefolien und thermogeformten Teilen, die von PolyIC entwickelt wurden, bereits in Volkswagen-Modellen des Jahres 2021 kommerziell erhältlich.

Auch für Anwendungen im Automobilbereich besteht zunehmendes Interesse an Heizsystemen, da Elektrofahrzeuge deutlich weniger Abwärme erzeugen. Gedruckte Elektronik wird zwar bereits in einigen Sitzheizungen eingesetzt, doch der Einsatz von Heizsystemen mit leitfähigen Tinten (mit resistivem oder PTC-Wert) auf der Oberfläche würde die Heizleistung verbessern und somit die Reichweite von Elektrofahrzeugen leicht erhöhen. Transparente Heizsysteme, die aus Metallgewebe, Kohlenstoffnanoröhren (CNTS) oder Silbernanodrähten gefertigt werden können, befinden sich ebenfalls in der Entwicklung und Erprobung. Erste Anwendungsbereiche sind Scheinwerferabdeckungen und Sensoren.

Intelligente Verpackungen: Technische Innovationen steigern die Wettbewerbsfähigkeit.
Intelligente Verpackungen haben 2021 einen wichtigen Schub für die breite Akzeptanz erfahren, da zwei Startups 10 Millionen Dollar an Fördermitteln erhalten haben, um die Produktion zu steigern und ihre technischen Fähigkeiten auszubauen.

Intelligente Gehäuse, definiert als die Integration elektronischer Funktionen wie Antennen und Sensoren in das Gehäuse zur Verfolgung von Fortschritt und Status entlang der Lieferkette bis hin zum Endverbraucher, gelten seit Langem als vielversprechende Anwendung für gedruckte/flexible Elektronik. Denn im Gegensatz zu herkömmlicher, starrer Elektronik ist gedruckte/flexible Elektronik theoretisch mit der Rolle-zu-Rolle-Produktion (R2R) mit sehr hohem Durchsatz kompatibel und ermöglicht so die notwendigen extrem niedrigen Produktionskosten.

Trotz der weitverbreiteten Nutzung von RFID-Tags beschränkt sich die Anwendung intelligenter Verpackungen mit integrierten Sensoren bisher auf Nischenprodukte. Dies liegt vor allem an den hohen Kostenanforderungen für die meisten Anwendungen intelligenter Verpackungen, insbesondere da diese die Integration einer Stromquelle oder Energiegewinnung, eines oder mehrerer Sensoren, eines Prozessor-ICs und einer Antenne erfordern. Darüber hinaus bietet die intelligente Verpackung in der Regel nur dann einen Mehrwert, wenn sie eine integrierte Lösung inklusive Software ermöglicht. Dies setzt üblicherweise einen Markteintritt in großem Umfang und die gleichzeitige Einführung durch mehrere Akteure der Lieferkette voraus.

Um die Kosten für Hardware in intelligenten Gehäusen zu senken und die Technologie so für Anwendungen mit höherem Volumen zugänglich zu machen, werden innovative Hardwaretechnologien entwickelt. PragmatIC, ein britisches Unternehmen, das flexible Metalloxid-ICs herstellt, sammelte im Oktober 2021 in einer Serie-C-Finanzierungsrunde 80 Millionen US-Dollar ein. Der Hauptvorteil der integrierten Schaltkreise von PragmatIC liegt in ihren geringen Kosten von potenziell unter einem Cent pro Stück. Während RFID die erste Anwendung darstellt, befinden sich auch komplexere integrierte Schaltkreise für Sensoranwendungen in der Entwicklung.

Eine weitere vielversprechende Innovation für intelligente Gehäuse sind Sensoren, die Energie aus elektromagnetischer Umgebungsstrahlung gewinnen. Diese batterielosen, drahtlosen Sensoren, entwickelt vom US-amerikanischen Unternehmen Wiliot, das in einer Serie-C-Finanzierungsrunde 200 Millionen US-Dollar einnahm, kommunizieren via Bluetooth. Die ereignisbasierte Sensorik sorgt dafür, dass nur bei Positionsänderungen des Sensors kommuniziert wird, wodurch der Stromverbrauch reduziert wird. Integrierte Schaltkreise von PragmatIC und Wiliot werden auf flexiblen Substraten montiert, und die Antennen werden häufig mit leitfähigen Tinten hergestellt. Diese neue Fertigungsmethode, die gedruckte und montierte Komponenten kombiniert, wird als „flexible Hybridelektronik (FHE)“ bezeichnet und in einem separaten Bericht der IDTechEx detailliert beschrieben.

Da diese eingehenden Investitionen das Wachstum von Technologien fördern, die einige langjährige Schwächen beheben, könnte sich 2021 als das Jahr erweisen, in dem die Einführung intelligenter Verpackungen beginnt.

Intelligente Gebäude und IoT: Kombination von Energieerfassung und -gewinnung

IoT-Geräte, hier definiert als ein Netzwerk drahtlos verbundener Sensoren für Anwendungen im Haushalt und in der Industrie, bieten Vorteile wie vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung. Sie stellen ein bedeutendes Potenzial für gedruckte/flexible Elektronik dar, da sie kostengünstig und kompakt sein müssen, um in Gebäude, Industrieanlagen usw. integriert werden zu können.

Trotz des klaren Nutzens bleibt die Stromversorgung von IoT-Geräten eine Herausforderung, da der Batteriewechsel – unter Berücksichtigung des Wartungsaufwands – sowohl ressourcenintensiv als auch kostspielig ist. Ein vielversprechender Lösungsansatz sind organische Photovoltaikzellen (OPV). Obwohl sich die großflächige Einführung organischer Photovoltaik bisher schwierig gestaltet hat, eignet sich diese Energiegewinnungstechnologie hervorragend für die Energiegewinnung in Innenräumen, da sie bei schwacher, diffuser Strahlung effizienter ist als Silizium-Photovoltaik. Die Filme lassen sich zudem kostengünstig mittels Lösungsverfahren herstellen, und ihre flexible Dünnschichtform verbessert die Haltbarkeit und die Integrationsmöglichkeiten.

Unternehmen wie Epishine, Dracula Technologies und Ribes Tech entwickeln organische Photovoltaikzellen für den Innenbereich, die für IoT-Geräte mit geringem Stromverbrauch eingesetzt werden können. Diese Technologie gewann 2021 an Bedeutung, als die OPV-Zellen von Epishine in kommerziell erhältlichen Produkten für das Gebäudemanagement verbaut wurden.

Weitere Anwendungsbereiche gedruckter/flexibler Elektronik für intelligente Gebäude nutzen die Möglichkeit, relativ einfache, großflächige Geräte kostengünstig herzustellen. Dazu gehören Heizungs- und Leckageortungssysteme, die entweder in Baumaterialien integriert oder nachträglich eingebaut werden. Das britische Unternehmen Bare Conductive brachte 2021 Laiier auf den Markt, das sich an diese Anwendungsbereiche richtet: Kostengünstige Leckageortung erweist sich insbesondere für die Versicherungsbranche als attraktiv, und es befinden sich mehrere Projekte in der Entwicklung.

Nächstes Jahr

Es wird erwartet, dass sich diese Kommerzialisierung gedruckter/flexibler Elektronik im Jahr 2022 über alle oben beschriebenen Technologien und Anwendungen hinweg fortsetzen wird, wobei kapazitive Berührungssensoren aus gedrucktem Metallgewebe, OPV-Zellen für die Energiegewinnung in Innenräumen und zunehmend flexible elektronische Hautpflaster allesamt an Bedeutung gewinnen.