Obwohl gedruckte Sensoren aufgrund ihrer Kosten bisher im Wettbewerb mit herkömmlichen Sensorlösungen benachteiligt waren, ändert sich dies nun. Die zunehmende Digitalisierung erfordert eine stärkere und nahtlosere digitale Integration, und großflächige gedruckte Sensoren sind prädestiniert, die nächste Generation intelligenter Sensorlösungen voranzutreiben.

Großflächige, flexible, gedruckte Sensortechnologie. Quelle: IDTechEx

Große Oberfläche: Sensordruck ist der Schlüssel zur Erkennung großer Flächen

Die Massendigitalisierung führt zu einer Datenerfassung auf immer mehr Oberflächen, und großflächige Sensoren bieten hierfür eine ideale Lösung. Sie erfassen Oberflächeninteraktionen und liefern mehr räumliche Informationen sowie eine höhere Datengranularität als Einzelpunktsensoren. Um ausreichend große Sensoren zu erhalten, ist der 3D-Druck erforderlich, der eine Produktion in deutlich größerem Maßstab ermöglicht als subtraktive Fertigungsverfahren.

Großflächige gedruckte Sensoren finden in der Unterhaltungselektronik zunehmend Anwendung, um Oberflächeninteraktionen zu erfassen. Führende PC-Hersteller setzen großflächige gedruckte Kraftsensoren in Laptop-Trackpads ein und bieten so dynamische 3D-Touch-Funktionalität für ein verbessertes Benutzererlebnis. Gedruckte Fotodetektoren werden in OLED-Displays integriert und ermöglichen die Multi-Touch-Fingerabdruckauthentifizierung bei minimaler Auswirkung auf die Gesamtdicke des Geräts. Die Multi-Touch-Authentifizierung mit gedruckten Fotodetektoren verspricht bis zu 700 Millionen Mal mehr Sicherheit als die derzeitigen Ein-Finger-Methoden.

Möglichkeiten zur großflächigen Detektion mittels gedruckter und flexibler Sensoren auf Basis organischer Photodetektoren (OPDs), Perowskit-Photodetektoren (PPDs) und Quantenpunkte (QDs). Quelle: IDTechEx

Es überrascht nicht, dass Smartphones und Laptops wichtige Markteintrittspunkte für gedruckte Sensoren darstellen. Diese Geräte verfügen über große Benutzeroberflächen, die von den zusätzlichen Funktionen gedruckter Sensoren profitieren. Darüber hinaus ergänzen die kurzen Entwicklungszeiten und die spezifischen Anforderungen an Sensoren in der Unterhaltungselektronik die Kompetenzen von Anbietern gedruckter Sensortechnologie. Diese sind daher ideal geeignet, gemeinsam mit den Herstellern kundenspezifische Sensorlösungen zu entwickeln.

Multifunktionalität: Gedruckte Sensoren bieten hybride Funktionalität in einem kompakten Format

In vielen Sensoranwendungen ist es notwendig, mehrere Messgrößen gleichzeitig zu erfassen. Beispielsweise muss bei 3D-Touch-Trackpads von Laptops die hochpräzise Berührungserkennung mit der Erfassung der Eingabekraft einhergehen. Gedruckte Sensoren ermöglichen das Stapeln und Kombinieren verschiedener Sensorschichten mit minimalen Auswirkungen auf Formfaktor und Gewicht. Daher bieten gedruckte Sensoren eine relativ einfache Möglichkeit, multifunktionale Sensorik in bestehende Produkte zu integrieren.

Das Interesse der Automobilindustrie treibt die Wachstumschancen für multifunktionale gedruckte Sensoren in Anwendungen wie dem Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien voran. Hybride gedruckte Temperatursensoren können Hotspots in den Zellen erkennen, während druckempfindliche Schichten das Aufquellen der Batterie überwachen, ein Indikator für Zellversagen. Darüber hinaus bieten gedruckte Sensoren in Kombination mit gedruckten Heizschichten zusätzliche Möglichkeiten zur Durchführung dieser Messungen und ermöglichen so eine umfassende aktive Wärmemanagementlösung. Optimierungen bei der Installation, dem Laden und Entladen erhöhen die Batteriekapazität und verlängern die Batterielebensdauer, was potenziell zu Einsparungen von bis zu 3.000 US-Dollar pro Fahrzeug führt.

Multifunktionale gedruckte Sensortechnologie für die aktive Batteriezustandsüberwachung und das Wärmemanagement. Quelle: IDTechEx

Die Automobilbranche befindet sich in einer Phase des kontinuierlichen technologischen Wandels. Die Metatrends Elektrifizierung und autonomes Fahren prägen die Zukunft der Mobilität. Auch die Anforderungen an Fahrzeugsensoren entwickeln sich weiter und eröffnen damit Wachstumschancen für gedruckte Sensoren, die multifunktionale Technologielösungen ermöglichen. Werden die wichtigsten Kriterien hinsichtlich Kosten, Gewicht und Energieeffizienz erfüllt, haben gedruckte Sensoren das Potenzial, die zukünftigen Sensoranforderungen von Elektrofahrzeugen zu definieren, bevor die Konvergenz von Batterietechnologie und -design zu standardisierten Lösungen führt.

Flexibilität: Ausgewogenes Verhältnis von Form und Funktion durch flexible Sensoren

Starre Sensoren und Detektoren eignen sich im Allgemeinen nicht für Anwendungen, die eine konforme Detektion auf unebenen Oberflächen erfordern, wie beispielsweise in der medizinischen Röntgendiagnostik, wo sich die Detektoren idealerweise an die Konturen von Gliedmaßen anpassen sollten. Das Bedrucken flexibler Substrate wie PET, Polyurethan oder Polyimid bietet eine Lösung, die mit herkömmlichen Sensoren nicht realisierbar ist. Die Vielfalt an verfügbaren elastischen, thermischen und sogar biologisch abbaubaren Eigenschaften ermöglicht eine hohe Anpassungsfähigkeit der Sensorlösungen an verschiedene Anwendungsbereiche.

Neue Wachstumschancen für flexible Fotodetektoren ergeben sich aus ihrem Potenzial, bestehende Sensortechnologien zu ersetzen, die von größerer Flexibilität und nicht-planaren Messmöglichkeiten deutlich profitieren würden. Großflächige Fotodetektoren für die Röntgendiagnostik sind ein Beispiel dafür. Flexible, körperanpassende Röntgensensoren können die medizinische Diagnostik verbessern, während in industriellen Anwendungen die Möglichkeit der Bildgebung in beengten Räumen schnellere und effizientere zerstörungsfreie Bauteilprüfungen verspricht.

Flexibilität ist nur in wenigen Anwendungen der Fotosensorik wünschenswert, wobei die vielversprechendsten Perspektiven in gedruckten Sensortechnologien liegen, beispielsweise zur Kraft-, Dehnungs- und Temperaturmessung. Einige flexible Fotodetektoren zeigen jedoch das seltene Potenzial, kostengünstig mit bestehenden Bildgebungslösungen zu konkurrieren, etwa in der Röntgen- und SWIR-Detektion. Die Wachstumsaussichten für gedruckte Fotodetektoren, die die derzeitigen Bildgebungssensoren verdrängen könnten, hängen jedoch von der Erfüllung bestimmter, klar definierter und strenger Leistungskriterien ab.

Schlussfolgerungen und Ausblicke

Bislang verhinderte die Unfähigkeit gedruckter Sensoren, kritische Anforderungen an Kosten, Leistung, Größe und Zuverlässigkeit zu erfüllen, ihren Durchbruch in wichtigen Produktmärkten. Doch mit der zunehmenden Digitalisierung, die den Bedarf an Datenerfassung auf immer größeren Flächen vorantreibt, entwickelt sich die großflächige Sensorik rasant zum wichtigsten Alleinstellungsmerkmal gedruckter Sensortechnologie.

Die Marktsättigung im Bereich der Unterhaltungselektronik treibt das Interesse an großflächigen Sensoren mit innovativen Funktionen an, und Anbieter gedruckter Sensortechnologie sind bestens aufgestellt, um mit den rasanten Entwicklungszyklen Schritt zu halten. Multifunktionale und flexible gedruckte Sensoren gewinnen auch in der Medizintechnik und der Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Herkömmliche Sensoren können zwar einzeln großflächige Sensorik, Multifunktionalität und flexible Bauformen realisieren, doch die effizienteste Kombination dieser drei Eigenschaften bieten gedruckte Sensoren.

Mit Blick auf die Zukunft prognostiziert IDTechEx, dass der Markt für gedruckte Sensoren bis 2034 ein Volumen von 960 Millionen US-Dollar erreichen wird. Das prognostizierte Wachstum wird durch neue Möglichkeiten angetrieben, die großflächige, multifunktionale flexible Sensoren in Anwendungen wie Batteriezustandsmanagement, biometrischer Authentifizierung auf flexiblen Displays und sogar flexibler Röntgenbildgebung in der Medizin und Industrie bieten.

Autor: Dr. Jack Howley, Technologieanalyst bei IDTechEx