Eingabesysteme

Funktionale Tastaturen mit gedruckter Elektronik aus Kupfer. Kundisch

Gedruckte Elektronik erlaubt die Integration vieler Funktionen in extrem flachen Bauteilen.

Gedruckte Elektronik erlaubt die Integration vieler Funktionen in extrem flachen Bauteilen. Kundisch

Bedienpanels mit gedruckter Elektronik aus Kupfer.

Bedienpanels mit gedruckter Elektronik aus Kupfer. Kundisch

Eines der ältesten Metalle der Menschheit erlebt in gedruckter Form eine Renaissance: Kupfer ist in fast allen Gebieten des menschlichen Lebens zu Hause und eröffnet in gedruckter Form als Elektronik nun ganz neue Möglichkeiten. Mit gedruckter Elektronik sind Bauelemente, Baugruppen und Anwendungen gemeint, die im Druckverfahren hergestellt werden.

Statt Druckfarben kommen elektronische Funktionsmaterialien in flüssiger oder pastöser Form zum Einsatz. Die funktionale Tinte, in der auch Nanopartikel aus zum Beispiel Silber oder Kupfer enthalten sind, kann sowohl auf Papier als auch auf Plastik gedruckt werden. Im Fall des Kupfer-Elektronikdrucks wird die Fläche dazu zunächst vollflächig mit einer hauchdünnen Schicht Kupfer gefüllt, von der anschließend weggeätzt wird, was nicht benötigt wird. Die Paste härtet anschließend bei 80 bis 150 °C zu einer festen Schicht aus und bildet dabei leitfähige, funktionale Schichten.

Herausforderung für die Hersteller

Kupfer zeichnet sich durch eine höhere Leitfähigkeit aus als Silber, das in gedruckter Form schon seit Längerem Verwendung findet. Chemisch gesehen hat Silber zwar die höhere Leitfähigkeit. Zermahlen in viele kleine Partikel und auf eine Folie gedruckt leitet es aber schlechter als reines Kupfer, das klimatisch und mechanisch stabiler ist. Während Silber Signale nicht sauber leitet, bietet Kupfer fast keinen Widerstand und ist deswegen in der Signalverarbeitung deutlich vorzuziehen. Die Integration funktionaler Beschichtungen und großflächiger Sensorik stellte allerdings bislang aufgrund der komplexen Wertschöpfungskette eine Herausforderung für die Hersteller dar. Die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien sowie das Aufbringen am Zielprodukt müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, was in der engen Verzahnung der Prozessschritte eines langwierigen und kostenintensiven Innovationsprozesses bedarf.

Vor allem in medizinischen Anwendungen, wo es um Drucksensorik über große Flächen geht, spielt Kupfer nun seine Vorteile aus. Eine 90 cm × 200 cm große Matratze etwa kann mit Drucksensoren ausgestattet und zur Dekubitusprävention eingesetzt werden. Dazu wird die Matte in vier Elemente aufgeteilt, um die Signalübertragung nicht durch zu lange Strecken zu gefährden – als große Fläche ist die Leitfähigkeit nicht gleichbleibend gut gegeben. Kupferdruck ermöglicht nun die direkte Integration elektronischer Bauteile und die Verbindung der Mattenelemente miteinander. Jedes dieser Elemente ist ausgestattet mit einer druckempfindlichen Folie, die ihrerseits die Information auswertet und an die nächste Matte per Bus-System weitergibt. Hier spielt Kupfer seine Vorteile gleich doppelt aus, denn die Signale kommen gleichzeitig so sauber wie nur möglich an. Weltweit gibt es bislang nur wenige Hersteller, die marktreife Produkte anbieten.

Die Folie regiert die Mechanik

Im Gegensatz zur Leiterplattentechnik erlaubt die gedruckte Elektronik die Integration vieler Funktionen in extrem flachen Bauteilen. Der Bedarf an funktionalen Tastaturen und Bedienpanels ist groß – etwa für Bedienelemente medizinischer Geräte. Hinter der grafischen Ebene verbirgt sich meist eine flexible Folie, die mit elektronischen Druckfarben bedruckt ist. Die RFID-Sensorik erlaubt die Kontrolle über die Funktionen der Maschine sowie die Beobachtung der Verbrauchsmaterialien wie Schläuche oder Spritzen. Jedes einzelne Produkt wird so kontrollierbar und digital identifizierbar. Medizinische Geräte, für die eine regelmäßige Reinigung verpflichtend ist, können über einen entsprechenden Status auf dem RFID-Chip für den nächsten Einsatz gesperrt oder auch freigegeben werden. Ein Passwortschutz gewährleistet die Datensicherheit.

Mit der bereits in die Tastatur integrierten NFC-Schnittstelle bietet sich Anwendern eine neue Form der Kommunikation. Sie basiert auf der Near-Field-Technologie (NFC), mit der zum Beispiel ein Sensor über ein Smartphone ausgelesen werden kann. Servicetechniker können sich über ein Telefon an der Maschine anmelden – und schon wird das Gerät in der Landessprache eingestellt. Ziel ist hier vor allem, Produktionsschritte zu ersparen, indem die Schnittstelle direkt in die Bedieneinheit verbaut ist. Die Kupfertechnik bietet darüber hinaus die Möglichkeit, elektrische Bauteile wie LEDs einzubringen. Diese Komponenten werden gelötet, was gegenüber elektrischem Kleben zu bevorzugen ist. Löten lässt eine beständigere Verbindung entstehen, die mechanisch und elektrisch mehr aushält und langlebiger ist. Auch E-Paper in den Bedieneinheiten, deren Text über das Telefon geändert werden kann, Touchsensoren für gekrümmte Oberflächen, unsichtbare Leiterbahnen in Glas oder flache Bauformen für Kabel, Antennen oder Sensoren sind künftig möglich. Auch Tablettenblister, die über eine mit Leiterbahnen bedruckte Folie imstande sind die Nutzung zu dokumentieren und damit eine verbesserte Patienten-Compliance ermöglichen, sind keine Zukunftsmusik mehr, sondern bald schon Realität. Alles, was durch eine Folie mit hauchdünner Elektronik versehen werden kann und wofür die Übermittlung elektronischer Signale wichtig sein könnte, wird in der Nutzung profitieren.

Zehn Stück oder zehn Millionen

Kundisch konnte hierfür größtenteils auf schon bestehende Maschinen zurückgreifen. Einige Ergänzungen wurden dennoch vorgenommen. So wurde ein Reinraum geschaffen, um staubfrei und hygienisch arbeiten zu können, was für einige Produkte eine Grundvoraussetzung ist. Außerdem musste an den Maschinen eine Feinabstimmung stattfinden, damit sie noch genauer arbeiten können. Da gegenüber Folientastaturen in der Elektronik noch genauer gearbeitet werden muss, hat Kundisch in neue Laser- und Trocknungstechnik investiert.