Die Organische Elektronik (OE) befasst sich mit dem Aufbau elektronischer Bauteile auf Basis von Polymeren (Kunststoffen) mit speziellen Eigenschaften. In den letzten Jahren wurden verschiedene Klassen von Polymeren und anderen organischen Materialien vorgestellt, die neben den bekannten Isolatoreigenschaften auch leitende oder halbleitende Charakteristiken besitzen können. Letzteres ist z.B. für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie von Bedeutung. Dadurch wird es prinzipiell möglich elektronische Bauteile wie Transistoren, LEDs oder Solarzellen unter Einsparung teurer Materialien wie Kupfer oder Silizium komplett aus Kunststoffen zu fertigen.

Das  Forschungsfeld „Organische Elektronik“ (auch Polymer- oder "Plastik"-Elektronik) zielt auf Anwendungen, in denen elektronische Bauteile auf einer polymeren Materialbasis gefertigt werden. Die Anwendungen finden sich zurzeit vor allem in den „Optischen Technologien“ vertreten durch organische Photovoltaik (OPV), organisch LEDs (OLEDs). Zudem sind viele weitere Anwendungen wie Sensoren, Speicherbausteine, Transistoren und Batterien möglich. Kunststoffe mit metallischen oder halbleitenden Eigenschaften sind teilweise seit Jahrzehnten bekannt, die Leistungsfähigkeit dieser Materialien erreicht aber erst in den letzten Jahren durch intensive Forschung die Grenze zur Wirtschaftlichkeit, vor allem durch die Erschließung neuer Materialklassen, die Optimierung von Schichtstapeln und die Realisierung innovativer Anlagentechnik.

Zur Herstellung der oben genannten Anwendungen existieren zurzeit zwei konkurrierende Ansätze: Zum einen das Prozessieren von Polymeren aus der Flüssigphase, hier kommen vor allem Modifikationen konventioneller Drucktechnologien zum Einsatz  (Tiefdruck, Siebdruck, Inkjet ...). Zum anderen das Verdampfen kleiner Moleküle im Vakuum („small molecule“-Technologie). Diese Methode verspricht hochreine und präzisere Schichtfolgen, während das Verdrucken momentan kostengünstiger erscheint und einen höheren Durchsatz ermöglicht.

Bewährte Materialien wie Kupfer, Silizium oder Metalloxide durch funktionalisierte Kunststoffe zu ersetzen (egal ob „polymer“ oder „small molecule“) ist aus verschiedenen Gründen erstrebenswert. Zum einen weisen diese Stoffe eine quasi unbegrenzte Verfügbarkeit auf, zum anderen lassen sie sich zumeist sehr kostengünstig herstellen. Ein weiterer Vorteil kann je nach Anwendung eine einfachere Verarbeitung sein, wie die oben beschriebene Drucktechnologie, während die Siliziumtechnologie auch heute noch auf Reinraumbedingungen und Verarbeitung in kleinen Chargen angewiesen ist. Das gleiche trifft auf die Entsorgung zu, bei der die Polymerelektronik als Beitrag zu einer „grünen Elektronik“ unter Umständen sogar mit Kompostierbarkeit aufwarten kann. Dies ist allerdings zunächst ein Fernziel.

Dennoch steht die Organische Elektronik in vielen Fällen nicht in direkter Konkurrenz zur bisherigen „anorganischen“ Elektronik, da die Kenngrößen der organischen Materialbasis (Leitfähigkeiten, Wirkungsgrade, etc.) meist um Größenordnungen unter der Performance der siliziumbasierten Elektronik liegen. Vielmehr ist in den nächsten Jahren die Entwicklung eines komplementären Marktes zu erwarten, in den die anorganische Elektronik aus Kostengründen nicht vordringen kann, oder weil sich die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Organische Bauteile können nämlich auf flexiblen, transparenten Kunststofffolien (später vielleicht auch auf Papier) hergestellt werden und ermöglichen so völlig neue Anwendungen, die mit der Siliziumtechnologie nicht realisierbar sind. Die zwei wichtigsten Zweige der organischen Elektronik sind:

Organische Leuchtdioden (OLEDs)

Die Lichterzeugung erfolgt hier analog zu klassischen LEDs. Da im Gegensatz zu bisherigen Halbleitermaterialien die Bandlücke in polymeren Halbleitern über einen großen Bereich frei einstellbar ist, können leicht OLEDs beliebiger Farben erzeugt werden. Durch mischen oder stapeln verschiedener Emitter lässt sich prinzipiell jede beliebige Farbtemperatur simulieren. Da OLEDs „flächig“ emittieren, und im abgeschalteten Zustand sogar transparent sein können, lassen sich viele neue Anwendungen realisieren. Diese finden sich im Bereich „Displays“ (hier ist der erste OLED Fernseher seit Anfang 2009 auf dem Markt), „Signage“ (Beschilderung, Bedienelemente, Werbung) und „General lighting“ (Raumbeleuchtung, Architektur, Design). Letzteres wird als überhaupt erster Markt für Produkte der organischen Elektronik gesehen. Erste Studien der großen Lampenhersteller sind bereits seit 2009 auf dem Markt.

Organische Photovoltaik (OPV)

Organische Solarzellen lassen sich vor allem als sog. „Dünnschichtsolarzellen“ realisieren, in Analogie zu siliziumbasierten Solarzellen und auf Basis verschiedener Farbstoffe (DSC - Dye Solar Cell). Die erreichten Wirkungsgrade sind hier noch gering und liegen im Bereich von 5-8%. Der Vorteil liegt vor allem in der Möglichkeit in der Zukunft auf flexiblen Substraten zu produzieren und die Zellen damit in verschiedene Produkte integrieren zu können ohne das Produktdesign verändern zu müssen. Denkbar ist hier z.B. die Integration einer (farblich einstellbaren) Solarzellenschicht in das Hardcover von Mobiltelefonen oder Laptops um die Akkulebensdauer entscheidend zu verlängern, oder transparente Solarzellen zur Integration in Fenster und Fassaden. Hauptproblem ist zurzeit noch die eine günstige, flexible Verkapselung der Zellen, die die Degradation dieser durch Sauerstoff und Wasser verhindern soll. Dennoch sind erste Anwendungen im Hochpreissegement erhältlich (Taschen, Rucksäcke, Sonnenschirme), im Juni 2009 wurde zudem die erste OPV Bushaltestelle in San Francisco eingeweiht.

Weitere Anwendungen der OE liegen in der Herstellung von Feld-Effekt-Transistoren (OFETs) oder anderer Schaltungsbauteile, die letztendlich zur Ansteuerung weiterer Organischer Elektronik verwendet werden können. Prinzipiell lassen sich damit dann Computerprozessoren und Schaltkreise realisieren. In diesem Bereich ist jedoch der Leistungsunterschied zur siliziumbasierten Elektronik besonders groß, Bauteilgrößen und -geschwindigkeiten unterscheiden sich hier um viele Größenordnungen. Anwendungen sind daher vor allem zusammen mit den neuen OE Anwendungen zu sehen, die generell eine Verwendung von Silizium nicht zulassen und denen eine simple Logik genügt.

Die bisher beschriebenen Möglichkeiten führen zudem auf das Feld der organischen Sensoranwendungen (OSA). Hier sollen zumeist bereits existierende Anwendungen häufig aus Kostengründen durch organische Bauteile ersetzt werden. Beispiele sind RFID-Identifikationen in der Lebensmittelindustrie, Licht- Wärme- oder Drucksensoren (wie bei Fingerabdrucksensoren), oder „Lab-on-a-Chip“ Anwendungen für die chemische Industrie.

Der Wirtschaftsstandort Deutschland ist auf dem Gebiet der OE sehr gut aufgestellt. Durch die Weltmarktführung im Bereich „Material“, als auch im Bereich "Drucktechnik" werden gleich zwei wichtige Säulen durch Deutsche Unternehmen abgebildet. Ein weiteres wichtiges Standbein ist die Beleuchtung, zwei der drei größten Lampenhersteller planen eine OLED-Produktion in Deutschland. Diese Position soll durch konsequente Forschungsförderung durch das BMBF gefestigt werden. Laufende Forschungsvorhaben sind weiter unten aufgelistet. Weitere Vorhaben zu diesem Themenfeld werden zudem im Rahmen des Spitzclusters "Forum Organic Electronics" und der Bekanntmachung "Organische Leuchtdioden - Phase 2" auf den Weg gebracht. Hier finden Sie geförderte Verbünde aus dem Forschungsfeld "Organische Elektronik". Zu jedem Projekt ist eine PDF-Datei mit den wichtigsten Kurzinformationen und den Verbundpartnern hinterlegt.

Bekanntmachungen

• Organische Leuchtdioden Phase 2 (24.09.2008 - 15.12.2008, Bewilligung der Verbünde läuft noch)
• Organische Photovoltaik im Rahmen der Förderprogramme "Optische Technologien“, "Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft - WING“ und "Grundfragen Energie“ (20.06.2007-14.10.2007)
• Organische Leuchtdioden im Rahmen der Förderprogramme"Optische Technologien“, "IT-Forschung 2006“ und" Werkstoffinnovation für Industrie und Gesellschaft“ (28.04.2005-15.06.2005)
• Spitzencluster "Forum Organic Electronics in der Metropolregion Rhein-Neckar"