IGF-Projekt 22982 N – MULTISENS

Beschreibung

Das Internet-of-Things (IOT), also die Vernetzung nahezu beliebiger physischer und virtueller Objekte, ermöglicht die Interaktion zwischen Menschen und elektronischen Systemen. Dies ist die Basis für die Etablierung neuer digitaler Geschäftsmodelle in vielen Branchen [1]. Der daraus entstehende Markt betrug bereits in 2021 158 Mrd. US$ [2]. Für die folgenden Jahre wird ein weiteres starkes jährliches Wachstum zwischen 10% [3] und 20% [2] prognostiziert. Die Erschließung dieses Marktes erfordert leistungsfähige und wirtschaftliche Sensoren. Dementsprechend entfallen bereits in 2021 8,4 Mrd. US$ [4] auf Entwicklung und Fertigung IOT-fähiger Sensoren. Für diesen Teil der Wertschöpfungskette wird ein überproportionales Wachstum von >25% pro Jahr [4] prognostiziert. Kabellosen Sensoren kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Derartige Sensoren verbinden einen Wandler zur Erfassung der physikalischen Größe, mit einem Mikrochip zur Datenverarbeitung, einer Batterie zur Energieversorgung und einem Transmitter zur Drahtloskommunikation, mittels Bluetooth, ZIGBEE oder Z-WAVE [5]. Hergestellt werden diese Sensoren mit etablierten Technologien der Elektronikfertigung (z.B. PCB) wobei die Integration bzw. Applikation in das Zielbauteil in aller Regel montagebasiert erfolgt. Obwohl derartige Sensoren sehr leistungsfähig sind, existieren einige Nachteile:

• Durch den notwendigen Chip und die Batterie ergibt sich eine erschwerte Integration in Bauteile, was sich vor allem bei einer hohen Sensoranzahl und schwer zugänglichen komplex geformten Bauteilen erschwerend auswirkt.
• Die zur Energieversorgung notwendige Batterie erfordert regelmäßigen Wartungsaufwand und begrenzt die Lebensdauer [6]. Methoden des Energy-Harvestings, die dieses Problem lösen könnten, haben sich bisher nicht durchgesetzt.
• Aufgrund des weltweit steigenden Bedarfs an Elektroniktechnologie (Mikrochips) und instabilen globalen Lieferketten, steigen die Kosten für derartigen Sensoren was das Marktwachstum deutlich dämpft [2].
• Die eingesetzten Technologien der Elektronikfertigung erfordern für eine hohe Wirtschaftlichkeit sehr große Stückzahlen, was insbesondere bei geringen Stückzahlen zu wirtschaftlichen Nachteilen führt.

Der Einsatz von Radio Frequency Identifikation (RFID) Technologien bietet das Potential, diese Nachteile zu überwinden [7]. Kommunikation und Energieversorgung erfolgen über eine induktive Kopplung, was eine Batterie überflüssig macht [8]. Zusätzlich ist eine vollständig passive chip-lose Bauform möglich [6]. Die zu übertragende Information ist dann lediglich in den elektrischen Eigenschaften (Kapazität, Induktivität, Widerstand) der eingesetzten passiven elektrischen Bauteile codiert. Dies macht den kostenintensiven Einsatz von aktiven mikroelektronischen Bauteilen obsolet und eröffnet die Möglichkeit, Sensoren komplett drucktechnisch und ohne Montageaufwände zu fertigen. Dadurch entstehen Sensorstrukturen, die leicht integrierbar sind und bei Einsatz von digitalen Drop-on-Demand-Druckverfahren auch in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden können. Je nach Applikationsszenario können derartige Sensor-Tags auf Folien oder direkt auf Bauteile aufgebracht werden [9].

Auch der Markt für gedruckte Elektronik entwickelt sich derzeit rasant. Anwendung finden die Drucktechnologien bei der Fertigung von Smart Labels, Elektronik-integriertem Smart Packaging, flexiblen Displays und tragbarer Elektronik für die Bereiche IoT, Smart-Home und Smart Devices z.B. im Umweltsektor, dem Gesundheitswesen sowie der Lebensmittel- und Automotive-Industrie [10], [11] (siehe Abbildung 1). Triebkraft der Entwicklung ist die steigende Nachfrage nach miniaturisierter Elektronik sowie der Bedarf an portablen Internet-of-Things (IOT)-fähigen Geräten. Flexibilität, Kosteneffizienz und die geringe Fertigungskomplexität sind weitere Vorteile der gedruckten Elektronik [10]. Entsprechend wird der globale Markt für gedruckte Elektronik von bereits 9,9 Mrd. US-Dollar im Jahr 2021 auf voraussichtlich 23 Mrd. US-Dollar bis 2026 anwachsen. Dies entspricht mehr als einer Verdopplung des Bedarfs innerhalb von 5 Jahren (18,3 % p.a., Abbildung 1) [11]. Für das Segment der 3D-gedruckten Elektronik wird voraussichtlich ein noch dynamischeres
Wachstum von 39,50 % p.a. (2019 – 2029) [12] prognostiziert. MultiSens adressiert diese beiden dynamischen Märkte und verfolgt das Ziel, durch die Entwicklung vollständig druckbarer passiver LC-Sensoren:

• Basiswissen hinsichtlich Gestaltung, Leistungsfähigkeit und Fertigung einer neuen Klasse an passiven chiplosen vollständig druckbaren RFID-Sensoren zu schaffen,
• Anwendern von Sensoren eine Technologie zur Verfügung zu stellen, welche die Integration von Sensoren deutlich kostengünstiger, flexibler und mit weniger Bedarf an Bauraum und Gewicht ermöglicht sowie
• Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette gedruckter Elektronik (Werkstoff Komponenten/Anlagen Drucktechnologien) ein neues hochinnovatives Anwendungsfeld zu erschließen und damit neue Marktchancen zu generieren.

Neben der technischen Leistungsfähigkeit ist dabei vor allem eine hohe Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Kosten der Sensorik sowie deren Integration notwendig. Vor diesem Hintergrund fokussiert MultiSens mit chiplosen und passiven RFID-Sensoren eine Basistechnologie, die in vielen Produkten eingesetzt werden kann. Die wirtschaftlichen Potentiale ergeben sich insbesondere aus folgenden Aspekten:

• Durch den Verzicht auf aktive elektronische Bauteile und Batterien sind die Sensoren deutlich einfacher aufgebaut und preiswerter als konventionelle drahtlose Sensoren. Zudem sind sie wartungsfrei und auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen robust.
• Der einfache Aufbau ermöglicht eine sehr kosteneffiziente drucktechnische Fertigung. Hierbei können sowohl maskenbasierte Verfahren wie Siebdruck (hohe Produktivität bei hohen Stückzahlen) als auch maskenlose Verfahren wie z.B. Piezo-Jet (hohe Flexibilität bei kleinen Stückzahlen) zum Einsatz kommen.
• Die drucktechnische Fertigung ermöglicht eine deutlich kostengünstigere Integration. Auf Folien gedruckte Sensoren können einfach in Kunststoffbauteile integriert werden (Hinterspritzen, Kleben, Laminieren). Auch das Drucken der Sensorik direkt auf das Bauteil (z.B. mittels Piezo-Jet) stellt eine wirtschaftlich interessante Technologieoption dar.

Diese Vorteile machen gedruckte chiplose RFID-Sensoren für eine große Bandbreite an Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette des Funktionsdruckes interessant, was sich in der vielfältigen Zusammensetzung des PA widerspiegelt (siehe Abbildung 2).