Ausgabe - 01-02 - 2012 - Produktion

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12 · F&E · Produktion · 12. Januar 2012 · Nr. 1-2 DEUTSCHER ZUKUNFTSPREIS Elektronik aus Plastik PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Am Anfang gab es eine Abfuhr. Das kann niemals funktionieren, winkte ein Fachgutachter einer Forschungsförderungsagentur ab. Jetzt, 15 Jahre später, hat der Physiker Prof. Karl Leo mit zwei Mitstreitern für den heftig kritisierten Forschungsansatz den Deutschen Zukunftspreis erhalten. DRESDEN (BA). Leo, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, hat sich der organischen Elektronik verschrieben. Bisher wird für elektronische Bauteile vor allem anorganisches Silizium verwendet. Das spröde Material ist zwar ein guter Halbleiter, doch seine Herstellung erfordert einen erheblichen Aufwand. Man muss bei hohen Temperaturen einen großen Kristall heranwachsen lassen und anschließend in dünne Scheiben, die Wafer, zerschneiden. Eleganter ist es dagegen, einen organischen Stoff zu verwenden, eine Art Farbstoff, wie er auch für Straßenschilder verwendet wird. Dieser lässt sich problemlos auf biegsame Folien oder andere Substrate auftragen. Allerdings sind organische Farbstoffe schlechte MESSSYSTEME Intelligent messen und regeln, wenn es dünn auf hart kommt MEIKE WIEGAND, PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Die Ingenieure des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) haben ein Messsystem entwickelt, das eine Überwachung der Blätter während des Trennschleifens ermöglicht. Derzeit forschen sie daran, wie der Prozess auf Basis der gewonnenen Messdaten geregelt werden kann. HANNOVER (BA). Um die Kosten beim Zuschneiden von Granitplatten gering zu halten, setzt die Industrie zunehmend auf dünnere Trennschleifblätter. Ein Problem sind jedoch deren starke Schwingungen während des Prozesses. Das Messsystem haben die Ingenieure des IPH im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickelt. „Die Suche nach geeigneten Sensoren und die Entwicklung der Elektronik gestalteten sich dabei schwierig“, erläutert Professor Lud- Halbleiter. Hier kommt die entscheidende Idee zum Zug, die jetzt prämiert und zunächst belächelt wurde: Die unzureichende Leitfähigkeit wird mit einer Dotierung erhöht, also der Zugabe einer geringen Menge einer anderen chemischen Substanz. Inzwischen ist es gelungen, mit einer Beimischung von nur einem Prozent die elektrische Leitfähigkeit um den Faktor eine Million und mehr zu steigern. Schon heute haben die hauchdünnen Halbleiter den Schritt in die Massenproduktion geschafft. Ähnlich wie Silizium-Chips sind sie vielseitig einsetzbar: Sie können sowohl elektrische Energie in Licht umwandeln als auch Sonnenlicht in Strom. Die Novaled AG verfolgt den ersten Ansatz und produziert Materialien für Displays und Leuchten, die Heliatek GmbH Rote, grüne und blaue OLEDs mit einer 2x2 Millimeter großen aktiven Fläche für Leistungstests. Bild: Deutscher Zukunftspreis/Ansgar Pudenz ger Overmeyer, einer der drei geschäftsführenden Gesellschafter des IPH, die Herausforderungen des Projekts. Zum einen bieten dünne Trennschleifblätter wenig Platz für die Integration von Sensoren; andererseits stört das metallische Umfeld die drahtlose Datenübertragung. Damit die Trennschleifblätter zukünftig nicht nur Daten erfassen, sondern der Prozess auch geregelt werden kann, wurde das Forschungsprojekt „Intelligentes widmet sich der Photovoltaik. Beide Unternehmen sind Ausgründungen aus dem Forschungsteam um Professor Leo, beschäftigen zusammen fast 200 Mitarbeiter und bilden mit weiteren Dresdner Firmen eines der weltweit bedeutendsten Cluster der organischen Elektronik. Zu den Unternehmensgründern gehören Jan Blochwitz-Nimoth (Novaled) und Martin Pfeiffer (Heliatek), die sich zusammen mit ihrem Mentor Leo den Zukunftspreis teilen. Bei der Vermarktung hat die Novaled AG die Nase vorn: Sie stellt bereits Materialien für Handy-Displays als Massenprodukt her. In zwei bis drei Jahren sollen Fernsehbildschirme folgen, die besonders flach, farbecht und sparsam beim Energieverbrauch sind. „Ein OLED-Display verbindet die wichtigsten Vorzüge der beiden aktuellen Technologien, der LED- und Plasmabildschirm-Technologie“, sagt Blochwitz-Nimroth. Es ist effizienter als ein Plasmabildschirm und liefert schärfere Bilder als ein LED, weil es ohne Hintergrundbeleuchtung auskommt. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet der OLEDs ist ihre Verwendung als flächige Beleuchtung. Solarzellen auf organischer Basis gibt es noch nicht als Massenware. Bei der Heliatek GmbH wird die Produktion voraussichtlich im nächsten Jahr anlaufen. Ihre Prototypen haben derzeit einen Wirkungsgrad von etwas über neun Prozent und können damit noch nicht gegen die üblichen Siliziumzellen konkurrieren. „Doch längerfristig werden wir an die zwanzig Prozent herankommen“, ist Prof. Leo überzeugt. Außerdem haben die organischen Zellen gegenüber dem Silizium andere Vorteile. Vor allem lassen sie sich relativ einfach – und damit vor allem preiswert – herstellen. Das Sieger- Trio dampft im Vakuum hauchdünne Schichten des organischen Trennschleifwerkzeug“ bis Ende 2012 verlängert. Auf Basis der Daten, die mit dem Messsystem erhoben wurden, wird nun eine Prozessregelung entwickelt. Neben dem Schneiden von Granit könnte das Überwachungssystem in Zukunft auch bei der Bearbeitung von Metall oder Holz eingesetzt werden. Weil es sehr hart und widerstandsfähig ist, erfreut sich Granit großer Beliebtheit. Das Material wird nicht nur zur Verkleidung von Gebäudefassaden eingesetzt, sondern auch als Bodenbelag oder für Fensterbänke verwendet. Erhältlich ist Granit in Form von Platten, die aus Granitblöcken geschnitten werden. Um Materialverlust beim Schneiden zu vermeiden, werden bei der Bearbeitung zunehmend dünnere Trennschleifblätter ein- Prof. Dr. rer. nat. Karl Leo, Dr. rer. nat. Jan Blochwitz-Nimoth, Dr. rer. nat. Martin Pfeiffer, (v.l.n.r). Bild: Deutscher Zukunftspreis/Ansgar Pudenz Materials auf einen Träger. Diese Auflagen sind nur einen Fünftelmikrometer dick, tausendmal dünner als herkömmliche Solarzellen. Ein halbes Gramm Halbleitermaterial genügt, um eine Fläche von einem Quadratmeter zu beschichten – und zwar bei Raumtemperatur und nicht erst bei einer Hitze von rund 1 000 Grad, wie sie bei anorganischen Zellen nötig ist. Solarzellen auf organischer Basis herstellen Das spart Energie, außerdem ist man nicht auf hitzebeständiges Glas als Substrat angewiesen, sondern kann PET-Folien verwenden. Dieses Plastikmaterial, das auch für Flaschen genutzt wird, ist preiswert, leicht und flexibel. Die Preisträger haben mit der „Rolle-zu- Rolle-Technologie“ ein Verfahren entwickelt, um die Solarzellen am Fließband herstellen zu können. Die leichten Module, die dabei entstehen, lassen sich auch auf Dächern installieren, die für herkömmliche Module zu schwach sind. Für den Zukunftspreis werden jeweils drei Projekte nominiert, die um die Siegerehre konkurrieren. Neben der „Organischen Elektronik“ hat die Jury in diesem Jahr noch ein weiteres Projekt aus dem Hause Fraunhofer ausgewählt. Unter dem Motto „Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt“ haben die Forscher eine leistungsfähigere Ingenieure des IPH haben ein Messsystem entwickelt, das den Trennschleifprozess überwacht. Bild: IPH gesetzt. Sie verursachen geringere Werkzeug- und Energiekosten. Zudem entsteht bei der Zerkleinerung des Materials weniger Schlamm, der aufwändig entsorgt werden muss. Da schmale Trennschleifblätter eine geringere Steifigkeit haben, verbiegen sie sich allerdings auch leichter. Die Folgen sind starke Schwingungen, die zu einer Reduzierung der Plattenqualität und dadurch zu einer Erhöhung des Nachbearbeitungsaufwands führen. Den Schwingungen der Photovoltaik-Technologie entwickelt, die auf höchsteffizienten Solarzellen sowie der Sonne nachgeführten Konzentratormodulen basiert. Für den Preis waren Andreas W. Bett vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Hansjörg Lerchenmüller von Soitec Solar und Klaus-Dieter Rasch von AZUR SPACE Solar Power nominiert. Die Idee: Herkömmliches Silizium kann nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Es schwächelt ausgerechnet bei den kurzwelligen – und damit energiereichen – Anteilen und langwelliges Infrarot- Licht kann gar nicht umgewandelt werden. Die Wissenschaftler verwenden deshalb gleich mehrere Halbleiter im Pulk: Sie stapeln Lagen aus Galliumindiumphosphid,Galliumindiumarsenid und Germanium übereinander und können so die Sonnenenergie nahezu komplett einfangen. Vor zwei Jahren erzielten sie im Labor einen Wirkungsgrad von 41,1 % – damals Weltrekord. Außerdem wurde der Autobauer Daimler mit einem innovativen Assistenzsystem nominiert, das Gefahren erkennt und mit einem Brems- oder Ausweichmanöver reagiert – schneller als es ein Sebastian Vettel könnte. Gegen diese starke Konkurrenz konnte sich das Team von Prof. Leo durchsetzen. Näheres im Internet unter www.deutscher-zukunftspreis.de Trennschleifblätter könnte die bearbeitende Industrie durch eine Erhöhung der Schnitt- beziehungsweise einer Änderung der Vorschubgeschwindigkeitentgegenwirken. Allerdings müsste hierfür ein Mitarbeiter abgestellt werden, der den Prozess beobachtet. Weil dieser Aufwand zu hoch ist, kommen in der Industrie bislang kaum Trennschleifblätter mit weniger als fünf Millimetern Dicke (bei einem Durchmesser von einem Meter) zum Einsatz.
MOLEKULARE HALBLEITER PRODUKTION NR. 1-2, 2012 Einem Team von Physikern ist der Nachweis gelungen, dass auch die Elektronen in großen Molekülen – beispielsweise in organischen Halbleitern – mit hoher Präzision durch einzelne Orbitale beschrieben werden können. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stephan Kümmel an der Universität Bayreuth konnte zeigen, dass es dabei sehr darauf ankommt, wie die Orbitale berechnet werden. WÜRZBURG (BA). Ihre theoretischen Vorhersagen wurden durch spektroskopische Messungen unter der Leitung von Dr. Achim Schöll und Prof. Dr. Friedrich Reinert an der Universität Würzburg und der Universität Hiroshima eindrucksvoll bestätigt. In den „Physical Review Letters“ stellen die Wissenschaftler ihre Forschungsarbeiten vor. Molekulare Halbleiter sind das Herzstück zahlreicher neuer Technologien, beispielsweise von organischen Solarzellen, die Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Die Weiterentwicklung dieser Technologien ist umso effektiver, je genauer die Strukturen organischer Halbleitermaterialien aufgeklärt werden. Ein Schlüssel für ein vertieftes Verständnis sind dabei die Eigenschaften der Elektronen. In jedem Molekül bilden die Elektronen eine Hülle, welche die Kerne der chemisch verbundenen Atome umschließt. Je geringer die Energiezustände von Elektronen sind, desto tiefer sind sie im Zentrum eines Moleküls angesiedelt; die Elektronen in höheren Energiezuständen befinden sich hingegen weiter au- ßen im Randbereich eines Moleküls. Da besonders diese äußeren Elektronen die Eigenschaften der Moleküle bestimmen, ist es wichtig, dass gerade sie korrekt von einer Theorie beschrieben werden. Aus prinzipiellen Gründen ist es nun aber unmöglich, die Aufenthaltsorte von Elektronen präzise zu ermitteln. Die physikalische For- schung kann lediglich Bereiche definieren, in denen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit Elektronen befinden. Diese Bereiche, die als Orbitale bezeichnet werden, lassen sich einerseits theoretisch berechnen. Andererseits liefert die Photoelektronenspektroskopie (PES) empirische Daten, die es erlauben, die räumliche Gestalt solcher Bereiche 12. Januar 2012 · Nr. 1-2 · Produktion · F&E · 13 Elektronen in Molekülen sichtbar machen Kooperative für Kautschuk PRODUKTION NR. 1-2, 2012 LEVERKUSEN (BA). Die Perspektiven des Hochleistungswerkstoffs Gummi durch den internationalen Austausch der besten Köpfe weiter zu verbessern ist das Ziel einer Rubber Excellence Partnership- Initiative des Synthesekautschuk- Pioniers LANXESS, des Deutschen Instituts für Kautschuktechnologie e.V., Hannover und der Qingdao University of Science and Technology in China. Im Rahmen der Initiative werden unter anderem der akademische Austausch zwischen China und Deutschland sowie die Forschungsarbeiten zu wichtigen gummirelevanten Themen gefördert. Mit der Vereinbarung setzt der Spezialchemie-Konzern LANXESS sein Engagement für erstklassige Bildung im Dienste einer nachhaltigen Weiterentwicklung eines der wichtigsten Zukunftswerkstoffe fort. Bereits seit 2009 kooperiert Lanxess sehr eng mit der Qingdao University of Science and Technology. Diese Kooperation soll nun vertieft werden. Matthias Dauth, Wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Dr. Stephan Kümmel am Lehrstuhl Theoretische Physik IV der Universität Bayreuth. Seine Forschungsarbeiten wurden vom DFG-Graduiertenkolleg „Fotophysik synthetischer und biologischer multichromophorer Systeme“ gefördert. Foto: Christian Wißler zu rekonstruieren. Dadurch wird eine graphische Darstellung der Orbitale möglich. Für kleine Moleküle stimmen die theoretisch berechneten und die experimentell bestimmten Orbitale häufig überein. Wenn es hingegen um technologisch interessante große Moleküle wie organische Halbleiter geht, gibt es eine solche Übereinstimmung in der Regel nicht. Die Bayreuther Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stephan Kümmel konnte jedoch – im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie – ein Konzept entwickeln, das es erlaubt, die Orbitale von Elektronen mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Sein Mitarbeiter Matthias Dauth hat dieses Verfahren auf Moleküle organischer Halbleiter angewendet. Anschließend hat er die Ergebnisse mit Berechnungen verglichen, zu denen die physikalische Forschung von anderen theoretischen Ansätzen aus gelangt. Zusammenarbeit mit der Universität Hiroshima „Die Unterschiede waren signifikant“, berichtet Dauth. „Um nachzuweisen, dass das in Bayreuth entwickelte Berechnungsverfahren die präziseren Vorhersagen erlaubt, war daher der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen, also möglichst leistungsstarken spektroskopischen Untersuchungen, ausgesprochen wichtig.“ Deshalb haben die Bayreuther Physiker die Zusammenarbeit mit Forschergruppen an der Universität Würzburg und der Universität Hiroshima gesucht. In Würzburg arbeiten Dr. Achim Schöll und Prof. Dr. Friedrich Reinert, Lehrstuhl für Experimentelle Physik VII, schon seit längerer Zeit daran, die Photoelektronenspektroskopie (PES) auf komplexe Moleküle anzuwenden. Die Versuchsreihen, die sie mit ihren Mitarbeitern an organischen Halbleitern durchgeführt haben, bestätigen die Bayreuther Berechnungen. Die Orbitale, die für Elektronen in den Randbereichen dieser Moleküle theoretisch prognostiziert worden waren, stimmen auf eindrucksvolle Weise mit den Orbitalen überein, die auf der Basis empirischer Daten sichtbar gemacht werden konnten. „Diese Übereinstimmung von Theorie und Experiment ermutigt uns, das theoretische Konzept weiterzuentwickeln, um die Elektroneneigenschaften noch genauer bestimmen zu können“, erklärt Kümmel. „Wir gewinnen auf diese Weise direkten Einblick in die elektronischen Eigenschaften von Materialien, die sich für neue Halbleitertechnologien mit großem Gewinn nutzen lassen, nicht zuletzt bei der Entwicklung effizienter Verfahren der Stromerzeugung.“ Physik in Bayreuth Forschungsschwerpunkte der Physik in Bayreuth sind die Festkörperphysik, Nichtlineare Dynamik und diePhysik der Weichen Materie. Diese Bereiche sind miteinander verzahnt. Zahlreiche Forschungsprojekte sind in nationale und internationale Forschungsverbände eingebunden. Zentrale Einrichtungen der Universität Bayreuth, an denen Projekte der Physik angesiedelt sind, sind das Bayreuther Institut für Makromolekülforschung (BIMF), das Forschungszentrum für Bio-Makromoleküle (bio-mac), das Research Center for Bio-Macromolecules, das Bayreuther Materialzentrum (BayMat) und das Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen
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