Jahresbericht 2019/20

Werte Partner des Fraunhofer FEP, werte Leserinnen und Leser,

das Jahr 2019 wurde gesellschaftlich stark geprägt durch das Engagement der Jugend für den Klimaschutz. Spätestens seit März 2019 unterstützten auch mehrere Zehntausend Wissenschaftler mit der Vereinigung „Scientists for Future“ die Forderungen zum Schutz des Klimas und der Biosphäre.

An nachhaltigen Produkten, wie biodegradierbarer Elektronik, umweltschonenden Technologien zur emissionsarmen Mobilität oder zur Saatgutbehandlung arbeitet das Fraunhofer FEP nicht erst seit diesem großen öffentlichen Diskurs. Der Fokus all unserer Forschungstätigkeiten liegt neben der Anwendungsorientierung und Industrietauglichkeit seit Jahrzehnten auf energieeffizienten, zukunftsorientierten Lösungen.

Das Titelbild verweist auf einen erfolgreichen Meilenstein im EU-geförderten Projekt ARIES (Accelerator Research and Innovation for European Science and Society): die erstmalige Erprobung einer Hybridtechnologie, die Stick- und Schwefeloxide sowie Feinstaub-Partikel aus Schiffsdieselabgasen entfernt. Dazu wurden im Sommer an einem Schiff in Riga (Lettland) mit unserer Anlage Versuche durchgeführt. Weißer Rauch verdeutlicht den Erfolg der Abgasreinigung durch die Behandlung mit niederenergetischen Elektronen.

Der Bereich Elektronenstrahl erzielte in seiner Abteilung Beschichtung Metall und Energietechnik außerdem Erfolge in der Entwicklung eines nichttoxischen und effizienten Herstellungsprozesses für poröse Siliziumschichten, der es ermöglicht, Batterien mit verbesserter Performance, höherer Ladekapazität und guter Zyklenstabilität herzustellen.

Im Bereich Plasmatechnik wird zunehmend an Verpackungsfolien geforscht, die Aspekten der Nachhaltigkeit gerecht werden. Ein Rahmenvertrag mit einem wichtigen Unternehmen des Verpackungssektors konnte abgeschlossen werden.

Die inzwischen seit über 20 Jahren etablierte Methode zur Behandlung von Saatgut mit beschleunigten Elektronen war auch 2019 ein gefragtes und umweltfreundliches Verfahren, welches ohne chemische Wirkstoffe Krankheitserreger effektiv abtötet. Das auch für den Öko-Landbau zugelassene Verfahren des Fraunhofer FEP wurde weiter optimiert und so konnten die Hersteller Ceravis AG 18.000 Tonnen und BayWa AG 5.000 Tonnen Saatgut behandeln.

Ein Höhepunkt im Bereich Mikrodisplays und Sensorik war die Teilnahme am Mobile World Congress in Barcelona, Spanien, mit der erstmaligen Präsentation eines ultraleichten, stromsparenden und kabellosen Moduls für Datenbrillen, das die einzigartige Optik von LetinAR aus Südkorea mit unserem OLED-Mikrodisplay vereint.

Im Geschäftsfeld Flexible Organische Elektronik wurde das von der EU geförderte Projekt PI-SCALE erfolgreich abgeschlossen und der in diesem Projekt geschaffene OLED-Pilotlinienservice unter dem Namen LYTEUS fortgeführt.

Im November fand erneut die Fachkonferenz „pro flex“ statt. Über 20 internationale Referenten präsentierten die vielfältigen Möglichkeiten von Rolle-zu-Rolle-Technologien für die Folien- und Ultradünnglasbeschichtung.

Wir danken unseren Kunden, Partnern und Zuwendungsgebern für die Unterstützung unseres Institutes sowie für das entgegengebrachte Vertrauen und die Zusammenarbeit!

Projekt "KODOS"

Im Jahr 2019 startete am Fraunhofer FEP ein Kooperations- projekt zur Implementierung von flexiblem Dünnstglas in photonische Anwendungen. In diesem Projekt (KODOS – Konfektionierter Dünnglas-Verbund für optoelektronische Systeme) arbeiten insgesamt neun Partner an den günstigsten Kombinationen verschiedener Fertigungsschritte mit dem Fokus auf eine kostengünstige und zuverlässige Verarbeitung des Glases.

Das Fraunhofer FEP bringt vor allem seine Kompetenz für Beschichtungsprozesse ein, aber auch Strukturierung, die Laminierung und das Schneiden der Gläser spielen im Projekt eine wichtige Rolle. Ein starker Fokus wird auf der Abscheidung transparenter Elektroden liegen. Bei dieser Technologie kann das Fraunhofer FEP auf Vorarbeiten aufbauen, die speziell für die künftigen Anwendungen weiterentwickelt werden sollen.

Im Ergebnis des Projekts wird das Konsortium einen kompletten Baukasten an Funktionswerkstoffen, Halbzeugen, Werkzeugen und Technologien anbieten können. Es werden Demonstratoren angestrebt, die sowohl im Automobilbau als auch in der allgemeinen Beleuchtung und in der Integration von Dekorelementen angesiedelt sind.

Projekt "PoSiBat"

Das Projekt „PoSiBat – Hochproröse Silizium-Zink-Beschichtungen für Batterien mit sehr hoher Energiedichte“ konnte im Jahr 2019 sehr erfolgreich abgeschlossen werden. Darin wurden Untersuchungen zur Herstellung von hochporösen Siliziumschichten und zu deren Potenzial für die Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte vorgenommen. Es wurden Silizium-Zink-Schichten durch Co-Verdampfung abgeschieden. Da Silizium und Zink im festen Zustand nicht mischbar sind, bildet sich während der Kondensation ein „heterogenes Gemenge“ aus nebeneinander vorliegenden Silizium- und Zinkkristalliten. Die Größe und Verteilung der Kristallite lässt sich durch die Wahl der Prozessparameter einstellen. Durch eine Wärmebehandlung im Vakuum wurde die flüchtigere Komponente Zink mittels Sublimation aus der Schichtmatrix herausgetrieben und dadurch poröse Siliziumschichten erzeugt. Elektrochemische Untersuchungen im Halbzell- bzw. Vollzell-Setup am Fraunhofer IWS zeigten initiale Ladekapazitäten von über 3000 mAh/gSi und eine vergleichsweise gute Zyklenstabilität. Im Projekt wurde zudem ein Konzept entwickelt, um die neuen Technologien auf einen Produktionsprozess aufzuskalieren.

Projekt "ARIES"

„ARIES“ steht für „Accelerator Research and Innovation for European Science and Society“ und bezeichnet ein Netzwerk von 42 europäischen Forschungseinrichtungen, die unter dem Dach des EU-Programms HORIZON 2020 und koordiniert von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN in mehreren Projektteams daran arbeiten, das Innovations- und Anwendungspotential von Teilchenbeschleunigern auszuloten und zu erweitern.

In diesem Rahmen wurde im Sommer 2019 unter Leitung der Technischen Universität Riga mit einem Feldversuch in der Rigaer Werft nachgewiesen, dass sich die hochgradig mit Schadstoffen (hauptsächlich Schwefel- und Stickoxiden sowie Feinstaub und teilverbrannten Kohlenwasserstoffen) belasteten Abgase von Schiffsdieselmotoren durch eine Kombination von Elektronenstrahlbehandlung bei Atmosphärendruck und anschließender nasschemischer Gaswäsche fast vollständig reinigen lassen. Diese neuartige Hybridtechnologie wurde vom Institut für Radiochemie (INCT) Warschau entwickelt und nun unter Einsatz einer für diese Anwendung speziell modifizierten mobilen Elektronenbehandlungsanlage des Fraunhofer FEP erstmals auch großtechnisch demonstriert. Als Elektronenquellen kamen zwei Niederenergie-Bandstrahler zum Einsatz, zwischen denen die Abgase eines Schleppbootes hindurchgeleitet und dabei die Schadstoffe mit hoher Energieeffizienz in wasserlösliche Verbindungen umgewandelt wurden. Das Verfahren soll in Folgeprojekten aufskaliert und in einer realen Schiffsumgebung erprobt werden.

Innovativer Verschleißschutz und neuer Sinterprozess für gedruckte Kontakte

Titanaluminiumnitrid-Schichten werden wegen ihrer hohen Härte und Oxidationsbeständigkeit als Verschleißschutz auf Schneidwerkzeugen genutzt. Die Schichten weisen typischerweise ein Al:Ti-Verhältnis < 2:1 auf. Im Projekt „AlTiNTec – Untersuchung von Technologien zur Abscheidung von verschleißmindernden aluminiumreichen TiAlN-Schichten“ wurde das Verhältnis weiter erhöht, was zu einer Gefügeänderung führt. Es wurde nachgewiesen, dass mittels Magnetronsputtern Schichtstapel mit zunehmendem Al:Ti-Verhältnis > 3:1 abscheidbar sind. Durch Ausbildung einer harten Unterschicht (40 GPa) und einer weicheren Deckschicht zeigen sie ein sehr gutes Schneidverhalten.

Im Projekt „Neo-Sol – Neue technologische Schritte für Hocheffizienz-Solarzellen“ wurde ein neuer Sinterprozess an gedruckten elektrischen Kontakten auf Heterojunction-Solarzellen untersucht: Um geringe Widerstände und hohe Wirkungsgrade zu erreichen, werden die Kontakte nach dem Druck gewöhnlich im Ofen gesintert. Die Solarzellen dürfen dabei jedoch nur auf 200 °C erhitzt werden. Daher wurde der Elektronenstrahl genutzt, um lokal selektiv die gedruckten Kontakte zu versintern, ohne die Zellen zu erwärmen. Es wurde gezeigt, dass bei üblichen Druckpasten ein zum Ofensintern äquivalentes Ergebnis in kürzerer Zeit erzielbar ist.

Projekt "TASG"

Im 2019 gestarteten Projekt TASG („Tragbare, autarke und kompakte Strom-Generatoren“) arbeitet das Fraunhofer FEP an piezoelektrischen Dünnschichten für die Mikroenergiegewinnung, die es beispielsweise ermöglichen soll, Sensoren energieautark zu betreiben. Im Zentrum der Entwicklung steht dabei die Sputter-Abscheidung der piezoelektrisch wirksamen Schichten Aluminiumnitrid (AlN) und Scandium-dotiertes AlN. Eine Herausforderung ist die gleichzeitige Gewährleistung eines hohen piezoelektrischen Koeffizienten, sehr guter elektrischer Isolation und guter Haftung auf technischen Substraten wie Edelstahl bei starker Biegebeanspruchung. Der Dünnschichtansatz soll dabei zum einen deutlich niedrigere Kosten im Vergleich zu konventionellen Bulk-Keramik-Wandlern und zum anderen die Bleifreiheit der Komponenten gewährleisten. Projektpartner sind das Fraunhofer IIS, sowie die Firmen Wälzlagertechnik GmbH, H+E Produktentwicklung GmbH und dresden elektronik ingenieurtechnik GmbH.

Projekt "SmartEEs"

Das EU-geförderte Projekt SmartEEs arbeitet am Aufbau eines europäischen Innovationsnetzwerks, das sowohl den Zugang zu Kompetenzen als auch die Unterstützung der Unternehmen bei der Übernahme von Innovationen und bis zur Kommerzialisierung unterstützt. Als Plattform dafür wurde ein Digital Innovation Hub (DIH) geschaffen. Dieses Ökosystem besteht aus den Technologiedienstleistungen der Technologieanbieter, die mit Dienstleistungen aus den Bereichen Produktentwicklung, Business Support und Finanzierungsunterstützung verknüpft sind.

In SmartEEs wurden 3 der insgesamt 20 Anwendungsprojekte durch das Fraunhofer FEP realisiert. Sie beschäftigen sich mit der Integration der OLED in Holzstrukturen (Projektpartner WOODOO und 3DMA) und mit der Kombination von OLED und LED für das Human Centric Lighting (Projektpartner ESYST).

Auch nach dem Auslaufen von SmartEEs wird interessierten Firmen dieses attraktive Instrument zum Transfer von Forschungsergebnissen in industrielle Prototypen und eine spätere Fertigung mit dem Anschlussprojekt SmartEEs2 ab 2020 weiterhin zur Verfügung stehen.

www.smartees.eu

Projekt "ADMONT"

Im Projekt “Advanced Distributed Pilot Line for More-than-Moore Technologies (ADMONT)” hat das Fraunhofer FEP durch einen speziell entwickelten OLED-on-Silicon CMOS-Backplane-IC eine Sensorplattform zur optischen Anregung und Auslese von Sensorschichten realisiert. Es befinden sich zwei OLED-Dots sowie Photodioden und die Ansteuer- /Ausleseelektronik zur Emission und Detektion von Licht auf den Chips. Die Emissionswellenlänge der Leuchtdioden kann im sichtbaren und angrenzenden Spektralbereich eingestellt werden und ermöglicht so die Anregung verschiedener Sensormaterialien für unterschiedliche Parametermessungen. Durch die Integration von Filtern mit farbstoff-spezifisch angepasster Charakteristik kann der Sensorchip auf verschiedenste Einsatzfelder ausgelegt werden.

Als Technologiedemonstrator ist ein Sensor zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen verfügbar. Am Fraunhofer FEP eigens entwickelte Sensorschichten oder kommerzielle Sensorspots können verwendet werden. Eine blaue OLED regt die Farbstoffschicht an und das Antwort-Phosphoreszenz-Signal wird im CMOS-Backplane-Chip detektiert.

Längere Funktionsdauer für biologische Herzklappenprothesen

Eine Herzklappe muss einiges bewältigen, denn sie durchläuft während eines menschlichen Lebens etwa 2,6 Billionen Öffnungs- und Verschlusszyklen. Allein in Deutschland werden jährlich mehr als 30.000 Menschen neue Herzklappen implantiert. Degenerative Veränderungen sind die Hauptursache für Herzklappenerkrankungen wie Aortenklappenstenose.

Der Trend geht klar zum biologischen Herzklappenersatz, da oft keine Antikoagulation erforderlich ist. Diese Bioprothesen werden aus Rinderperikard oder Schweine-herzklappen gefertigt, wobei Langzeitstudien eine 10 bis 15-jährige Funktionsdauer belegen. Ursachen für diese Prothesendegeneration liegen vor allem im Herstellungsprozess, weshalb ein neues Mehrkomponenten-Verfahren, das SULEEI-Verfahren, entwickelt wurde.

Dezellularisiertes Perikard-Gewebe wird nach erfolgter UV-Quervernetzung durch einen niederenergetischen Elektronenstrahlprozess sowohl stabilisiert als auch gleichzeitig sterilisiert.

Die Anwendung dieses innovativen Gewebeaufbereitungsverfahrens eröffnet die Möglichkeit, neue Herzklappenprothesen mit bisher nicht erreichter Haltbarkeit zu entwickeln.

Projekt "Neptun"

Im Projekt „Neptun“ setzen wir die langjährige und erfolgreiche Zusammenarbeit mit der CTF Solar GmbH zur Effizienzsteigerung von CdTe-Dünnschichtsolarzellen fort. Im Rahmen des Neptun-Projekts konnte durch den Einbau von Selen in die Solarabsorberschicht die Quanteneffizienz der Solarzellen im kurzwelligen und gleichzeitig im langwelligen Spektralbereich verbessert werden. Eine effektive Methode zur Charakterisierung der Selengradienten in den Absorberschichten ist die optische Glimmentladungsspektrometrie (GD-OES). Außerdem wird durch die GD-OES-Analysen auch die geringe Kupferdotierung am Rückkontakt untersucht, welche für niedrige Kontaktwiderstände erforderlich ist.

An ionenpräparierten Querschnitten der Solarzellen wird der Einfluss des Seleneinbaus auf das Gefüge der Absorberschichten im Kristallorientierungskontrast analysiert. Zusätzliche Messungen des elektronenstrahlinduzierten Stromes (EBIC) zeigen den Einfluss des Selengradienten und der Chloraktivierungsbehandlung auf die Position des pn-Übergangs und die Diffusionslänge der Ladungsträger.

Integrated Package zur Herstellung hochtransparenter Barriereschichten

Im Geschäftsjahr 2019 wurde die Leistungsfähigkeit des Systembaus auch durch die Auslieferung eines AlOX-Prozess-Systems unter Beweis gestellt. Dieses „Integrated Package“ wurde speziell für die Integration in eine industrielle Rolle-zu-Rolle Anlage eines namhaften Herstellers von Vakuumanlagen entwickelt.

In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe „R2R Hochrate-Vakuumbeschichtung“ betreute der Systembau die Installation des Systems in die Anlage, die Inbetriebnahme und die Produktionseinführung beim Anlagenbetreiber. Dieser ist damit in der Lage, mit hoher Wirtschaftlichkeit nahezu absorptionsfreie Barriereschichten für Verpackungsanwendungen für den Massenmarkt zu produzieren. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese Technologie des Fraunhofer FEP auch zur Beschichtung von Polypropylen- und Polyethylenfolien geeignet ist. Damit soll in Zukunft ein wesentlicher Beitrag zur Markteinführung von nachhaltigem Verpackungsmaterial geleistet werden.

Weiterhin trug der Systembau des Fraunhofer FEP in Zusammenarbeit mit der Abteilung „Spezielle EB-Systeme und Technologien“ maßgeblich zur Entwicklung und Fertigung eines mobilen Versuchsaufbaus bei, mit dem die Funktionalität einer neuartigen Abgasbehandlung für Schiffsdieselmotoren im Rahmen des EU-Projekts ARIES (Accelerator Research and Innovation for European Science and Society) wissenschaftlich nachgewiesen wurde.

An ionenpräparierten Querschnitten der Solarzellen wird der Einfluss des Seleneinbaus auf das Gefüge der Absorberschichten im Kristallorientierungskontrast analysiert. Zusätzliche Messungen des elektronenstrahlinduzierten Stromes (EBIC) zeigen den Einfluss des Selengradienten und der Chloraktivierungsbehandlung auf die Position des pn-Übergangs und die Diffusionslänge der Ladungsträger.