Wegweisendes Forschungsprojekt : Silizium ist nicht alternativlos
Dr. Herbert Gold (links) ist Senior Scientist am Institut Materials der Joanneum Research in Weiz und forscht an organischer Elektronik sowie der Entwicklung nachhaltiger Fertigungsmethoden für Sensoren und Dünnschichttransistoren. Seine neuesten Arbeiten konzentrieren sich auf die Anwendung biobasierter Materialien und ressourcenschonender Prozesse in der Elektronikproduktion.
- © Joanneum Research / BergmannElektronik ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch so sehr sie unser Leben erleichtert – ihre Produktion ist energieintensiv, verbraucht wertvolle Ressourcen und erzeugt große Mengen problematischer Abfälle. Laut Studien stammen beim Beispiel eines Apple-PCs rund 74 Prozent der CO2- Emissionen allein aus der Herstellung. Schon seit 2016 übertreffen Chiphersteller die Automobilindustrie bei den Treibhausgasemissionen mit steigender Tendenz. Die Ursache liegt im Kern der Technologie: Siliziumwafer und deren energieaufwändige Verarbeitung.
„Im EU-geförderten Projekt GreenOMorph gehen wir einen anderen Weg. Ziel ist die Entwicklung neuartiger, umweltfreundlicher elektronischer Bauteile auf Basis organischer Materialien – organische Elektronik - und die Abkehr von der Maxime ‚Performance um jeden Preis‘“, erläutert Herbert Gold. Er beschäftigt sich schon seit 20 Jahren mit nachhaltigen Elektroniklösungen und verfolgt konsequent die Vision, seinen Beitrag zu einer digitalen Gesellschaft in einer lebenswerten Umwelt und einem industriell autonomen Europa zu leisten.
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Zu diesem Thema gab es eine EU-Ausschreibung „Responsible Electronics“, der zufolge in einer digitalen Gesellschaft in Europa der Einsatz von Energie substanziell reduziert und zwei Materialprobleme gelöst werden müssen: „Erstens sollen Stoffe, die sich in keinerlei Kreislauf einbinden lassen und sich bis hin in unsere Gehirne verteilen, nicht in unseren Produkten sein. Diese per- und polyfluorinierte Alkyl-Substanzen oder PFAS wollen wir auf jeden Fall vermeiden. Und zweitens sollen kritische Rohstoffe, die Europa in geopolitische Abhängigkeiten bringt, ausgeschlossen werden. Wir konnten in der sehr kompetitiven Ausschreibung mit unseren Ansätzen überzeugen und bekamen eine Zusage für das Projekt GreenOMorph.“
Neuromorphe Informatik erklärt
Die neuromorphe Informatik beruht auf der Einheit von Speicherung und Verarbeitung von Signalen in ein und demselben Bauteil, wie das in lebenden Organismen der Fall ist. Gegensatz dazu ist die Neumann‘schen Informatik, wo Speicherung und Verarbeitung getrennt sind und damit viel Verkehr erzeugen.
Unsere Computer leisten viel, brauchen aber immer mehr Energie. In lebendigen Organismen leisten Gehirne (auch Muskeln und Nerven) Großartiges mit unglaublich wenig Energie, wie unser Gehirn mit einigen 10 Watt.
Performance um jeden Preis?
„Wir suchen in dem Projekt nach Durchbrüchen im gesamten Lebenszyklus des Produkts und setzen auf biobasierte Materialien sowie auf additive Fertigungsverfahren“, erklärt Gold. Der Vorteil organischer Elektronik liegt nicht nur in ihrer Flexibilität und geringem Gewicht, sondern vor allem in der umweltschonenden Herstellung. Die eingesetzten Materialien vermeiden kritische oder toxische Substanzen vollständig: Statt Silizium kommt etwa PET als Substrat zum Einsatz, statt Aluminium werden Edelmetalle wie Gold und Silber verwendet. Die Transistoren benötigen weder fluorierte Chemikalien noch halogenierte Lösungsmittel.
Auch auf die problematischen „Forever Chemicals“ (PFAS) wird gänzlich verzichtet. Der Energiebedarf der Herstellung sinkt – pro Funktion – um zwei Drittel, der Stromverbrauch der Bauteile selbst kann im Einsatz um den Faktor 1.000 reduziert werden. Möglich wird das durch das neuromorphe Prinzip: Verarbeitung und Speicherung von Signalen erfolgen direkt im Bauteil, ohne den „Datenverkehr“ klassischer von-Neumann-Architekturen.
Der Nachteil: Organische Elektronik kommt an die Leistungsfähigkeit gängiger Halbleitersysteme nicht heran. „Man muss sich die Frage stellen, ob der Einsatz von Hochleistungschips tatsächlich immer notwendig ist,“ insistiert der Physiker. „Für klassische IoT-Anwendungen würde der Einsatz organischer Elektronik mit geringerer Performance völlig genügen. Aus unserer Sicht wird in der Halbleiterindustrie der tatsächliche Performance-Bedarf zu wenig berücksichtigt“, so Gold weiter.
Wir wollen mit dem Projekt GreenOMorph zeigen, dass Nachhaltigkeit und Elektronik kein Widerspruch sind.
Druck statt Ätzen
Auch bei der Fertigung setzt GreenOMorph auf nachhaltige Prozesse. Es wird nicht mehr geätzt oder fotolithografiert. Stattdessen werden Funktionen durch Drucken, Prägen oder „Blade Coating“, also additive Methoden, erzeugt. „Trotz des geringen Materialeinsatzes in unserer additiven Dünnschichttechnologie werden die Metalle zu 99 Prozent recycelt und die Substrate zur Wiederverwendung aufbereitet. Der sogenannte E-Faktor – eine Kennzahl für die Umweltbelastung in der Chemieproduktion – ist um das Zehnfache niedriger als bei Silizium“, zeigt sich Gold erfreut über die Ressourceneinsparungen.
„Wir wollen mit dem Projekt GreenOMorph zeigen, dass Nachhaltigkeit und Elektronik kein Widerspruch sind. Mit dem richtigen Design, den passenden Materialien und innovativen Herstellungsverfahren kann Europa die Elektronikindustrie nicht nur ökologischer, sondern auch unabhängiger gestalten – und damit einen Beitrag zu einer digitalen Gesellschaft in einer bewohnbaren Welt leisten“, resümiert Herbert Gold.