Gedruckte Schaltungen aus Holz würden Elektrogeräte nachhaltiger machen. Doch der natürliche Werkstoff ist nicht leicht zu bändigen. Ein Team der Holzforschung Austria stellt sich der Herausforderung und hat bereits erste Prototypen gebaut und erfolgreich getestet.
Es hat schon etwas für sich: 1943 ließ sich der Wiener Ingenieur Paul Eisler in London das Prinzip der gedruckten Schaltung patentieren. Und nun tüfteln Forschende in seiner Heimatstadt an der Weiterentwicklung von Leiterplatten – und zwar im Sinne der Nachhaltigkeit. Sie drucken Elektronik auf Holz und Holzwerkstoffe.
Leiterplatten sind die Basis unserer elektronischen Welt. Im Wortsinn. Ob in der Waschmaschine, im Radio, in der Fernbedienung – auf ihnen werden die elektronischen Bauteile dieser Geräte befestigt und verbunden. Sie ermöglichen komplexe Schaltungen auf kleinstem Raum. Üblicherweise wird als isolierendes Material faserverstärkter Kunststoff verwendet. Ein Team um Boris Forsthuber von der Holzforschung Austria (HFA; Mitglied des anwendungsorientierten Forschungsverbunds Austrian Cooperative Research ACR) untersucht im vierjährigen EU-Projekt „HyPELignum“ unter Leitung der auf Nachhaltigkeit und gedruckte Elektronik spezialisierten Organisation Swedish ICT AB/Rise, ob Holz ein Ersatz dafür sein könnte.
„Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass wir weniger Elektroschrott und weniger Kunststoffabfall produzieren sollen und gleichzeitig mehr Wertschöpfung in Europa halten wollen“, sagt Forsthuber. Zum einen experimentiert das Projektteam mit Holzfasern, wie sie für die Papierherstellung verwendet werden, und presst daraus Leiterplatten. Das Ergebnis ist ein qualitativ hochwertiges Produkt, in das jedoch in der Herstellung immer noch viel Energie fließt. Deshalb versucht man zum anderen, Rohholz zu nutzen und die Platten daraus zu erzeugen: „Sperrholz besteht aus dünnen Furnierlagen, auf die jeweils Leiterbahnen (auf der Platte haftende, leitende Verbindungen; Anm.) gedruckt werden und die dann verklebt werden.“
Hohl, strukturiert und entflammbar
Gestartet ist das Projekt vor eineinhalb Jahren, mittlerweile sind die ersten funktionsfähigen Prototypen einer zweischichtigen Sperrholzleiterplatte fertig. „Derzeit arbeiten wir an Leiterplatten mit mehr Schichten und einer höheren Leiterbahnendichte“, erklärt Forsthuber. Der Materialwissenschaftler leitet seit Anfang des Jahres den HFA-Fachbereich „Oberfläche“ und forscht hier auch zu biobasierten Beschichtungen aus Baumrinde für die Möbel-, Bau-, Transport- und Verpackungsbranche.
Die größte Herausforderung bei der Entwicklung alternativer Leiterplatten liegt im Material an sich. „Holz ist ein natürlicher Werkstoff. Das heißt, die Eigenschaften variieren in alle drei Raumrichtungen. Außerdem ist Holz hygroskopisch. Es nimmt Feuchtigkeit über die Luft auf und ändert dadurch seine Form.“ Dazu komme, dass die Oberfläche strukturiert und nicht immer eben sei: „Es gibt Poren und Hohlräume. Druckt man darauf, kann es passieren, dass eine Leiterbahn unterbrochen ist.“
Dazu kommt die Gefahr der Entflammbarkeit, weswegen eine passende Brandschutzimprägnierung unumgänglich ist. Ein wesentlicher Anspruch des „HyPELignum“-Projektes sei, so Forsthuber, recycelbare Teile herzustellen. Konkrete Zahlen, wie viel Energie und Treibhausgase durch Holzleiterplatten tatsächlich eingespart werden können, gibt es noch keine. Um eine entsprechende Lebenszyklusanalyse des fertigen Produktes wird sich später die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) annehmen.
Forsthuber sieht die Chancen der Holzleiterplatten für Geräte(-teile), die keine hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität haben, nicht sehr stark beansprucht werden und bei denen es keine Gefahr durch Nässe gibt: „Das kann zum Beispiel für die Computermaus oder für den Autoschlüssel sein. Prinzipiell eignen sich Holzleiterplatten für Bauteile, bei denen die Größe nicht unbedingt eine Rolle spielt.“
Interessierte Partner aus der Elektronikindustrie sind jedenfalls von Anfang an beratend beteiligt. Damit könnten die Holzleiterplatten eine essenzielle Hürde im Vorbeilaufen nehmen – eine, an der Paul Eisler seinerzeit gescheitert ist: Ihm war es nicht gelungen, einen Anwender für seine Technik zu finden. Bei einem Radiounternehmen soll man den Wiener Erfinder mit dem Hinweis, dass die Frauen, die in der Montage mit der Verdrahtung per Hand betraut waren, „billiger und flexibler“ seien, abgewinkt haben. Der Durchbruch der Leiterplatten gelang erst später über die US-Rüstungsindustrie.