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P3 1-2/2021 de
TU Chemnitz
Surround-Sound aus Lautsprecher-Papier
Gedruckte Elektronik
Viele Lautsprecher der Zukunft werden, wenn es nach dem Institut für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz geht, nicht nur dünn wie Papier sein, sondern es auch eindrucksvoll zum Klingen bringen. In den Labors der Chemnitzer Forscherinnen und Forscher ist dies Realität, denn sie entwickelten bereits 2015 das mehrfach ausgezeichnete „T-Book“ – einen großformatigen Bildband, ausgestattet mit gedruckter Elektronik. Blättert man eine Seite um, dann beginnt diese durch einen unsichtbar im Inneren des Blatt Papiers befindlichen Lautsprecher zu tönen.
Gedruckte Lautsprecher erzeugen überraschende Urwald-Illusion: Die in eine Papierbahn eingebettete gedruckte Elektronik ermöglicht einen 360°-Surround-Sound. Varvara Bachul vom Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz analysiert den Soundverlauf, der innerhalb des T-RINGs erzeugt wird. Die Töne kommen aus 56 gedruckten Einzellautsprechern, die auf der knapp vier Meter lange Kreisbahn zu sieben Segmenten verbunden sind.
„Das T-Book war und ist ein Meilenstein in der Entwicklung gedruckter Elektronik, doch die Entwicklung geht kontinuierlich weiter“, meint Prof. Dr. Arved C. Hübler, unter dessen Leitung dieser weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnende Technologietrend bereits seit mehr als 20 Jahren vorangetrieben wird.
Von der Einzelbogenfertigung zum Rolle-zu-Rolle-Druck
Die klangvollen Papierlautsprecher aus Chemnitz wurden vor fünf Jahren noch in einer halbautomatischen Einzelbogenfertigung hergestellt. Dabei werden ganz normales Papier oder Folien mit zwei Schichten eines leitfähigen organischen Polymers als Elektroden bedruckt. Dazwischen kommt eine piezoelektrische Schicht als aktives Element, was das Papier oder die Folie in Schwingungen versetzt. Laut und deutlich wird durch die Luftverdrängung der Sound erzeugt. Die beiden Seiten des Lautsprecherpapiers lassen sich farbig bedrucken. Da dies nur in einzelnen Bögen in begrenzten Formaten möglich war, ist die Effizienz dieses relativ langsamen Herstellungsverfahrens sehr gering. Deshalb suchten die Forscher des Instituts für Print- und Medientechnik seit Mai 2017 einen neuen Weg – hin zur kostengünstigen Massenproduktion.
Ziel ihres jüngsten Projektes „Rollengedrucktes Lautsprecherpapier“ (kurz: T-Paper) war es deshalb, die Bogenherstellung in eine Rollenfertigung zu überführen. „Forscherinnen und Forscher aus den Bereichen Printmedientechnik, Chemie, Physik, Akustik, Elektrotechnik und Wirtschaft, die aus sechs Nationen stammen, entwickelten eine kontinuierliche, hochproduktive und sichere Rollenproduktion von Lautsprecherbahnen“, berichtet Projektleiter Georg C. Schmidt. Man habe dafür nicht nur das Rolle-zu-Rolle(R2R)-Druckverfahren genutzt, sondern auch für weitere Prozessschritte Inline-Technologien entwickelt, etwa die Laminierung funktionaler Schichten. „So kann Elektronik in das Papier eingebettet werden – unsichtbar und geschützt“, sagt Hübler. Zudem sei erstmalig eine Inline-Polarisation der piezoelektrischen Polymerschichten gelungen und eine komplette Inline-Prozessüberwachung der gedruckten Funktionsschichten möglich. Die finalen Projektergebnisse wurden im Januar 2021 in der renommierten Fachzeitschrift „Advanced Materials“ publiziert.
Lange und leichte Papierlautsprecherbahnen für Museen, Werbebranche und Industrie 4.0
Das Potenzial des Lautsprecherpapiers wurde im T-Paper-Projekt auf weitere Anwendungsbereiche ausgeweitet. So können nun meterlange Lautsprecher-Installationen in Bahnform oder als Kreis („T-RING“) gefertigt werden. „Bei unserem T-RING-Prototyp wurde eine knapp vier Meter lange Bahn mit 56 Einzellautsprechern zu sieben Segmenten verbunden und zum Kreis geformt, was eine 360° Surround-Sound-Installation möglich macht“, sagt Schmidt. Die Lautsprecherbahn inklusive gedruckter Verschaltung wiegt nur 150 Gramm und besteht zu 90 Prozent aus konventionellem Papier, das beidseitig farbig bedruckt werden kann. „So sind nun günstige Infotainment-Lösungen etwa in Museen, auf Messen und in der Werbebranche möglich. In öffentlichen Gebäuden ist beispielsweise eine sehr homogene Beschallung langer Strecken wie Korridore möglich. Aber auch die Prozesstechnik selbst könnte für andere Bereiche interessant werden, zum Beispiel zur Fertigung von Inline-Messsystemen für Industrie 4.0“, blickt der Projektleiter in die Zukunft.
Das Projekt „T-Paper“ wurde im Rahmen der Fördermaßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung - VIP+“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2017 bis 2020 mit 1,37 Millionen Euro gefördert.
Multimedia
Eine Einordnung der Forschungsergebnisse zum Thema „Gedruckte Lautsprecher“ im Projekt „T-Paper“ durch Dr. Georg C. Schmidt ist in der Reihe „Statements aus der Forschung“ verfügbar. Das Video befindet sich im YouTube-Kanal der TU Chemnitz: https://www.youtube.com/watch?v=SojLNZB1-8g.
Originalveröffentlichung
Georg C. Schmidt, Pramul M. Panicker, Xunlin Qiu, Aravindan J. Benjamin, Ricardo A. Quintana Soler, Issac Wils, Arved C. Hübler: Paper-Embedded Roll-to-Roll Mass Printed Piezoelectric Transducers, Advanced Materials - Wiley Online Library, 2021, DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006437.
Die nahezu unsichtbar in die Papierbahn eingebetteten gedruckten Lautsprecher sind nur im starken Gegenlicht zu erkennen.
Ein Novum der Chemnitzer Innovation ist die akustische Inline-Charakterisierung: Projektleiter Dr. Georg C. Schmidt prüft an einer Rolle-zu-Rolle-Druckmaschine die vollständig gedruckte Papierlautsprecherbahn akustisch und kann so deren Qualität beurteilen.
Redaktion: sbr
Fotos: Jacob Müller
