Markt für gedruckte Sensoren soll bis 2030 4,5 Mrd. USD erreichen, sagt IDTechEx

Matthew Dyson von IDTechEx

Gedruckte Sensoren sind ein von Vielfalt angetriebener Markt mit 3,6 Milliarden US-Dollar (3,1 Milliarden Euro), sagt Dr. Matthew Dyson, IDTechEx Technologieanalyst, hat kürzlich den folgenden Artikel veröffentlicht. Dieser Artikel folgt auf die Veröffentlichung des neuen IDTechEx-Berichts „Gedruckte und flexible Sensoren 2020-2030:Technologien, Spieler, Prognosen“.

Wenn man die Aussichten einer aufkommenden Technologie in Betracht zieht, ist es leicht, pauschale Behauptungen aufzustellen. Die Aussage zum Beispiel, dass „eine größere Anzahl vernetzter Geräte, allgemein als Internet der Dinge (IoT) bezeichnet, die Nachfrage nach gedruckten Sensoren erhöhen wird“ scheint eine unumstrittene Aussage zu sein.

Doch wie in so vielen Lebensbereichen verbirgt solch eine allgemeine Aussage eine komplexe zugrunde liegende Landschaft. Jede Technologie hat unterschiedliche Zielanwendungen und unterschiedliche Akzeptanzbarrieren, sowohl kommerziell als auch technisch. Echte Einblicke erfordern daher eine viel detailliertere Analyse, bei der jede Sensortechnologie und potenzielle Anwendung unabhängig betrachtet wird.

Der jüngste IDTechEx-Bericht über gedruckte Sensoren verwendet diesen granularen Ansatz. Es enthält Kapitel zu einer Vielzahl von gedruckten Sensorkategorien, darunter organische und hybride Bildsensoren, piezoresistive und piezoelektrische Drucksensoren, dehnbare Dehnungssensoren, Temperatursensoren, gedruckte Elektroden für Hautpflaster, Biosensoren, ITO-Alternativen für kapazitive Berührungssensoren und andere.

Der Gesamtmarkt für gedruckte und flexible Sensoren wird bis 2030 voraussichtlich 4,5 Mrd. USD (3,9 Mrd 698 Millionen) bis 2030. Der Gesamtbericht umfasst über 25 Prognoselinien für verschiedene Technologien und Anwendungen und erwähnt 120 verschiedene Unternehmen und Organisationen.

Ein solcher Ansatz zeigt ein kompliziertes Bild mit unterschiedlichen Technologien in unterschiedlichen Phasen der Einführung für unterschiedliche Anwendungen. Die folgende Tabelle zeigt die Einschätzung der Akzeptanzbereitschaft von IDTechEx für das gesamte Spektrum gedruckter Sensortechnologien und -anwendungen (jede Farbe steht für eine andere Technologie oder Anwendung).

Der Status jeder gedruckten Sensortechnologie zwischen Konzept und Kommerzialisierung. Eine detaillierte Analyse jeder Technologie und ihres Status auf dem Weg zu einer breiten Akzeptanz in mehreren Anwendungen finden Sie im aktuellen IDTechEx-Bericht „Printed and Flexible Sensors 2020-2030:Technologies, Players, Forecasts“.

Drei Ansätze zur Bilderkennung

IDTechEx unterteilt gedruckte Bildsensoren in drei Kategorien:vollständig organisch, organisch-auf-CMOS-Hybrid und Quantenpunkt-auf-CMOS-Hybrid. Vollorganische Photodetektoren (OPDs) können als umgekehrt betriebene organische Solarzellen betrachtet werden, bei denen Schichten organischer Halbleiter nacheinander auf ein flexibles Substrat gedruckt werden. Dadurch sind sie prinzipiell kompatibel mit der großflächigen kontinuierlichen Fertigung.

Die Hauptzielanwendung für OPDs ist die biometrische Authentifizierung, wobei eine Strategie darin besteht, einen großflächigen Fingerabdrucksensor unter einem Display zu platzieren. Da es jedoch bereits Fingerabdrucksensoren gibt, einschließlich derer, die unter Displays angebracht sind, scheint die Verwendung von OPDs für diese Anwendung eher das Ergebnis eines Technologieschubs als das des Marktes zu sein.

Das Nutzenversprechen ist bei der Röntgenbildgebung viel klarer, wo großflächige Sensoren aufgrund der Schwierigkeit der Fokussierung von Röntgenstrahlen erforderlich sind. Die Marktführer entwickeln jedoch einen flexiblen Sensor auf Basis von amorphem Silizium, der die Nische füllt, die OPDs besetzen wollten.

Vielversprechender sind aus unserer Sicht hybride Bildsensoren. Diese bestehen aus einer dünnen Schicht aus entweder einem organischen Halbleiter oder Quantenpunkten, die Licht absorbiert, wobei Ladungen über eine integrierte CMOS-Ausleseschaltung gesammelt werden. Dieser Ansatz ist insofern transformativ, als er die Detektion von Licht mit Wellenlängen über 1000 nm durch Anpassung der bestehenden CMOS-Technologie ermöglicht – früher wurde dies normalerweise mit sehr teuren Detektoren auf InGaAs-Basis durchgeführt.

Die SWIR-Bildgebung erfüllt einen echten Marktbedarf, sowohl für die industrielle Inspektion als auch vor allem für Fahrerassistenzsysteme und autonome Fahrzeuge, da Licht mit längeren Wellenlängen weniger durch Staub und Nebel gestreut wird.

Von entscheidender Bedeutung für die kommerzielle Nutzung können hybride „X-on-CMOS“-Detektoren mit minimalen Modifikationen an bestehenden CMOS-Fertigungslinien hergestellt werden, wodurch die Eintrittsbarrieren stark reduziert werden. Derzeit sind Hybriddetektoren auf Quantenpunktbasis für längere Wellenlängen empfindlich als ihre organischen Hybrid-Äquivalente und sind tatsächlich im Handel erhältlich.

Organische Hybriddetektoren stehen jedoch kurz vor der Markteinführung in Broadcast-Kameras, wo sie Vorteile wie eine räumlich variable Empfindlichkeit bieten, um eine Überbelichtung zu verhindern und den bestehenden Kompromiss zwischen Auflösung und Verwendung eines Global Shutters aufzulösen, da Silizium nicht mehr verwendet wird, um einfallendes Licht zu absorbieren.

Eine detailliertere Analyse der zugrunde liegenden Bildsensortechnologie, Motivation für SWIR-Bildgebung und Bewertung der kommerziellen Aussichten von gedruckten Bildsensoren finden Sie im IDTechEx-Bericht „Printed and Flexible Sensors 2020-2030:Technologies, Players, Forecasts“.

Druckmessung sucht höherwertige Anwendungen

Piezoresistive Drucksensoren sind seit langem etabliert und werden in Fahrzeugbelegungssensoren, elektronischen Musikinstrumenten und einigen medizinischen Geräten verwendet. Allerdings sind solche Märkte eher ausgereift und unterliegen der Kommodifizierung. Daher suchen Hersteller nach Innovationen, um ihre Sensoren zu differenzieren und auf höherwertige Anwendungen zuzugreifen.

Zu diesen Innovationen, die sich in einer früheren Einführungsphase als etablierte Einzelpunkt-Drucksensoren befinden, gehören „3D-Touch“-Trackpads, die sowohl den Druck als auch die Position überwachen, hybride piezoresistive/kapazitive Sensoren und sogar durchscheinende/transparente Detektoren.

Das Hinzufügen zusätzlicher Funktionalität erhöht die erforderliche Sensorfläche in einem Gerät und die Kosten pro Fläche. Die Herausforderung besteht darin, Anwendungen zu finden, bei denen die Drucksensorfähigkeit einem echten Marktbedarf entspricht, da kapazitive Trackpads und Schalter so gut etabliert sind.

Druckbare piezoelektrische Sensoren, bei denen Schwankungen der angelegten Spannung und Abmessungen gekoppelt sind, können Drucksensoren sein. Es gibt zwei konkurrierende Technologien, entweder Spezialpolymere oder ein keramikhaltiger Verbundstoff, von denen erstere etwas etablierter ist.

Beide befinden sich auf einem viel früheren Akzeptanzniveau als piezoresistive Sensoren und werden daher wahrscheinlich nicht direkt mit der ausgereifteren Technologie in denselben Anwendungsbereichen konkurrieren. Stattdessen zielen sie auf die hochfrequente Schwingungserfassung ab, für die piezoelektrische Sensoren weitaus besser geeignet sind als piezoresistive Pendants. Bisher haben Hersteller jedoch mehr Anklang bei Anwendungen gefunden, die druckbare piezoelektrische Materialien als Aktoren verwenden.

Der aktuelle Bericht von IDTechEx, „Printed and Flexible Sensors 2020-2030:Technologies, Players, Forecasts“, skizziert die aktuelle und zukünftige Richtung der piezoresistiven und piezoelektrischen Sensortechnologie.

ITO-Ersatzmaterialien

Eine weitere Anwendung mit mehreren konkurrierenden Technologien in unterschiedlichen Einführungsstadien sind transparente Leiter, die hauptsächlich als ITO-Ersatz für kapazitive Touchscreens verwendet werden. Dies ist wünschenswert, da ITO spröde ist und somit nicht mit faltbaren/flexiblen Displays kompatibel ist. Außerdem weist ITO auf PET nur eine mäßige Leitfähigkeit auf.

Silbernanodrähte (AgNW) haben eine lange Kommerzialisierungsreise hinter sich, die sich über mehr als 15 Jahre erstreckt und viele dramatische Höhen und Tiefen erlebt hat. Früher wurden AgNWs in großflächigen Touch-Displays übernommen und tauchen heute in mehr Produkten wie flexiblen Displays auf.

Hybrid-Metallgewebe wurden auch bei tischgroßen Touch-Displays eingesetzt, hatten jedoch Schwierigkeiten, in größere Anwendungen vorzudringen. Auch voll bedruckte Metallgewebe machen weiter Fortschritte, insbesondere bei der Reduzierung der Linienbreite beim Schmalbahndruck, obwohl dies insgesamt ein schwieriger Markt bleibt.

Andere Materialien für transparente leitfähige Filme, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, befinden sich früher in ihrem Einführungszyklus. Die Herausforderung für diese Technologien besteht darin, dass sie nicht nur mit ITO konkurrieren, sondern auch mit den weiter entwickelten Optionen von Silbernanodrähten und gedruckten Metallgeweben. Dies erschwert es ihnen, unabhängig von ihrem Leitfähigkeits-Trübungs-Verhältnis, ein klares Wertversprechen zu erstellen.

Transparente leitfähige Materialien, ihre Einführungsaussichten und die wichtigsten Akteure werden im IDTechEx-Bericht „Transparent Conductive Films and Materials 2019-2029:Forecasts, Technologies, Players“ ausführlich analysiert.

Tragbare Elektroden für die kontinuierliche Überwachung

Ein wichtiger Trend im Gesundheits-/Wellness-/Fitnessbereich ist die zunehmende kontinuierliche Überwachung. Anstatt isolierte Messungen zu Hause oder beim Arzt vorzunehmen, ermöglicht die kontinuierliche Überwachung das kontinuierliche Ablesen von biologischen Parametern wie Temperatur und Herzfrequenz. In Verbindung mit entsprechender Software reduziert dies die Notwendigkeit von Arztbesuchen, ermöglicht eine frühere Diagnose und überwacht das Fitnessniveau während des Trainings.

Die Überwachung der Herzfrequenz und die Durchführung von Elektrokardiogrammen und anderen Messungen, beispielsweise der Muskelaktivität, erfordert Elektroden. Diese basieren derzeit hauptsächlich auf einem starren Metallschnapper mit einem Elektrolytgel. Ein solcher Ansatz ist jedoch für das langfristige Tragen nicht gut geeignet und daher gewinnen gedruckte Elektroden an Boden.

Ein zusätzlicher Treiber für die Akzeptanz ist, dass tragbare Geräte zunehmend integrierter und flexibler werden, wobei Schaltkreise gedruckt und sogar direkt auf flexible und sogar dehnbare Substrate montiert werden. Das Drucken der Elektroden ermöglicht es, sie zusammen mit den Verbindungen abzuscheiden, wodurch die Herstellungskomplexität reduziert wird, während das Platzieren von ICs auf flexiblen Substraten die Nutzung ihrer überlegenen Verarbeitungsfähigkeit ermöglicht. Flexible Schaltungen, die sowohl gedruckte als auch platzierte Funktionalität umfassen, werden als flexible Hybridelektronik (FHE) bezeichnet.

Diese schnell aufkommende Technologie wird voraussichtlich bis 2030 3 Mrd. USD (2 Mrd. EUR) übersteigen und wird im aktuellen IDTechEx-Bericht „Flexible Hybrid Electronics 2020-2030:Applications, Challenges, Innovations and Forecasts“ ausführlich analysiert.

IDTechEx ist der Ansicht, dass tragbare Elektroden trotz der regulatorischen Barrieren im Zusammenhang mit medizinischen Geräten wahrscheinlich vor Smart-Kleidung in medizinischen Hautpflastern eingesetzt werden. Der Markt für tragbare Hautpflaster mit gedruckten Elektroden ist viel größer, da sie echte medizinische Vorteile wie eine einfachere Anwendung außerhalb eines Krankenhauses und einen höheren Patientenkomfort bieten.

Darüber hinaus kann ein vollständig integriertes Hautpflaster in einer medizinischen Umgebung einen viel höheren Preis erzielen als eine ähnliche Überwachungstechnologie im Wellness-/Lifestyle-Kontext. Der Einsatz gedruckter Elektroden in intelligenter Kleidung wirft auch Bedenken hinsichtlich der Langlebigkeit auf, da das gesamte Kleidungsstück überflüssig wäre, wenn Elektroden/Schaltkreise ausfallen. Hautpflaster und E-Textilien werden in den IDTechEx-Berichten umfassender diskutiert:„Elektronische Hautpflaster:2020-2030“ und „E-Textilien und intelligente Kleidung 2020-2030:Technologien, Märkte und Spieler“.

Das vollständige Bild

Damit wird deutlich, dass die gedruckte Sensorlandschaft sehr vielfältig ist und eine breite Palette von Technologien umfasst, die viele Anwendungen adressieren. Das Verständnis der Aussichten jeder aufkommenden Technologie hängt vom Marktbedarf, den Eintrittsbarrieren und dem Ausmaß ab, in dem sie ein klares Wertversprechen gegenüber Alternativen bietet. Durch die Verallgemeinerung über eine einzige Kategorie gedruckter Sensoren geht ein Großteil dieser Komplexität verloren.

Der neue Bericht von IDTechEx, „Printed and Flexible Sensors 2020-2030:Technologies, Players, Forecasts“, bietet einen umfassenden Überblick über die vielfältigen zugrunde liegenden Technologien und Anwendungen gedruckter und flexibler Sensoren und deckt alle Technologie- und Anwendungskategorien in der obigen Grafik ab .

Durch die Profilerstellung von über 50 Unternehmen bildet IDTechEx die Aussichten und Herausforderungen der kommerziellen Einführung für jede Technologie ab und entwickelt detaillierte Marktprognosen, die alle Arten von gedruckten Sensoren, Technologien und Anwendungen umfassen. Unsere Marktprognosen decken 30 Anwendungen/Technologien ab und werden sowohl im Umsatz- als auch im Druckbereich bereitgestellt.

IDTechEx erforscht den aufstrebenden Markt für gedruckte Elektronik seit mehr als einem Jahrzehnt und veröffentlichte 2012 unseren ersten gedruckten und flexiblen Sensorbericht. Seitdem ist IDTechEx sehr nah an den technischen und Marktentwicklungen geblieben, hat Interviews und Besuche mit den wichtigsten Akteuren weltweit durchgeführt, organisiert die größten globalen Messen und Konferenzen, liefert zahlreiche Beratungsprojekte und veranstaltet Kurse und Workshops zu diesem Thema. Die Tiefe und Breite unserer Erkenntnisse ist wirklich konkurrenzlos und wird in diesem umfassenden Bericht umfassend genutzt.

Weitere Informationen zum IDTechEx-Bericht „Printed and Flexible Sensors 2020-2030:Technologies, Players, Forecasts“ finden Sie hier. oder kontaktieren Sie uns unter [email protected].

Dr. Dyson wird am 6. August ein Webinar zum Thema „Chancen und neue Technologien in gedruckten Sensoren“ präsentieren. Klicken Sie hier, um mehr zu erfahren und sich für eine unserer drei Sessions anzumelden.

Der Autor ist Dr. Matthew Dyson, Technologieanalyst bei IDTechEx.