Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt · Nanotechnologie als wirtschaftlicher...

Nanotechnologie als wirtschaftlicher Nanotechnologie als wirtschaftlicher Nanotechnologie als wirtschaftlicher Nanotechnologie als wirtschaftlicher WachstumsmarktWachstumsmarktWachstumsmarktWachstumsmarkt

InnovationsInnovationsInnovationsInnovations---- und Technikanalyse und Technikanalyse und Technikanalyse und Technikanalyse

Dr. Wolfgang Luther, Dr. Norbert Malanowski

und

Dr. Gerd Bachmann, Dr. Andreas Hoffknecht, Dr. Dirk Holtmannspötter, Dr. Dr. Axel Zweck(Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH)

in Kooperation mit

Prof. Dr. Thomas Heimer, Dr. Hermann Sanders(Hochschule für Bankwirtschaft),

Dr. Matthias Werner, Dipl.-Ing. Stephan Mietke, (Innovationsteam Mikro- und Nanotechnologie der Deutschen Bank)

Dipl.-Ing. Thomas Köhler(ICMT GmbH)

Herausgeber:Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH Graf-Recke-Str. 84 40239 Düsseldorf

im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung

Die vorliegende Studie wurde im Rahmen der Innovations- und Technikanalyse vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen 16 I 1503). Die Aufgabenstellung wurde vom BMBF vorgegeben. Das BMBF hat das Ergebnis der Studie nicht beeinflusst; der Auftragnehmer trägt allein die Verantwortung.

Projektleitung: Dr. Dr. Axel Zweck

Durchführung: Dr. Gerd Bachmann, Dr. Andreas Hoffknecht, Dr. Dirk Holtmannspötter, Dr. Wolfgang Luther, Dr. Norbert Malanowski (VDI TZ ZTC) in Kooperation mit Prof. Dr. Thomas Heimer, Dr. Hermann Sanders (Hochschule für Bankwirtschaft),Dr. Matthias Werner, Dipl.-Ing. Stephan Mietke, Jürgen Ilgner (Innovationsteam Mikro- und Nanotechnologie der Deutschen Bank)Dipl.-Ing. Thomas Köhler (ICMT GmbH)

Kontakt: Dr. Norbert Malanowski ([email protected])

Dank gilt einer Vielzahl von Expertinnen und Experten, die wertvolle Beiträge und Anregungen geliefert haben. Eine namentliche Nennung an dieser Stelle würde den Umfang dieser einen Seite sprengen. Besonders bedanken möchten wir uns für das Engagement bei denjenigen, die an den Projekt-Workshops teilgenommen haben. Diese Expertinnen und Experten sind namentlich in den Teilnehmerlisten aufgeführt, die sich in der Anlage zu dieser Studie befinden.

Zukünftige Technologien Nr. 53 Düsseldorf, im November 2004 ISSN 1436-5928

Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministerium für Bildung und Forschung überein.

Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Übersetzung.

Titelbild: Dr. Volker Klocke, Klocke Nanotechnik, Aachen (mit freundlicherGenehmigung)

Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH

Graf-Recke-Straße 84 40239 Düsseldorf

Die VDI Technologiezentrum GmbH ist im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

VorwortVorwortVorwortVorwort

Im Rahmen der Technologiefrüherkennung zukunftsrelevante Technologien zu erschließen bietet Wettbewerbsvorteile auf nationaler wie unternehmensbezogener Ebene. Mit der frühzeitigen Identifikation und der sich anschließenden vergleichenden Bewertung, die aufzeigt, warum eine Fokussierung förderpolitischer oder unternehmensbezogener Ressourcen auf diese Technologie gegenüber anderen klare Vorteile bietet, ist jedoch nur ein erster Schritt getan. Ein erster Schritt zur Unterstützung des üblicherweise komplexen und der vereinfachten Darstellung halber gern als ‚mehrphasig‘ betrachteten Innovationsprozesses. Entscheidend für die erfolgreiche Implementation einer aussichtsreichen Technologie sind darüber hinaus aber vor allem Vorstellungen und Visionen über ihre Potentiale und Chancen ebenso wie über zu vermeidende Irrwege. Irrwege hier verstanden im Sinne von gesellschaftlich oder ökologisch unerwünschten Produkten oder Produktionsprozessen im Zusammenhang mit der betreffenden Technologie. Im Rahmen der Innovations- und Technikanalyse sucht das BMBF weiterführendesWissen über Potenziale und Wirkungen neuer Technologien zusammenzutragen, um sie für sich selbst oder andere Akteure in geeigneter Form zur Stimulierung oder zumindest wunschgemäßen Beeinflussung des Innovationsprozesses nutzbar zu machen.

Eine der aussichtsreichsten Technologien dieses Jahrhunderts ist die Nanotechnologie. Im Rahmen unserer Technologiefrüherkennung wiesen wir bereits seit 1990 auf dieses zukunftsträchtige Feld hin und haben seitdem versucht, durch eine Vielzahl von Analysen und Maßnahmen Aufmerksamkeit für diese Technologie zu erzeugen. Im Rahmen einer Vorstudie zur Innovations- und Technikanalyse haben wir uns außerdem der Frage gewidmet, welche innovationsrelevanten Kernfragen vordringlich zu betrachten sind, um diesem Technologiefeld in Deutschland einen auch langfristig und international gesehenen Vorsprung zu verschaffen. Eine der sich daraus ergebenden Fragenkomplexe war der der wirtschaftlichen Potenziale der Nanotechnologie. Die vorliegende Studie hat das Ziel aktuell verfügbares Wissen über eine realistische Einschätzung von Markvolumen und Marktrelevanz der Nanotechnologie sowohl für Deutschland als auch weltweit zusammenzutragen.

Dr. Dr. Axel Zweck

InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis DIE ZENTRALEN ERGEBDIE ZENTRALEN ERGEBDIE ZENTRALEN ERGEBDIE ZENTRALEN ERGEBNISSE IM ÜBERBLICKNISSE IM ÜBERBLICKNISSE IM ÜBERBLICKNISSE IM ÜBERBLICK

1111 EINLEITUNGEINLEITUNGEINLEITUNGEINLEITUNG 99991.1 Ausgangslage und Ziel der Studie 9 1.2 Methodisches Vorgehen 10 1.3 Aufbau des Berichtes 12

2222 ANMERKUNGEN ZUR NAANMERKUNGEN ZUR NAANMERKUNGEN ZUR NAANMERKUNGEN ZUR NANOTECHNOLOGIENOTECHNOLOGIENOTECHNOLOGIENOTECHNOLOGIE 15151515 2.1 Definition eines facettenreichen Begriffs 15 2.2 Bottom-up- und Top-down-Strategien 17 2.3 Neue Effekte durch Nanoskaligkeit 18 2.4 Thematische und strukturelle Interdisziplinarität 19 2.5 Zentrale Akteure in Deutschland 27 2.6 Deutsche Aktivitäten im internationalen Vergleich 31

3333 ANWENDUNGS ANWENDUNGS ANWENDUNGS ANWENDUNGS---- UND M UND M UND M UND MARKTPERSPEKTIVEN DERARKTPERSPEKTIVEN DERARKTPERSPEKTIVEN DERARKTPERSPEKTIVEN DER NANOTECHNOLO NANOTECHNOLO NANOTECHNOLO NANOTECHNOLOGIE GIE GIE GIE IN PRODUKTEN UND IN PRODUKTEN UND IN PRODUKTEN UND IN PRODUKTEN UND PRODUKTGRUPPENPRODUKTGRUPPENPRODUKTGRUPPENPRODUKTGRUPPEN 39393939

3.1 Anmerkungen zur Literaturanalyse 39 3.2 Nanomaterialien 42 3.3 Nanoelektronik 55 3.4 Nanooptik 65 3.5 Nanobiotechnologie 70 3.6 Nanotools/Nanoanalytik 76 3.7 Markt- und Anwendungspotenziale im Überblick 83

4444 ANHALTSPUNKTE FÜR ANHALTSPUNKTE FÜR ANHALTSPUNKTE FÜR ANHALTSPUNKTE FÜR MARKTPOTEN MARKTPOTEN MARKTPOTEN MARKTPOTENZIALE IN PATENTDATENZIALE IN PATENTDATENZIALE IN PATENTDATENZIALE IN PATENTDATEN 87878787 4.1 Methodische Vorüberlegungen 87 4.2 Patente in der Nanotechnologie insgesamt 94 4.3 Nanotechnologiepatente im Bereich Chemie 98 4.4 Nanotechnologiepatente im Bereich Optik 101 4.5 Nanotechnologiepatente im Bereich Automobiltechnik 107 4.6 Nanotechnologiepatente im Bereich Medizintechnik

und Life Sciences 110 4.7 Nanotechnologiepatente im Überblick 111

5555 VERANKERUNG UND U VERANKERUNG UND U VERANKERUNG UND U VERANKERUNG UND UMSETZUNG DER NANOTECMSETZUNG DER NANOTECMSETZUNG DER NANOTECMSETZUNG DER NANOTECHNOLOGIE IN HNOLOGIE IN HNOLOGIE IN HNOLOGIE IN DEUTSCHEN UNTERNE DEUTSCHEN UNTERNE DEUTSCHEN UNTERNE DEUTSCHEN UNTERNEHMENHMENHMENHMEN 113113113113

5.1 Ziele der Unternehmensbefragung 113 5.2 Anmerkungen zur Vorgehensweise 114 5.3 Strukturdaten zu den Unternehmen 115 5.4 Die heutige Bedeutung der Nanotechnologie 121 5.5 Zukünftige Entwicklungen in der Nanotechnologie 132

5.6 Zukünftige Schritte und Hürden bei der Entwicklung der Nanotechnologie 144

5.7 Die Bedeutung der Nanotechnologie für unterschiedliche Unternehmensgrößen 149

5.8 Ergebnisse der Unternehmensbefragung im Überblick 152

6666 MARKTPOTENZIALE D MARKTPOTENZIALE D MARKTPOTENZIALE D MARKTPOTENZIALE DER NANOTECHNOLOGIE IER NANOTECHNOLOGIE IER NANOTECHNOLOGIE IER NANOTECHNOLOGIE IN LEADN LEADN LEADN LEAD----MÄRKTEMÄRKTEMÄRKTEMÄRKTENNNN 155155155155 6.1 Anmerkungen zur Vorgehensweise 155 6.2 Erschließen der Marktchancen in den Lead-Märkten 156 6.3 Chemie 157 6.4 Automobilbau 165 6.5 Optik 177 6.6 Medizin/Life Sciences 184 6.7 Elektronik 189 6.8 Marktpotenziale und Zeithorizonte im Überblick 196

7777 MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT –––– ABLEITUNGEN FÜR D ABLEITUNGEN FÜR D ABLEITUNGEN FÜR D ABLEITUNGEN FÜR DEN STANDORTEN STANDORTEN STANDORTEN STANDORT DEUTSCHLAND DEUTSCHLAND DEUTSCHLAND DEUTSCHLAND 201201201201

7.1 Anmerkungen zur Vorgehensweise 201 7.2 Die Märkte der Nanotechnologie für deutsche Unternehmen 2027.3 Einsatzvoraussetzungen 205 7.4 Innovations- und Diffusionshemmnisse 219 7.5 Beschäftigungseffekte und Qualifizierung 222 7.6 Der Standort Deutschland im internationalen Wettbewerb 241 7.7 Ausblick 249 7.8 Market Assessment auf einen Blick 251

8888 FAZIT UFAZIT UFAZIT UFAZIT UND HANDLUNGSOPTIONENND HANDLUNGSOPTIONENND HANDLUNGSOPTIONENND HANDLUNGSOPTIONEN 255255255255

LITERATURLITERATURLITERATURLITERATUR 259259259259

ANHANGANHANGANHANGANHANG 1 Gesprächsleitfaden für die Experteninterviews 2 Befragung zum wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie

(Fragebogen)3 Teilnehmerlisten der Workshops 4 Erläuterung der Schätzung von Umsatz und Beschäftigung

I

DIE ZENTRALEN ERGEBNDIE ZENTRALEN ERGEBNDIE ZENTRALEN ERGEBNDIE ZENTRALEN ERGEBNISSE IM ÜBERBLICKISSE IM ÜBERBLICKISSE IM ÜBERBLICKISSE IM ÜBERBLICK

• Die Nanotechnologie ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Bereits heute werden mit Produkten, die sich nur mitHilfe der Nanotechnologie realisieren lassen, beträchtliche Umsätze erzielt. Diese Umsätze dürften mit dem wirtschaftlichen Durchbruchder Nanotechnologie zukünftig enorm steigen.

• Die wenige öffentlich verfügbare Literatur zum direkten und indirekten wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie ist mehroder weniger mit deutlichen Schwächen behaftet. Sie bietet allerdingseine nutzbringende Ausgangsbasis für die vorliegende Studie, dieeine realistische Einschätzung des Marktvolumens und der Marktrelevanz sowohl für Deutschland selbst als auch im internationalen Kontext zum Ziel hat.

• Bei der Definition der Nanotechnologie gibt es noch keine international einheitliche Sichtweise. Speziell die Frage der Abgrenzung zur Mikrotechnologie, zu bestehenden chemischen Prozessen oder auch die Zugehörigkeit verschiedenener Verfahrenund Methoden zur Nanobiotechnologie wird über die Erläuterung vonBeispielen verdeutlicht. Eine absolut richtige und unanzweifelbareDefinition für die Klassifizierung von technologischen Prozessen und Produkten in die Nanotechnologie gibt es nicht.

• Im Rahmen dieser Studie beschreibt Nanotechnologie die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien, inneren Grenz- und Oberflächen mit mindestens einer kritischen Dimension oder mit Fertigungstoleranzen(typischerweise) unterhalb 100 Nanometer. In der Regel werden hierbei aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten resultierendeneue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen genutzt. Diese neuen Effekte und Möglichkeiten sind überwiegend im Verhältnis von Oberflächen- zuVolumenatomen und im quantenmechanischen Verhalten der Materiebausteine begründet.

• Gegenwärtig existieren ca. 450 "Nanotechnologieunternehmen" in Deutschland. Als "Nanotechnologieunternehmen" werden in dieser Studie Unternehmen bzeichnet, die sich entweder nach eigener Einschätzung als in der Nanotechnologie tätige Unternehmen betrachten, an Projekten des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Bereich Nanotechnologie partizipieren oder aufgrund ihrer Aktivitäten im Bereich Nanotechnologie als solcheUnternehmen von den Verfassern dieser Studie klassifiziert wurden.

• Die Patentauswertung belegt nachdrücklich, dass die sehr dynamische Entwicklung der Nanotechnologie sich auch in den

II Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt

Patentanmeldungen wiederfindet. In den letzten fünf Jahren habensich die jährlichen Patentanmeldungen in der Nanotechnologie etwaalle zwei Jahre verdoppelt.

• Die Länderverteilungen zeigen, dass Deutschland hinsichtlich derPatentsituation in der Nanotechnologie sehr gut aufgestellt ist - sowohl in der Nanotechnologie insgesamt als auch in dem zahlenmäßig wichtigsten Teilbereich der Chemie. Deutschland befindet sich gerade bei den besonders werthaltigen Patenten in einer sehr guten Position. In keinem der in der Patentanalyse betrachtetenLead-Märkte (Chemie, Automobilbau, Optik) ist ein gravierender Rückstand auf die USA oder Japan zu verzeichnen.

• Bei den Diskussionen zur Patentstrategie im Bereich Nanotechnologie weisen Branchenexperten darauf hin, dass die Nanotechnologie prinzpiell keine völlig andere Patentstrategie erfordert als andere Technologiebereiche. Ein Spezifikum bestehtallerdings darin, dass die Entwicklungszeiten von einem nanotechnologischen Grundeffekt bis zur Anwendung in bestimmtenFällen so lang sein können, dass der Patentschutz kurz nach demErreichen der Produktreife ausläuft.

• Mit Bezug auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU) weisen Branchenexperten darauf hin, dass die Patentierneigung in diesenUnternehmen deutlich geringer ist als in Großunternehmen. In KMUwird ggf. bevorzugt, technologische Betriebsgeheimnisse - auch wenn sie patentierbar wären - gar nicht erst offenzulegen. Aus Kostengründen würden KMU im Zweifelsfalle beispielsweise eher Gebrauchsmuster anmelden. Eine sinnvolle Patentstrategie für KMUkönnte nach Aussage der befragten Experten z. B. darin bestehen,eine Technologie gemeinsam mit den Hauptanwendern zu patentieren.

• Es ist zu betonen, dass eine breit angelegte Patentrecherche, wie sie hier vorgestellt wird, sich zu einer Beurteilung der generellenPatentsituation eignet. Zur Einschätzung einzelner Firmen und spezifischer Technologien sind entsprechend detaillierte Patentrecherchen erforderlich.

• Eine exakte Ableitung des „Nanotechnologieweltmarktes“ ist auf Basis der genannten Zahlen in öffentlich zugänglichen Studien kaum möglich, da nur für einen Teil nanotechnologischer Produkte Marktzahlen verfügbar und die Auflistungen somit unvollständig sind. Hinzu kommt, dass die Marktprognosen sich zum Teil auf unterschiedliche Zeithorizonte beziehen, Doppelungen bei der Nennung von Nanotechnologieprodukten in zwei oder mehreren Teilbereichen vorkommen (z. B. Anwendung von Nanogrund-produkten/-komponenten in Endprodukten verschiedener Branchen) und Produkte aus unterschiedlichen Stufen der Wertschöpfungskette

Überblick der Ergebnisse III

in die Betrachtung einfließen [Grundprodukte, Zwischenprodukte,Endprodukte etc.]). Eine tabellarische Zusammenfassung der Marktpotenziale der wichtigsten nanotechnologischen Anwendungenin unterschiedlichen Teildisziplinen findet sich in den Kapiteln 3.7 und 6.8.

• Ein Vergleich verschiedener Marktprognosen für den Nanotechnologieweltmarkt nach verschiedenen Quellen zeigt, dassdie Hebelwirkung durch die Nanotechnologie einen Weltmarkt von zurzeit ca. 100 Mrd. Euro beeinflusst. Hierbei ist zu berücksichtigen,dass dabei die Marktvolumina unterschiedlicher Wertschöpfungstiefen addiert wurden. Die Marktprognosen sagen imMittel eine exponentielle Steigerung in den nächsten zehn Jahrenvoraus. Eine Betrachtung der einzelnen Marktanteile, die auf Deutschland entfallen, ist nicht ohne weiteres möglich. Die Perspektiven der Nanotechnologie für die zukünftige Entwicklungdeutscher Unternehmen werden durchweg als positiv angesehen.

• Der Elektronikmarkt wird mittelfristig weiterhin von der CMOS-Technologie dominiert werden. Bis zum Jahr 2006 wird der Anteilder Nanoelektronik (d. h. Strukturbreiten < 100 nm) ca. 10% desGesamt-CMOS-Marktes betragen mit einem Weltmarktvolumen von ca. 20 Mrd. USD. Die Magnetoelektronik hat bereits signifikanteMarktanteile im Bereich der Festplattenspeicher in Form von GMR-Leseköpfen erobert und wird mittelfristig durch MRAM-Speicherchips auch Substitutionspotenziale im DRAM-Speichermarkt erschließen.

• Im Bereich der Chemie werden mit lange etablierten nanostrukturierten Materialien wie Carbon Black, Kieselsäure oder Polymerdispersionen Milliardenumsätze am Weltmarkt erzielt allerdings bei geringem Marktwachstum. Ein dynamisches Marktwachstum wird hingegen bei neueren Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren, Polymernanokompositen, Aerogelen, organischen Halbleitern und anorganischen Nanopartikeln erwartet,vorausgesetzt, dass „Show Stopper“ technologischer (z.B. Problemebeim Upscalen von Herstellungsprozessen) oder sozioökonomischerArt (z. B. Toxizität von Nanomaterialien) keinen hemmenden Einfluss ausüben.

• Die Marktrelevanz der Nanotechnologie im Automobilbau wird von deutschen Nanotechnologie- und Automobilunternehmen derzeit noch relativ gering eingeschätzt, u.a. aufgrund langer, an Innovationszyklen der verschiedenen Modellserien gekoppelte Vorlaufzeiten für Technologieentwicklungen. In einigen Automobilkomponenten hat die Nanotechnologie jedoch schon Eingang in Serienprodukte gefunden (z. B. kratzfester Lack, nanobeschichtete Einspritzpumpen, LED-Rücklichter etc.). Langfristig wird nanotechnologisches Know-how einen

IV Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt

entscheidenden Wettbewerbsvorteil im Automobilbau darstellen hinsichtlich sämtlicher relevanter Kriterien von der Ökologie (z. B. energieeffiziente Antriebe, Leichtbau, Schadstoffreduktion und Ressourcenschonung), über die Sicherheit (Passive und Aktive Sicherheit) bis hin zum Komfort (Produktdesign, Infotainment etc.).

• Marktpotenziale in der Optischen Industrie ergeben sich vor allem in der Herstellung ultrapräziser Optiken für die Halbleiterfertigung(optische Lithografie), im Bereich optoelektronischer Lichtquellen (Laserdioden und LED) sowie im Displaybereich (OLED und FED), wo jeweils bis zum Jahr 2006 mit Mrd. USD Umsätzen zu rechnen ist.

• Die Life Sciences werden langfristig als einer der bedeutendstenMärkte für die Nanotechnologie eingeschätzt. Mittelfristig sind die Umsatzpotenziale nanotechnologischer Produkte beispielsweise imVergleich mit der Chemie, Optik und Elektronik eher gering einzustufen. Der Hauptanteil des nanotechnologischen Marktpotenzials im Bereich der Life Sciences basiert auf biomedizinischen Schnelltests (DNA-, Protein-Chips), bei denen der nanotechnologische Einfluss in erster Linie im Bereich der Detektionssysteme deutlich wird.

• Nach den Ergebnissen der Unternehmensbefragung zeigt sich, dassder häufigste Startpunkt für die Nanotechnologie in Unternehmen im Zeitraum von 1996 bis 2000 zu sehen ist. In diesem Zeitraum haben sowohl die Beobachtung der nanotechnologischen Szene als auch eigene FuE-Arbeiten und die Nutzung der Nanotechnologie in Produkten ihren stärksten Zuwachs erlebt. In diesen Zeitraum fallenz. B. auch die vom BMBF initiierten Diskussionen über marktrelevante Bezüge (1996) und die Einrichtung der Kompetenzzentren (1998) für den Bereich Nanotechnologie mit öffentlicher Förderung.

• Die im Rahmen dieser Studie befragten Unternehmen lehnen die Aussagen, dass Nanotechnologie nur ein neues Experimentierfeld darstellt, ebenso ab wie in abgeschwächter Form auch die Aussage, dass durch die Nanotechnologie die Technologiekompetenz abgerundet würde. Dieses Ergebnis widerlegt eindeutig die vielfachverbreitete Aussage, dass Nanotechnologie lediglich einen „Hype“darstellt.

• Die Ergebnisse der Unternehmensbefragung haben ferner gezeigt, dass der Bereich Chemie (einschließlich Materialien) eindeutig an der Spitze der Nanotechnologiefirmen und -anwendungen in Deutschlandsteht (gemessen an der Anzahl der Unternehmen, der Häufigkeit bereits exisitierender nanotechnologischer Produkte und an derenUmsatzpotenzial bis zum Jahr 2006), gefolgt von den Life Sciences (Medizintechnik/Gesundheit) und IuK.

Überblick der Ergebnisse V

• Die wichtigsten Innovationshürden in Deutschland sind hohe Investitionskosten, mangelndes Fremdkapital und nicht ausreichende Fördermittel, die ausschließlich finanzieller Natur sind. Die Rangfolge der genannten Barrieren lässt darauf schließen, dass dieEntwicklung neuer Produkte oder Verfahren im Bereich der Nanotechnologie erhebliche Investitionen erfordert, die nicht alleinaus dem Eigenkapital heraus finanziert werden können. Mit der Erschließung von Märkten mit Hilfe der Nanotechnologie sind ebenfalls deutliche Investitionen verbunden, die nicht ohne weiteres von der Industrie alleine aufzubringen sind. Begrenzte Marktkenntnisse und noch unzureichende Kooperations-verflechtungen, insbesondere in den bislang noch nicht so stark von der Nanotechnologie durchdrungenen Branchen, stellen eine Barrierefür die Innovationsgeschwindigkeit und die Diffusion neuer Anwendungsbereiche dar. Ebenso stellt die Zusammenarbeit der Finanzwirtschaft und der Nanotechnologieunternehmen eine wichtigeHerausforderung für die Zukunft dar, die insbesondere in Deutschland ungelöst ist.

• Signifikante Unterschiede zwischen den Innovationshürden für KMUund Großunternehmen lassen sich in drei Bereichen identifizieren:

Ein deutlicher Unterschied besteht bei den Finanzierungsquellen.KMU haben in ihrer Wahrnehmung deutlich schlechtere Zugangsbedingungen zum Kapitalmarkt als Großunternehmen. Entsprechend bildet die Finanzierung ihrer Aktivitäten auch für38,6 Prozent der KMU eine wichtige Innovationshürde. Im Unterschied dazu bildet der Zugang zum Kapitalmarkt für Großunternehmen nur in 7,7 Prozent der Stichprobe eine gravierende Innovationshürde.

Ähnlich liegt der Unterschied bei dem Zugang zu Marktinformationen. Auch hier sieht mit 21,3 Prozent der KMU eine deutliche höhere Zahl als bei den Großunternehmen mit 3,7 Prozent eine wichtige Innovationshürde.

Schließlich bildet die mangelnde Verfügbarkeit von kompetenten regionalen Kooperationspartnern eine weitere Innovationshürde, bei der sich die Einschätzung der KMU in der Stichprobe von derder Großunternehmen unterscheidet. 22,2 Prozent der KMU sehen diese Innovationshürde als wichtig an, während bei den Großunternehmen lediglich 7,4 Prozent dies als eine wichtige Innovationshürde angeben.

• Die Zurückhaltung von Investitionen der Venture-Capital-Branche in Start-up-Unternehmen wirkt sich derzeitig äußerst negativ auf Unternehmensgründungen im deutschen Nanotechnologie-Umfeld aus. Die klassische Bankfinanzierung von Unternehmensgründungen

VI Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt

ist in den letzen Jahren zunehmend schwieriger geworden, da sich die deutsche Bankenlandschaft selbst in einer Krise befindet.

• Konservative Schätzungen des Beschäftigungszuwachses von Arbeitsplätzen in der Nanotechnologie lassen in Deutschland eineZunahme von mindestens 10.000 bis 15.000 Arbeitsplätzen bis 2006erwarten. Auch wenn eine exakte Ermittlung der Anzahl der Arbeitsplätze im Bereich Nanotechnologie nicht möglich ist, lässtsich abschätzen, dass bereits heute zwischen ca. 20.000 - 32.000 und 114.000 Arbeitsplätze in Deutschland in ca. 450 Unternehmen direktoder indirekt von der Nanotechnologie abhängig sind.

• Für das Jahr 2015 wird erwartet, dass fast jeder Industriebereich durch die Nanotechnologie beeinflusst wird. Bei den erwartungsgemäß am stärksten von der Nanotechnologie beeinflussten Bereichen handelt es sich aus internationaler Sicht um die Bereiche Chemie, den Bereich Life Sciences und die Elektronik.

• Es lässt sich feststellen, dass Deutschland zurzeit über eine sehr gute Ausgangsbasis für die wirtschaftliche Umsetzung der Nanotechnologie-Aktivitäten verfügt. Die Exzellenz in der Forschungspiegelt allerdings nicht in vollem Umfang die wirtschaftliche Umsetzung wider. Hier sind die USA und Japan Deutschland bisherüberlegen. Ebenso ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass weltweit die Investitionen und staatlichen Förderungen im Bereich der Nanotechnologie erheblich zugenommen haben. Das ist auch aufdie prognostizierten, sehr hohen Marktvolumina zurückzuführen. Daher ist in Zukunft ein noch stärkerer internationaler Wettbewerb in Bezug auf die Nanotechnologie zu erwarten.

9

1111 EINLEITUNGEINLEITUNGEINLEITUNGEINLEITUNG

1.11.11.11.1 Ausgangslage und Ziel der StudieAusgangslage und Ziel der StudieAusgangslage und Ziel der StudieAusgangslage und Ziel der Studie

Die Nanotechnologie ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Bereits heute werden mit Produkten, die sich nur mit Hilfe der Nanotechnologie realisieren lassen, beträchtliche Umsätze erzielt. Diese Umsätze dürften mit dem wirtschaftlichen Durchbruch der Nanotechnologie zukünftig enorm steigen.

Als Beispiele für heutige und zukünftige Anwendungsfelder der Nanotechnologie lassen sich unter anderem die Pharmazie, die Elektronik, der Bereich Neue Materialien, der Automobilbau und derMaschinenbau sowie die Umwelttechnik nennen. Eine allgemein anerkannte breite Datenbasis zum wirtschaftlichen Potenzial ist bisher allerdings noch nicht erarbeitet worden bzw. liegt nicht öffentlich zugänglich vor. Das wirtschaftliche Potenzial der Nanotechnologie ist daher zum gegenwärtigen Zeitpunkt - so die Ausgangshypothese dervorliegenden Studie - mit Erhebungen, basierend auf rein quantitativenMethoden der empirischen Wirtschaftsforschung kaum realistisch einzuschätzen.

Erste übergeordnete veröffentlichte Studien (z. B. Evolution Capital,2001; DG Bank und GZ Bank, 2001; Beckmann und Lenz, 2002; TAB, 2003) sind bisher noch zu lückenhaft, als dass sie die wirtschaftlicheBedeutung der Nanotechnologie für sämtliche betroffenen Branchenpräzise abbilden könnten, zumal die Definition meist vage bleibt.Darüber hinaus werden in solchen übergeordneten Studien in der Regel die jeweiligen sogenannten Lead-Märkte1 einzelner Länder nicht hinreichend berücksichtigt. Während beispielsweise die BereicheElektronik, Informations- und Kommunikationstechnologie (IuK) undBiotechnologie in den USA betroffene Lead-Markets darstellen, sind dies in Deutschland vor allem die Branchen Chemie, Automobilbau, Optik, Life Sciences (in dieser Studie Medizintechnik/Gesundheit) und Elektronik. Bezeichnend für diese Lead-Market-Branchen ist, dass sie in einem besonders intensiven Partnerschaftsverhältnis zur Wissenschaftstehen, aus der sie ihre technologische Stärke schöpfen (siehe dazu unter anderem BMBF, 2002; Beise, 2002; Manager Magazin, 9/2002).

1 Der Begriff „Lead-Market“ wird in der Literatur teilweise unterschiedlich benutzt. Wir orientieren uns in dieser Studie an einer Definition, die im Jahr 2002 in einer Studie des BMBF vorgeschlagen wurde. Diese lautet: „Lead-Märkte sind regionale Märkte (in der Regel Länder), die ein bestimmtes Innovationsdesign früher als andere Länder nutzen und über spezifische Eigenschaften (Lead-Market-Faktoren) verfügen, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass in anderen Ländern das gleiche Innovationsdesign ebenfalls breit adoptiert wird“ (BMBF, 2002, S. 108).

Schlüssel-technologie

Ausgangshypothese

Vorhandene Studien lückenhaft

Lead-Märkte

10 Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt

Auch wenn die wenige verfügbare Literatur zum direkten und indirekten wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie mehr oder weniger noch mit deutlichen Schwächen behaftet ist, so kann sie dennoch als nutzbringende Ausgangsbasis für eine Studie aufbereitet werden, die eine realistische Einschätzung des Markvolumens und der Markrelevanzsowohl für Deutschland selbst als auch im internationalen Kontext zum Ziel hat.

1.21.21.21.2 Methodisches VorgehenMethodisches VorgehenMethodisches VorgehenMethodisches Vorgehen

Für eine derartige Studie zum wirtschaftlichen Potenzial einer noch sehr jungen neuen Technologie bietet sich ein Methodenmix geradezu an.Nach Alemann (1995) sind qualitative (z. B. Experteninterview undLiteraturanalyse) und quantiative Methoden (z. B. standardisierteUmfrage) eher als komplementäre denn als konkurrierende Methoden der Erkenntnisgewinnung zu verstehen. Bei qualitativen Methoden werdenoffene Verfahren bevorzugt, die den beforschten Personen (oder präziser: den Befragten) möglichst wenig Restriktionen bei der Formulierung ihrer subjektiven Realitätskonstruktionen auferlegen. Im Kontext von quantitativen Methoden werden in der Regel standardisierte Messinstrumente eingesetzt, um die gemessenen Variablen zu quantifizieren und mit Hilfe statistischer Modelle auszuwerten.Mittlerweile setzt sich in der empirischen Wirtschafts- und Sozialforschung immer stärker der Ansatz durch, dass "es den einenmethodischen Königsweg nicht gibt, sondern eine dem jeweiligen Gegenstandsbereich, der Fragestellung und den verfügbaren finanziellen, zeitlichen usw. Ressourcen Rechnung tragende Methodenkombination,insbesondere aus qualitativen und quantitativen Methoden, anzuwenden ist" (Wollmann, 2001, S. 382).

Dieses Verfahren der Methodenkombination bzw. des Methodenmix hatsich bei Auswertung des Datenmaterials zur Evaluation der Mikrosystemtechnik (einer ebenfalls noch recht jungen Technologie)bereits bewährt und kann die Defizite der jeweiligen qualitativen und quantitativen Methoden in einer Studie zum wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie umgehen helfen (Heimer und Werner, 2004).

Für die Studie wurden - nach der Festlegung einer (breiten) Definitionvon Nanotechnologie - zunächst intensive Recherchen im Internet und in Datenbanken zu Marktaussagen und Patenten in Bezug auf Nanotechnologie durchgeführt. Daneben wurden ca. 15 explorativeExperteninterviews mittels Interviewleitfaden geführt. Dies diente vor allem der Sammlung von Hintergrundinformationen (Arbeitsphase 1).

Nach diesen eher vorbereitenden Arbeiten erfolgte eine Befragungmittels standardisiertem Fragebogen der in Deutschland ermitteltenUnternehmen, die im Bereich Nanotechnologie aktiv sind. Der Fragebogen wurde vor seinem Einsatz einem Pretest unterzogen. Die

Methodenmix

Bewährt in der Anwendung

Arbeitsphase 1

Arbeitsphase 2

Kapitel 1 11

Unternehmensbefragung wurde mittels des Statistikprogramms SPSSausgewertet. Die Entscheidung für SPSS wurde getroffen, da diesesSoftwarepaket solide Auswertungsmöglichkeiten bietet und eine exzellente Datenverwaltung bereitstellt (Arbeitsphase 2).

Sämtliche aufbereiteten Ergebnisse der Literaturanalyse, der Patentanalyse, der Experteninterviews und der Unternehmensbefragungwurden in Thesenform als konstruktive Konfrontationsbasis in Expertenworkshops eingespeist (Delphi-Methode).2 An den Workshops nahmen Experten aus/von Banken, Wissenschaft, Kompetenzzentren der Nanotechnologie, Produzenten, Zulieferern, Systementwicklern undVenture-Capital-Unternehmen teil. Diese Experten dienten einerseits als kritische Kommentatoren der Ergebnisse, resultierend aus Literaturanalyse, Experteninterviews, Patentanalyse und Unternehmsbefragung. Andererseits brachten sie zusätzliches Expertenwissen aus ihrer jeweiligen Perspektive zum wirtschaftlichenPotenzial der Nanotechnologie ein. Überdies hatten sie die Aufgabe,sämtliche Ergebnisse zu bewerten. Um die Bedeutung der Nanotechnologie für die deutschen Lead-Markets aufzeigen zu können, wurde ein besonderes Augenmerk auf diejenigen Branchen gelegt, die die technologische Leistungsfähigkeit der deutschen Industrie prägen(Chemie, Automobilbau, Optik, Life Sciences3 [in dieser Studie Medizintechnik/Gesundheit] und Elektronik4). Die durch ein solches Bündeln gewonnenen Daten wurden durch das Projektteam nochmals aufbereitet und vor ihrer abschließenden Dokumentation abermals in das jeweilige branchenspezifische Expertennetzwerk zur Validierung eingespeist (Arbeitsphase 3).

2 Bei Anwendung der Delphi-Methode werden Experten aus dem jeweiligen zu untersuchenden Themenfeld in der Regel in einem Durchlauf oder mehrerenDurchläufen befragt. Es wird ihnen meist ein ausführlich strukturierter Katalog mit Fragen und Thesen vorgelegt, mit dem sie Einschätzungen über zukünftige Entwicklungen und Trends abgeben sollen.

3 Das BMBF hat zum Thema „Nanotechnologie und Gesundheit“ eine Studie in Auftrag gegeben, die im Herbst 2004 erscheint. In dieser Studie finden sich auch Ergebnisse zu den Marktpotenzialen der Nanotechnologie im Bereich Life Sciences. Um eine mögliche Doppelarbeit zu vermeiden, wurde auf die Durchführung eines eigenen Workshops verzichtet.

4 Dank der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) gehört die Elektronik zu den Technologien, deren zukünftige Entwicklung sehr gut beschrieben ist. Da die Halbleiterindustrie sehr investitionsintensiv ist, sind Marktprognosen außerordentlich wichtig für unternehmerische Entscheidungen. Dieser Bedarf wird durch eine ganze Reihe von (kommerziellen) Marktforschungsinstituten bedient. Die Prognosen reichen derzeit ca. bis zum Jahr 2008. Wie sich dabei der Anteil der Nanoelektronik zur Mikroelektronik entwickeln wird und für welche Branchen sich daraus welche Konsequenzen ergeben, ist bisher noch nicht hinreichend systematisch untersucht worden, konnte jedoch mittels Sekundäranalyse ausgewählter kommerzieller Marktstudien herausgefiltert werden. Ein gesonderter Workshop war aus diesem Grund nicht notwendig.

Arbeitsphase 3


Im Anschluss daran folgte die abschließende Zusammenführung undBewertung der gesamten ermittelten Ergebnisse. Die Ergebnisse wurdenunter anderem im Kontext mit Ergebnissen aus anderen verfügbarenkommerziellen Quellen bewertet (Markus-Datenbank und aktuelle Marktstudie der Deutschen Bank, Fecht et al., 2003). Dies diente der Plausibilisierung der gesamten Ergebnisse und dem Herausarbeiten der spezifischen Perspektiven für den Standort Deutschland. Dabei wurdeeine Stärken-Schwächen-Analyse der internationalen Wettbewerber in diesem Umfeld, ihre momentane und zukünftige Orientierung im Forschungs- und Applikationsbereich als auch eine vergleichendePositionsbestimmung Deutschlands vorgenommen. Auf der Basis derzusammengestellten Informationen wurde mit strukturierten Methoden(swot analysis und white spot analysis) eine Analyse des Status in Deutschland sowie der vorhandenen Chancen und Defizite durchgeführt(Arbeitsphase 4).

1.31.31.31.3 Aufbau des BerichtesAufbau des BerichtesAufbau des BerichtesAufbau des Berichtes

Entsprechend dieser mehrstufigen und kombinierten methodischen Vorgehensweise ist die vorliegende Studie aufgebaut. Nach den eher grundsätzlichen Anmerkungen zur Nanotechnologie (unter anderem zur Definition, zu neuen Effekten sowie zu Akteuren und internationalenAktivitäten) in Kapitel 2 wird zunächst vor allem beschrieben, welche Anwendungs- und Marktperspektiven in Produkten und Produktgruppen bereits existieren und welche in naher Zukunft zu erwarten sind. Unter Produkte sollen hierbei unter anderem Produkte aus den BereichenNanomaterialien, Nanoelektronik und Nano-Optik verstanden werden.Auf der Basis einer Sekundäranalyse der verfügbaren deutschen undinternationalen Literatur erfolgt eine erste Einschätzung der Marktperspektiven (Kapitel 3).

Im Anschluss daran werden auf der Grundlage einer PatentanalyseAussagen getroffen über die inhaltlichen Schwerpunkte und die zeitlicheEntwicklung der Patentanmeldungen in der Nanotechnologie weltweit(Kapitel 4). Durch eine Untersuchung der in den relevanten Datenbanken(z. B. WP-INDEX, EUROPATFUL, USPATFUL) verfügbaren Angaben über die Erfinder und die Patentanmelder werden Erkenntnisse darübergewonnen, welche Rolle deutsche Unternehmen und Wissenschaftlerdabei einnehmen.5

Im Rahmen der Unternehmensbefragung, deren Ergebnisse sich in Kapitel 5 finden, wird unter anderem ermittelt, an welchen Punkten in der Wertschöpfungskette Unternehmen (Zulieferer und Systement-wickler) in Deutschland in den Bereich Nanotechnologie einsteigen. Dies

5 Diese Arbeiten wurde im Rahmen einer speziellen Kooperation mit dem Europäischen Patentamt, Kontaktperson: Manfred Scheu, durchgeführt.

Arbeitsphase 4

Nanotechnologie: grundsätzliche Anmerkungen

Sekundäranalyse

Patentanalyse

Unternehmens-befragung

Kapitel 1 13

liefert Anhaltspunkte für die Beurteilung der ökonomischen Perspektiven für die Nutzung der Nanotechnologie. Daneben werden im Rahmen derBefragung Voraussetzungen/Kompetenzen identifiziert, denen für die Entwicklung, den Einsatz und die Diffusion von Nanotechnologie zentrale Bedeutung zukommt. Schließlich werden Hemmnisse für nanotechnologische Innovationen aufgezeigt. Damit finden sich drei Schwerpunkte in der Unternehmensbefragung: (Markt)potenziale, Einsatzvoraussetzungen und Innovations-/Diffusionshemmnisse.

Mit Blick auf das Marktpotenzial wird durch die Befragung der Unternehmen erfasst, wie sie die Effekte des Einsatzes der Nanotechnologie einschätzen, und zwar im Hinblick auf die internationale Wettbewerbsfähigkeit (Exporte), die Wachstumsperspek-tiven und die möglichen direkten Beschäftigungseffekte. Der Fragenkomplex Voraussetzungen/Kompetenzen bildet insbesondere dieAnforderungen an die Ressourcenbasis der Unternehmen (Know-how,Qualifikation der Beschäftigten etc.) ab. Mögliche Hemmnisse imökonomischen Einsatz von Nanotechnologie reichen von Mängeln in der Ressourcenbasis über Probleme in der Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Einrichtungen bis hin zu Akzeptanzproblemen bei potenziellen Kunden und fehlenden infrastrukturellen Voraussetzungen.

Die erfolgte Abgrenzung des Marktes für Nanotechnologie und dieIdentifizierung der hierin aktiven Unternehmen dient auch als Ausgangsbasis für eine erste empirische Erhebung der durch die neueTechnologie und ihre Produkte ausgelösten Beschäftigungseffekte in Deutschland. Der gegenwärtige primäre Beschäftigungseffekt kann aus der Summe der Unternehmensmitarbeiter in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) und Großunternehmen (GU) abgeleitet werden.

Die Umfrage richtete sich an ausgewählte Unternehmen, die bereits im Bereich Nanotechnologie aktiv sind. Die Auswahl dieser Unternehmenberuhte auf drei Quellen: Zunächst wurden Unternehmen aus dem Umfeld der Kompetenzzentren Nanotechnologie einbezogen. Dieser Kreis wurde ausgedehnt auf Unternehmen, die an Förderprogrammen zur Nanotechnologie teilnehmen bzw. teilgenommen haben. Schließlichwurden diese beiden Quellen mit jungen Unternehmen auf der Basis von Angaben von Venture Capital Unternehmen, der Deutschen Bank undähnlichen Institutionen vervollständigt. Insgesamt konnte aus diesenQuellen ein Bestand von ca. 450 zu befragenden Unternehmen erzieltwerden.

Da sich die Nanotechnologie zur Zeit noch in der Frühphase der kommerziellen Nutzung befindet bzw. die Nutzungsperspektiven sich erst allmählich herausbilden, ist eine solche zielgerichtet ausgewählteBefragungsgrundgesamtheit einer reinen Zufallsstichprobe von Unternehmen aus forschungsökonomischer Perspektive eindeutig überlegen. Allerdings muss bei der Interpretation der Daten die

Drei Schwerpunkte der Befragung

ca. 450 Unternehmen in der Nanotechnologie aktiv


spezifische Auswahl der Unternehmen berücksichtigt werden (dazuausführlicher Kapitel 5).

Die Aufbereitung der gewonnenen Daten (aus den Arbeitsphasen 1 und2) in Bezug auf eine deutliche Abgrenzung/Beschreibung relevanter Märkte und Marktvolumina, eine Identifizierung betroffener Branchen,eine Einordnung der Außenhandelsposition Deutschlands und eine Einschätzung über Beschäftigungseffekte sowie eine Positionsbestimmung Deutschlands im internationalen Kontext diente als Input in Form eines Katalogs mit Fragen und Thesen (im Sinne einer konstruktiven Konfrontationsbasis) für branchenspezifische Workshops. Um die Bedeutung der Nanotechnologie für die deutschen Lead-Marketsaufzeigen zu können, werden die identifizierten Produkte den entsprechenden Märkten zugeordnet. Die internationale Position Deutschlands in der Nanotechnologie wurde durch die Selbsteinschätzung der Unternehmen innerhalb der Unternehmens-befragung erhoben.6 Die Unternehmen haben zeitnahe Informationen darüber, welche Marktpotenziale in näherer Zukunft zu erwarten sind und wo ihre internationalen Wettbewerber mit welchen Entwicklungenangesiedelt sind. Die Ergebnisse dieses Arbeitsprozesses werden in Kapitel 6 behandelt.

Die gesamten Ergebnisse aus den Arbeitsphasen 1-4 werden in Kapitel 7 miteinander verbunden, diskutiert und einem Market Assessment unterzogen. Dazu werden die Ergebnisse unter anderem im Kontext mit Ergebnissen aus anderen verfügbaren kommerziellen Quellen bewertet. Dabei wird unter anderem die Wettbewerbsposition Deutschlands iminternationalen Umfeld qualitativ bewertet.

Im abschließenden Kapitel 8 wird zum einen ein Fazit gezogen und zum anderen werden Handlungsoptionen für die Akteure aus Wirtschaft,Wissenschaft und Politik aus den Ergebnissen der Studie abgeleitet.

6 Außenhandelsdaten für innovative Produkte der internationalen Produktnomenklatur werden meist mit Hilfe des Innovation Global Sourcing Management Tools (GSMT) und auf Basis von OECD oder EUROSTAT berechnet (z. B. ZEW). Dies gelingt für Branchen, die durch diese Statistiken abgedeckt sind. Dieses Tool ist für die Nanotechnologie als Technologie im nascenten Zustand derzeit nur sehr begrenzt anwendbar, da Umsätze, FuE-Aufwendungen etc. derzeit in amtlichen Statistiken wie EUROSTAT nur unzureichend erfasst sind.

Branchenspezifische Workshops

Market Assessment

Fazit

15

2222 ANMERKUNGEN ZUR NANOANMERKUNGEN ZUR NANOANMERKUNGEN ZUR NANOANMERKUNGEN ZUR NANOTECHNOLOGIE TECHNOLOGIE TECHNOLOGIE TECHNOLOGIE

2.12.12.12.1 Definition eines facettenreichen BegriffsDefinition eines facettenreichen BegriffsDefinition eines facettenreichen BegriffsDefinition eines facettenreichen Begriffs

Weltweit findet die Nanotechnologie zunehmend öffentlich Beachtungund wird als eine der wichtigsten Zukunftstechnologien bezeichnet. Dabei stellt sie weniger eine Basistechnologie im klassischen Sinne mit eindeutig abgrenzbarer Definition dar, sondern beschreibt vielmehr eine neue interdisziplinäre und branchenübergreifende Herangehensweise für weitere Fortschritte in der Elektronik, Optik, Biotechnologie oder bei neuen Materialien. In der Nanotechnologie nutzt man zum einen dasKonstruieren mit den elementaren Einheiten der belebten und unbelebten Natur, nämlich die Atome und Moleküle, vergleichbar dem Basteln mit einem Lego-Baukasten. Zum anderen stellt man aber auch durch Verkleinerung Strukturen her, welche nur noch ein Tausendstel einesHaardurchmessers messen. Diese Aufgabe ist vergleichbar mit derHerausforderung, das gesamte Straßennetz Deutschlands maßstabsgetreu auf einen Fingernagel zu schreiben - und zwar fehlerfrei.

Im Produktbereich vollzieht sich derzeit aber eher eine evolutionäre als eine revolutionäre Entwicklung. Computer werden immer schneller,Handys immer vielseitiger, Optiken in den DigiCams immer kleiner und z. B. Autolacke immer härter. Nanotechnologie liefert hierzu zunehmendErkenntnisse. Revolutionär veränderte Marktbereiche wird es eher in der Zukunft geben, beispielsweise im Pharma- und Medizinbereich, oder - etwas näher in der Zukunft - in der Beleuchtungstechnik.

Für die Arbeiten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung(BMBF) im Bereich der Nanotechnologie wird in den offiziellen Veröffentlichungen folgende Formulierungsgrundlage verwendet (BMBF, 2004):

„Nanotechnologie beschreibt die Herstellung, Untersuchung und

Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien, inneren Grenz-

und Oberflächen mit mindestens einer kritischen Dimension oder mit

Fertigungstoleranzen (typischerweise) unterhalb 100 Nanometer.

Entscheidend ist dabei, dass allein aus der Nanoskaligkeit der

Systemkomponenten neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur

Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und

Anwendungsoptionen resultieren. Diese neuen Effekte und Möglichkeiten

sind überwiegend im Verhältnis von Oberflächen- zu Volumenatomen

und im quantenmechanischen Verhalten der Materiebausteine

begründet.“

Bei der Definition der Nanotechnologie gibt es noch keine international einheitliche Sichtweise. Speziell die Frage der Abgrenzung zur Mikrotechnologie, zu bestehenden chemischen Prozessen oder auch die Zugehörigkeit verschiedener Verfahren und Methoden zur Nanobiotechnologie wird über die Erläuterung von Beispielen

Definition nicht eindeutig

Verwendung einerpraktikablen Formulierungs-grundlage


verdeutlicht. Eine absolut richtige und unanzweifelbare Definition für die Klassifizierung von technologischen Prozessen und Produkten in dieNanotechnologie gibt es nicht.

Eine zweite Schwierigkeit besteht in der „Schärfe“ der möglichenAbgrenzung. Die eher anwendungsorientiert ausgerichteten Expertensehen die Nanotechnologie als Bereich unterhalb der Mikrotechnologie, mit einer breiten Grauzone der Zugehörigkeit zu einem der beidenFelder, während die „Hardliner“ eher Verfechter der „MolekularenNanotechnologie“ sind; diese betrachten die Verwendung individuellerBausteine (Atome und Moleküle) für die Herstellung von SystemenAtom für Atom bzw. Molekül für Molekül.

Dadurch ergeben sich für die objektive Beschreibung dessen, wasNanotechnologie ist, Schwierigkeiten, welche auch in der Darstellung der in dieser Studie dargestellten industriellen Produkte deutlich werden: Der Nanobezug ist einem Produkt eben nicht immer eindeutig zuzuweisen.Die folgende Diskussion verdeutlicht daher, warum die Arbeitsgrundlagedes BMBF sicherlich eine pragmatisch nützliche ist.

Für die Definition von Nanotechnologie gibt es im Wesentlichen zwei Kriterien, die teilweise unterschiedlich angewendet werden. Zum einen können rein geometrische Maßstäbe angelegt werden, die die reine Größe der Objekte berücksichtigen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10-9 m), etwa 50.000 mal kleiner als der Durchmesser eines mensch-lichen Haars oder nur etwa zehn mal so groß wie ein Wasserstoffatom. Auf dieser Skala gelten nicht mehr die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik, sondern es kommen neue Eigenschaften und Funktionalitäten aufgrund des sehr großen Verhältnisses von Oberflächen- zu Volumenatomen bei sehr kleinen Partikeln und aufgrunddes quantenmechanischen Verhaltens dieser Materiebausteine hinzu (vgl. Abbildung 2.1).

Abbildung 2.1: Geänderte Sichtweise ausgewählter Eigenschaften beim Übergang zur Nanoskala.

Hieran ist bereits zu erkennen, dass das geometrische Kriterium allein nicht ausreichend ist, den Zuständigkeitsbereich der Nanotechnologieabzugrenzen. Das daher notwendige zweite Kriterium basiert auf einer eher phänomenologischen Betrachtungsweise. Mit der Nanoskaligkeitkommen neue Effekte, Funktionalitäten bzw. neue Qualitäten der Eigenschaften hinzu (z. B. Antireflexionsvermögen, Transparenz,

Nanotechnologie versus

Nanotechnologie

Größe allein nicht ausreichend

Bisherige Betrachtungsweise Notwendige ÄnderungKlassische Kontinuumsphysik QuantenmechanikFestkörpereigenschaften BindungseigenschaftenVolumen dominierend Oberfläche dominierendHomogene Materialien Inhomogene

MaterialmischungenEinfache Miniaturisierung Kombination mit

SelbstorganisationStatistische Ansammlungen Individuelle Teilchen

Kapitel 2 17

Kratzfestigkeit, Farbigkeit etc.). Diese neuen physikalischen Eigenschaften sind jedoch nicht nur an eine allgemein festlegbare Partikelgröße gebunden, sondern können z. B. zusätzlich von derMaterialklasse abhängen. Darüber hinaus sind mit der Nanotechnologieneuartige Herstellungs- und Kontrollmöglichkeiten für einzelne Objekte auf der Nanoskala verbunden. Hierzu gehören auch selbstorganisierende Systeme, die aus nanoskaligen Einzelbausteinen (z. B. Molekülen) eine neue Struktur aufbauen.

Diese beiden Aspekte der Nanotechnologie erfordern eine gekoppelteBetrachtungsweise von Strukturgröße und Funktion, wie in der BMBF-Formulierung auch angewendet. Eine scharfe Definition dessen, was zur Nanotechnologie gehört, erweist sich deswegen als schwierig (und auch wenig sinnvoll), weil es viele Grenzfälle gibt. In den meisten Forschungsprogrammen weltweit werden somit Beispiele und Größenvergleiche herangezogen, um eine Vorstellung von dem zu vermitteln, was zur Nanotechnologie gezählt werden sollte.

2.22.22.22.2 BottomBottomBottomBottom----upupupup---- und Top und Top und Top und Top----downdowndowndown----StrategienStrategienStrategienStrategien

Eigenschaftsänderungen durch Nanoskaligkeit beruhen in hohem Maßeauf einer neuen Herangehensweise der Nutzung von Dimension, Formund Zusammensetzung zum Erzielen neuer physikalischer, chemischer und biologischer Wirkprinzipien. Aufgrund dieser Integrationstendenzenhat sich die heutige Nanotechnologie im Wesentlichen aus drei Richtungen kommend entwickelt, die sich auf der Nanoebene treffen (vgl. Abbildung 2.2):

1960 1980 heute 2020 2040

NA

NO

MIK

RO

Strukturgrößen

Technische Physik

Elektrotechnik

Elektronik

Quanteneffekte

Anwendungen derNanotechnologieMaterial-

Design

SupramolekulareChemie

IntegrierteNutzung von

physikalischen Gesetzenbiologischen Prinzipien

chemischen Eigenschaften

MA

KR

O

Jahr

Mikro- Elektronik

Funktionales Moleküldesign

Zellbiologie

Molekular- Biologie

Biologie

Komplex-ChemieChemie

ElektronikgerätePhotonikelemente

SensorenBiochips

...

top -down

bottom-up

Abbildung 2.2: Generelle Entwicklungstendenzen und Bezug zur Nanotechnologie(Quelle: VDI TZ)

Strukturgröße und Funktion gekoppelt


• Physikalisch-technische Verfahren waren in den letzten Jahrzehntenmaßgeblich der Treiber zur Erzeugung immer komplexerer Schaltkreise und damit kleinerer Strukturen (Top-down-Bestrebungen) in der Mikroelektronik. In den Einkaufsregalen begegnen uns immer höher getaktete Prozessoren und zunehmend kapazitätsreichere Speicherbausteine und Festplatten.

• Erkenntnisse aus der Komplexchemie und der Supramolekularen Chemie haben zum gezielten Aufbau hochmolekularer funktionaler chemischer Verbindungen mit enormem Anwendungspotenzial in der Katalyse, Membrantechnik, Sensorik oder Schichttechnologie geführt(Bottom-up-Bestrebungen).

• Das Verständnis biologischer Prozesse wurde in jüngster Zeit aufzellulärer wie molekularer Ebene entscheidend ausgebaut. Hierzugehören eine Vielzahl von Abläufen, wie z. B. die Selbstorganisationvon Molekülverbänden oder die Photosynthese, von technologisch unerreichter Funktionalität und Komplexität auf engstem Raum. Zukünftig gilt es, die zugrunde liegenden biologischen Prinzipien verstärkt auf technische Systeme zu übertragen. Gleichzeitig stellt die Biotechnologie einen immer umfangreicheren Werkzeugkasten von Verfahren zum Design funktionaler Moleküle zur Verfügung, die denzukünftigen Einsatz biologisch-technischer Hybridsysteme, beispielsweise für Implantate, künstliche Muskeln oder den Organersatz greifbar nahe erscheinen lassen.

Auch können Methoden einer Disziplin durch Verfahren und Fachkenntnisse aus anderen Fachrichtungen sinnvoll ergänzt werden. Um nanoskalige Objekte zu untersuchen oder gezielt Strukturierungenvorzunehmen, werden meist physikalische Verfahren genutzt. Die Herstellung nanoskaliger Partikel hingegen ist in erster Linie eine Domäne der Chemie. Biologische Nano-Objekte wie Proteine, Enzymeoder Viren entstehen hingegen durch Selbstorganisation nach Bauplänen der Natur, wobei ein Großteil der grundlegenden Prozesse, wie z. B. die Photosynthese auf der Nanoskala bzw. auf molekularer Ebene, abläuft.

2.32.32.32.3 Neue Effekte durch NanoskaligkeitNeue Effekte durch NanoskaligkeitNeue Effekte durch NanoskaligkeitNeue Effekte durch Nanoskaligkeit

Einem Atom oder Molekül kommen uns vertraute physikalische Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus, Farbe,mechanische Härte oder ein bestimmter Schmelzpunkt noch nicht zu.Materialien in Staubkorngröße hingegen besitzen bereits alle genanntenphysikalischen Eigenschaften und unterscheiden sich in dieser Hinsichtnicht von einem tonnenschweren Objekt aus Stahl. Nanotechnologiespielt sich also in einem Übergangsbereich zwischen individuellen Atomen oder Molekülen einerseits und größeren Festkörpern andererseits ab. In diesem Zwischenbereich treten Phänomene auf, die man an makroskopischen Gegenständen nicht beobachtet.

3 Entwicklungslinien

Kapitel 2 19

Abbildung 2.3: Wesentliche Eigenschaftsveränderungen in der Nanowelt

Einige Beispiele für neue Funktionalitäten:

• Die zunehmende Komplexität der Informationstechnik erfordert neueelektronische und optoelektronische Eigenschaften, welche erst durchEinsatz kleinerer Komponenten möglich werden.

• Für Lacke und Farben bieten kleinste Partikel neue Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. unterschiedliche Farbeffektedurch kontrollierte Änderung ihrer Größe oder transparente und dennoch funktionale Beschichtungen, wie Antischmutz-Versiegelungoder UV-Schutz.

• Minimale Beimischungen von Nanomaterialien ändern die Eigenschaften eines Festkörpers deutlich, so dass Folien reißfester werden und Keramiken kaum noch zerbrechen.

• Die chemische Reaktivität und Lebensdauer von Katalysatoren kanndurch eine geeignete Strukturzusammensetzung an einer Oberflächedeutlich erhöht werden.

2.42.42.42.4 Thematische und strukturelle InterdisziplinaritätThematische und strukturelle InterdisziplinaritätThematische und strukturelle InterdisziplinaritätThematische und strukturelle Interdisziplinarität

Bei der Beförderung der Nanotechnologie ist es primär notwendig, durch interdisziplinäre Ansätze in Forschung und Entwicklung das nanotechnologische Know-how zu erweitern, indem die vorhandenenwissenschaftlichen Ressourcen gebündelt werden. Danach ist die anwendungsorientierte Umsetzung dieses Wissens in marktfähige Produkte eine unumgängliche Aufgabe in einer hochentwickelten Volkswirtschaft. Bezogen auf die Entwicklung neuer Anwendungen istdie Nanotechnologie eine typische Querschnittstechnologie und daher in Deutschland auch Inhalt vieler Verbundprojekte in den Fachprogrammen

Nanoskalige Effekte

Vergrößerte

Oberfläche

Quantenmechanisches

Verhalten

Molekulare

Erkennung

„Neue“ Technische Physik

durch Änderung von• Farbe, Transparenz• Härte• Magnetismus• elektrischer Leitfähigkeit

„Neue“ Chemieprozesse

durch Änderung von• Schmelz- und Siedepunkt• chemischer Reaktivität• katalytischer Ausbeute

„Neue“ Bioanwendungen

durch Kombination mit• Selbstorganisation• Reparaturfähigkeit• Adaptionsfähigkeit• Erkennungsfähigkeit

Fe3O4

3 wesentliche Eigenschaftsänderungen in der Nanowelt


des BMBF (BMBF, 2002). Ziel der Fachprogramme des BMBF ist es, die aus den Grundlagenerkenntnissen zur Nanotechnologie-Forschungerkennbaren Anwendungsperspektiven aufzugreifen und die daraus Mehrwert schaffenden Unternehmen bei der Umsetzung der Ergebnissezu unterstützen. In der Nanotechnologie gilt es daher, die für Anwendungen geeigneten Akteure interdisziplinär zusammenzuführenund die notwendigen Schritte entlang der Wertschöpfungskette einzuleiten, um dadurch die Marktchancen der am Innovationsprozess Beteiligten im internationalen Wissenschafts- und Wirtschaftswettbewerbzu verbessern.

In diesem Prozess ist ein „langer Atem“ und die Bereitschaft zurständigen Weiterentwicklung nötig, müssen doch oftmals bisher bestehende Disziplinengrenzen überschritten und neue, unerprobteKooperationen eingegangen werden.

Die wesentlichen Inhalte dieser Kooperationen sind nachfolgend aufgeführt.

2.4.12.4.12.4.12.4.1 Nanomaterialien, ultradünne Schichten und poröse Nanomaterialien, ultradünne Schichten und poröse Nanomaterialien, ultradünne Schichten und poröse Nanomaterialien, ultradünne Schichten und poröse StrukturenStrukturenStrukturenStrukturen

Nanopartikel weisen aufgrund ihrer erhöhten Reaktivität ein enormesAnwendungsspektrum auf und lassen sich gezielt mit unterschiedlichenchemischen Derivaten funktionalisieren. Spezielle Funktionen lassen sich z. B. durch Dispergierung und Stabilisierung dieser Partikel erreichen,etwa in Form von flüssigen Formulierungen niedriger Viskosität,hochgefüllten Keramik-Schlickern, transparenten Multifunktions-Coatings, Pigment-Dispersionen, e-inks sowie Ferrofluiden. Spezielleoberflächenmodifizierte magnetische Nanopartikel werden zur Markierung und Bekämpfung von Tumorzellen erforscht. Das Beschichten von Nanopartikeln wird zu verbesserter Handhabung empfindlicher Nanomaterialien oder zum Schutz vor chemischen Reaktionen beitragen. Das betrifft unter anderem Nanopartikel-Kunststoff-Komposite und Nanokristalle, z. B. mit optischen Eigenschaften.

Auch der nanostrukturierten Oberflächenveredelung kommt zunehmendeBedeutung zu. Darunter sind Beschichtungen aller Art zu verstehen, die wesentlich zur Verbesserung der Eigenschaften wie Kratzfestigkeit,Wasser- und Schmutzabweisung beitragen. Ein weiteres wichtiges undtechnisch relevantes Forschungsfeld ist die Verbesserung der Antireflex-Eigenschaften und des UV-Schutzes für z. B. elektrochrome und photoaktive Beschichtungen sowie die Entwicklung innovativer abriebfester Schichten.

BMBF unterstützt Interdisziplinarität

Vielseitige Nanopartikel

Kapitel 2 21

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung schalt-, adressier- bzw. strukturierbarer dünner Schichten für technische Anwendungen durch Modifizierung magnetischer Eigenschaften, Transparenz oder einstellbarer bzw. schaltbarer Hydrophobie/Hydrophilie. Darüber hinaus sind photovoltaische Beschichtungen und der gezielte Aufbau von schalt- und regenerierbaren Nanoschichten und Nanostrukturen für mikroelektronische Bauelemente, Polymerelectronics und Smart-Polymere, Displays, Licht- und Wärmemanagement sowie Dämpfer, Aktuatoren und Sensoren von Interesse.

Mesoporöse bzw. schaumartige Materialien können die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen, Batterien oder Spei-chermaterialien durch Anwendung nanostrukturierter mesoporöser Materialien wesentlich steigern. Weitere Anwendungslösungen könnenbei der Gebäudeisolation, der Schalldämmung, dem Metallschutz im Kfz und zur Herstellung von künstlichem Papier erschlossen werden.

Ein zukünftiger Förderschwerpunkt wird das Gebiet der Funktionsschichten sein. Zu den Produktvisionen im Bereich ultradünner optischer Funktionsschichten gehören schaltbare Spiegel, hocheffizienteDünnfilmsolarzellen auf Basis von Quantendots oder photoadressierbare Polymerfilme. Neue Forschungsfelder können auf den Gebieten lichtaktivierbare Kunststoffmagnete und photoempfindliche magnetischeSchalter auf molekularer Basis erschlossen werden.

2.4.22.4.22.4.22.4.2 NanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologie

Generelle Zielsetzung der Nanobiotechnologie ist die Gestaltung der Schnittstelle zwischen biologischen und technischen Systemen auf der biologisch relevanten Skala einzelner Moleküle und Molekülverbände. Demnach wird sowohl das Design technischer Systeme zur Analyse undSteuerung biologischer Systeme adressiert als auch die Nutzung biologischer Systeme bzw. Prinzipien in der Technik.

Gegenwärtige Fragestellungen der Nanobiotechnologie zielen insbesondere auf die Beherrschung der biologisch-technischen Schnittstelle, dem sogenannten „Interface Engineering“ oder Grenzflächendesign. Die kontrollierte Handhabung von Zellen undZellverbänden setzt geeignete nanostrukturierte und funktionalisierte Oberflächen und Membranen voraus. Neben dem Gebiet „Tissue Engineering“ wird insbesondere die Pharmakologie profitieren. So ist absehbar, dass das Grenzflächendesign ein wichtiger Baustein innovativer Techniken zur In-vivo-Validierung von Drug-Targets wird. Zielvision ist hier die Bereitstellung besserer Verfahren für die schnellere und spezifischere Testung bzw. Validierung von Wirkstoffen. Die aktive Funktionalisierung von Zellen und Gewebeteilen ist für zukünftigebiohybride Systeme von Bedeutung. Anwendungsfelder sind insbesondere neuro-aktive Implantate, die Erforschung und/oder

FunktionelleSchichten

Lernen von Naturvorgängen


Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen sowie die Neurotechnologie. Eine Schlüsselstellung nimmt diesbezüglich dieKopplung elektronischer und biologischer Systeme ein. Erfolge auf diesem Gebiet sind eine wesentliche Voraussetzung, um die Tür zurNeuroelektronik aufzustoßen

Auf dem Gebiet der Nutzung biologischer Materialien und Verfahren in der Technik kommt der technischen Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen zukünftig besondere Bedeutung zu,unter anderem als eine mögliche Alternative zu konventionellen Lithografiemethoden, ebenso wie der Entwicklung und dem Einsatznanodimensionaler Maschinentechnologien. Hierzu zählt das breiteGebiet der zellfreien Bewegungsmodelle (z. B. Proteinmotoren), die für nanoskalige Manipulationen, kontrollierte Bewegungen von Objekten oder spezifischen Substanztransport herangezogen werden können. Die Anwendungsmöglichkeiten liegen vorrangig im biotechnologischen,biomedizinischen und chemischen Bereich.

Für alle genannten Bereiche ist eine effiziente und hochauflösendeAnalytik zwingend notwendig. Hier sind die Grenzen der optischen,mechanischen, chemischen und biosensorische Verfahren sowie derKombinationen untereinander noch längst nicht ausgeschöpft.

2.4.32.4.32.4.32.4.3 NanooptikNanooptikNanooptikNanooptik

Der Begriff der Nanooptik kommt speziell für die Ultrapräzisions-bearbeitung optischer Komponenten zur Anwendung, wobei die reproduzierbare und kostengünstige Produktion von optischen Komponenten mit Genauigkeiten von bis zu unter einem Nanometer imVordergund steht. Zum Einsatz kommen derartige Präzisionsoptiken vor allem in der Lithografie, wie sie für die Herstellung elektronischer Bauelemente immer geringerer Strukturgrößen zwingend benötigt wird.In der Lithografie hat dabei die Qualität der Optik absolut Priorität und führt bis an die Grenze des derzeit technisch Machbaren, was zuentsprechend hohen Kosten bei der Herstellung und daher einem hohenPreis führt. Weiterhin besteht bei immer kleiner werdenden Wellenlängen die Notwendigkeit, statt transmittierender Linsensysteme Spiegeloptiken einzusetzen, wobei zudem äußerst komplexe Schichtsysteme nanometergenau aufgebracht werden, um notwendigeFunktionalitäten der Optiken zu erreichen.

Weit weniger drastisch sind die Anforderungen bei Produkten im Consumer-Bereich, wie etwa im Fall von Asphären für Datenprojektoren,Kameras, Brillengläser, Scanner etc. Hier ist vor allem eine Notwendigkeit nach rationeller Herstellung und Vermessung der Optikenbei moderater Präzision feststellbar.

Einen Bezug zur Nanotechnologie findet man ebenfalls bei völligneuartigen Optikkonzepten, wie beispielsweise „Photonischen

Ultraglatte und strukturierte

Optiken

Kapitel 2 23

Kristallen“, in denen mittels geeigneter Mikro- und Nanostrukturierungeine sogenannte Bandlücke für Licht realisiert werden kann, was es ermöglicht, das Licht auf engsten Raum zu führen und zu manipulierenund somit den Schlüssel zu einer mikrooptischen Integration darstellt.

Photonische Kristalle mit einer bestimmten Bandlücke erfordern eine hinreichend regelmäßige und störungsfreie Strukturierung eines Materials im Bereich der Wellenlängen der geführten Strahlung sowieeine effiziente Fasereinkopplung. Auf der Basis von III-V-Halbleitern lassen sie sich mit aktiven Bauelemente integrieren und eröffnen so die eigentliche Vision einer integrierten Optoelektronik. Es lassen sich integrierte optische Schaltmatrizen, Add/Drop-Multiplexer und Cross-Connects denken, die zusätzlich neue Funktionalitäten wie Modulatoren, Monitordioden oder Wellenlängenstabilisatoren enthalten können. Zu ersten Demonstratoren gehören Mikrolaser mit Faserankopplung, integrierte Polarisationsstrahlteiler und abstimmbare Dispersions-kompensatoren. Durch Leistungs- und Preisvorteile sind Komponentenauf der Basis photonischer Kristalle äußerst attraktiv für die Breitbandnetze der Zukunft.

Nanotechnologische Aspekte zeigen auch neuartige Halbleiter-Lichtquellen (Laser- und Leuchtdioden). Diese optoelektronischenBauelemente erzeugen Licht in extrem dünnen, nur nanometerdickenHalbleiterschichten bzw. in Einzelfällen auch in Quantenpunktstrukturen. Sie stellen eines der wenigen Beispiele dafür dar, dass nicht dieMiniaturisierung einer bekannten Technologie, sondern ein Bottom-up-Ansatz zur Einführung neuartiger Produkte am Markt, verbunden miteinem ungeheuren wirtschaftlichen Erfolg, geführt hat. Auch dieserBereich bedarf nach wie vor intensiver Forschung zur Erschließung neuer Wellenlängenbereiche, Verbesserung von Lichtleistung, Effizienz und Lebensdauer.

2.4.42.4.42.4.42.4.4 NanooptoelektronikNanooptoelektronikNanooptoelektronikNanooptoelektronik

Die Bauelemente der Kommunikationstechnik haben mit fortschreitender Miniaturisierung Dimensionen erreicht, in denen innerhalb der Halbleiterstrukturen neue physikalische Effekte, die mit der Quantentheorie erklärbar sind, ins Spiel kommen. Es geht darum, neue Prinzipien des Schaltkreisentwurfs zu entwickeln, die im Nanobereichdie dort zu berücksichtigenden Quanteneffekte ausnutzen.

In den letzten Jahren wurde immer deutlicher, dass die III-V-Quantenstrukturen hervorragend geeignet sind, Wechselwirkungs-phänomene und neuartige kollektive elektronische Zustände in Festkörpern zu untersuchen. Es wird angestrebt, diese Effekte für die Herstellung von Transistoren, Leuchtdioden sowie Lasern zu nutzen, die wiederum Schlüsselelemente der Kommunikationstechnik sind.

Photonische Kristalle

LED

Nutzung von Quanteneffekten


Im Förderschwerpunkt „Elektronenkorrelation und Dissipationsprozesse in III-V-Halbleitern“ arbeiten verschiedene Forschergruppen engverzahnt zusammen, um die Materialeigenschaften und Herstellungs-technologie derartiger Strukturen zu beherrschen und Quanteneffekte zu untersuchen.

Neben Bauelementen, bei denen die Elektronenladung zur Informationsübermittlung eingesetzt wird, werden Quantensystemeuntersucht, bei denen der Elektronenspin genutzt und gezielt manipuliert werden soll. Die Untersuchung von spinabhängigen Phänomenen undZuständen und die Realisierung von Spin-Bauelementen ist daher ebenfalls Gegenstand der geförderten Projekte. Die starke Entwicklung dieses Gebiets der Grundlagenforschung ist auch daran zu erkennen, dass die Nobelpreise für Physik mehrfach für die Entwicklung neuer Komponenten der Informationstechnik vergeben worden sind. Zu nennensind Prof. v. Klitzing (D, Quanten-Hall-Effekt), Prof. Stoermer (D/USA) und zuletzt Prof. Kroemer (USA/D), der für die Entwicklung von Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) ausgezeichnetwurde.

2.4.52.4.52.4.52.4.5 NanoelektronikNanoelektronikNanoelektronikNanoelektronik

Im Rahmen der produktionstauglichen Nanoelektronik ist die Herstellung geeigneter Strukturierungsmasken eines der Hauptziele. Die Maskentechnologie ist eine Ultrapräszionstechnik. Sie liefert einenzentralen Beitrag für die nanoskalige Strukturübertragung bei derChipherstellung. Das von 2003 bis 2007 laufende BMBF-Großvorhabenzur Maskentechnologie stellt eine Leitinnovation für die Nanoelektronikdar. Es soll die Maskentechnologie für Strukturen von 90 bis 35Nanometer erforscht werden. Zusätzlich werden alternative Strukturierungstechniken (Schaltbare Masken, Maskenlose Verfahren) untersucht.

Die Hauptströmungen der Nanolithografie sind mit der Förderung vonProjekten zu 157 nm und EUVL abgedeckt. Da jedoch EUVL nicht notwendig den Bedarf solcher Chiphersteller abdeckt, welche eine hohe Variantenvielfalt und geringere Stückzahlen pro Chiptyp herstellen (wie es bei ASICs, in der Leistungs- und Nachrichtelektronik vielfach der Fall ist), wird begleitend die Untersuchung alternativer Strukturierungs-techniken durchgeführt. Dabei werden auch nichtoptische Lithografiemethoden, wie beispielsweise die Elektronen- und dieIonenstrahllithografie oder neuartige Replikationsverfahren hinsichtlichihres Potenzials für die Herstellung zukünftiger nanotechnologischerProdukte hinterfragt. Für die fernere Zukunft werden außerdem Selbst-ordnungsverfahren als mögliche Strukturierungsmethoden für die Nanoskala diskutiert.

Nanofabrikation

Kapitel 2 25

Auch die SOI-Technik (Silicon on Insulator) ist eine nanoskaligeModifikation von Silizium auf Waferebene. Sie trägt zentral dazu bei, die Geschwindigkeit reduzierenden Einflüsse des Wafers und seiner Isolationsbarrieren zu beherrschen.

Für Nichtflüchtige Speicher werden vier mögliche nanoelektronischeTechnologieansätze diskutiert (Flash-Memory, MRAM, FRAM und Phase Change RAM). Weitere mögliche Themen sind neue Materialienfür Gatedielektrika (sog. High-Kappa-Materialien), nichtoptischeNanolithografie, Nanopackaging, assistierte Selbstorganisation fürNanoelektronik („Selfordering“), 3D-Strukturierung, programmierbareLogik, neue Konzepte für die Nanoelektronik-Produktionstechnik.

Im Rahmen der BMBF-Projektförderung werden auch die VorfeldthemenSpintronik, Carbon Nanotubes und Molekularelektronik gefördert. Die Projekte haben heute noch exploratorischen Charakter. Ziel ist es zu prüfen, welche Ansätze für eine zukünftige industrielle Umsetzung in Deutschland geeignet sind. In der ITRS-Roadmap sind seit Dezember2001 eine Vielfalt weiterer Vorfeldthemen für den Zeitraum ab ca. 2012 beschrieben (Emerging Research Devices). Dort werden Themen wiequantenzelluläre Automaten, Phase Change Memory und weiteres diskutiert. Diese Themen befinden sind meist noch weit in der Grundlagenforschung. Sie werden daher von Unternehmen nur beobachtet, aber meist nicht erforscht. Neu an den „Emerging ResearchDevices“ ist, dass sie vielfach Know How außerhalb der heutigenFachszene Mikroelektronik benötigen. Daher wird der Aufbau von Infrastrukturmaßnahmen diskutiert, die Innovationsakteure im etablierten Feld Mikroelektronik mit denjenigen, welche die neuen Themen bearbeiten, vernetzt und dadurch ermöglicht, so rascher und fundierterdiejenigen Ansätze zu identifizieren, welche zu einem späteren Zeitpunktein Investment im Rahmen der BMBF-Projektförderung wert sind.

2.4.62.4.62.4.62.4.6 NanoanalytikNanoanalytikNanoanalytikNanoanalytik

Aktuelle Schwerpunkte sind analytische Verfahren in den Anwendungsfeldern Bio- sowie Halbleitertechnologie. Diese dokumen-tieren die zunehmende Anwendungsorientierung auch der grundlagen-nahen Förderung auf diesem Gebiet. Diesem Trend folgend wird zukünftig das Themenfeld „Prozessrelevanz und -tauglichkeit“ in den Vordergrund rücken. Fachliche Schwerpunkte könnten die Teilbereichechemisch-sensitive Nanoanalytik, nicht-destruktive Analytik verborgener Grenzflächen sowie hochaufgelöste Analytik großer Flächen sein.Mittelfristig wird bei zunehmenden industriellen Aktivitäten in der Nanotechnologie die Nanoanalytik ebenso wie der Bereich Normierungund Standardisierung in den Anwendungsfeldern integriert sein.

Zukünftige Elektronik

Die Augen der Nanowelt


2.4.72.4.72.4.72.4.7 IndIndIndIndustrielle Produktionustrielle Produktionustrielle Produktionustrielle Produktion

Die aus der Nanotechnologie erwachsenden Potenziale stellen dieIndustrie vor die Aufgabe, Ergebnisse aus Forschung und Entwicklungschnell in die Praxis umzusetzen, um die Anschlussfähigkeit im internationalen Wettbewerb zu erhalten und auszubauen. Gerade dieUmsetzung der Ergebnisse vom Labormaßstab in die industrielle Praxis stellt eine Hürde dar, die im Verbund aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen überwunden werden kann. Dabei gilt es unteranderem, die bisherigen Grenzen der Produktionstechnologien zu überwinden, um neuartige, leistungsfähigere Produkte prozesssicher und wirtschaftlich herzustellen. Neben technischen Herausforderungen sind auch Fragen der Arbeitsprozessgestaltung und neue Erfordernisse an die betriebliche Aus- und Weiterbildung zu klären.

Die heute eingesetzten Verfahren der Präzisionsfertigung erreichenbereits Genauigkeiten von wenigen Mikrometern. Zahlreiche Verfahrender Mikrostrukturierung ermöglichen ebenfalls Strukturabmessungendieser Größenordnung. Ziel ist, mit neuartigen Verfahren sowohl der Präzisionsfertigung wie auch der Mikrostrukturtechnik neue Grenzen im Nanometerbereich (einige hundert nm) zu beherrschen. Dies gilt auch für Montageprozesse, an die im gleichen Maß wachsende Anforderungen zu stellen sind. Hierzu sind grundlegende Forschungsarbeiten nötig, die das Zusammenspiel von klassischem Maschinenbau und neueren Verfahrender Mikrosystemtechnik notwendig machen, um die Grenze von „mikro“zu „nano“ zu überwinden.

Neue Verfahren der Oberflächenbeschichtungen ermöglichen Funktionsschichten, die auf ultradünnen Schichten mit charakteristischenSchichtdicken von weniger als hundert Nanometern beruhen. SolcheSchichten kommen überwiegend in der optischen Industrie zum Einsatz, etwa um optische Filter und Linsen mit definierten spektralen Eigenschaften herzustellen oder um funktionale Beschichtungen anzubringen, die Verschmutzungen großflächiger Glasscheiben vermeiden. Die Herausforderung besteht hier, die auf kleinen Flächenreproduzierbar herstellbaren Schichten auf große Flächen aufzubringen,wobei oftmals Toleranzen von wenigen Atomlagen einzuhalten sind.

Bei der Produktion von Nanomaterialien besteht heute immer noch der Kompromiss zwischen hochwertiger Qualität, wie beispielsweise dieenge Korngrößenverteilung des Werkstoffes und der hohen Produktionsrate der Nanomaterialien. Je enger die Korngrößenverteilungist, desto besser kommen die typischen Eigenschaften der Nanoteilchenwie optische Eigenschaften, Magnetismus oder chemische Reaktionsfähigkeit zum Tragen. Die Weiterverarbeitung dieser Nanomaterialien stellt die Industrie vor große Herausforderungen, um neuartige Werkstoffe wie transparente Keramiken mit besonderen Eigenschaften herzustellen.

Von der Erkenntnis zum Produkt

Kapitel 2 27

2.52.52.52.5 Zentrale Akteure in DeutschlandZentrale Akteure in DeutschlandZentrale Akteure in DeutschlandZentrale Akteure in Deutschland

Im Laufe der letzten Dekade wurde durch ein zunehmendes Verständnisvon Quanteneffekten, Grenz- und Oberflächeneigenschaften oder Selbstorganisationsprinzipien die Grundlage für neue Analyse- undHerstelltechniken gelegt, welche einen regelrechten Interessensboom in der Nanotechnologie und weltweit Netzwerkaktivitäten entlang derWertschöpfungskette ausgelöst haben. Besonders die frühzeitige Kombination von Ergebnissen der Grundlagenforschung mit Anwendungsoptionen und daraus erwartbaren Marktpotenzialen hat dasInteresse stark beflügelt. Die Akteure der Nanotechnologie-Szene in Deutschland waren weltweit mit die Ersten, welche auf Basis einerfundierten und breit angelegten Grundlagenforschung frühzeitig Anwendungsoptionen adressiert haben. Ca. 450 Unternehmen inDeutschland erkennen heute schon diese Innovationschancen und widmen sich als Produktentwickler, Zulieferer oder Investor zunehmendintensiver diesem Technologiefeld. Für sie stellen nanotechnologischeFuE-Arbeiten keine kurzfristige Modeerscheinung dar, sondern siewidmen sich langfristig den Schlüsselelementen für zukünftige Neuentwicklungen in Branchen mit hohem Beschäftigungspotenzial,hauptsächlich im Bereich der Elektronik, des Automobilbaus, derChemie, der Optikfertigung und in den Life Sciences oder bei derEnergieerzeugung und in der Bauwirtschaft.

In Deutschland gründet sich der Erfolg der Nanotechnologie auf eine breite Akteursszene aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Diese in vollem Umfang hier darzustellen würde den Rahmen der vorliegenden Studie sprengen. Die im Folgenden genannten Einrichtungen sind daher als Repräsentanten der zahlreichen Akteure zu verstehen.

2.5.12.5.12.5.12.5.1 NetzwerkeNetzwerkeNetzwerkeNetzwerke

2.5.1.1 BMBF-geförderte Kompetenzzentren (CCN)

1998 wurden vom BMBF sechs Kompetenzzentren mit einer Fördersumme von ca. 2 Mio. EUR pro Jahr eingerichtet. Ab Herbst 2003 haben nun neun Kompetenzzentren als bundesweite thematische Netzwerke mit regionalen Clustern auf den wichtigsten Gebieten derNanotechnologie ihre Arbeit fortgesetzte bzw. neu aufgenommen:

• Ultradünne funktionale Schichten (Dresden)

• Nanomaterialien: Funktionalität durch Chemie (Saarbrücken)

• Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung (Braunschweig)

• Nanobioanalytik (Münster)

• HanseNanoTec (Hamburg)

• Nanoanalytik (München)

Infrastruktur und Ressourcen

BMBF-Kompetenzzentren derNanotechnologie


• Nanostrukturen in der Optoelektronik NanOp (Berlin)

• NanoBioTech (Kaiserslautern)

• NanoMat (Karlsruhe; vom FZK eingerichtet und finanziert)

Ziel der infrastrukturellen Tätigkeit der Kompetenzzentren ist es, eine optimale Zusammenführung potenzieller Anwender und Nanotechnik-Forscher zu ermöglichen. Dabei soll nanotechnologisches Fachwissen der Mitglieder zur Beschleunigung von Innovationsprozessen effizientgebündelt und in die industrielle Entwicklung umgesetzt werden. Weitere Aufgabe der Kompetenzzentren sind insbesondere Aktivitäten zu Aus-und Weiterbildung, Mitarbeit bei Fragen zur Standardisierung undNormung, Beratung und auch Unterstützung Gründungswilliger und Öffentlichkeitsarbeit. Die einzelnen Kompetenzzentren sind entlang thematischer Wertschöpfungsketten in ihrem jeweiligen Bereich strukturiert. In dem gesamten Netzwerk sind derzeit ca. 440 Akteure aus dem Universitätsbereich, Forschungsinstituten, Großunternehmen,kleinen und mittleren Unternehmen sowie Finanzdienstleister, Beraterund Verbände organisiert. Vor allem für kleine Unternehmen ist derdurch die Kompetenzzentren organisierte Informationsaustausch eine wichtige Hilfe, um über aktuelle Entwicklungen informiert zu werdenund diese richtig einschätzen zu können. In den kommenden drei Jahren sollen Schwerpunkte vor allem in der Aus- und Weiterbildung sowie in der Unterstützung von Neugründungen von Unternehmen gelegt werden.Dabei wird die BMBF-Förderung durch regionale Finanzierung aus denLändern in gleicher Höhe ergänzt.

2.5.1.2 Sonstige Netzwerke

Neben den direkt vom BMBF-geförderten Kompetenzzentren haben sich eine Reihe von Netzwerken etabliert, die unterschiedliche Ziele verfolgen und entsprechend auch verschiedene Zusammensetzungen aufweisen.

Im Gegensatz zu den in der Regel bundesweit (virtuell) angelegtenNetzwerken haben einige Universitäten und Forschungszentren ihreNanotechnologieaktivitäten im Grundlagenbereich durch lokale – teilweise sogar interne – Netzwerke gebündelt. Beispiele hierfür sind das Center for Nanoscience, CeNS (München), das Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology, CINSAT (Kassel), das Center of Nanoelectronic Systems for Information Technology, CNI (Jülich) oder das Center for Functional Nanostructures,CFN (Karlsruhe). Stark regionalen Bezug hat auch das NanoBioNet im Saarland.

Eine besondere Rolle nimmt die Gründung von Inkubatoren ein, die aus Universitäten entstehen und die Unterstützung von Ausgründungen im universitären Umfeld zum Ziel haben. Zu diesem Zweck hat beispielsweise die CeNTech GmbH in Münster (Center for Nanotechnology) ein eigenes Gründerzentrum errichtet.

Weitere Akteure in FuE

Kapitel 2 29

2.5.22.5.22.5.22.5.2 Institutionelle ForschungseinrichtungenInstitutionelle ForschungseinrichtungenInstitutionelle ForschungseinrichtungenInstitutionelle Forschungseinrichtungen

2.5.2.1 Wissensgemeinschaft G. W. Leibniz (WGL)

In den Instituten der WGL werden sowohl grundlagennahe als auchindustrieorientierte Arbeiten in der Nanotechnologie durchgeführt.Schwerpunkte sind zu erkennen in der Nanomaterialforschung - hier sind die Institute für Neue Materialien (INM, Saarbrücken), für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW, Dresden) und für Polymerforschung (IPF, Dresden) markante Akteure - und in der Oberflächenbearbeitung, z. B. am Institut für Oberflächenmodifizierung, (IOM, Leipzig) und amForschungszentrum Rossendorf (FZR). Grundlegende Arbeiten zur Festkörperelektronik werden am Paul-Drude-Institut (PDI, Berlin)durchgeführt.

2.5.2.2 Helmholtz Gemeinschaft deutscher Forschungszentren (HGF)

In der HGF sind ebenfalls Schwerpunkte der Arbeiten zu materialrelevanten Fragestellungen und in der Nanoelektronik festzustellen. Herausragend sind dabei die Tätigkeiten an den beiden Forschungszentren in Karlsruhe (FZK) und Jülich (FZJ). Aber auch am Forschungszentrum in Geesthacht (GKSS) und am Hahn-Meitner-Institutin Berlin (HMI) wird FuE zu Nanomaterialien und Schichtsystemendurchgeführt.

2.5.2.3 Max-Planck-Gesellschaft (MPG)

Wesentliche grundlegende Erkenntnisse zu neuen Ansätzen nanotechnologischer Forschung werden durch Arbeiten von MPG-Instituten geliefert. So sind die Stuttgarter Institute für Festkörperforschung und Metallforschung und das MPI für Mikrostrukturphysik in Halle schon seit Jahren in den BereichenNanomaterialien, Supramolekulare Systeme, Charakterisierungsverfahrenund neuer Funktionalitäten tätig. Weltweit anerkannte FuE-Ergebnissestammen auch aus Tätigkeiten der Institute für Polymerforschung(Mainz), für Kolloid- u. Grenzflächenforschung (Golm) für Biochemie(München-Martinsried) für Kohlenforschung (Mülheim) und vom Fritz-Haber-Institut (Berlin).

2.5.2.4 Fraunhofer Gesellschaft (FhG)

Da in fast allen Teilbereichen der Nanotechnologie bereits heuteindustrielle Nachfrage besteht, werden in zahlreichen Fraunhofer-Instituten Nanotechnologie-Vorhaben mit konkreten Anwendungszielengemeinsam mit der Industrie bearbeitet. Im Bereich Schichten undOberflächen liegt aufgrund der langjährigen BMBF-Förderung ein Schwerpunkt der Tätigkeiten; hier sind die Institute für Werkstoff- und

WGL

HGF

MPG

FhG


Strahltechnik (IWS, Dresden), für Silicatforschung (ISC, Würzburg), für Optik und Feinmechanik (IOF, Jena) und für Grenzflächenforschung(IGB, Stuttgart) sehr aktiv. Nanomaterialforschung hat beispielsweise in den Instituten für Angewandte Materialforschung (IFAM, Bremen), für Angewandte Festkörperphysik (IAF, Freiburg) und für Chemische Technologie (ICT, Pfinztal) Priorität. Erkenntnisse am Übergang von der Mikrotechnik zur Nanotechnologie werden an den Instituten für Siliziumtechnologie (ISIT, Itzehoe) und für Produktionstechnologie (IPT, Aachen) erarbeitet; der Bezug zur Nanobiotechnologie ist für das Institut für Biomedizinische Technik (IBMT, St. Ingbert) ein Interessensfokus. Das Institut für Solare Energien (ISE, Freiburg) untersucht den Beitrag der Nanotechnologie für die Energieerzeugung.

2.5.32.5.32.5.32.5.3 Universitäten und sonstige ForschungseinrichtungenUniversitäten und sonstige ForschungseinrichtungenUniversitäten und sonstige ForschungseinrichtungenUniversitäten und sonstige Forschungseinrichtungen

Fast an allen deutschen Universitäten mit technisch wissenschaftlichenStudieninhalten werden FuE-Aktivitäten mit Bezug zur Nanotechnologiedurchgeführt. Dabei rückt das interdisziplinäre Verständnis für den Zusammenhang der Teilbereiche immer stärker in den Vordergrund. An einigen Universitäten wurden bereits Nanotechnologie-Studiengängeeingerichtet, welche mit den aktuellen Forschungsthemen eng verknüpftsind. Beispielhaft für die zahlreichen und das Themenfeld weitgehend vollständig abdeckenden Aktivitäten seien die Universitätsstandorte in Karlsruhe, Aachen, Bielefeld, München, Münster, Hamburg, Saarbrücken, Kaiserslautern, Berlin, Kassel, Würzburg, Freiburg,Marburg genannt. Zusätzlich beginnen auch die Fachhochschulen sichverstärkt diesem Themenfeld zu widmen.

Neben den bisher genannten Instituten existieren im stark diversifizierten FuE-System in Deutschland weitere Einrichtungen mit Schwerpunktenim Bereich der Nanotechnologie, so. z. B. das AMICA in Aachen, NMI in Reutlingen, IMS-Chips in Stuttgart, FBI Berlin, Bessy II Berlin, PTB Braunschweig, CAESAR Bonn, IPHT Jena.

2.5.42.5.42.5.42.5.4 Industrielle Forschung und EntwicklungIndustrielle Forschung und EntwicklungIndustrielle Forschung und EntwicklungIndustrielle Forschung und Entwicklung

Zu den Akteuren im Bereich der Nanotechnologie in Deutschland gehören gegenwärtig auch ca. 450 Industrie-Unternehmen. In zahlreichenGroßunternehmen wie Infineon, DaimlerChrysler, Schott, Carl Zeiss, Siemens, Osram, BASF, Bayer, Metallgesellschaft oder Henkel gehörenProblemfelder der Nanotechnologie zu den FuE-Inhalten. Zum Beispiel beschäftigen sich fast alle großen Chemie-Konzerne auch mit derHerstellung nanoskaliger Materialien. Die Forschung ist dabei unterschiedlich organisiert: Während Henkel die Firma SusTech inKooperation mit der TU Darmstadt für die Entwicklung und Vermarktung neuer Nanotechnologie-Anwendungen und Materialien außer Haus an einer Universität ausgegründet hat, ist z. B. bei Degussa das „Projekthaus Nano“ der 100%-Tochterfirma Creavis für die

Universitäten

Industrie

Kapitel 2 31

Erforschung nanotechnologischer Verfahren und Produkte bis zur Anwendungsreife Inhouse mit Unterstützung von Universitäten zuständiggewesen. Diese Entwicklungen werden derzeit teilweise in Geschäftsbereiche überführt. Als drittes Modell bietet sich das totale Outsourcing der Ergebnisverwertung und Patentnutzung an. Beispielsweise hat sich die Firma Sunyx so aus der Bayer AG heraus gegründet, oder die Firma Mildendo aus der Jenoptik heraus. DieInfineon AG praktiziert ein weiteres Modell, in dem zur Umsetzungnanotechnologischer Erkenntnisse eine konzerninterne Forschungsabteilung (Infineon-CPR Corporate Research) mit deutlichen Bezug zur Nanotechnologie beauftragt ist. Neben Sub50nm-CMOS- Transistoren für die zukünftige Nanoelektronik werden hier gezielt Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) als mögliche Verbindungen zwischenunterschiedlichen Chipebenen (chip interconnects) untersucht.

Während Großunternehmen eher an Systemlösungen mit hohen Umsatzerwartungen interessiert sind, engagieren sich die kleinen und mittleren Unternehmen vornehmlich in den Bereichen um Herstell analyse und Gerätechniken. Zu den KMU zählt z. B. die Firma NanogateTechnologies GmbH (Saarbrücken), die für verschiedene Anwendungszwecke (unter anderem Easy-to-clean-Beschichtungen, Antihaft-Produkte, Antigrafittischutz etc.) ihre Nanomaterialien anbietet. Auch zahlreiche Start-up-Unternehmen (Universitäts- und Institutsausgründungen) wie Nano-X, ItN-Nanovation, NanoSolution,Capsulution etc. gehören zu den wichtigen Nanotechnologie-Akteuren in Deutschland. Neben reinen Materialherstellern sind viele Firmen auch in der Nanostrukturierung (hierzu gehören z. B. Aixtron, NaWoTec, TeamNanotech, Nanosensors) oder -analytik tätig (unter anderem OmicronNanotechnologies, IoNTOF, NanoAnalytics, Nanotype, SIS, NanoTools).

2.62.62.62.6 Deutsche Aktivitäten im internationalen Deutsche Aktivitäten im internationalen Deutsche Aktivitäten im internationalen Deutsche Aktivitäten im internationalen VergleichVergleichVergleichVergleich

2.6.12.6.12.6.12.6.1 Projektförderung der öffentlichen HandProjektförderung der öffentlichen HandProjektförderung der öffentlichen HandProjektförderung der öffentlichen Hand

Die Unterstützung der Nanotechnologie in Deutschland durch die öffentliche Hand erfolgt in der Hauptsache durch das BMBF, die institutionelle Forschungsförderung und durch das Bundesministeriumfür Wirtschaft und Arbeit (BMWA).

2.6.1.1 BMBF

Das BMBF hat bereits seit Ende der achtziger Jahre im Rahmen derProgramme „Materialforschung“ und „Physikalische Technologien“ Forschungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie gefördert. Schwerpunkte waren zunächst die Herstellung von Nanopulvern,


Erzeugung lateraler Strukturen auf Silizium sowie Methodenentwicklung zur Nanoanalytik. Später wurden auch in anderen Programmen, so z. B. im Programm „Laserforschung“ oder im Programm „Optoelektronik“ Forschungsarbeiten mit Nanobezug gefördert. Heute werden zahlreicheProjekte mit Nanotechnologiebezug durch eine ganze Reihe von Fachprogrammen (z. B. WING – Werkstoffinnovationen für Industrieund Gesellschaft, IT Forschung 2006, Förderprogramm Optische Technologien, Rahmenprogramm Biotechnologie) unterstützt.

Nanotechnologie-

förderung des BMBF

(in Mio. EUR)

Schwerpunkte 1998 2002 2003 2004 2005

Nanomaterialien Nanoanalytik, Nanobiotechnologie, Nanostrukturmaterialien, Nanochemie, CCN, Nanonachwuchswettbe-werb, Nanochance

19,2 20,3 32,7 38,1

Produktionstechno-logien

Ultradünne Schichten, ultrapräzise Oberflächen

0,2 0,8 2,2 2,2

Optische Technologien

Nanooptik, Ultrapräzisionsbearbei-tung, Mikroskopie, photonische Kristalle, Molekularelektronik, Diodenlaser, OLED

18,5 25,2 26 26

Mikrosystemtechnik Systemintegration 7 7 9,4 10,2

Kommunikations-technologien

Quantenstruktursysteme, photonische Kristalle

4,3 4 3,6 3,4

Nanoelektronik EUVL, Lithografie, Maskentechnologie,eBiochips,Magnetoelektronik, SiGe-Elektronik,

19,9 25 44,7 46,2

Nanobiotechnologie Manipulationstechniken, funktionalisierte Nanopartikel, Biochips,

4,6 5,4 5 3,1

Innovations- und Technikanalysen

ITA-Studien 0,2 0,5 0,2

Summe (in Mio.

EUR)

27.6 73,9 88,2 123,8 129,2

Tabelle 2.1: Aufwendungen für die Nanotechnologie im Rahmen verschiedener BMBF-Schwerpunktthemen

Von 1998 bis 2004 ist das Fördervolumen von Verbundprojekten in der Nanotechnologie auf das Vierfache angestiegen und beläuft sich derzeit auf rund 120 Mio. EUR. Eine Auflistung der BMBF-Aufwendungen fürdie Nanotechnologie-Forschung in verschiedenen Schwerpunktthemen ist in Tabelle 2.1 für die Haushaltsjahre 1998 und 2002 bis 2005 abgebildet.

BMBF-Investitionen in der

Projektförderung

Kapitel 2 33

2.6.1.2 BMWA

Zusätzlich zur Förderung des BMBF werden vom BMWA projektbezogene Investitionen in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) sowie Projekte mit Nanotechnologiebezug im ProgrammInnovationskompetenz PRO INNO für kleine und mittlere Unternehmen(KMU) finanziert. Dafür werden ca. 25 Mio. EUR pro Jahr bereitgestellt.

2.6.1.3 Institutionelle Forschungsförderung

Die institutionelle Forschung zur Nanotechnologie außerhalb derUniversitäten liegt in Deutschland bei den vier großen Forschungsgemeinschaften WGL, HGF, FhG, MPG. Diese unterhalten zahlreiche Forschungseinrichtungen oder Arbeitsgruppen, in denen auch Schwerpunkte zur Nanoforschung existieren. Zudem sind diese Partner auch in zahlreichen Sonderforschungsbereichen und Schwerpunktprogrammen der DFG eingebunden. Tabelle 2.2 weist dieöffentlichen Aufwendungen in der DFG-Projektförderung und für dieinstitutionelle Förderung des BMBF gemeinsam mit den Ländern fürForschung mit Nanotechnologiebezug aus.

Institutionelle

Nanotechnologieförderung

2002 2003 2004 2005

DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)

60 60 60 60

WGL (Wisssensgemeinschaft G.W. Leibniz)

23,7 23,6 23,4 23,5

HGF (Helmholtz-Gemeinschaft) 38,2 37,1 37,4 37,8

MPG (Max-Planck-Gesellschaft) 14,8 14,8 14.8 14,8

FhG (Fraunhofer-Gesellschaft) 4,6 5,4 5,2 4,9

Caesar 1,8 3,3 4 4,4

Summe (in Mio. EUR) 143,1 144,2 144,8 145,4

Tabelle 2.2: Mittel für Nanotechnologieforschung im Rahmen der DFG-Förderung und der institutionellen Förderung.

2.6.1.4 Fazit der öffentlichen FuE-Förderung in Deutschland

Damit ergibt sich als Summe für die Nanotechnologieförderung in den Jahren 2002 bis 2005 in Deutschland folgendes Gesamtbild:

Nanotechnologieförderung in Deutschland

2002 2003 2004 2005

BMBF Projektförderung 73,9 88,2 123,8 129,2

BMWA Projektförderung 21,1 24,5 24,5 23,7

Institutionelle Förderung 143,1 144,2 144,8 145,4

Summe (in Mio. EUR) 238,1 256,9 293,1 298,3

Tabelle 2.3: Aufwendungen der öffentlichen Hand für die Förderung von Vorhaben der Nanotechnologie in Deutschland.

BMWA

Sonstige öffentliche Aufwendungen


Ohne den zusätzlichen Eigenanteil der Industrie zur Projektförderungergeben die Aufwendungen Deutschlands in der öffentlichen Förderungder Nanotechnologie eine Gesamtsumme für das derzeitige Jahr 2004von ca. 290 Mio. EUR. Die Aufwendungen der Länder für die Universitäten im Rahmen der Grundfinanzierung sind hier ebenso wenig berücksichtigt wie die eigenen Mittel der Industrie für Nanotechnologieforschung außerhalb der öffentlichen Förderung.

2.6.1.5 Bewertung der Akteursszene in Deutschland

Deutschland kann auf dem Gebiet der Nanotechnologie auf eine gutausgebildete Wissenschaftlerszene, eine ausdifferenzierte und vernetzte FuE- und Institutslandschaft sowie engagierte Ingenieure und Unternehmer aufbauen. Allen Akteuren ist bewusst, dass nanotechnologische Innovationen zwar hohe Investitionen erfordern, aber auch neue Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen. Solche innovativenUnternehmen unterstützt besonders das BMBF im Rahmen der Verbundprojektförderung speziell in solchen Anwendungsfeldern, indenen eine dominante Marktposition und die anvisierte Produktion hoher Margen erreichbar erscheinen. Sowohl die zukunftsorientierten Firmenals auch die öffentliche Hand setzen erhebliche Mittel zur Stärkung des Themas und seiner Akteure ein. Dabei werden gleichzeitig sowohl die FuE-Arbeit als auch der Ausbau flankierender Maßnahmen, wie derAufbau vernetzter Strukturen, die Einrichtung von Studiengängen zur Nanotechnologie und sonstige Nachwuchsarbeit und die Einbindung der Gesellschaft in die Thematik adressiert.

2.6.22.6.22.6.22.6.2 Vergleich mit internationalen AktivitätenVergleich mit internationalen AktivitätenVergleich mit internationalen AktivitätenVergleich mit internationalen Aktivitäten

In der Erarbeitung der Grundlagen für neue Produkte und Anwendungenist Deutschland in den meisten Technologiebereichen mit an der Weltspitze, und auch in der Nanotechnologie-FuE wird Deutschland mit den USA und Japan auf vergleichbarem Niveau gesehen. Jedoch ergibtein genereller Vergleich der Publikations- und Patentanteile derverschiedenen Länder, dass in Deutschland die wissenschaftlichenDomänen der Nanotechnologie noch stark getrennt von den anwendungs-und produktbezogenen FuE-Bereichen bearbeitet werden (vgl. Hullmann,2002). Hier ist ein eher mit japanischen Entwicklungen vergleichbarer Zustand festzustellen, während die USA doch deutlich stärker umsetzungsorientierte Ziele verfolgen.

Demzufolge hat Deutschland, verglichen mit seiner Qualität als Forschungsstandort, seinen zahlreichen Unternehmensgründungen undseinen Marktperspektiven, bei der Umsetzung seines nano-technologischen Know-hows noch einiges aufzuholen. Um diesem Zustand zu begegnen und den Grundstein für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit zu legen, hat das BMBF mit der Einrichtung von Kompetenzzentren, mit den Unterstützungsmöglichkeiten für KMU und

Nanotechnologie in Deutschland im internationalen

Vergleich

Kapitel 2 35

mit der gleichzeitig erfolgenden Bildungsarbeit einen neuen Förderansatz eröffnet. Durch Aktivierung einer parallelen Förderstrategie – gleichzeitig Projektförderung und Aufbau einer unterstützenden Infrastruktur – wurde erreicht, dass nicht nur die Forschung in der Nanowissenschaft international einen der vordersten Plätze einnimmt,sondern auch die auf Nanotechnologie-Produkte ausgerichteten Firmen an Anzahl und Renommee deutlich zugelegt haben. Grob geschätzt besitzen die USA und Europa etwa gleich viele Unternehmen mit Bezugzur Nanotechnologie. Etwa die Hälfte der in Europa ansässigen Firmenstammen aus Deutschland. Ein Vergleich mit der Situation in Japan oder weiteren Ländern aus Südostasien ist schwierig, da für diesen Erdteil kaum verlässliche Firmenübersichten existieren.

Jedoch nicht nur bei der Abschätzung der Industrieaktivitäten, sondernauch bei der Angabe der Förderaufwendungen in unterschiedlichenLändern ergeben sich ebenfalls Schwierigkeiten, welche die Vergleichbarkeit der Angaben in Frage stellen:

• Je nach der Definition des Technologiefeldes werden teilweise Projekte hinzugezählt, welche den Kriterien anderer Länder nichtstandhalten würden.

• Den Angaben ist nicht direkt zu entnehmen, ob Vollkosten oder Nettokosten angesetzt werden. Weiterhin unterscheiden sich im Falle von Vollkosten die Overheadanteile beträchtlich. Teilweisewerden Kosten zur Errichtung von Gebäuden oder vollständige Gebäudeausstattungen hinzugezählt.

• Die Kaufkraftunterschiede in den einzelnen Ländern bewirken unterschiedliche Ausgestaltungsmöglichkeiten der Programme. In Niedriglohnländern (beispielsweise in China) kann z. B. trotz deutlich niedrigerer Förderausgaben ein Vielfaches an Personenjahren investiert werden.

• Der Anteil der Industrieaufwendungen ist kaum zu spezifizieren.

Daher findet sich nachfolgend nur eine Darstellung der Angaben deröffentlichen Ausgaben in den USA und Japan ohne ausführlichere Darstellung der Förderdetails.

Problematik der Vergleichbarkeit von Aufwendungen


2001 (in

Mio. EUR)

2002 (in

Mio. EUR)

2003 (in

Mio. EUR)

2004 (in

Mio. EUR)

Deutschland 210 240 250 290

Europa (inkl. nat.

Förd.)

360 480 700 740

USA 420 570 770 850

Japan 600 750 800 800

Tabelle 2.4: Aufwendungen zur Förderung der Nanotechnologie in Deutschland, Europa, USA und Japan in Mio. Euro (wobei der Einfachheit halber1 USD gleich 1 EUR gleich 100 YEN verwendet wurde; die Vergleich-barkeit der Angaben ist fraglich, da keine international einheitliche Definition des Feldes existiert, die Angabe nach Voll- oder Nettokosten differiert, Kaufkraftunterschiede unberücksichtigt und die Industrieaufwendungen kaum zu spezifizieren sind.)

Ein Vergleich der Aufwendungen in Europa, den USA und in Japan ergibt grob abgeschätzt und - ohne auf die Förderdetails näher einzugehen - durchaus ähnlich hohe Fördervolumina. In den USA wurden im Haushaltsjahr 2002 im Rahmen der „National Nanotechnology Initiative“ um die 570 Mio. EUR aufgewendet und fürdas Jahr 2003 sind ca. 770 Mio. EUR bewilligt.1 Der „Governmental Budget Plan for Nanotechnology“ der Japaner weist für 2002 eineFördersumme von ca. 750 Mio. EUR aus, ab dem Jahr 2003 stehen umdie 800 Mio. EUR jährlich zur Verfügung. Auch die britische Regierunghat vor kurzem eine Initiative bekannt gegeben, die ab dem Jahr 2004 Ausgaben in Höhe von ca. 130 Mio. EUR für die nächsten sechs Jahregarantieren soll. Von der Generaldirektion Forschung der EuropäischenKommission wird für die gesamte Nanotechnologieförderung in Europain 2003 ein Volumen von ca. 700 Mio. EUR geschätzt. Die EuropäischeKommission selbst hat durch die Förderaktivitäten des 6. EU-Forschungsrahmenprogramms (FP6) – bei dem Nanotechnologie im Wesentlichen in der 3. thematischen Priorität unterstützt wird – über die Laufzeit bis 2006 ein Volumen von insgesamt etwa 700-750 Mio. EURvorgesehen, also ca. 250 Mio. EUR pro Jahr ab 2003. Deutschland hat mit ebenfalls ca. 250 Mio. EUR öffentlicher Mittel pro Jahr den größten Anteil an der nationalen Förderung der Nanotechnologie in Europa nach konservativer Schätzung. Insgesamt kann folglich für die übrigenMitgliedstaaten zusammen eine Fördersumme von ca. 200-250 Mio. EUR für nanotechnologische FuE als realistisch angesehen werden.

Die Nanotechnologie wird derzeit in allen relevanten Industrienationen als ein wichtiges Zukunftsfeld erkannt und entsprechend gefördert. Nicht

1 Für das Jahr 2005 planen die USA eine weitere erhebliche Steigerung im Rahmen der National Nanotechnology Initiative. Es sollen dann ca. eine Mrd. USD bereitgestellt werden.

Kapitel 2 37

nur in USA, Japan und in Europa werden daher nationale oder forschungsraumspezifische Programme aufgelegt, sondern auch in China, Korea, Taiwan, Australien, und weiteren Nationen. Neben den hohenInvestitionen in dieses Zukunftsfeld sind weitere Besonderheiten der derzeitigen Förderung in fast all diesen Ländern erkennbar, die vom BMBF schon ab 1998 adressiert wurden:

• Der interdisziplinäre Ansatz zur Beförderung des Feldes

• Die gleichzeitige Förderung von Grundlagen- und angewandter Forschung

• Die Initiierung von Netzwerkaktivitäten

• Der Ausbau internationaler Kooperationen

• Die Kombination mit Fragen der zukünftigen Aus- und Weiter-bildung

• Der öffentliche Diskurs über gesellschaftsrelevante Frage-stellungen

• Der Drang nach schneller Erkenntnisumsetzung zur Standortstärkung

2.6.2.1 Fazit der internationalen Ausgangssituation Deutschlands

Im Laufe der letzten Jahre konnte hauptsächlich durch die BMBF-Maßnahmen zur Nanotechnologie die Sichtbarkeit der deutschen Aktivitäten deutlich gesteigert werden. Nach einem Statement vonPhilippe Busquin (Forschungskommissar der EU) „ist Deutschland bei den nanotechnologischen Innovationen die Wachstums-Lokomotive inder EU“ (VDI Nachrichten, 9. Januar 2004). Dies lässt erkennen, dass Deutschland in der Nanotechnologie sowohl fachlich als auch infrastrukturell gut aufgestellt ist. Das BMBF hat früher als andere Nationen die Erschließung dieser Zukunftstechnologie eingeleitet und zu Recht die Breite des Themas in mehreren Fachprogrammen adressiert.Durch die Fokussierung auf industrieorientierte Fragestellungen wurde in Teilbereichen eine international beachtete Position aufgebaut, die es durch weitere geeignete Schritte auszubauen gilt. Um gegen die stark aufkommende internationale Konkurrenz auch weiterhin bestehen zukönnen, ist sowohl die Geschwindigkeit im Innovationsprozess zuerhöhen als auch die langfristige Wertschöpfung durch innovationsbegleitende Maßnahmen zu sichern.

Allgemeine High-Tech-Ziele der Nanotechnologie-Förderung

Deutschlands Stand in der Nanotechnologie ist gut

39

3333 ANWENDUNGSANWENDUNGSANWENDUNGSANWENDUNGS---- UND MARK UND MARK UND MARK UND MARKTPERSPEKTIVEN DER TPERSPEKTIVEN DER TPERSPEKTIVEN DER TPERSPEKTIVEN DER NANOTECHNOLOGIE IN PNANOTECHNOLOGIE IN PNANOTECHNOLOGIE IN PNANOTECHNOLOGIE IN PRODUKTEN UND PRODUKTRODUKTEN UND PRODUKTRODUKTEN UND PRODUKTRODUKTEN UND PRODUKT----GRUPPENGRUPPENGRUPPENGRUPPEN

3.13.13.13.1 Anmerkungen zur LiteraturanalyseAnmerkungen zur LiteraturanalyseAnmerkungen zur LiteraturanalyseAnmerkungen zur Literaturanalyse

Die hier ausgeführte Analyse der Anwendungs- und Marktperspektivender Nanotechnologie in Produkten und Produktgruppen basiert im Wesentlichen auf einer Sekundäranalyse relevanter Publikationen. Dazu wurden folgende Quellen verwendet:

• Markstudien und Pressemitteilungen diverser Marktforschungs-institutionen, zum Teil mit Spezialisierung im Bereich Nanotechnologie, z. B. Business Communication Company (BCC), CMP Científica

• Pressemitteilungen und Publikationen von Unternehmen

• Publikationen in Fachjournalen, Tagespresse und im Internet

Neben einer qualitativen Beschreibung der Anwendungspotenziale sollten hierbei auch quantitative Aussagen zum Marktpotenzial der Nanotechnologie getroffen werden. Hierbei ist anzumerken, dass dasGebiet der Nanotechnologie folgende Charakteristika aufweist, die eine quantitative Einschätzung des Marktpotenzials erschweren (vgl. Luther, 2003; Fleischer, 2002):

• Nanotechnologie lässt sich nicht klassischen Industriebranchen zuordnen, deren Umsätze in Wirtschaftsstatistiken erfasst werden. Es handelt sich vielmehr um eine branchenübergreifende Quer-schnittsdisziplin.

• Nanotechnologie stellt keine einheitliche Technologieplattform dar, sondern beinhaltet ein breites Spektrum unterschiedlicher Technologie- und Forschungsfelder (Werkstofftechnik, Schichttech-nologie, Nanostrukturierung, Analytik, Oberflächenbearbeitung).

• Nanotechnologische Verfahren und Produkte setzen überwiegend amBeginn der Wertschöpfungskette an und beziehen sich überwiegendlediglich auf einzelne Komponenten, deren Funktionalität durch Nanotechnologie verbessert wird. Der Anteil der Nanotechnologie an der Wertschöpfung marktgängiger Produkte lässt sich oftmals kaumoder nur ungenau erfassen.

• Nanotechnologie befindet sich zu einem großen Anteil noch im Forschungsstadium. Abschätzungen des Markterfolgs zukünftiger Produktoptionen und -visionen sind daher mehr oder weniger spekulativ.

Quantitative Einschätzung des Nanotechnologie-Marktpotenzials problematisch


Die Spanne existierender Marktzahlen zur Nanotechnologie umfassteinen weiten Bereich von 900 Mio. USD für das Weltmarktvolumen nanostrukturierter Materialien im Jahr 2005 (BCC, Business Com-munication Company 2001) bis zu einer Billion USD für das Weltmarktvolumen nanotechnologisch beeinflusster Produkte im Jahr2015 (NSF, National Science Foundation, 2001).

Weltmarkt (Jahr) Bezogen auf Quelle

493 Mio. USD (2000)

900 Mio. USD (2005)

Anorganische Nanopartikel und -pulver (Metalloxide wie SiO2, TiO2, Metalle etc.)

Rittner (2002)

40 Mrd. USD (2002) Synthetische Nanopartikel als Vorprodukte

Distler (2002)

23 Mrd. USD (2003)

73 Mrd. USD (2003)

Nanomaterialien

Nanotools, Nanodevices + Nanobiotec

Fecht et al. (2003)

7 Mrd. USD (2002)

28,7 Mrd. USD (2008)

Nanotechnologische Produkte (hauptsächlich Nanomaterialien, ferner Nanodevices und –tools)

BCC (2004)

54 Mrd. EUR (2001)

100 Mrd. EUR (2005)

Nanotechnologische Produkte (aufgeschlüsselt nach Nanomaterialien, Nanoschichten, Nanoanalytik, Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung, Laterale Nanostrukturen)

Bachmann(2001), DG/GZ Bank (2001)

66 Mrd. USD (2005)

148 Mrd. USD (2010)

Nanotechnologische Produkte Kamei (2002)

bis zu 200 Mrd. EUR (2005)

Nanotechnologische Produkte Sal. Oppenheim (2001)

225 Mrd. USD (2005)

700 Mrd. USD (2008)

Nanotechnologische Produkte NanoBusiness Alliance (2001)

1 Billion USD (2015)

Nanotechnologische Produkte NSF (2001)

Tabelle 3.1: Übersicht über Marktzahlen und -prognosen zur Nanotechnologie

Die Abbildung 3.1 zeigt eine logarithmische Auftragung verschiedener Marktprognosen gegenüber dem jeweiligen Bezugsjahr. Bis zum Jahr2015 lässt sich hieraus in grober Näherung ein exponentielles Wachstum des Weltmarktes nanotechnologischer Produkte extrapolieren. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass die verschiedenen Marktprognosen zum Teil auf sehr unterschiedlichen Definitionen und Bewertungsansätzen basierenund somit nicht direkt vergleichbar sind.

Marktzahlen zur Nanotechnologie

weisen erhebliche Abweichungen auf

Kapitel 3 41

1

10

100

1000

10000

2000 2005 2010 2015

Jahr

Welt

mark

t (M

rd. $)

Bachmann (2001)

DG-Bank (2002)

Deutsche Bank (Fecht et al., 2003)

Sal. Oppenheim(2001)

Evolution Capital(Chilcott, 2001)

NSF / NBA (Gordon, 2003)

Trend (exponentiell)

Abbildung 3.1: Vergleich verschiedener Marktprognosen für den Nanotechnologie-

weltmarkt (Quelle: Bachmann, 1998; Fecht et al., 2003; DG-Bank

2002; Gordon, 2003; Sal. Oppenheim, 2001; Chilcott et al., 2001).

Um eine richtige Einschätzung von Marktzahlen und -prognosen zuermöglichen und Fehlinterpretationen zu vermeiden, ist es dahernotwendig, die Aussagen im Kontext folgender Fragestellungen zudiskutieren:

• Welche Definition von Nanotechnologie wird zugrunde gelegt?

• Auf welcher Datenbasis beruhen die genannten Zahlen?

• Welche (Teil)bereiche der Nanotechnologie umfasst die Markteinschätzung (z. B. Nanomaterialien, Nanobeschichtungen, Tools und Messtechnik zu Erzeugung von Nanostrukturen etc.)?

• Auf welche Wertschöpfungsstufe beziehen sich die Marktzahlen (Grundstoffe wie z. B. Nanopulver, Zwischenprodukte wie Laserdioden oder Endanwenderprodukte wie Computer oder Haushaltsgeräte)?

Die oben erwähnten Marktprognosen von BCC und NSF nehmen mit ihrem Bewertungsansatz zwei extreme Positionen ein. Während BCCsich auf ein eng begrenztes Teilgebiet der Nanotechnologie (anorganische Nanopartikel) beschränkt und den Marktwert der Grundstoffe kalkuliert, bezieht sich die NSF auf den Marktwert sämtlicher Endprodukte, die in irgendeiner Form durch Nanotechnologiebeeinflusst werden (z. B. Medikamente, Computer, Datenspeicher etc.),ohne dabei konkrete Produkte zu nennen und den Anteil der Nanotechnologie an der Wertschöpfung näher zu spezifizieren. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sich die angegebenen Marktvolumina um den Faktor 1000 unterscheiden, wobei allerdings sicherlich der unterschiedliche Zeithorizont eine wesentliche Rolle spielt.

Unterschiedliche Bewertungsansätze fürNanotechnologie-Marktprognosen


Zwischen diesen beiden Extremen gibt es weitere Marktprognosen, die die Nanotechnologie in unterschiedliche Teilbereiche segmentieren(Nanomaterialien, Nanoanalytik, etc.), und die das Marktpotenzial der Nanotechnologie durch Aufsummieren des Marktwertes konkreter Produkte ermitteln, die nanotechnologische Komponenten enthalten(z. B. Bachmann, 2001, DG Bank, 2002, Fecht et al., 2003). Bei Produkten, die noch keine Marktreife erlangt haben, wird hierbei in der Regel das Substitutionspotenzial für bestehende Produkte angegeben(z. B. MRAM-Speicherchips als Substitution für DRAM-Speicherchips). Falls der Wertschöpfungsanteil einer nanotechnologischen Komponenteam Endprodukt nicht quantifizierbar ist bzw. keine Marktzahlen verfügbar sind, wird hierbei zum Teil der Wert der „kleinsten, verkaufbaren Einheit“ eines Produktes angegeben, die die nanotechnologische Funktion enthält (z. B. bei Festplattendatenspeichern das gesamte Laufwerk, obwohl nur der GMR-Lesekopf eine nanotechnologische Funktion beinhaltet).

Bei den ermittelten Marktzahlen ist weiterhin nicht nachvollziehbar, inwieweit Doppellungen bei der Bewertung von Nanoprodukten vermieden wurden. So ist es denkbar, dass Produkte unterschiedlicher Wertschöpfungsstufen mehrmals in die Bewertung einfließen, obwohl sie auf demselben Nanotechnologie-Grundprodukt basieren. Es ist dahernicht auszuschließen, dass beispielsweise ein nanokristallines Material in einem Produkt (z. B. Sonnencreme), sowohl auf der Wertschöpfungsstufe des Rohstoffes (nanokristallines Material) als auch des Endproduktes(Sonnencreme) für die Ermittlung des gesamten Marktvolumens herangezogen wird. Durch diese Doppellungen würde es zu einer Überschätzung des Marktvolumens kommen.

Bei der folgenden Analyse wurde deshalb versucht, das Anwendungs-und Marktpotenzial der Nanotechnologie im Kontext der betrachtetenWertschöpfungsstufe und des Wertschöpfungsanteils der nanotechnolo-gischen Komponente sowie des Zeithorizontes darzustellen. Die Analysewurde sowohl segmentiert nach den relevanten technologischen Teilgebieten der Nanotechnologie (Kapitel 3) als auch aufgeschlüsselt nach unterschiedlichen bedeutenden Wirtschaftsbranchen (Kapitel 6) durchgeführt.

3.23.23.23.2 NanomaterialienNanomaterialienNanomaterialienNanomaterialien

Nanoskalige Materialien bilden eine wesentliche Grundlage der gesamten Nanotechnologie. Sie zeigen eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften, die in herkömmlichen Materialien nicht vorgefundenwerden. Hierzu gehören auf der strukturellen Seite z. B. Superplastizität,erhöhte Härte, Bruchzähigkeit und -festigkeit. Auf der funktionellenSeite sind dies z. B. verbesserte weichmagnetische Eigenschaften, Riesenmagnetowiderstandseffekt, verringerte Wärmeleitfähigkeit oder höherer elektrischer Widerstand. Nanoskalige Werkstoffe werden in der

Segmentierung in unterschiedliche Teilbereiche der Nanotechnologie

Kapitel 3 43

Regel über altbekannte Verfahren hergestellt. Ihre Bandbreite reicht von anorganischen wie organischen, amorphen oder kristallinen Nanopartikeln, die singulär in Aggregaten oder als Pulver sowie auch in einer Matrix dispergiert vorliegen können, über Nanokolloide, -suspensionen und -emulsionen bis hin zur Familie der Fullerene und deren Derivate. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über wesentliche physikochemische und biologische Eigenschaften von Nanomaterialien, die sich aufgrund der Nanoskaligkeit gezielt einstellenund optimieren lassen.

Eigenschaft Beispiele für Effekte durch nanoskalige Konfiguration

Katalytisch Erhöhte katalytische Wirkung durch stark vergrößerte Oberfläche

Elektrisch Erhöhte elektrische Leitfähigkeit in Keramiken und magnetischen Nanokompositen, höherer elektrischer Widerstand in Metallen

Magnetisch Erhöhte magnetische Koerzitivität bis zu einer kritischen Korngröße (unterhalb dieser Größe Abnahme der Koerzitivität bis zu superparamagnetischen Verhalten)

Mechanisch Erhöhte Härte und Festigkeit von Metallen und Legierungen, verbesserte Duktilität, Härte und Formbarkeit von Keramiken

Optisch Spektrale Verschiebung der optischen Absorptions- und Fluoreszenseigenschaften, Steigerung der Lumineszens von Halbleiterkristalliten

Sterisch Erhöhte Selektivität und Wirksamkeit von Membranen, Anpassung von Hohlräumen für den Transport oder die kontrollierte Abgabe spezifischer Moleküle

Biologisch Erhöhte Durchlässigkeit für physiologische Barrieren (Membrane, Blut-Hirn-Schranke etc.), erhöhte Biokompatibilität

Tabelle 3.2: Beispiele für einstellbare Eigenschaften von Nanomaterialien

Wesentliche Grundlagen der Eigenschaften von Nanomaterialien imUnterschied zu klassischen makroskopischen Stoffen sind ihr sehr großes Verhältnis von Ober- bzw. Grenzfläche zu Volumen sowie die hier in den Vordergrund tretenden Quanteneffekte. So liegen beispielsweise bei einem Partikel mit 10 nm Durchmesser ca. 20 Prozent aller Atome an der Oberfläche, bei einem Partikel von 1 nm Durchmesser können es über 90 Prozent sein. Mit zunehmendem Oberflächenanteil steigt auch dieOberflächenenergie der einzelnen Teilchen an, wodurch sich z. B. deren Schmelzpunkt erniedrigt oder die Sinteraktivität erhöht wird. Über eine präzise Kontrolle der Größe der Partikel lassen sich ihre Eigenschaften in bestimmten Grenzen einstellen. Als schwierig erweist sich meist, diese erwünschten Eigenschaften über den nachfolgenden Fabrikationsprozesshinaus zu erhalten. So neigen lose Schüttungen von Nanopulvern vieler Werkstoffe schon bei Raumtemperatur dazu, durch Diffusionsprozessezu größeren Partikeln bzw. fest verbundenen Agglomeraten zusammenzuwachsen. Deshalb ist bereits zur Herstellung der nanoskaligen Ausgangsprodukte ein geeigneter Herstellungs- oder auch nachgeschalteter „Veredelungsprozess“ auszuwählen bzw. neu zu entwickeln, um Agglomeration und Kornwachstum vor und während der Werkstückfabrikation sowie im Betrieb zu be- oder verhindern.

Neue Effekte durch Materialdesign auf der Nanoskala


Feste Materialien können aus der Gasphase, aus der flüssigen Phase und aus Festkörpern so hergestellt werden, dass sie in wenigstens einer Dimension nanoskalig (d. h. per Definition kleiner als 100 nm) sind. Die Produkte liegen meist in Form von Partikeln oder dünnen Schichten vor. Insbesondere bei den Verfahren, die Gasphase oder flüssige Phase zur Partikel- oder Schichtherstellung nutzen, trifft man häufiger aufSelbstorganisationsprozesse, die bestimmte Formen und Strukturenherausbilden.

Für Materialsynthesen aus der Gasphase kennt man mehrere relevanteVerfahren. Es handelt sich um die Chemische Gasphasenabscheidung(CVD, Chemical Vapour Deposition), die Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition), Aerosol-basierte Methoden wie die Gasphasenkondensation (CVC, Chemical Vapour Condensation), Sputtertechniken und die Flammensynthese.Während letztere Methode nur zur Herstellung von Pulvern geeignet ist, können mit den anderen sowohl Pulver als auch dünne Schichten abge-schieden werden. Von allen Verfahren existieren verschiedene Varianten,die oft kontinuierlich betrieben werden können und damit für industrielleProzesse besonders interessant sind.

Die wichtigsten Verfahren zur Herstellung bzw. Abscheidung von Pulvern und dünnen Schichten aus der flüssigen Phase sind das Sol-Gel-Verfahren und die elektrochemische Abscheidung. Beide Verfahreneignen sich weiterhin zum Aufbau nanoporöser Volumenkörper. Nanoporöse Festkörper lassen sich auch über polymerpyrolytischeMethoden realisieren. Zur Produktion von Pulvern dienen darüber hinaus insbesondere die Sonochemie (Ultraschallchemie) und Hydrothermalmethoden. Ferner lassen sich über Laserstrahlschmelzen ultradünne Oberflächenfilme erzeugen.

Die Herstellung von pulvrigen Nanomaterialien aus der festen Phaseerfolgt meist über Hochenergie- bzw. Hochgeschwindigkeitsmahlensowie ebenfalls durch Bestrahlung mit Partikeln, z. B. Ionen undanschließende Rekristallisation. Die Mahlprozesse sind technologischanspruchslos, bergen jedoch die Gefahr starker Kontamination durchAbrieb. Daneben gibt es eher exotische Methoden, wie z. B. die Explosivzerstäubung metallischer Drähte. Ein weiteres sehr wichtigesVerfahren ist die zerstörungsfreie In-situ-Erzeugung von Nanostrukturenin Volumenkörpern. Hier handelt es sich primär um die gesteuerteKristallisation amorpher Werkstoffe zu nanokristallinen Kompositen. Bei oxidischen Gläsern bereits Stand der Technik, gewinnt diese Methode für Metalle und Legierungen stark an Bedeutung. Nanoporöse Festkörperlassen sich beispielsweise über elektrochemische Oxidationsprozesse aus dichten metallischen Volumenkörpern gewinnen.

Breites Spektrumvon Verfahren zur

Herstellung von Nanopartikeln und

Nanoschichten

Kapitel 3 45

3.2.13.2.13.2.13.2.1 Klassifizierung von NanomaterialienKlassifizierung von NanomaterialienKlassifizierung von NanomaterialienKlassifizierung von Nanomaterialien

Alle klassischen Stoffe wie Metalle, Halbleiter, Gläser, Keramiken oder Polymere sind zur Darstellung nanoskaliger Konfigurationen geeignet, können also in Teilchengrößen kleiner als 100 nm hergestellt werden.Inzwischen werden auch Supramolekulare Strukturen, Produkte einer seit langem in der Chemie verfolgten Forschungsrichtung (z. B. Dendrimere,Mizellen oder Liposomen), ebenso zu den Nanomaterialien gezählt wie beispielsweise Langmuir-Blodgett-Filme oder neuere Stoffklassen wie die Fullerene. Prinzipiell gibt es mehrere Möglichkeiten eine Klassifizierung von Nanomaterialien vorzunehmen, einige Variantensind in der Tabelle 3.3 dargestellt.

Einteilung nach Beispiele

Dimensionalität

• 3 Dimensionen < 100nm • 2 Dimensionen < 100nm • 1 Dimension < 100nm

Partikel, Hohlkugeln ... Röhren, Fasern, Drähte ... Filme, Schichten, Multilayer ...

Phasenzusammensetzung

• Einphasige Feststoffe • Mehrphasige Feststoffe • Mehrphasensystem

Kristalline, amorphe Partikel u. Schichten ... Matrixmaterialien, beschichtete Partikel... Kolloide, Aerogele, Zeolithe ...

Herstellungsverfahren

• Gasphasenreaktion • Flüssigphasenreaktion • Mechanische Verfahren

Flammsynthese, Kondensation, CVD ... Sol-Gel, Fällung, Hydrothermalprozess ... Kugelmahlen, Plastische Deformation ...

Tabelle 3.3: Beispiele für Klassifizierungsmöglichkeiten von Nanomaterialien

Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Anwendung von Nanomaterialienergeben sich weitere Faktoren für eine Differenzierung, die sich auf deren Verwendung in Nanoprodukten beziehen (vgl. Haas et al., 2003):

Einteilung nach Beispiele

Wertschöpfungstufe

• Rohstoffe • Zwischenprodukte• Halbzeuge• Bauteile • Systeme/Endprodukte

Schichtsilikate, Nanopulver, Precursoren Lacke, Klebstoffe, Nanokomposite ... Beschichtetes Formteil, Textilgewebe ... Sensor, Elektrode, Laser, LED ... Brennstoffzelle, Notebook, Bio-Chip ...

Reifegrad/Produktionsvolumen

• Labormuster • Prototyp• Pilotanwendung • Massenprodukt

Molekularelektronik-Komponenten Schaltbare Klebstoffe, multifunkt. Textilien ... Fluoreszensmarker, Kontrastmittel, CNT Carbon Black, Aerosil, Titandioxid

Prozessierbarkeit

• Intrinsische Nanomaterialien

• Prozessnanomaterialien

Nanoeigenschaften bleiben im Produkt erhalten (Quantenpunkte, Fluoreszensmarker ...) Nanoeigenschaften im Produkt nicht mehr nachweisbar (z. B. agglomerierte Ruße)

Tabelle 3.4: Beispiele für Klassifizierungsmöglichkeiten von Nanoprodukten

Unterschiedliche Klassifizierungs-ansätze für Nanomaterialien


Im Folgenden werden die Anwendungs- und Marktpotenziale wirtschaftlich besonders relevanter Klassen von Nanomaterialien auf der Wertschöpfungsstufe von Rohstoffen und Zwischenprodukten diskutiert.

3.2.23.2.23.2.23.2.2 Nanopartikel/Nanopartikel/Nanopartikel/Nanopartikel/----fasern/fasern/fasern/fasern/----röhrenröhrenröhrenröhren

3.2.2.1 Metalloxide/Metalle

Metalloxide, insbesondere Siliziumdioxid, Ceroxid, Titandioxid,Aluminiumoxid, weisen im Bereich der anorganischen Nanopartikelgegenwärtig die größte wirtschaftliche Bedeutung auf. Hauptanwendungsgebiete dieser Nanopartikel sind die Elektronik,Pharmazie/Medizin/Kosmetik sowie Chemie/Katalyse. Im Bereich Pharmazie/Medizin/Kosmetik liegt die derzeit wirtschaftlich bedeutendste Anwendung im Bereich von Sonnenschutzmitteln. Hierbeiwerden insbesondere nanoskalige Titandioxid- aber auch Zinkoxid-nanopartikel als UV-Absorber eingesetzt, die aufgrund der Nanoskaligkeit den Vorteil der optischen Transparenz bieten. Weitere Anwendungsfelder für Nanopartikel in der Medizin sind Markerstoffe für biologische Schnelltests (z. B. Gold oder Halbleiter), Kontrastmittel zur Magnetischen Resonanztomographie sowie antimikrobielle Beschich-tungen und Kompositmaterialien für sterile Oberflächen und medizinische Geräte. Derzeit wirtschaftlich noch relativ unbedeutend,aber langfristig aussichtsreich sind Nanopartikel-basierte Drug-Carrier-Systeme zur gezielten und selektiven Wirkstoffapplikation.

Im Bereich der Katalyse machen Nanopartikel als poröse Trägerschicht für Autoabgaskatalysatoren den größten Marktanteil aus. Hierbei wird vor allem nanoskaliges Aluminiumoxid verwendet, das als poröserGerüststoff für den Edelmetallkatalysator dient, der fein verteilt in-situ auf das Substrat abgeschieden wird. Auch für Katalysatoren in Wasserstoff-Reformern für PEM-Brennstoffzellen werden Nanoma-terialien wachsende Bedeutung finden.

BCC schätzt das Marktvolumen für oxidische und metallische Nanopartikel im Jahr 2005 auf 900 Mio. USD. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Anwendungen und Martktpotenziale.

Metalloxid-Nanopartikel finden

in einer Vielzahl von Produkten

Anwendung

Kapitel 3 47

Anwendungsgebiet/Materialien Weltmarkt

volumen

2005

Elektronik, Optoelektronik

• Chemisch-mechanisches Polieren (z. B. Si-, Al-Oxid) • Elektrisch leitfähige Beschichtungen (z. B. ITO, Edelmetalle) • Magnetische Datenspeicher (Eisen-, Kobaltoxide) • Kondensatoren (Barium-Strontium-Titanat, Komposite)

668 Mio. USD

Pharmazie/Medizin/Kosmetik

• Sonnenschutz (Titandioxid, Zinkoxid) • Biomarker (Gold, Halbleiter, ...) • Kontrastmittel (Eisenoxid, Chelatkomplexe ...) • Biomagnetische Separation (Eisenoxid) • Antimikrobielle Agentien (Silber, Titandioxid ...)

145 Mio. USD

Chemie/Katalyse

• Automobilkatalysatoren (Aluminiumoxid, Edelmetalle ...) • Strukturkeramik (Oxidische Keramiken, SiC ...) • Kratzfeste Beschichtungen (div. Metalloxide und -carbide) • Photokatalyse (Titandioxid) • Brennstoffzellen (Edelmetalle, YSZ) • Keramische Membranen (div. Metalloxide)

88 Mio. USD

Tabelle 3.5: Anwendungen und Marktpotenziale von Nanopartikeln (nach Rittner, 2002)

3.2.2.2 Kohlenstoffpartikel

Zu den nanostrukturierten Kohlenstoffpartikeln zählen sowohl langetablierte und in großindustriellem Maßstab hergestellte Materialien wie Industrieruße (Carbon Black) als auch relativ junge Materialklassen wie Fullerene und Fulleren-Derivate. Eine besondere Stoffklasse innerhalb der Fullerene bilden die ein- und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren, für die mittel- bis langfristig ein hohes Produktpotenzialprognostiziert wird.

Hinsichtlich der wirtschaftlichen Bedeutung dominieren derzeit klassische nanostrukturierte Materialien, wie Carbon Black und Spezialruße, mit einem derzeitigen Weltmarktvolumen zwischen 3 Mrd.USD (Reuters, 2002) und 5,7 Mrd. USD (SRI, 2002) bzw. einem prognostizierten Weltmarktvolumen 8 Mrd. USD (Fecht et al., 2003) im Jahr 2006. Bei Carbon Black handelt es sich um kettenförmig agglomerierte Kohlenstoffpartikel, deren Primärpartikelgröße imNanometerbereich liegt. Haupteinsatzgebiete dieser durch Flammsynthese hergestellten Materialien sind Füllstoffe für Gummi und Pigmente, beispielsweise für Autoreifen oder Toner.

Kohlenstoffnano-partikel umfassen etablierte Industriechemika-lien wie Carbon Black sowie neuartige Materialmodifika-tionen wie Fullerene und Kohlenstoffnano-röhren


Für die Zukunft wird Kohlenstoffnanoröhren (CNT) ein hohes wirtschaftliches Potenzial prognostiziert aufgrund ihrer außergewöhnlichen molekularen Eigenschaften, wie z. B. extrem hoheZugfestigkeiten (auf molekularer Ebene eine ca. 100 mal bessereZugfestigkeit als Stahl bei einem 6 fach geringeren spezifischen Gewicht, vgl. CMP Cientifica, 2003) sowie hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit. Einer breiten wirtschaftlichen Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren, z. B. in der Sensorik, in der Elektronik (CNT-basierte Verbindungsleitungen und Transistoren), in Komposit-materialien (z. B. elektrisch leitfähige Polymere) oder in Flachbild-schirmen (Elektronenemitter in Feld-Emissionsdisplays) stehen derzeit in erster Linie der hohe Preis von ca. 180 USD pro Gramm (für einwandigeCNT) entgegen (Löfken und Mayr, 2003). Der hohe Preis ist dadurch bedingt, dass die großtechnische Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrenmit definierter Zusammensetzung derzeit noch nicht gelöst ist. Während das derzeitige Marktpotenzial von CNT sich im Bereich weniger Millionen US-Dollar bewegen dürfte, gehen sehr optimistische Prognosen allerdings bereits für das Jahr 2006 von einem Marktvolumenvon 1,2 Mrd. USD aus (Fecht et al., 2003). Diese Prognosen basieren auf der Annahme, dass kurzfristig eine preisgünstige Massenproduktion von CNT etabliert sein wird, wie dies beispielsweise von einer japanischen Firma bereits angekündigt worden ist (Mitsui, 2002).

3.2.2.3 Schichtsilikate

Nanostrukturierte, organisch modifizierte Schichtsilikate (Nanotone)werden seit einiger Zeit als Füllstoffe für Polymermaterialien zur Verbesserung der Barriereeigenschaften (z. B. Gasdichtigkeit), alsBrandschutz sowie zur mechanischen Verstärkung verwendet. Obwohlbereits einige Produkte auf dem Markt sind, beeinträchtigen Probleme im Verarbeitungsprozess sowie die relativ hohen Kosten bei moderatenPerformance-Gewinnen eine breite wirtschaftliche Anwendung dieser Materialien. Bis zum Jahr 2006 wird das Weltmarktvolumen für Nanoschichtsilikate auf 25 Mio. USD geschätzt (SRI, 2002).

3.2.2.4 Organische Nanopartikel

Unter der Gruppe der organischen Nanopartikel lassen sich unteranderem folgende Stoffklassen subsumieren (vgl. Horn und Rieger,2002):

• Polymernanopartikel/-dispersionen

• Mikronisierte Wirk- und Effektstoffe (Vitamine, Pigmente und Pharmazeutika)

Abbildung 3.2: Verschiedene

Modifikationen von Kohlenstoffnanoröhren

(einwandig, mehrwandig, gefüllt mit

Fremdatomen etc.)

Kapitel 3 49

• Makromoleküle (z. B. Dendrimere)

• Mizellen, Liposome

Aus heutiger Sicht wirtschaftlich relevant sind vor allem mikronisierteWirk- und Effektstoffe sowie Polymerdispersionen. Durch die Mikronisierung organischer Wirk- und Effektstoffe wie Vitamine,Pigmente und Pharmazeutika, die in Wasser oftmals schwer löslich sind und bei Applikation in wässriger Form besondere Formulierungsverfahren erfordern, wird durch ein verbessertes Oberflächen-Volumen-Verhältnis die Wasserlöslichkeit und damit diephysiologische (Pharma, Kosmetik, Pflanzenschutz, Ernährung) odertechnologische Wirksamkeit (Lacke und Druckfarben) optimiert. Derartige Nanopartikel lassen sich durch mechanische Zerkleinerungoder Fällung bzw. Kondensation aus kolloidalen Lösungen herstellen.Das Marktpotenzial für mikronisierte Wirkstoffe (insbesondere Vitamine) wird für das Jahr 2002 auf ca. 1 Mrd. EUR geschätzt (BASF/Distler, 2002). Noch größere Marktvolumina mit ca. 15 Mrd.EUR im Jahr 2002 (Distler, 2002) weisen wässrige Polymerdispersionen auf. Diese in der Industrie schon lange etablierte Stoffklasse lässt sich durch Anwendung moderner nanotechnologischer Verfahren hinsichtlichder technischen Eigenschaften optimieren, wie z. B. durch die Erhöhungdes Feststoffgehaltes infolge kontrollierbarer Teilchengrößenverteilung, durch selektive Oberflächenmodifikation der Polymere oder die Herstellung von Nanokompositen durch Mischen mit zusätzlichen, auchanorganischen Füllstoffen. Derartige Polymerdispersionen bieten breite Anwendungsfelder, z. B. als Bindemittel in Farben und Lacken, Haftklebstoffe für Etiketten und Klebebänder oder als Beschichtungssysteme für Textilien, Holz oder Leder. Wässrige Polymerdispersionen sind zudem umweltfreundlicher als Produkte, die auf organischen Lösemitteln basieren.

Derzeit aus wirtschaftlicher Sicht noch unbedeutend, aber zukünftig mit aussichtsreichen Marktchancen werden organische Makromoleküle wieDendrimere bzw. ähnliche Substanzklassen wie hyperverzweigte Polymere (z. B. auf Polyurethanbasis) eingeschätzt (Bruchmann, 2002). Anwendungspotenziale dendritischer Moleküle bieten sich beispielsweiseals Trägersubstanzen für Katalysatoren oder pharmazeutische Wirkstoffe (Drug-Delivery) bzw. auch als Vernetzungsmittel für kratzfeste Autolacke oder Druckfarben. Das weltweite Marktpotenzial von Dendrimeren wird für das Jahr 2006 auf 5-15 Mio. EUR geschätzt (SRI,2002).

Hohes Marktpotenzial für mikronisierte Wirkstoffe und Polymerdisper-sionen


3.2.33.2.33.2.33.2.3 NanoNanoNanoNano----KompositmaterialienKompositmaterialienKompositmaterialienKompositmaterialien

3.2.3.1 Polymerbasierte Nanokomposite

Zu den polymerbasierten Nanomaterialien zählen neben den bereits oben erwähnten partikulären Systemen auch nanostrukturierte Blockcopolymere sowie Polymermaterialien, die mit keramischen, metallischen oder auch Halbleiter-Nanopartikeln dotiert sind. DieDotierung dient unter anderem der Verbesserung (thermo)-mechanischer, elektronischer oder auch biologischer Eigenschaften. Hierfür lassen sich unter anderem folgende Beispiele nennen:

• Nanosilikat-verstärkte Polymere zur Verbessserung der Barriereeigenschaften (z. B. Gasdichtigkeit), als Brandschutz sowie zur mechanischen Verstärkung

• Mit Nanopartikeln gefüllte Epoxidharze für Anwendungen in Automobilelektrik als verbesserte Verguss- und Imprägnierharze fürSpulen und Wicklungen

• Leitfähige Polymere, z. B. durch Dotierung mit Carbon Black oderkünftig auch mit Kohlenstoffnanoröhren für Anwendungen in der elektrostatischen Abschirmung elektronischer Geräte etc.

• Mit Nanopartikeln (z. B. aus Silber) gefüllte Polymere mit antimikrobiellen Eigenschaften für Anwendungen, z. B. in der Medizintechnik

Mittelfristig wird ein sehr starkes Wachstum für den Weltmarkt polymerer Nanokomposite von 15 Mio. USD im Jahr 2001 auf 300 Mio. USD im Jahr 2006 prognostiziert (SRI, 2002).

Ein weiteres stark wachsendes Marktsegment sind organische Halbleiter, die mitunter zum Gebiet der Nanotechnologie zählen, da die molekularen Bausteine in der Größenordnung in der Größenordnung einiger 10-100nm liegen und für die Optimierung der Materialeigenschaften einVerständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse auf derNanoskala erforderlich ist. Grundlage für den rasanten Fortschritt in der Entwicklung organischer Halbleiter in den letzten Jahren waren dieSynthese neuartiger Substanzen, die verbesserte Reinheit dieserMaterialien, eine kontrollierte Schichtherstellung sowie wirksamerSchutz der Substanzen und Bauelemente vor Luft und Feuchtigkeit.Gegenüber herkömmlichen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid bieten diese Polymere den Vorteil, einfach hergestellt werden zu können und sich zu großen, mechanisch biegsamen Bauelementen verarbeiten zu lassen. Das Weltmarktvolumen für organische Halbleiter wird für das Jahr 2006 auf mehrere 100 Mio. Euro geschätzt (Quelle: Unternehmensbefragung) für Anwendungen überwiegend in OLED-Displays, langfristig auch in Solarzellen.

StarkesMarktwachstum für

den Bereich polymerer

Nanokomposite prognostiziert

Kapitel 3 51

3.2.3.2 Keramische Matrixmaterialien

Bei Keramiken liegt ein Hauptaugenmerk auf der Erzeugung von Nano/nano- und Mikro/nano-Gefügen. Ziel ist vor allem die Verbesserung von thermomechanischen Eigenschaften, Bruchzähigkeitund Warmumformbarkeit („Superplastizität“) dieser an sich spröden Werkstoffgruppe. Hierbei hilft der Einsatz synthetischer Nanopulver, die sich durch hohe chemische Reinheit und einstellbare Pulverkorngrößenauszeichnen. In grober Unterscheidung werden zur Herstellung oxidischer Pulver (z. B. Al2O3, SiO2) bevorzugt Sol-Gel-Verfahren genutzt, zur Herstellung nichtoxidischer Pulver (z. B. Si3N4, SiC, TiCN) eher Gasabscheideverfahren. Von Vorteil ist, dass sich mit abnehmender Teilchengröße aufgrund der zunehmenden Oberflächenenergie die zuKonsolidierung und Verdichtung nötige Sintertemperatur verringernkann. Auch nanostrukturierte Gradientenwerkstoffe – der Gradient kann sowohl bezüglich (thermo)mechanischer, funktioneller als auch chemischer Eigenschaften angelegt sein – lassen sich auf verschiedenenWegen realisieren. Beispiele sind die elektrochemische Abscheidung, Abscheideverfahren aus der Gasphase oder die Reaktivgasbehandlung.

Darüber hinaus lassen sich keramische Membranen und Volumenkörper mit sehr präzise definierbarer Porosität herstellen. Diese dienen vor allem zur selektiven Flüssig- und Gasseparation, als Partikelfilter, Katalysatorträger und Mikroreaktoren. Durch neuere Niedertemperatur-Synthesemethoden wie das Sol-Gel-Verfahren gelingt die Herstellungauch thermodynamisch unverträglicher Glaszusammensetzungen. Durchdefinierte Kristallisation lassen sich Glaskeramiken für die unterschiedlichsten Anwendungen herstellen. Im „Low-Tech“-Bereichsind dies im Wesentlichen Produkte aus dem Haushaltswarensegmentoder Panzerungen. Im „High-Tech“-Bereich handelt es sich z. B. um Produkte aus den Bereichen Implantat- und Medizintechnik sowie Laser-oder Weltraumtechnik.

3.2.3.3 Metallische Matrixmaterialien

Durch Verstärkung von Metallen durch keramische Fasern, insbesondere Siliziumkarbid, aber auch Alumiumoxid oder Aluminiumnitrid lassen sich thermisch hochbelastbare Werkstoffe mit hoher Festigkeit herstel-len. Derartige Metall-Matrix-Komposite (MMC), wie z. B. SiC in Al-Legierungen oder TiN in Ti/Al-Legierungen, besitzen aufgrund ihrerhohen Temperaturstabilität, der geringen Dichte, der hohen Festigkeit, der hohen thermischen Leitfähigkeit und der kontrollierbaren thermischeAusdehnung ein hohes Anwendungspotenzial für Strukturen in der Energietechnik (z. B. Turbinen oder auch in der Luft- und Raumfahrttechnik). Durch ein nanoskaliges Gefüge der Metall-Matrix-Komposite lassen sich eine höhere Festigkeit und Beständigkeit gegenMaterialermüdung und darüber hinaus eine bessere Formbarkeit undSuperplastizität erzielen. Auch partikelverstärkte Stähle sind derzeit in

Einsatz synthetischerNanopulver zur Herstellung von Keramiken


Entwicklung, unter anderem für Anwendungen im Automobilbau. So lassen sich durch eine Dispergierungstechnik nanometergroße Karbonnitritpartikel in einen martensitischen Stahl einbringen, um so das Ermüdungsverhalten des Stahls zu optimieren (Masaki et al., 2003).

3.2.3.4 Aerogele

Aerogele sind hochporöse Feststoffe mit einer inneren Oberflächezwischen 600 und 1000 m2 pro Gramm. Mit einer Dichte zwischen 0,003 und 0,35 g/cm3 gelten sie als die leichtesten bekannten Feststoffe. Aerogele bestehen aus Nanopartikeln, die in einem hochporösen dreidimensionalen Netzwerk angeordnet sind. Neben anorganischenüberwiegend oxidischen Aerogelen gelang es auch vor einigen Jahren,Aerogele aus organischen Polymeren zu synthetisieren. Aerogele besitzen aufgrund ihrer Nanostrukturen und hohen Porisität interessanteEigenschaften für technische Anwendungen. Zu den herausragendentechnisch nutzbaren Eigenschaften von Aerogelen gehören:

• Extrem niedrige thermische und akustische Leitfähigkeit für Anwendungen als Isolationsmaterialien in der Gebäudetechnik, Verfahrenstechnik, Automobiltechnik, Textiltechnik und weiterenAnwendungsbereichen

• Optische Transparenz/Transluzens für Anwendungen in der Gebäudetechnik (Wärmedämmscheiben und -fassaden) und der Sensorik

• Sehr niedrige Dielektrizitätskonstante für Anwendungen in der Elektronik

• Extrem hohe innere Oberfläche und Porösität für eine kontrollierbare Wirkstoffabgabe für Anwendungen in Chemie und Pharmazie bzw. für Membrane und Filter in der Energie- und Umwelttechnik

In Bezug auf eine kostengünstige Herstellung von Aerogelen ist dieSchwelle zur wirtschaftlichen, großtechnischen Produktion mittlerweile überschritten, so dass sich kommerzielle Produktoptionen in einerVielzahl von Anwendungsbereichen ergeben. Die Firma Aspen Systems schätzt das Weltmarktpotenzial für derartige kostengünstige Aerogelmaterialen auf 10 Mrd. USD bereits im Jahr 2005 (Aspen Systems, 2001). Auch wenn diese Zahl um einige Größenordnungen zuhoch gegriffen sein dürfte, da sich die kommerzielle Massenproduktionvon Aerogelmaterialien z. B. durch Cabot derzeit noch in einem frühenStadium befindet, lässt sich daraus tendenziell ein hohes ökonomisches Potenzial ableiten. Eine Übersicht über Produktoptionen und Anwendungsbereiche von Aerogelen bietet die Abbildung 3.3:

Aerogele, leichteste

Feststoffe mit breitem

Anwendungs-potenzial

Kapitel 3 53

Abbildung 3.3: Produkt- und Anwendungsoptionen von Aerogelen (Quelle: VDI TZ)

3.2.3.5 Zeolithe

Ähnlich wie Aerogele sind Zeolithe hochporöse Festkörper auf Basis von Alumosilikaten, die sowohl in der Natur vorkommen als auch künstlichhergestellt werden. Auf Grund ihrer großen inneren Oberfläche und ihrer käfigartigen Poren, in die „Gastmoleküle“ aufgenommen werden können,sind sie als Ionenaustauscher, Molekularsiebe und Katalysatoren im Einsatz. Ein Hauptanwendungsgebiet für Zeolithe ist der Zusatz inWasch- und Reinigungsmitteln zur Reduktion der Wasserhärte durchBindung der im Wasser gelösten Kalzium- und Magnesiumionen. DasWeltmarktvolumen für Zeolithe wird für das Jahr mit 2,3 Mrd. USDangegeben, mit einer Steigerung bis zum Jahr 2006 auf 2,6 Mrd. USD(Fecht et al., 2003).

3.2.43.2.43.2.43.2.4 NanoschichtsystemeNanoschichtsystemeNanoschichtsystemeNanoschichtsysteme

Nanoskalige Schichtsysteme stellen in vielen Produktanwendungen ein funktionsbestimmendes Element dar. Durch ein nanoskaliges Schichtdesign lassen sich eine Vielzahl physikalischer, chemischer oder biologischer Effekte erzielen, die sich für kommerzielle Produkte nutzen lassen. Die Tabelle 3.6 gibt einen Überblick über Eigenschaften, die durch nanoskalige Schichtsysteme einstellbar sind und Beispiele für deren Produktanwendung (vgl. TAB, 2003).

Isolation• niedrige therm. + akust. Leitfähigkeit• Transparenz• geringe Dichte

Thermisch• Fensterscheiben• transluzente Gebäudefassaden• Thermo-Schutzkleidung• Kryogene Prozesse• Hochtemperatur-Prozesse• Haushaltsgeräte• Automobil• Form-u. Feingusstechnik

Akustisch• Schallisolierung (Gebäude, Verkehr, Automobil, Flugzeug)• Impedanzminderung (u.a. Lautsprecher)

Elektronik• nied. Dielekt.- Konst.• transparent• dotierbar

low-K-Dielektrika

• Mikroelektronik

Datenspeicher

Displays

Katalyse• gr. inn. Oberfläche• dotierbar• def. Porengröße

Energie/ Umwelt• gr. inn. Oberfläche• dotierbar

Elektroden

• Superkondensatoren

• Batterien

• Brennstoffzellen

Filter

• Luftfilter

• Wasserreinigung, -aufbereitung

Sensorik• gr. innere Oberfläche• dotierbar•Transparenz• Photolumineszens

Biosensoren• Lab-on-a-chip• Biochips

Opt. Sensoren• O2-Sensor

Additive• Rheologie• Stabilisator

Füllstoffe• Toner• Gummi• Lebensmittel• Pharmazie

Medizin, Landwirt.• gr. innere Oberfläche• def. Porengröße• dotierbar

Controlled Release• Pharmazie• Landwirtschaft

Werkstoffe• geringe Dichte• Stabilität

Schutzhelme

Konstruktion• Automobil• Luft- und Raumfahrt

Implantatmaterial

• Humanmedizin

Schockabsorber• geringe Dichte• Brüchigkeit

Partikelkollektoren

• Raumfahrt

• Kernphysik


Material-

eigenschaften

Schichttypen

(Beispiele)

Anwendungsbeispiele

Mechanische Eigenschaften(Tribologie, Härte, Kratzfestigkeit)

Hartstoffschichten aus Metallcarbiden und -nitriden, diamantartige Schichten (DLC), Sol-Gel-Beschichtungen

Verschleißschutz für mechanische Geräte, z. B. Computerfestplatten, mechanischer Schutz für weiche Materialien (Polymere, Holz, Textilien) z. B. kratzfeste Kunststoffgläser für Brillen

Benetzungs-verhalten (z. B. Hydrophobie, Hydrophilie)

Fluorierte Kohlen-wasserstoffe, und Fluoralkylsilane

Antigraffiti, Antifouling, Lotus-effekt, selbstreinigende Ober-flächen für Textilien, und Keramik

Thermische und chemische Eigen-schaften (Hitze-und Korrosions-beständigkeit)

Metalloxide, -carbide und -nitride, Organische self assembled monolayers

Korrosionsschutz für Metalloberflächen (z. B. Aluminium), Hitzeschutz für Turbinen und Triebwerke

Biologische Eigenschaften(biokompatibel, antimikrobiell )

Organische Beschich-tungen, photokataly-tische Titandioxid-beschichtung

Biokompatible Implantate, antibakterielle Oberflächen für medizinische Geräte und im Sanitärbereich

Elektronische, elektrische und magnetische Eigenschaften(magnetoresistiv dielektrisch, leitfähig)

Metallische Multilagenschichten,

Indium-Zinn-Oxid-Schichten,

Siliziumdioxid

Magnetoresistive Sensoren und Datenspeicher, dielektrische Schichten für Transistoren, antistatische Beschichtungen für Verpackungs- und Gehäusematerialien, transparente elektrisch leitfähige Schichten für Solarzellen und Displays

Optische Eigenschaften(antireflektiv,photo- und elektrochrom)

Nanoporöse Silizium-dioxidschichten zur Entspiegelung, elek-trochrome Wolfram-trioxidschichten

Photo- und elektrochrome Ver-glasungen, antireflektierende Scheiben und Solarzellen

Tabelle 3.6: Durch nanoskalige Schichtsysteme einstellbare Produkteigenschaften

Aufgrund der Fülle der unterschiedlichen Produktklassen und Anwendungsfelder, in denen nanoskalige Schichtsysteme eine funktionsbestimmende Rolle spielen, ist eine vollständige Erfassung des Marktvolumens an dieser Stelle allerdings nicht möglich. Ebenso ist der Anteil der funktionstragenden nanoskaligen Schichtsysteme an derWertschöpfung der Produkte in der Regel nicht zu beziffern, da die Beschichtung bzw. Oberflächenfunktionalisierung nur einen Teilschrittim Produktionsprozess darstellt, der häufig auf der Wertschöpfungsstufe von Vor- und Zwischenprodukten durchgeführt wird. Für die Beschichtung als solches lässt sich daher in der Regel kein Marktwert bestimmen. Betrachtet man die Wertschöpfungsstufe von Endprodukten,so ergeben sich erhebliche Marktvolumina für Produkte, deren Funktionalität wesentlich durch Nanoschichten bestimmt wird. Das

Kapitel 3 55

Weltmarktpotenzial für derartige Produkte wurde bereits für das Jahr 2001 auf 21 Mrd. USD geschätzt (Bachmann, 2001). Allein der Marktwert von Festplattenlaufwerken mit GMR-Lesekopf liegt im zweistelligen Mrd. USD-Bereich (vgl. Kap. 6.7). In der Unternehmensbefragung wurden folgende auf nanoskaligen Schichtsystemen basierende Produktgruppen genannt, die im Zeitraum bis 2006 wirtschaftliche Relevanz für deutsche Unternehmen besitzen:

• Hartschichten (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 ca. 0,5 – 1 Mrd. EUR )

• Tribologische Schichten (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 ca. 1-5 Mrd. EUR )

• Antifog-Schichten (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 ca. 50-250 Mio.EUR )

• Antireflexschichten auf Kunststoffoberflächen (Weltmarktvolumenim Jahr 2006 ca. 100 Mio. EUR )

• Werkzeugbeschichtungen (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 ca. 50-250 Mio. EUR )

• Korrosionsschutzschichten (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 ca. 1-5Mrd. EUR )

• Elektronik auf Basis funktionaler Nanoschichten, z. B. GMR-HDD,MRAM (Weltmarktvolumen im Jahr 2006 >> 5 Mrd. EUR )

3.33.33.33.3 Nanoelektronik Nanoelektronik Nanoelektronik Nanoelektronik

Als Nanoelektronik wird hier die auf Silizium basierende Elektronik mit Strukturbreiten unter 100 nm und dazu alternative Ansätze, die ebenfalls auf der Nanotechnologie beruhen, verstanden. Des Weiteren zählt dazu verfahrenstechnisches und/oder analytisches Equipment, das für die Herstellung der genannten Komponenten erforderlich ist.

Diese Definition orientiert sich am BMBF-Förderprogramm IT 2006(BMBF, 2002) und beschreibt den derzeitigen Übergang der Mikro- in die Nanoelektronik. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass in elektronischen Bauteilen zunehmend neue Effekte durch Miniaturisierung nutzbar gemacht werden. Wie in den folgenden Abschnitten noch ausführlicher dargestellt, ist es gerade das Ziel vieler Forschungsanstrengungen in der Nanoelektronik, die bewährte Funktionsweise der CMOS-Elektronik trotz der schrumpfenden Abmessungen zu bewahren. 1 Im Gegensatz dazu zielen eine ganze Reihe alternativer Ansätze auf die Nutzung neuer Effekte ab (siehe Kapitel 2).

1 CMOS-Elektronik wird üblicherweise als Synonym für die derzeitige Mainstream-Elektronik auf Silizium-Basis benutzt. Im eigentlichen Sinne steht CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) für eine Logik, die auskomplementären n-Kanal bzw. p-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistoren aufgebaut ist.


Diese Ansätze sind allerdings eher mittel- bis langfristig realisierbar und werden in dem in dieser Studie untersuchten Zeitrahmen bis 2006wirtschaftlich keine Rolle spielen (siehe hierzu auch Hoffknecht, 2003).

Die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) klassifiziert die Elektronik-Generationen nach dem halben Abstand der elektronischen Zuleitungen eines DRAM.2 Diese Größe wird als DRAM ½ Pitch bezeichnet. Im Jahr 2003 wurden erstmalig DRAM vermarktet, bei denen der DRAM ½ Pitch die 100 nm Marke erreichte. Die vorliegende Studie betrachtet diese Entwicklung als den Eintritt in die Nanoelektronik, da dies in Übereinstimmung mit internationalen Gepflogenheiten und daher zur Untersuchung der Marktpotenziale besonders praktikabel ist.

Ohne sich allzu sehr auf einen eher akademischen Diskurs einzulassen, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch andere Kriterienherangezogen werden könnten:

• Zum Beispiel hat die Gate-Länge von Transistoren kleinere Abmessungen als der DRAM ½ Pitch. 2003 erreichte die lithographische hergestellte Gate-Länge von Transistoren bereits 53 nm (Abbildung 3.4). Durch spezielle Ätz-Verfahren wurde diese Länge im weiteren Produktionsprozess auf nur 37 nm reduziert. Dieeffektive Gate-Länge der Transistoren unterschritt bereits mit der1999 eingeführten 180 nm-Generation die 100 nm-Marke (ITRS, 2003).

• Stehen die lateralen Strukturen gegenwärtig an der 100 nm-Schwelle,so besitzen die Bauelemente bereits seit langem vertikale Schichtenmit Dicken unterhalb von 100 nm. In vielen Fällen sind diese geringen Schichtdicken für die Funktionsweise der Bauelemente notwendig.

Abbildung 3.4: Definition des DRAM ½ Pitch als halben Abstand zweier DRAM-

Zuleitungen. (Quelle: ITRS, 2003)

2 DRAM (Dynamic Random Access Memory): Halbleiterspeicher mit dem höchsten Marktanteil, bei dem die digitalen Informationen durch Ladungen auf Kondensatoren codiert werden.

Typical DRAM Metal Bit Line

MetalPitch

DRAM ½ Pitch = Metal Pitch/2

Kapitel 3 57

3.3.13.3.13.3.13.3.1 SiSiSiSi----basierte Elektronikbasierte Elektronikbasierte Elektronikbasierte Elektronik

Die Erfolgsgeschichte der Elektronik ist wesentlich mit dem Fortschrittder Silizium-Technologie verknüpft.

Abbildung 3.5: Entwicklung der Silizium-basierten Elektronik. Dargestellt ist die Anzahl der Bauelemente pro Chip bei den Mikroprozessoren und denDRAMs seit 1970 und die Prognose der weiteren Entwicklung durchdie ITRS. Zusätzlich ist die Größenentwicklung der in der Produktion verwendeten Si-Wafer eingezeichnet. (Quellen: ITRS, 2001; ITRS,2002; ITRS, 2003; Normile, 2001; Intel)

1965 wurde Gordon E. Moore - drei Jahre später Mitbegründer der Firma Intel - von der Zeitschrift electronics zur weiteren Entwicklung der Halbleiterelektronik befragt. Er formulierte - sechs Jahre nach Erfindung des Integrierten Schaltkreises - ein empirisches Gesetz, das späterMooresches Gesetz genannt wurde (Moore, 1965; Mann, 2000). Danachverdoppelt sich die Leistungsfähigkeit eines ICs und die Anzahl der Bauteile auf einem Chip - bei gleichem Preis pro Chip - alle 18-24Monate. Abbildung 3.5 zeigt wie sich die Anzahl der Bauelemente auf einem Chip seit 1970 bei Mikroprozessoren und beim DRAM entwickelt. Dieses exponentielle Wachstum wird begleitet von einem exponentiellenSinken der Kosten pro digitale Funktion um derzeit 29 Prozent pro Jahr (siehe Abbildung 3.5).

Mooresches Gesetz

1 E+03

1 E+04

1 E+05

1 E+06

1 E+07

1 E+08

1 E+09

1 E+10

1 E+11

1 E+12

1 E+13

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Jahr

Ba

ue

lem

en

te p

ro C

hip

4004

Pentium 4Pentium

8048680386

80288086

8080

125 mm150 mm

300 mm

1 k4 k

16 k64 k

256 k1 M

4 M16 M

64 M

256 M

Roadmap

200 mm

µ -Prozessor

DRAM1 G

Hammer

450 mm


Abbildung 3.6: Entwicklung der Kosten pro Transistor bzw. der Kosten pro bit beim DRAM seit 1970 in µ cent USD (Quelle: SIA, 1995; ITRS, 1999; ITRS, 2003)

Möglich ist diese Entwicklung dank der stetig fortschreitenden Miniaturisierung. In Abbildung 3.6 ist die Entwicklung des DRAM ½ Pitch und der Transistor Gate-Länge seit 1999 und die Prognose derITRS bis 2018 dargestellt. Die CMOS-Technologie zeichnet sich durcheine besonders gutmütige Skalierbarkeit aus, deren Prinzipien bereits in den siebziger Jahren formuliert wurden (Dennard, 1972; Critchlow, 1999). Werden die Abmessungen eines Transistors in allen Dimensionen um einen Faktor verkleinert, reduzieren sich sowohl die Spannung, der Strom als auch die Schaltzeiten um . Da die Packungsdichte um 2

zunimmt, der Leistungsverbrauch aber um 2 abnimmt, bleibt die Verlustleistung pro Chipfläche konstant.

Erfolg durch Miniaturisierung

1 E-02

1 E-01

1 E+00

1 E+01

1 E+02

1 E+03

1995 2000 2005 2010 2015 2020

Jahr

Ko

ce Kosten/bit beim DRAM

Kosten/Transistor einer MPU

Kapitel 3 59

Abbildung 3.7: Entwicklung der lateralen Größen der CMOS-Elektronik (ITRS, 1999,ITRS, 2001; ITRS, 2003)

Trotz dieser Gutmütigkeit stößt die Technologie immer wieder antechnologische Hürden, die für eine weitere Entwicklung gemäß desMooreschen Gesetzes gelöst werden müssen. Die ITRS beschreibt seit 1998 in jährlichen Ausgaben die weitere Entwicklung der Technologiefür die jeweils nächsten 15 Jahre. Sie bezeichnet diese technologischenHürden als so genannte Roadblocks. Unterschieden wird dabei zwischen Roadblocks, für die Lösungen prinzipiell bekannt sind und sich in der Entwicklung befinden und solche, für die bisher keine realisierbarenLösungsansätze bekannt sind. Es ist zu beobachten, dass erstens die Anzahl der Roadblocks von Ausgabe zu Ausgabe der Roadmap wächstund zweitens, je weiter in die Zukunft geschaut wird, die Anzahl der Roadblocks, für die bisher keine Lösung bekannt ist, steigt. Dies ist in Abbildung 3.8 für die Editionen der Roadmap von 1999, 2001 und 2003dargestellt. Angegeben sind die Zahlen jeweils für die Zeit vier, neun bzw. 15 Jahre nach Erscheinen der Roadmap. Für die ITRS von 1999sind also z. B. die Zahlen für die Jahre 2003, 2008 und 2013 angegeben. Diese Fakten werden häufig als Argument für das nahende Ende derCMOS-Technologie angeführt (Normile, 2001).

Eine genauere Analyse der Roadmaps zeigt, dass diese Schlussfolgerungen nicht zu belegen sind, denn der relative Anteil der Roadblocks an der steigenden Gesamtzahl der in der Roadmap betrachteten Kriterien sinkt von Edition zu Edition (siehe Abbildung3.9). Dass die Gesamtzahl steigt, liegt an der steigenden Qualität der Roadmap, die die Technologien immer differenzierter betrachtet undteilweise auch neue Themen, wie die Technologien für die drahtlose Kommunikation in der Ausgabe 2003, neu aufnimmt. Abbildung 3.9 verdeutlicht auch, dass in der langfristigen Perspektive (+15 Jahre) der Anteil der Roadblocks, für die bisher keine Lösungen bekannt sind, in den letzten Jahren sogar gesunken ist.

Roadblocks

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1995 2000 2005 2010 2015 2020

Jahr

nm

DRAM 1/2 Pitch

lithographisch hergestellte Gate-Länge

effektive Gate-Länge


Abbildung 3.8: Anzahl der Roadblocks, für die Lösungen bekannt bzw. unbekannt sind. Angegeben sind die Zahlen jeweils für die Zeit 4, 9 bzw. 15Jahre nach Erscheinen der jeweiligen ITRS-Ausgabe (ITRS 1999; ITRS 2001; ITRS 2003).

Abbildung 3.9: Relativer Anteil der Roadblocks, für die Lösungen bekannt bzw. unbekannt sind, an der Gesamtzahl der in der Roadmap betrachtetenKriterien. Angegeben sind die Zahlen jeweils für die Zeit 4, 9 bzw. 15 Jahre nach Erscheinen der jeweiligen ITRS Ausgabe. (ITRS, 1999;ITRS, 2001; ITRS, 2003).

Die ITRS prophezeit also nicht das Ende der CMOS-Technologie. Gleichwohl beschreibt sie deren immensen Forschungsbedarf. NachAngaben von Infineon, Philips und ST Microelectronics stiegen ihre Aufwendungen für Forschung und Entwicklung zwischen 1987 und 1999um den Faktor 2,5 stärker als im Industriedurchschnitt.

Die Herausforderungen der nächsten Jahre sind vielfältig. So werden für die Isolationsschichten der Gate-Elektroden und als Dielektrikum der

Hoher Forschungsbedarf

IT

RS

19

99

IT

RS

19

99

IT

RS

19

99

IT

RS

20

01

IT

RS

20

01

IT

RS

20

01

IT

RS

20

03

IT

RS

20

03

IT

RS

20

03

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

+ 4 Jahre + 9 Jahre + 15 Jahre

An

zah

l d

er

Ro

ad

blo

cks

Lösung unbekanntLösung bekannt

ITR

S 1

99

9

ITR

S 1

99

9

ITR

S 1

99

9

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S 2

00

1

ITR

S 2

00

1

ITR

S 2

00

1

ITR

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00

3

ITR

S 2

00

3

ITR

S 2

00

3

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

+ 4 Jahre + 9 Jahre + 15 Jahre

An

teil

an

Ge

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mth

eit

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r K

rite

rie

n Lösung unbekanntLösung bekannt

Kapitel 3 61

DRAM-Kondensatoren Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstantebenötigt. Für die Isolation der Verdrahtung der einzelnen Bauelemente müssen hingegen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante eingeführt werden. Um parasitäre Kapazitäten an Transistoren zueliminieren wird die Silicon on Insulator (SOI) Technik entwickelt. Die Markteinführung solcher Wafer wird für 2006 erwartet. So genanntesverspanntes Silizium soll den Ladungsträgern weniger Widerstandentgegensetzen. Ab ca. 2010 werden wahrscheinlich zur Reduzierungvon Kurzkanaleffekten Transistoren mit vertikalen Strukturen, sogenannte FinFET, benötigt.

Zudem stößt für die Herstellung zukünftiger Chip-Generationen dieherkömmliche Photolithografie an ihre Grenzen. An neuen Technologien, z. B. der EUV-Lithografie (EUVL), wird weltweit mit großem finanziellem Aufwand geforscht. Da jedoch EUVL nicht zwangsläufigden Bedarf solcher Chiphersteller abdeckt, welche eine hohe Variantenvielfalt und geringere Stückzahlen pro Chiptyp herstellen (wie es bei ASICs, in der Leistungs- und Nachrichtelektronik vielfach der Fall ist), wird begleitend die Untersuchung alternativer Strukturierungstechniken durchgeführt. Dabei werden auch nichtoptischeLithografiemethoden, wie beispielsweise die Elektronen- und dieIonenstrahllithografie oder das Potenzial neuartiger Replikations-verfahren hinterfragt. Für die fernere Zukunft wird außerdem dietechnische Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen diskutiert.

Je mehr Bauelemente ein Chip enthält, desto komplexer wird der Schaltungsentwurf. Es wird daher an neuen Entwurfsmethodiken gearbeitet, um das technologische Potenzial der CMOS-Technologiemöglichst effizient im Design umsetzen zu können.

Dies sind nur einige der Roadblocks, denen sich die Halbleiterindustrie stellen muss. Bei allen Entwicklungen ist die Halbleiterindustrie darauf bedacht, die bewährte Prozesstechnologie beizubehalten. Dies stellt hohe Anforderung an neue Materialien, die z. B. die Prozesstemperaturenüberstehen müssen.

Neben den technologischen Herausforderungen könnte das so genannte2. Mooresche Gesetz, nach dem die Kosten für eine Chipfabrik ebenfallsexponentiell anwachsen, die weitere Entwicklung entlang der Roadmap in Frage stellen. Abbildung 3.10 zeigt die Entwicklung dieser Kosten für die letzten zwei Jahrzehnte.

2. Mooresches Gesetz


Abbildung 3.10: Entwicklung der Kosten für eine Chipfabrik (Quelle: Gartner Dataquest, 2003)

3.3.23.3.23.3.23.3.2 MagnetoelektronikMagnetoelektronikMagnetoelektronikMagnetoelektronik

Die Magnetoelektronik ist ein weiteres Feld der Nanoelektronik, das bereits zur erfolgreichen Kommerzialisierung von Massenproduktengeführt hat. Die Magnetoelektronik basiert auf der Nutzung von Magnetowiderstandseffekten, die bei Experimenten mit künstlich geschichteten magnetischen und nicht-magnetischen Materialien entdecktwurden. Hierbei wurde festgestellt, dass in derartigen Nanoschichtstapelndie Abhängigkeit des Ladungstransports von der Spinrichtung derElektronen abhängig ist. So stellen sich zum Beispiel bei geeigneter Dicke der nicht-magnetischen Zwischenschicht (das sind z. B. bei Chrom acht Atomlagen) die Magnetisierungen benachbarter Eisenschichtendurch quantenmechanische „Austauschwechselwirkung“ über die Zwischenschichten hinweg spontan antiparallel zueinander ein. DerGMR-Effekt beruht darauf, dass der Elektronenstrom, der durch das Schichtsystem fließt, je nach der Ausrichtung von den magnetischen Schichten einen unterschiedlich großen elektrischen Widerstand erfährt.Allein aufgrund der Schichtdicken und des damit verbundenen Effektes ist dieser Effekt eindeutig der Nanotechnologie zuzurechnen. In nur zehn Jahren wurde der in Europa entdeckte GMR-Effekt in praktisch jedem Lesekopf jeder verkauften Festplatte eingesetzt. Industrieller Vorreiterbei der kommerziellen Nutzung dieses nanotechnologischen Effekts war IBM.

3.3.33.3.33.3.33.3.3 Alternative AnsätzeAlternative AnsätzeAlternative AnsätzeAlternative Ansätze

Die zahlreichen ungelösten Probleme der Silizium-basierten Nanoelektronik eröffnen eventuell auch bisher weniger etablierten

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1980 1985 1990 1995 2000 2005Jahr

Ko

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]

Kapitel 3 63

Technologien die Chance, wenigstens Teilmärkte zu besetzen.3

Abbildung 3.11 gibt einen (groben) Überblick über den Entwicklungsstand der alternativen Technologien. Die betrachteten CMOS-Alternativen unterscheiden sich grundlegend in ihrer Strategie. So handelt es sich zum Beispiel beim SET oder RTD um alternativeBauelementkonzepte, die theoretisch auch in Silizium realisiert werden können. Einige Ansätze, insbesondere die Spintronik, wollen unterAusnutzung physikalischer Effekte neue Funktionalitäten einführen. Andere Technologien, wie die Polymerelektronik, versuchen im Prinzipdie bei Silizium bewährten Konzepte auf neue Materialsysteme zuübertragen. Der Quantencomputer, die neuronalen Netze und das DNA-Computing schließlich setzen auf komplett neue Arten der Informationsverarbeitung. Auch sind nicht alle dieser Alternativen von einer Nutzung der Nanotechnologie abhängig, dies gilt z. B. für die Polymerelektronik.

Abbildung 3.11: Schematische Darstellung des Entwicklungsstandes alternativer Technologien im Vergleich zu den etablierten Technologien CMOS,Verbindungshalbleiter (incl. SiGe)

Die Erwartungen an die kommerzielle Verfügbarkeit von Nanoelektroniksind in Abbildung 3.11 dargestellt. Hier sind solche elektronischenKomponenten und Produkte gemeint, die nicht auf weiterer Miniaturisierung der Standard-Siliziumtechnologie basieren, sondern auf davon abweichenden Technologien mit atomar exakten definierten elektronischen Funktionselementen im Nanometermaßstab beruhen. Beispiele für die Nanoelektronik sind Carbon Nanotube Transistoren

3 Auf technologische Einzelheiten der alternativen Ansätze kann im Rahmen dieser Studie nicht eingegangen werden. Detaillierte Informationen finden sich z. B. in ITRS, 2003; Hoffknecht, 2003 und vor allem in Waser, 2003.

CMOS

Verbindungs-Halbleiter

Magnetoelektronik

Spintronik

RTD

Molekularelektronik

Nanoröhren

DNA-Computing

Konzept Verbreitung amMarkt

MarkteintrittPrototyp

Quantencomputer

Ferroelektronik

Polymerelektronik

SET

RSFQ

PC-RAMNeuronaleNetze


oder molekulare Elektronik. Hier vertrat die Mehrzahl der Experten, die im Rahmen einer aktuellen kommerziellen Studie befragt wurden (Fecht et al., 2003), die Ansicht, dass der Nanoelektronik in etwa zehn Jahren der Marktdurchbruch gelingen wird.

0

5

10

15

20

25

vor 2004 2004 bis2007

2008 bis2011

2012 bis2015

nach 2015

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l der

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Abbildung 3.12 Erwarteter Zeitpunkt für die kommerzielle Verfügbarkeit von

Nanoelektronik auf Basis neuer Materialien oder Technologien

(Quelle: Fecht et al., 2003)

3.3.43.3.43.3.43.3.4 MarktperspektivenMarktperspektivenMarktperspektivenMarktperspektiven

Die Silizium-basierte CMOS-Elektronik hatte nach Angaben von ICInsights 2002 einen Marktanteil von 98,6 Prozent. Die restlichen 1,4 Prozent fielen auf die Verbindungshalbleiter incl. SiGe. Eine 2002/2003durchgeführte Mini-Delphi-Studie zur Zukunft der Elektronik ergab, dass auf absehbare Zeit die CMOS-Elektronik die Halbleiterelektronikdominieren wird (Hoffknecht, 2003).

Im hier betrachteten Zeitraum werden allenfalls die alternativenSpeicherkonzepte MRAM in der Magnetoelektronik, FRAM in der Ferroelektronik und der PC-RAM erste Marktanteile des Weltmarktes für Speicherchips erobern, der im Jahr auf 2006 auf ca. 30 Mrd. USDgeschätzt wird (Small Times, 2003). Auf der anderen Seite werden diese Konzepte weitgehend in das bestehende CMOS-Umfeld integriert werden. Die Magnetoelektronik hat allerdings bereits seit längeremwesentlichen Einfluss auf den Weltmarkt der Festplattenspeicher, die GMR-Sensoren in den Leseköpfen verwenden. Der Weltmarkt für Festplattenspeicher wird im Jahr 2006 auf 26,9 Mrd. USD geschätzt. Auch wenn der Wertschöpfungsanteil der nanotechnologischen Komponente, des GMR-Sensors, hierbei nicht quantifizierbar ist, wird die große Hebelwirkung der Nanotechnologie auf den Volumenmarkt der Festplattenspeicher deutlich.

Kapitel 3 65

Andere Nanoelektronik-Ansätze werden möglicherweise mittel- bislangfristig eine CMOS-Alternative darstellen. Dies ist allerdings sowohl von ihren Fortschritten als auch von Fortschritten bei der CMOS-Technologie abhängig. Das wahrscheinlichste Szenario wird eine teilweise Integration neuer Materialien und Bauelemente in die CMOS-Technologie sein, wie dies bereits beim FRAM und MRAM zu beobachten ist. Mögliche weitere Schritte auf diesem Weg könnte die Nutzung von Kohlenstoff-Nanoröhren als Vias oder die Nutzung derMolekularelektronik in so genannten hybriden Bauelementen sein (Hoffknecht, 2002).

Darüber hinaus wird auch der etablierte Markt für Verbindungshalbleiter im Bereich der Hochfrequenz-Elektronik, der Leistungselektronik und der Optoelektronik weiter wachsen (Hoffknecht, 2003). Dennoch istdeutlich die Tendenz zu erkennen, dass in diesen, klassischerweise von den Verbindungshalbleitern dominierten Einsatzgebieten immer stärkerdie CMOS-Elektronik zum Einsatz kommt.

Der gesamte Halbleiterelektronik-Markt wird nach Angaben der WorldSemiconductor Trade Statistics (WSTS) bis 2006 von derzeit 192 Mrd. USD auf 215 Mrd. USD wachsen.

Der Anteil der Nanoelektronik wird voraussichtlich kontinuierlich auf ca. zehn Prozent steigen. Die Details zu dieser Steigerung werden ausführlich in Kapitel 6 erläutert.

3.43.43.43.4 NanooptikNanooptikNanooptikNanooptik

Der Technologiebereich an der Schnittstelle zwischen der Nanotechnologie und der Optik bzw. der Optoelektronik wird in dieserStudie unter dem Begriff Nanooptik zusammengefasst.

Entsprechend der in Kapitel 2 vorgestellten Definition wird der Bezug zur Nanotechnologie dabei jeweils dann als gegeben angesehen, wennfunktionskritische Schlüsselelemente oder -strukturen der optischen oder optoelektronischen Elemente Abmessungen von höchstens wenigen hundert oder Formgenauigkeiten von besser als wenigen zehn Nanometern aufweisen bzw. wenn die Technologie wesentlich auf dieBeherrschung von Prozessen auf der Nanoskala abzielt.

Die EUV-Lithografie stellt dafür ein gutes Beispiel dar. Die Fertigungder dort verwendeten Multilagen-Reflektoren beruht auf der Erzeugungdünner Schichten mit Dicken im Nanometerbereich und auf einer ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung. Diese Ergebnisse der Nanotechnologie ermöglichen die kontrollierte Handhabung von EUV-Strahlung. Die so erlangte Kontrolle über EUV-Strahlung kann nunihrerseits zur Erzeugung von Strukturen der Nanoelektronik genutztwerden, für deren Qualitätskontrolle und Vermessung sich wiederumRöntgenstrahlung in besonderer Weise eignet.


Dieser allgemeine Zusammenhang zeigt sich auch in weiteren Beispielen, die in diesem Abschnitt der Studie nachfolgend kurz dargestellt werden: Ultrapräzise optische Komponenten, ultradünne optische Schichten, nanostrukturierte optische Materialien, optische Systeme mit einemAuflösungsvermögen im Nanometerbereich für Inspektion und Strukturierung.

3.4.13.4.13.4.13.4.1 UltrapräzisionsoptikenUltrapräzisionsoptikenUltrapräzisionsoptikenUltrapräzisionsoptiken

Der Begriff Nanooptik kommt unter anderem für die Ultrapräzisionsbearbeitung optischer Komponenten zur Anwendung.Gegenstand entsprechender FuE-Arbeiten ist die reproduzierbare undkostengünstige Produktion von optischen Komponenten mit Genauigkeiten von bis zu unter einem Nanometer. Die Realisierungdieses Ziels erfordert dabei die Erforschung neuer Verfahren sowohl für die Herstellung als auch für die Vermessung solcher Komponenteninsbesondere unter Bedingungen einer späteren wirtschaftlichen Produktion. Nicht unerwähnt bleiben sollte in diesem Zusammenhang,dass der Begriff der Nanotechnologie auf eben die Fähigkeit zurBearbeitung optischer Komponenten mit Nanometer-Genauigkeit zurückgeht, man sich also quasi hier dem „Geburtsort“ der Nanotechnologie gegenüber sieht.

Zum Einsatz kommen derartige Präzisionsoptiken vor allem in derLithografie, wo sie für die Herstellung elektronischer Bauelemente immer geringerer Strukturgrößen zwingend benötigt werden. In derLithografie hat dabei die Qualität der Optik absolut Priorität und führt bis an die Grenze des derzeit technisch Machbaren, was zu entsprechendhohen Kosten bei der Herstellung und daher zu einem hohen Preis führt. Das Weltmarktvolumen für derartige Lithografieoptiken im Jahr 2006wird auf 0,5-1 Mrd. EUR geschätzt (Quelle: eigene Unternehmensbefragung). Weitere technische Herausforderungen indiesem Zusammenhang bestehen in der nanometergenauen Montage, Justage oder Stabilisierung des Gesamtsystems sowie im Systemdesignunter Berücksichtigung selbst kleinster Abweichungen auf der Nanoskala.

Weiterhin besteht bei immer kleineren Wellenlängen die Notwendigkeit, statt transmittierender Linsensysteme Spiegeloptiken einzusetzen.Darüber hinaus müssen äußerst komplexe Schichtsysteme nanometergenau aufgebracht werden, um notwendige Funktionalitätender Optiken zu erreichen.

Weit weniger drastisch sind die Anforderungen bei Produkten im Konsumenten-Bereich, wie etwa im Fall von Asphären für Datenprojektoren, Kameras, Brillengläser, Scanner etc. Hier ist vor allem eine Notwendigkeit nach rationeller Herstellung und Vermessung derOptiken bei moderater Präzision feststellbar.

Ultrapräzisions-optiken für die

Herstellung elektronischer

Bauelemente

Kapitel 3 67

Gegenwärtig aktuelle Fragestellungen der Nanooptik zielen auf dieBeherrschung von Geometrien mit niedriger Symmetrie, die unter denOberbegriff Asphären fallen. Dies beginnt bei schwachen Abweichungenvon der Kugelform von nur wenigen Prozent und führt über zylindrischeAbmessungen bis zu Freiformflächen nahezu beliebiger Geometrie. Das Gebiet der Ultrapäzisionsbearbeitung wird daher auch in Zukunft einen signifikanten Anteil interdisziplinärer Ansätze im Bereich der Optischen Technologien haben, wobei erwartet wird, dass sich die Relevanz genuin nanotechnologischer Fragestellungen eher erhöht als abschwächt.

3.4.23.4.23.4.23.4.2 Ultradünne optische SchichtenUltradünne optische SchichtenUltradünne optische SchichtenUltradünne optische Schichten

Gegenstand der Nanooptik können auch ultradünne optische Schichtenund Schichtsysteme sowie Methoden zum Aufbringen solcher Schichtensein. Solche Schichten spielen etwa bei Reflexionsoptiken für die EUV-Lithografie eine zentrale Funktion. Weitere Anwendungen finden sich in aktiven optoelektronischen Bauelementen, als transparente Schutzschichten und Anti-Reflexschichten.

3.4.33.4.33.4.33.4.3 MesstechnikMesstechnikMesstechnikMesstechnik

Mit der wachsenden Bedeutung ultrapräziser optischer Komponentensind auch innovative Messverfahren zu deren nanometergenauen Charakterisierung und Zertifizierung erforderlich und werden zurNanooptik gerechnet. Optische Sensoren und Sensorsysteme die aufnanotechnologischen Funktionsprinzipien beruhen, sind dabei als Teil von Mess- oder Analysesystemen ebenso mögliche neue Produkte wieVorrichtungen, die Informationen über elektromagnetische Felder im visuellen (und nahen IR- und UV-) Frequenzbereich mit einer nanometergenauen lateralen Auflösung liefern. Das Weltmarktvolumenfür optische Sensoren und Sensorsysteme im Jahr 2006 wird auf 1-5 Mrd. EUR geschätzt (Quelle: Workshop Optik).

Anwendungen liegen in der Oberflächencharakterisierung, der Positions-und Lagebestimmung, der Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, der Charakterisierung von Nanostrukturenund ihren funktionalen Eigenschaften sowie der Überprüfung von Toleranzen im Nanometerbereich.

3.4.43.4.43.4.43.4.4 MikroskopieMikroskopieMikroskopieMikroskopie

Mikroskopische Verfahren mit entsprechend hoher Auflösung sind eine besonders wichtige Gruppe der zuvor angesprochenen Messverfahren. So ist es beispielsweise mit neuen Mikroskopiemethoden wie der konfokalen Mikroskopie, der Nahfeldmikroskopie oder der UV-Mikroskopie möglich, Nanostrukturen abzubilden oder zu manipulieren.

Die Nahfeldmikroskopie beruht auf Nahfeld-Optiken, deren wesentlichesCharakteristikum darin besteht, dass sie das Beugungslimit überwinden

Optische Sensoren für Mess- und Analysesysteme mit nanoskaliger Auflösung


und damit Auflösungen unterhalb der verwendeten Lichtwellenlängeerreicht werden können.

Speziell im Feld der Biophotonik, d. h. bei der Mikrocharakterisierung höchster Auflösung struktureller, funktioneller, mechanischer, biologischer und chemischer Eigenschaften biologischer Materialien auf subzellulärer Ebene zählen bestimmte mikroskopische Verfahren zurNanooptik. So steht etwa mit der 4-Pi-konfokalen Mikroskopie inKombination mit dem Stimulated-Emission-Depletion (STED) und demPoint-Spread-Function Engineering das Erreichen von Auflösungenunterhalb von 100 nm in Aussicht. Daneben spielen auch Verfahren zur Einzelmolekülspektroskopie und der Fluoreszenz-Energietransfer-Spektroskopie eine wichtige Rolle, die ebenfalls der Nanooptik zuzurechnen sind.

3.4.53.4.53.4.53.4.5 Photonische KristallePhotonische KristallePhotonische KristallePhotonische Kristalle

Zur Nanooptik gehören auch völlig neuartige Optikkonzepte, wie beispielsweise Photonische Kristalle, in denen mittels geeigneterNanostrukturierung eine so genannte Bandlücke für Licht realisiert werden kann. Dadurch wird es ermöglicht, das Licht auf engstem Raum zu führen und zu manipulieren. Photonische Kristalle sind Materialien, in denen die Dispersion von elektromagnetischer Strahlung durch periodische Variation der Brechzahl gezielt und massiv beeinflusst wird. Insbesondere treten Frequenzbereiche auf, in denen eine Wellenausbreitung unmöglich ist. Diese werden in Analogie zur Halbleiterphysik Bandlücke genannt. Die Eigenschaften der photonischen Kristalle eröffnen völlig neue Perspektiven für dieHerstellung kompakter optoelektronischer Bauelemente und zur optoelektronischen Integration. Anwendungen basieren im Wesentlichenauf wenigen Grundelementen, die durch das Einbringen lokalisierterStörstellen in den photonischen Kristall erhalten werden. DieseGrundelemente sind Wellenleiter, Knicke, Resonatoren und extremdispergierende Prismen. Diese Grundelemente werden etwa für verschiedene Anwendungen in der optischen Kommunikationstechnik in Betracht gezogen.

Photonische Kristalle mit einer bestimmten Bandlücke erfordern eine hinreichend regelmäßige und störungsfreie Strukturierung eines Materials im Bereich der Wellenlängen der geführten Strahlung sowieeine effiziente Fasereinkopplung. Da diese Probleme noch für keineMaterialklasse zufriedenstellend gelöst sind, werden sowohl klassische Halbleitermaterialien als auch hochbrechende Gläser und Polymere auf Ihre Eignung für die Herstellung von Bauelementen aus photonischen Kristallen untersucht.

Weitere Anwendungen photonischer Kristalle könnten unter anderem in der Beleuchtung und der Gassensorik liegen. Es wird daran gearbeitet,

Photonische Kristalle eröffnen neue Perspektiven für optoelektro-

nische Bauelemente

Kapitel 3 69

den aktiven Bereich einer Leuchtdiode mit einem Punktdefekt in einem photonischen Kristall so zu verknüpfen, dass die Leuchtdiode nur in einer einzigen Resonatormode abstrahlen kann. Dadurch würde man Leuchtdioden mit einer sehr hohen Lichtauskoppeleffizienz bauenkönnen. Für Anwendungen in der Gassensorik könnten photonische Kristalle dazu genutzt werden, die Zeit zu erhöhen, die infrarotes Licht benötigt, um eine Absorptionszelle zu durchlaufen, wodurch sichkompaktere Gassensoren realisieren lassen könnten.

3.4.63.4.63.4.63.4.6 Optoelektronische Lichtquellen Optoelektronische Lichtquellen Optoelektronische Lichtquellen Optoelektronische Lichtquellen ---- Laser und Leuchtdioden Laser und Leuchtdioden Laser und Leuchtdioden Laser und Leuchtdioden

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Nanooptik zeigt sich bei der Erforschung neuartiger Halbleiter-Lichtquellen, d. h. Laser- undLeuchtdioden. Diese optoelektronischen Bauelemente erzeugen Licht in extrem dünnen, nur nanometerdicken Halbleiterschichten. Sie stelleneines der wenigen Beispiele dafür dar, dass nicht die Miniaturisierungeiner bekannten Technologie, sondern ein Bottom-up-Ansatz zur Einführung neuartiger Produkte am Markt, verbunden mit einem enormen wirtschaftlichen Erfolg, geführt hat. Weiterentwicklungen der nächsten Jahre zielen auf die Erschließung neuer Wellenlängenbereiche sowie die Verbesserung von Lichtleistung, Effizienz und Lebensdauer.

Anwendungen solcher Lichtquellen sind beispielsweise Displays, optische Datenspeicher oder die Beleuchtung, aber auch Detektoren und passive Bauelemente. Das Weltmarktvolumen für optoelektronischeLichtquellen im Jahr 2006 wird auf 1-5 Mrd. EUR für Diodenlaser und auf 1-5 Mrd. EUR für Leuchtdioden geschätzt. Der Anteil „weißer“LEDs wird hierbei auf weniger als 50 Mio. EUR p.a. beziffert (Quelle:Workshop Optik).

3.4.73.4.73.4.73.4.7 QuantenpunktlaserQuantenpunktlaserQuantenpunktlaserQuantenpunktlaser

Ein weniger weit entwickeltes Beispiel neuer optoelektronischerLichtquellen ist der Quantenpunktlaser.

Bei der Epitaxie weniger Monolagen eines Halbleiters auf einem Halb-leiter-Substrat mit unterschiedlicher Gitterkonstante (Heteroepitaxie)entstehen je nach den Wachstumsbedingungen isolierte geordnete Inseln.Die Inseln haben eine jeweils relativ genau definierte Form und Größe im Größenbereich von 10 nm; sie weisen sehr spezifische elektrische und optische Eigenschaften auf, wie etwa diskrete Energieniveaus, so dass sie oft auch als Quantenpunkte bezeichnet werden.

Quantenpunktschichten oder -schichtstapel können als aktives Medium von Lasern verwendet werden. Quantenpunktlaser weisen theoretisch das Potenzial auf, die Leistung herkömmlicher Quantenfilmlaser in Bezug auf bestimmte Betriebsparameter zu übertreffen.

Laser- und Leuchtdioden aus nanometerdünnen Halbleiterschichtensorgen für einen Innovationsschub in vielen Wirtschafts-branchen


3.53.53.53.5 NanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologie

Die Nanobiotechnologie als Schnittstelle zwischen Nanotechnologie und Biologie hat in den letzten Jahren durch wegweisende wissenschaftliche Arbeiten über die Funktionsweise von Motorproteinen, den Aufbau elek-tronischer Bauelemente mit Hilfe von DNA und den Einsatz von Nano-partikeln zur Heilung von Krankheiten auf sich aufmerksam gemacht.Innerhalb der Nanotechnologie gilt die Nanobiotechnologie als eines der zukunftsträchtigsten Felder mit hohen wirtschaftlichen Potenzialeninsbesondere im Gesundheitssektor (Georgescu und Vollborn, 2002).

Aufgrund der großen Breite an Anwendungsoptionen und Forschungs-fragen, die in der Nanobiotechnologie bearbeitet werden, bietet es sich an, gemäß des Anwendungspotenzials eine Aufteilung in zwei Bereichevorzunehmen:

• Bio2Nano

Hierunter werden Technologien zusammengefasst, die auf die Herstellung von Nanotechnologieprodukten unter Nutzung von Biomolekülen abzielen.

• Nano2Bio

Der Bereich Nano2bio umfasst Anwendungen der Nanobiotechnologie in den Life Sciences, insbesondere medizinische und pharmazeutischeAnwendungen.

3.5.13.5.13.5.13.5.1 Bio2NanoBio2NanoBio2NanoBio2Nano

Die aktuellen Forschungsansätze im Anwendungsbereich Bio2Nano lassen sich in folgende Kategorien zusammenfassen (vgl. Wevers undWechsler, 2002):

• Nanostrukturierung durch Selbstorganisationsverfahren (z. B. Selbst-organisation von DNS-Molekülen und bakteriellen Membran-proteinen oder Nanostrukturierung durch Biomoleküle als Template)

• Materialsynthese durch Biomineralisation (Herstellung biologischerfunktionaler Materialien durch Selbstorganisationsverfahren)

• Biosensoren und Biomembranen (z. B. in der Umwelt-, Produktions-und Lebensmitteltechnik)

• Biomimetische Energieerzeugung (z. B. biologisch unterstützte Photovoltaik, biomimetische Brennstoffzelle)

• Biomolekulare Motoren und Aktuatoren (z. B. das Mikrotubuli-Kinesin-Transportsystem)

• Anwendung von Biomolekülen in technischen Produkten (z. B. Datenspeicher, Molekularelektronik, Fälschungsschutz, DNA-Computing, Neurotechnologie)

2 Forschungs-richtungen:

„Bio2Nano“ und „Nano2Bio“

Kapitel 3 71

Auf dem Gebiet der Nutzung biologischer Materialien und Verfahren in der Technik kommt dem Themenkomplex „Technische Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen“ zukünftig besondere Bedeutung zu,unter anderem als eine mögliche Alternative zu konventionellen Lithografiemethoden (hierfür sind sehr langfristige Forschungszeiträumeerforderlich). Ebenso wird der Entwicklung und dem Einsatz nanodimensionaler Maschinentechnologien Wichtigkeit zugesprochen. Hierzu zählt das breite Gebiet der zellfreien Bewegungsmodelle (z. B. Proteinmotoren), die für nanoskalige Manipulationen, kontrollierteBewegungen von Objekten oder spezifischen Substanztransport herangezogen werden können. Die Anwendungsmöglichkeiten liegen vorrangig im biotechnologischen, biomedizinischen und chemischenBereich.

Für das Gebiet der Entwicklung und Nutzung biologischer und biomimetischer Materialien mit völlig neuen Eigenschaften wird die Nanobiotechnologie eine große Rolle spielen. Hier vereinen sichtechnisch bedingte Strukturierungsmethoden mit Verfahren der Selbststrukturierung und Selbstorganisation unter Ausnutzung biologischer Prinzipien. Bei der Strukturierung bietet sich unter anderem die Entstehung einer kostengünstigen Alternative zu konventionellenLithografiemethoden an. Weitere Produktvisionen sind z. B. metallisierteSchichtproteine – als Template für hochwirksame Katalysatoren oder extrem empfindliche Gassensoren – bzw. photochrome Proteine (z. B. Bakteriorhodopsin) als universeller und kostengünstig applizierbarerKopierschutz verfolgt.

Von wenigen Ausnahmen abgesehen befinden sich die dargestelltenForschungsansätze allerdings noch im Stadium der Grundlagenforschung. In einigen Bereichen wurde bereits der Beweiserbracht, dass das zugrundeliegende Prinzip funktioniert (proof-of-principle). Wesentliche Voraussetzungen für eine Umsetzung in marktgängige Produkte (z. B. Reproduzierbarkeit und Steuerbarkeit der Herstellungsprozesse, Stabilität und Haltbarkeit der eingesetztenBiomoleküle und -systeme, fehlender konkreter Anwendungsbezug oder eine schlechtere Performance im Vergleich zu alternativen Produktenund Verfahren) sind in der überwiegenden Anzahl der aktuellen Forschungsansätze allerdings noch nicht gegeben. Bis auf wenigeAusnahmen, wie z. B. den Einsatz von Bakteriorhodopsin als Kopierschutz sowie von einfachen Datenspeichersystemen oder dieAnwendung von S-Layer-basierten Sensorsystemen und Katalysatoren,ist für eine mögliche Umsetzung in marktfähige Produkte daher in den meisten Fällen ein langfristiger Zeithorizont anzusetzen (zehn Jahre und mehr). Eine seriöse Einschätzung des Marktpotenzials im Anwendungsbereich Bio2Nano ist derzeit noch nicht möglich. Die Entwicklungen sind zum einen noch zu grundlegend, zum anderen ist

Forschungsansätze der Nanobiotechno-logie befinden sich überwiegend im Bereich der Grundlagen-forschung


noch unklar, ob die neuen Verfahren und Techniken gegen bestehendeKonkurrenz aus bewährten Technologiebereichen bestehen können.

3.5.23.5.23.5.23.5.2 Nano2BioNano2BioNano2BioNano2Bio

Im Bereich der Nanotechnologieanwendungen für die Medizin und Pharmazie hat es in den letzten Jahren intensive Forschungsaktivitätenauf den Gebieten Wirkstofftransport (Drug Delivery) und neuartiger Biochip-Systeme gegeben (vgl. Wagner und Wechsler, 2004). Weiterhingibt es viele Ansätze, Nanopartikel in der molekularen Diagnostikeinzusetzen und nanostrukturierte Materialien für die Herstellungbioaktiver Oberflächen zu verwenden. Im Tissue-Engineering und in der Neuroprothetik gibt es bislang nur vereinzelt Beispiele für den Einsatz von Nanotechnologie, und ihre Bedeutung für diese Bereiche muss sich in Zukunft erst noch herauskristallisieren.

Aktuelle Themenschwerpunkte auf dem Gebiet der Nutzung nanotechnologischer Erkenntnisse zur Steuerung biologischer Vorgängesind beispielsweise der Einsatz funktionalisierter Nanopartikel als neuartige Technik zur lokalen Wirkstofffreisetzung, für kontrolliertnanostrukturierte Prothesen und Implantate mit verbesserter Biover-träglichkeit sowie für innovative Verfahren zur molekularen undzellulären Diagnostik mittels nanostrukturierter Oberflächen undultradünner Schichten. Gegenwärtige Fragestellungen der Nanobiotechnologie zielen insbesondere auf die Beherrschung derbiologisch-technischen Schnittstelle, dem so genannten „InterfaceEngineering“ oder Grenzflächendesign. Die kontrollierte Handhabungvon Zellen und Zellverbänden setzt geeignet nanostrukturierte undfunktionalisierte Oberflächen und Membranen voraus. Neben dem Gebiet„Tissue-Engineering“ wird insbesondere die Pharmakologie profitieren. So ist absehbar, dass das Grenzflächendesign ein wichtiger Bausteininnovativer Techniken zur In-vivo-Validierung von Drug-Targets wird. Zielvision ist hier die Bereitstellung besserer Verfahren für die schnellere und spezifischere Testung bzw. Validierung von Wirkstoffen.

Einen weiteren, mittelfristig zu besetzenden Schwerpunkt bildet das Gebiet „Funktionale biohybride Systeme“. Dieses Konzept erweitert den Schwerpunkt „Interface Engineering“ dahingehend, dass z. B. Zellenoder Gewebe nicht nur geeignet gelagert, versorgt oder charaktersiert,sondern aktiv funktionalisiert werden. Anwendungsfelder sind insbesondere neuroaktive Implantate, die Erforschung und/oder Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen sowie die Neurotechnologie. Eine Schlüsselstellung nimmt diesbezüglich dieKopplung elektronischer und biologischer Systeme ein. Erfolge auf diesem Gebiet sind eine wesentliche Voraussetzung, um die Tür zur Neu-roelektronik aufzustoßen. Die Beherrschung nanotechnologischer Strukturierungs- und Manipulationstechniken kann hier einen entscheidenden Beitrag liefern. Damit ergäbe sich die Möglichkeit, in der

Funktionalisierte Nanopartikel für Anwendungen in

der Pharmazie und Medizintechnik

Kapitel 3 73

Miniaturisierung elektronischer Bauteile bzw. Systeme an die physikalischen Grenzen zu stoßen.

3.5.2.1 Biomedizinische Grundlagenforschung

Einer der Gründe für den enormen Bedeutungszuwachs der Nanobiotech-nologie in der Medizin und Pharmazie ist die fortwährende Weiterent-wicklung der instrumentellen Analytik, die es mittlerweile erlaubt, biolo-gische Objekte auf der Nanoskala zu untersuchen. Zu nennen sind hier beispielsweise spezielle Rastersondentechniken und die optische Einzel-moleküldetektion, die es ermöglichen, einzelne Zellbestandteile in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen und damit wichtige Beiträge zum Verständnis der Funktionsweise der Zelle leisten. Insbesondere die Aufklärung der Funktion der Proteine und der Signalwege innerhalb der Zelle kann in neue Strategien für die Bekämpfung von Krankheitenmünden.

3.5.2.2 Drug Delivery

Nanoskalige Drug-Delivery-Systeme bieten das Potenzial,

• in wässrigen Medien schwerlösliche oder chemisch labile Wirkstoffezum kranken Gewebe zu transportieren,

• biologische Barrieren, wie die Blut-Hirn-Schranke, zu überwindenund

• Wirkstoffe gezielt im kranken Gewebe anzureichern, um so die Gefahr von Nebenwirkungen zu verringern.

Nach mehr als 20 Jahren intensiver Forschung auf diesem Gebiet befinden sich mittlerweile die ersten Medikamente, die solche Drug-Delivery-Systeme nutzen, auf dem Markt. Hier wird ein Anwendungsfeldder Nanobiotechnologie mit großem wirtschaftlichen Potenzial gesehen, da es eine Vielzahl an Wirkstoffkandidaten gibt, die nur mit einem geeigneten nanoskaligen Delivery-System verabreicht werden können.

3.5.2.3 Kontrastmittel in der Diagnostik

Nanopartikel können für die molekulare Bildgebung genutzt werden, um Kontrastmittel mit Hilfe von molekularen Markern im kranken Gewebeanzureichern. Da die molekularen Signaturen vieler Krankheiten bereitsvor Ausbruch der Symptome auftreten, können mit solchen MethodenKrankheiten bereits im Frühstadium diagnostiziert werden. Dies gehteinher mit einem Paradigmenwechsel in der Medizin, demzufolge sich ihr Fokus zunehmend von der Wiederherstellung auf die Erhaltung der Gesundheit verschieben wird.

Erste Medikamente mit nanoskaligen Drug-Delivery-Systemen auf dem Markt


3.5.2.4 Biochips

Ein weiterer Bereich, in dem Nanotechnologie an Bedeutung gewinnt, ist die Biochip-Technologie. Der Trend zur Miniaturisierung ist bei den DNA-Chips weiterhin ungebrochen, so dass die laterale Auflösung dem nanoskaligen Bereich immer näher kommt. Für Forschungsanwendungensind Nanoarrays bereits auf dem Markt eingeführt worden. Neben denhochdichten DNA-Chips, die vor allem für Expressionsstudien und SNP-Analysen eingesetzt werden, gibt es auch ein Marktsegment für Biochipsmit geringeren Spotdichten, die in der biomedizinischen Forschung zur Untersuchung bestimmter Krankheitsbilder genutzt werden und diezukünftig auch in der medizinischen Diagnostik zum Einsatz kommensollen. Ebenso werden für die Proteinanalyse eher Proteinchips mit einer relativ niedrigen Spotzahl von Bedeutung sein. Nanotechnologie wird in diesem Bereich nicht für die weitere Miniaturisierung eine Rolle spielen, sondern vielmehr für die Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit und der Zuverlässigkeit der Systeme. So finden beispielsweise Nanopartikel-Fluoreszenzmarker oder nahfeldoptische Detektionssysteme Einsatz, um die Nachweisempfindlichkeit von Biochips zu erhöhen.

Derzeit werden außerdem eine Reihe von neuartigen elektrischen undmagnetischen Biochip-Detektionssystemen entwickelt, die auf Nanotech-nologie basieren. Gerade in diesem Bereich sind deutsche Forschungsin-stitute und Unternehmen sehr aktiv und international gut positioniert. Im Vergleich zu den konventionellen optischen Verfahren sind die elek-trischen und magnetischen Detektoren robuster und einfacher in einem miniaturisierten Sensor zu integrieren. Solche kompakten Systeme sollen mittel- bis langfristig einen Massenmarkt in der medizinischen Diag-nostik erschließen, insbesondere, um teure und zeitaufwändige Labor-untersuchungen durch Schnelltests vor Ort beim praktizierenden Arzt oder in der Klinik zu ersetzen. Solche Systeme werden auch für denEinsatz in der personalisierten Medizin entwickelt. Ziel hierbei ist es, z. B. mit Hilfe von Gentests die Medikation spezifisch auf den Patienten zuzuschneiden, und damit die Therapie zu optimieren.

3.5.2.5 Implantate

Ein weiterer Anwendungsbereich der Nanobiotechnologie ist die Ober-flächenstrukturierung von Implantaten, um ihr Einwachsverhalten zu ver-bessern. Eine große Bedeutung kommt dabei einem verbesserten Ver-ständnis der Vorgänge an der Grenzfläche zwischen dem Gewebe undder Implantatoberfläche zu. Hierbei ist es essenziell, zu verstehen, wie Zellen auf nanoskalige Strukturen in ihrer Umgebung reagieren. Diese Fragestellungen sind auch von großer Bedeutung für das Tissue-Enginee-ring, weil die Oberflächen der Gewebematrizes eine entscheidende Funk-tion bei der Steuerung des Zellwachstums haben, die bislang noch kaum verstanden ist.

Nanotechnologie-basierte

Biochipsysteme sollen mittel- bis langfristig einen

Massenmarkt in der medizinischen

Diagnostik erschließen

Kapitel 3 75

Ebenfalls als Nanobiotechnologie klassifiziert werden die so genanntenIntelligenten Implantate wie Neuroprothesen oder implantierbare Drug- Delivery-Mikrochips. Bei diesen Implantaten sind jedoch höchstens ein-zelne Komponenten der Nanotechnologie zuzuordnen. Insbesondere fin-den nanostrukturierte Oberflächen Verwendung, um die Biokompa-tibilität des Implantats oder das Einwachsverhalten von Elektroden zu verbessern. Was ihre lateralen Abmessungen und auch die funktionellen Bestandteile anbetrifft, so sind Intelligente Implantate nicht der Nano- sondern vielmehr der Mikrotechnologie zuzuordnen. Hierbei wird ein häufig anzutreffendes Prinzip der Nanotechnologie deutlich: ObwohlNanotechnologie bei vielen Produkten nur einen sehr geringen Anteil an der Wertschöpfung hat, so lassen sich bestimmte Produkteigenschaften nur mit ihrer Hilfe realisieren. Dadurch ergibt sich eine Hebelwirkung,denn der geringe Anteil an Nanotechnologie führt zu einem großenMehrwert des Produktes und erzeugt damit einen entsprechenden Kon-kurrenzvorteil.

Bislang sind nur wenige Marktstudien für Anwendungen der Nanobiotechnologie in der Medizin und Pharmazie verfügbar. Nach einer Studie der Business Communications Company (BCC, 2003) wird dasweltweite Marktvolumen von Produkten, die der Nanobiotechnologiezuzuordnen sind, im Jahr 2002 mit 269 Mio. USD angegeben; für dasJahr 2007 werden die Umsätze auf 1,2 Mrd. USD geschätzt. Der Studiezufolge wurde der größte Umsatz, knapp 200 Mio. USD im Jahr 2002, mit Instrumenten der biophysikalischen Analytik erzielt, wie z. B. den Rastersondentechniken.4 Das Marktvolumen von Nanotechnologie-Produkten für die medizinische Analytik und Diagnostik, zu denen auch Kontrastmittel oder Nanopartikel-Marker für Biochips zählen, wird mit 80 Mio. USD angegeben. Nach dieser Studie befanden sich im Jahr 2002 noch keine Tissue-Engineering-Produkte auf dem Markt, zu deren Her-stellung Nanobiotechnologie beigetragen hätte.

4 Angegeben ist der weltweite Umsatz mit Rastersondenmikroskopen, wobei unberück-sichtigt bleibt, dass diese Instrumente auch für nicht-biologische Anwendungen eingesetzt werden.

Nanotechnologie hat eine große Hebelwirkung auf die Wertschöpfung von medizinischen Produkten


Umsatz weltweit/ Mio. USD

2002 2007

Anzahl der berücksichtigtenUnternehmen, 2002

Biophysikalische Analytik (z. B.

Rastersondentechniken) 181 745 27

Diagnostik und Analytik (z. B.

Nanopartikel für Biochips) 80 391 57

Wirkstoffe und Drug Delivery 8 33 33

Tissue-Engineering 0 1,5 7

Summe 269 1171 124

Tabelle 3.7: Marktpotenzial der Nanobiotechnologie im Bereich Medizin und Pharmazie nach einer Studie der Business Communication Company (BCC, 2003).

Bei der Interpretation von Marktstudien muss berücksichtigt werden, dass die zugrunde liegenden Marktanalysen nicht den gesamten Markterschöpfend aufarbeiten. Darüber hinaus werden verschiedene Definitionen für Nanobiotechnologie zugrunde gelegt, so dass ganzeProduktgruppen, wie z. B. Wirkstoff-Nanokristalle, aufgrund des zu geringen Innovationsgrades oder bestimmte liposomale Wirkstoffe, weil sie größer als 100 nm sind, unberücksichtigt bleiben. Dies ist auch der Grund dafür, dass in der BCC-Studie für den Drug-Delivery-Bereich im Jahr 2002 nur ein Umsatz von 8 Mio. USD angegeben ist, obwohl sichbereits eine ganze Reihe von Produkten auf dem Markt befindet, dieheute ein Umsatzvolumen von mehreren 100 Mio. USD pro Jahr erreicht.

Front Line Strategic Consulting (2003) schätzt in einer ihrer Studien den Gesamtmarkt für Nanobiotechnologieprodukte deutlich optimistischer ein als BCC. Sie erwarten für das Jahr 2008 in diesem Bereich einen Um-satz von 3 Mrd. USD, wobei neben dem Life Sciences-Segment auch der wesentlich kleinere Markt für technische Anwendungen berücksichtigtist.

Auch wenn solche Studien das Marktvolumen nicht exakt vorhersagenkönnen, so geben sie doch zumindest ein ungefähres Bild von der wirt-schaftlichen Bedeutung einer Technologie. Die bislang vorliegenden Stu-dien zugrunde legend, ist davon auszugehen, dass bis Ende des Jahr-zehnts der Umsatz mit Nanobiotechnologieprodukten bereits mehrereMilliarden US-Dollar erreicht haben wird.

3.63.63.63.6 Nanotools/NanoanalytikNanotools/NanoanalytikNanotools/NanoanalytikNanotools/Nanoanalytik

Der Bereich Nanotools und Nanoanalytik umfasst sämtliches Equipment,das zur Herstellung und Charakterisierung von Strukturen im Nanometerbereich eingesetzt wird. Hierbei lassen sich folgende Kategorien unterscheiden, die nachfolgend näher beschrieben werden:

Kapitel 3 77

• Geräte zur lateralen Nanostrukturierung (Lithografie)

• Geräte zur Herstellung nanoskaliger Schichtsysteme

• Analytisches Equipment zur Charakterisierung nanoskaliger Strukturen

• Nanometrologie und Positionierung

3.6.13.6.13.6.13.6.1 Herstellung lateraler NanostrukturenHerstellung lateraler NanostrukturenHerstellung lateraler NanostrukturenHerstellung lateraler Nanostrukturen

Die Herstellung lateraler Nanostrukturen stellt mittlerweile insbesondere im Bereich der Elektronik eine zwingende Voraussetzung für die Produktion wettbewerbsfähiger Produkte dar. Die wirtschaftlich mit Abstand bedeutsamste Nanostrukturierungsmethode ist die Photolithografie, die die Grundlage für die Herstellung von CMOS-basierten Elektronik-Komponenten darstellt. Alternative Verfahren wie die Soft-Lithografie werden derzeit vor allem für Spezial- und Nischenanwendungen in Betracht gezogen.

3.6.1.1 Optische Lithografie

Bei der optischen Lithografie werden Nanostrukturen durch Lichtstrahlen erzeugt, die durch strukturierte Masken auf eine mit einem Photolack beschichtete Substratoberfläche projiziert werden. Nach der Entwicklungdes Lacks wird die abgebildete Struktur z. B. durch Ätzprozesseübertragen. Durch sukzessive Wiederholung des Vorganges werden hochkomplexe Strukturmuster auf den Silizium-Wafer erzeugt, die die Grundlage elektronischer Komponenten bilden.

Mit den leistungsfähigsten derzeit im Einsatz befindlichen Photolithografie-Geräten lassen sich Strukturen von 90 nm erzeugen, die somit per Definition der Nanotechnologie zuzuordenen sind. Für eineweitere Miniaturisierung werden in verschiedenen Konsortien unter Beteiligung von Chipherstellern (IBM, Intel etc.) und Lithografiegeräteherstellern derzeit Lithografieverfahren der nächsten Generation (NGL) untersucht, die Strukturierungsgrößen im Bereich von 90 bis 35 Nanometer in der Serienfertigung ermöglichen sollen.Hierzu zählen unter anderem die Extrem-UV- und Röntgen-Lithografie,aber auch andere Verfahren wie die SCALPEL-Technik (Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography, beiLucent Technologies weiterentwickelte Elektronenstrahltechnik),PREVAIL-Technik (Projection Reduction Exposure With Variable AxisImmersion Lenses, eine von IBM und Mitsubishi propagierte Version) und die Ionenprojektions-Lithografie von Infineon (Service 2001). Die Hauptströmungen der Nanolithografieentwicklung fokussieren derzeit auf der EUV-Lithografie, während alternative Verfahren wie schaltbare Masken und maskenlose Verfahren eher für Spezialanwendungen mitniedrigen Stückzahlen (z. B. ASIC) in Betracht gezogen werden.

Verschiedene Ansätze für Lithografiever-fahren der nächsten Generation (NGL)


Der Marktwert des für die Photolithografie benötigten Equipments liegt in der Größenordnung von mehreren Mrd. USD pro Jahr. So wird derWeltmarkt im Jahr 2006 für Lithografie-Stepper auf 7,7 Mrd. USD und für Geräte zur Maskenherstellung (Elektronstrahllithografie) auf 0,9 Mrd. USD geschätzt (Fecht et al., 2003).

3.6.1.2 Soft-Lithografie

Aufgrund des immensen Investitionsaufwandes für optische Lithografiegeräte werden insbesondere für Spezialanwendungen mitgeringen Stückzahlen so genannte Soft-Lithografie-Verfahren alsalternative kostengünstigere Nanostrukturierungsmethoden entwickelt. Unter dem Begriff Nanoimprint-Lithografie werden hierbei verschiedene Stempel- oder Prägetechniken zusammengefasst (Hot embossing oderMicrocontact printing), mit denen sich Mikro- und Nanostrukturen in verschiedenen Materialsystemen wie organischen Polymeren oder anorganischen Festkörpern herstellen lassen. Nach einmaligem Herstellen einer hochpräzisen Stempelvorlage (z. B. mittels Elektronenstrahl-Lithografie im Sub-100nm-Bereich) hat die Nano-imprint-Lithografie das Potenzial für ein paralleles Hochdurchsatz-Produktionsverfahren. Bei der im Advanced Microelectronic CenterAachen (AMICA) entwickelten Variante der UV-Nano-imprint-Lithografie wird eine nanostrukturierte Stempelvorlage aus Quarzglasabhängig von ihrer Größe mittels optischer oder Elektronenstrahl-Lithografie geschrieben und anschließend durch konventionelle Ätzprozesse ins Stempelmaterial übertragen. Der Prägevorgang erfolgt, indem der Stempel in ein dünnes, auf das Substrat aufgeschleudertesPolymer (Resist) gepresst wird, welcher dann mit UV-Licht durch den transparenten Stempel ausgehärtet wird. Anschließend wird der Stempel entfernt und das entstandene Polymerrelief als Bauelement bzw. als Ätzmaske für die weitere Strukturübertragung ins Substrat verwendet. Die schwedische Firma Obducat gilt als Marktführer im Bereich derNanoimprinttechnologie, mit der sich auch deutsche Firmen beschäftigen. Die deutsche Firma Mildendo konzentriert sich beispielsweise auf eine Heißprägemethode, mit der Nanostrukturen bis 200 nm (hauptsächlich für Kanäle in mikrofluidischen Systemen) mitextrem hoher struktureller Genauigkeit abgeformt werden.

Auch serielle Verfahren wie die so genannte Dip-pen-Lithografie zählen zur Soft-Lithografie. Hierbei erfolgt die Auftragung von nanoskaligenStrukturen unmittelbar auf ein Substrat. Hierbei wird eine mit einer Schreibflüssigkeit benetzte Spitze eines Rasterkraftmikroskops zum„Beschreiben“ einer Substratoberfläche verwendet. Die auf das Substrataufgetragenen Moleküle arrangieren sich in dem benetzten Bereichanalog zu selbstorganisierten Monolagen spontan zu dicht gepacktenAnordnungen von ca. 10-15 nm Breite. Mit Hilfe der DPN-Technik können z. B. spezifische Bindungsplätze auf einem Substrat hergestellt

Soft-Lithografie als kostengünstige

Nanostruktur-ierungsmethode

Kapitel 3 79

werden, die sich beispielsweise für biotechnologische Anwendungen(DNA-Chiparrays etc.) nutzen ließen.

3.6.23.6.23.6.23.6.2 Herstellung von NanoschichtsystemenHerstellung von NanoschichtsystemenHerstellung von NanoschichtsystemenHerstellung von Nanoschichtsystemen

Spezielle Oberflächenbeschichtungsverfahren ermöglichen die Herstel-lung ultradünner Funktionsschichten mit charakteristischen Schicht-dicken von weniger als 100 nm, die zu neuartigen bzw. verbessertenProduktfunktionalitäten führen. Nanoskalige Schichten sind bereits in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern funktionstragende Elemente, wie z. B. in der optischen Industrie, in der Elektronik/ Optoelektronik oder im Maschinenbau (vgl. Tabelle 3.8). Bei der Beschreibung der zur Herstellung von Nanoschichtsystemen verwendeten Geräte soll eineEinschränkung auf Gasphasen bzw. Vakuumprozesse vorgenommen werden, da hierbei im Gegensatz zur nasschemischen Route ein entsprechend aufwändiges und damit marktträchtiges Equipment zumEinsatz kommt. Als Hauptkategorien wird hierbei zwischen chemischen (CVD) und physikalischen (PVD) Abscheideverfahren unterschieden.Aufgrund der Fülle unterschiedlicher Verfahrenstypen wird eine Einschränkung auf einige ausgewählte Varianten vorgenommen.

Verfahren Anwendungsgebiete Materialsysteme

CVD

• PECVD • MOCVD• Photo-CVD• ...

IuK-Technik

• Verbindungshalbleiter für LED • Laser, Signalverstärker • Transistoren im Bereich Telekom-

munikation/ Optoelektronik Automobiltechnik

• Sensoren (GPS, Radar), LED Energietechnik

• Verbindungshalbleiter für Solarzellen

• II-VI-, III-V- Materialien,

• Oxiden, Metallen und Dielektrika

• Ferroelektrika • HTSC • Optische

Beschichtungen (für Spiegel, Filter)

PVD

• DC-Mag-netron-sputtern

• MBE• Ionenim-

plantation • ...

Maschinenbau

• Hartstoffschichten • Reibmindernde Schichten • Dekorative Schichten • Korrosionsschutz • Verschleißschutz • Werkzeugbeschichtung

Elektronik, Optik

• Diverse Komponenten in den Bereichen Opto- und Magneto-elektronik, Ultrapräzisionsoptiken

• II-VI-, III-V- Materialien,

• Oxide, Metalle und Dielektrika

• Ferroelektrika • HTSC • Hartbeschichtung • Optische Beschich-

tungen

Tabelle 3.8: Anwendungsgebiete und Materialsysteme verschiedener Gasphasen-Abscheideverfahren


3.6.2.1 PVD-Verfahren

Zum Bereich der PVD (Physical Vapor Deposition)-Verfahren zähleneine Vielzahl von Methoden, die meist im Hochvakuum angewendet werden, wie z. B. Bedampfungsverfahren (Schichtaufbau, unter anderem durch Molekularstrahlepitaxie etc.), Sputtern (Abtragen von Atomen oder Atomgruppen des Festkörpers von der Festkörperoberfläche durch Ionenbeschuss) und Ionenplattieren (gezieltes Verändern der Eigenschaften in dünnen Oberflächenschichten durch Einbringen vonIonen). Diese Verfahren bieten ein breites Spektrum an Möglichkeiten zur Modifizierung der Abscheideparameter und ermöglichen die Beschichtung verschiedenster Materialien wie Stähle, Metalle, Halbleiter, Kunststoffe, Keramiken oder Glas. Der Weltmarkt für PVD-Equipmentim Jahr 2006 wird für Sputter-Verfahren auf 2,1 Mrd. USD, für Ionen-Implantation auf 1,4 Mrd. USD (Fecht et al., 2003) bzw. 3,1 Mrd. USD (BCC, 2002) und für MBE-Verfahren auf 1,1 Mrd. USD geschätzt (BCC, 2002). Nach BCC liegen die jährlichen Wachstumsraten in diesen Bereichen zwischen 25 und 33 Prozent bis zum Jahr 2006. DeutscheFirmen im Bereich der Herstellung von PVD-Equipment für Nanobeschichtungen sind beispielsweise VTD Vakuumtechnik, LeyboldOptics oder Balzers Verschleißschutz GmbH.

3.6.2.2 CVD-Verfahren

Im Gegensatz zu den PVD-Methoden entstehen bei CVD-Prozessen dünne Schichten durch eine chemische Reaktion von reaktiven gasförmigen Ausgangsstoffen („Precursern“), die in einem inertenTrägergas in den Reaktor gebracht werden. CVD-Verfahren werden beispielsweise zur Herstellung von Si-Wafern, Verbindungshalbleiternfür Laser und LED oder auch für die Produktion von Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt. Der Weltmarkt für CVD-Equipment wird für 2006 auf 5,7 Mrd. USD geschätzt, mit jährlichen Wachstumsraten von 12 Prozent (Fecht et al., 2003).

3.6.33.6.33.6.33.6.3 NanoanalytikNanoanalytikNanoanalytikNanoanalytik

Die Nanoanalytik umfasst eine Vielzahl hochentwickelter, zum Teil seit langem etablierter Verfahren, die sich für eine Charakterisierung von Objekten auf der Nanoskala eignen. Zur Messung werden sehr vielfältigephysikalische, chemische und biologische Wechselwirkungen und Effekte genutzt. Eine zentrale Rolle in der Nanoanalytik spielenRastersondenverfahren (SXM-Verfahren). Hierbei handelt es sich um Mikroskopieverfahren mit atomarer Auflösung, bei denen das Substratmit einer Mikrosondenspitze rasterförmig abgetastet wird und die hierbei auftretenden physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen Substrat und Sonde gemessen werden. Es existieren eineVielzahl unterschiedlicher Varianten der Rastersondenverfahren, wie z. B. die Rasterkraftmikroskopie (AFM), die Rastertunnelmikroskopie

Kapitel 3 81

(STM) oder die Raster-Nahfeld-Optische Mikroskopie (SNOM), um nureinige zu nennen. Wichtige Anwendungsfelder der Rastersonden-techniken sind die Materialforschung, die Halbleiterherstellung und der Life-Science-Bereich. Einsatzgebiete der Rastersondentechnik sindbeispielsweise Qualitätskontrollen in Fertigungsprozessen, unter anderem von extrem dünnen Schichten. Das mittlerweile in der Schweiz ansässige, aber in Deutschland gegründetete Unternehmen NanoSensors hat sich auf Silizium-Cantileverspitzen für Rastersondenmikroskope spezialisiert und gilt als weltweit führender Produzent. Weltmarktführer bei den Geräteherstellern für 3D-Metrologie und Fertigungskontrolle, die eine Erfassung der Oberflächenstruktur bis auf die Nanoskala ermöglicht (Nanometrologie), ist die Firma Veeco, die unter anderem 1998 dieFirma Digital Instruments (führend bei Rastersondenmethoden unterUmgebungsbedingungen) und Thermo Microscopes aufgekauft hat. Diedeutsche Firma Omicron Nanotechnology hat sich auf die Oberflächenanalytik mittels Rastersondenmikroskopie im Ultrahochvakuum spezialisiert und ist mittlerweile weltweit führenderAnbieter von Geräten und Equipment auf diesem Gebiet. Die Entwicklung des Weltmarktes für Rastersondengeräte wird von derzeitca. 200 Mio. USD auf 800 Mio. USD im Jahr 2007 prognostiziert (Small Times, 2002).

Ein weiteres wichtiges Verfahren zur Untersuchung nanoskaliger bzw.atomarer Strukturen ist die Elektronenmikroskopie mit Hauptan-wendungsgebieten in der Materialforschung und in den Life Sciences. Dieses Verfahren ist jedoch mit hohen Anforderungen an die Probenvorbereitung und mit hohem technischen Aufwand verbunden.Der Weltmarkt für SEM-Geräte wird für 2006 auf 0,6 Mrd. USD geschätzt (Fecht et al., 2003).

Zu den weiteren Verfahren zur Charakterisierung nanostrukturierter Oberflächen und Filme zählen unter anderem die Ellipsometrie oder das so genannte Nanoindentation-Verfahren, bei dem durch punktgenaues, nanometertiefes Eindrücken einer Diamantspitze und anschließenderMessung der Veränderungen die mechanischen Eigenschaften von dünnen Filmen und Beschichtungen ohne aufwändige Probenvorbereitung analysiert werden können. Wichtige zu bestimmendeParameter sind beispielsweise die Textur, Morphologie oder Defekte in den Nanoschichten. Einsatzgebiete sind die Qualitätskontrolle in der Mikrosystemtechnik und Halbleiterfertigung, im Gesundheitssektor bei der Bestimmung der mechanischen Integrität von metallischen Implantaten und im Bereich Konsumgüter, z. B. für die Qualitäts-kontrolle von Rasierklingen und Kosmetika. Der Weltmarkt für Dünnfilm-Messtechniken wird für 2006 auf 0,5 Mrd. USD geschätzt(Fecht et al., 2003).

Weiterhin gibt es eine Reihe weiterer Verfahren, die zur Charakterisierung von Nanomaterialien eingesetzt werden, deren


Hauptanwendungsgebiet jedoch eher außerhalb der Nanotechnologieliegen, wie z. B. molekular spektroskopische Methoden oder die Röntgenanalytik.

3.6.43.6.43.6.43.6.4 Ultrapräzise OberflächenbearbeitungUltrapräzise OberflächenbearbeitungUltrapräzise OberflächenbearbeitungUltrapräzise Oberflächenbearbeitung

Zur Ultrapräzisionstechnik zählen alle Bearbeitungsverfahren, bei denen Körper und Oberflächen mit makroskopischen Abmessungen extrem präzise in Form und Glätte hergestellt werden. Je präziser geglättet und geformt Oberflächen sind, desto bessere funktionale (z. B. optische)Eigenschaften können erzielt werden. Zu den wichtigsten Verfahren der ultrapräzisen Formgebung bzw. Formkorrektur gehören mechanisch/chemische und optische Bearbeitungsverfahren sowie Ionenstrahl- und Plasmabearbeitungsverfahren. Ionenstrahl- und Plasma-bearbeitungsverfahren ermöglichen die Formkorrektur bzw. Formgebungauf großen Flächen (cm² bis m²) mit Tiefengenauigkeiten im Nanometerbereich sowie die Rauigkeitsreduzierung auf Sub-Nanometerwerte. Aufgrund der geringen Bearbeitungsgeschwindigkeitund der hohen Anlagenkosten bleibt der Einsatzbereich in der industriel-len Fertigung auf Hochleistungsoptiken beschränkt. Auch optische Ver-fahren insbesondere unter Einsatz von UV-Lasern werden zur ultrapräzi-sen Bearbeitung, z. B. von Polymeroberflächen eingesetzt. Anwendungsfelder der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung liegen unter anderem in der Optik. Hier werden neben immer glatter und formgenauerherzustellenden Linsen für den sichtbaren Bereich zunehmend Optikenfür den Infrarot- und auch den UV- und Röntgenbereich gefordert. Auch für die Verbindungstechnik in der Mikroelektronik spielt die ultrapräzise Oberflächenbearbeitung eine wichtige Rolle. Für die kostengünstige Fer-tigung von Mikrosensoren und -aktuatoren gewinnt das so genannteDirektbonden von Silizium-Wafern und anderen Komponenten zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft sowohl das Zusammenfügen vonSilizium- und anderen Halbleiterelementen (optische Elemente auf III/V Halbleiterbasis) auf einem Chip als auch die Montage unterschiedlicher optischer und mechanischer Mikrokomponenten (z. B. Mikrolinsen aus Quarzglas, piezoelektrische Aktoren etc.). Beim Direktbonden werdenzwei ultrapräzise ebene Flächen so in Kontakt gebracht, dass sie durch einen Druck- und Temperaturschritt (Bonden) ohne zusätzliche Klebstoffe irreversibel verbunden werden können. Der Weltmarkt fürAnlagen zur ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung im Jahr 2006 wird auf 250-500 Mio. EUR geschätzt (Quelle: Unternehmensbefragung).

3.6.53.6.53.6.53.6.5 Nanometrologie und PositionierungNanometrologie und PositionierungNanometrologie und PositionierungNanometrologie und Positionierung

Nanometergenaue Positionierung und Kontrolle sind eine zwingendeVoraussetzung für Produktionsprozesse, insbesondere in der Mikroelektronik und -systemtechnik. Verschiedene Verfahren wurdendazu von diversen Firmen wie beispielsweise Piezomax Technologies

Kapitel 3 83

Inc. (Vancouver), Klocke Nanotechnologie (Aachen), Kleindieck Nanotechnik (Reutlingen) oder Physik Instrumente GmbH (Waldbronn)entwickelt. Die Firma Nanowave hat ein patentiertes Verfahren zurultrapräzisen Positionierung (Sub-nanometer-Bereich) auf Basis der Rastersondenmikroskopie in Kombination mit Hochfrequenz-Proben-Oszillationen entwickelt. Die Position der Sonden wird dabei durchAbgleich mit einer Referenzfrequenz ermittelt. Eingesetzt wird diesesSystem unter anderem in Lithografie-Steppern. Ein wichtiges Anwendungsfeld nanopräziser Fertigung ist die Herstellung von Halbleiterkomponenten für die elektronische Datenspeicherung und die optische Datenübertragung. Der Weltmarkt im Jahr 2006 für Produkte im Bereich der Nanopositionierung wird auf 0,5 bis 1 Mrd. EUR und imBereich der Nanorobotik auf 10-50 Mio. EUR geschätzt (Quelle: Unternehmensbefragung).

3.73.73.73.7 MarktMarktMarktMarkt---- und Anwendungspotenziale im Überblick und Anwendungspotenziale im Überblick und Anwendungspotenziale im Überblick und Anwendungspotenziale im Überblick

Im Folgenden werden die Marktpotenziale der oben beschriebenen nanotechnologischen Anwendungen der unterschiedlichen Teildiszipli-nen nochmals tabellarisch zusammengefasst. Eine exakte Ableitung des „Nanotechnologieweltmarktes“ ist auf Basis der genannten Zahlenallerdings kaum möglich, da

• nur für einen Teil nanotechnologischer Produkte Marktzahlen verfügbar und die Auflistungen somit unvollständig sind

• die Marktprognosen sich zum Teil auf unterschiedliche Zeithorizontebeziehen

• Doppelungen hinsichtlich der Nennung von Nanotechnologie-produkten in zwei oder mehreren Teilbereichen vorkommen (z. B. Anwendung von Nanogrundprodukten/-komponenten in Produkten aus anderen Bereichen)


Nanotechnologische Produkte Jährliches Weltmarktvolumen

(Bezugsjahr)

Nanomaterialien

Metalloxid-/Metall-Nanopartikel 900 Mio. USD (2005)1

Nano-Kieselsäure 800 Mio. EUR (2003)2

Nano-Schichtsilikate 25 Mio. EUR (2006)3

CNT 145 Mio. EUR (2005)4, 1,2 Mrd. EUR (2006)5

Carbon Black 3 Mrd. USD (2002)6, 8 Mrd. USD (2006)5

Polymerdispersionen 15 Mrd. EUR (2002)7

Organische Halbleiter 500 Mio. USD (2005)10

Dendrimere 5-15 Mio. EUR (2006)3

Mikronisierte Wirkstoffe 1 Mrd. EUR (2002)7

Zeolithe 2,6 Mrd. USD (2006)5

Aerogele 10 Mrd. USD (2005)8

Polymere Nanokomposite 0,3 Mrd. USD (2006)3, 1,1 Mrd. USD5 1,5 Mrd. EUR (2009)9

Nanoschichten

Hartschichten 0,5-1 Mrd. EUR (2006)12

Tribologische Schichten 1-5 Mrd. EUR (2006)13

Antifog-Schichten 50-250 Mio. EUR (2006)12

Werkzeugbeschichtungen 50-250 Mio. EUR (2006)12

Korrosionsschutzschichten 1-5 Mrd. EUR (2006)13

Elektronik auf Basis funktionaler Nanoschichten, z. B. GMR-HDD

> 5 Mrd. EUR (2006)13

Tabelle 3.9: Abschätzungen des jährlichen Weltmarktvolumens nanotechnologischer Produkte

Quellen: 1 BCC, 2002, 2 Wacker Silicones, 2003, 3 SRI, 2002, 4 Mitsubishi Research Institute, 2002, 5 Fecht et al., 2003, 6 Reuters, 2002, 7 BASF/Distler, 2002, 8 Aspen Systems, 2001, 9 Stevenson, 2002, 10 Frost&Sullivan, 2002, 11 Frost&Sullivan, 2003, 12

Unternehmensbefragung, 13 VDI TZ-Experten-Workshop

Kapitel 3 85

Nanotechnologische Produkte Jährliches Weltmarktvolumen

(Bezugsjahr)

Nanobiotechnologie

Biophysikalische Analytik (z. B. Rastersondentechniken)

181 Mio. USD (2002), 745 Mio. USD (2007)14

Diagnostik und Analytik (z. B. Nanopartikel für Biochips)

80 Mio. USD (2002), 391 Mio. USD (2007)14

Wirkstoffe und Drug Delivery 8 Mio. USD (2002), 33 Mio. USD (2007)14

Tissue Engineering 0 Mio. USD (2002), 1,5 Mio. USD (2007)14

Nanooptik

Lithografieoptiken 0,5-1 Mrd. EUR (2006)12

Ultrapräzisionsoptik 1-5 Mrd. EUR (2006)13

LED davon weiße LED

1-5 Mrd. EUR (2006)13

10-50 Mio. EUR (2006)13

Diodenlaserdavon Hochleistungs-Diodenlaser

1-5 Mrd. EUR (2006)13

50-250 Mio. EUR (2006)12

Nanoelektronik

CMOS-Elektronik <100 nm 20 Mrd. USD (2006)18

GMR-HDD 26,6 Mrd. USD (2006)5

MRAM 30-50 Mrd. USD (2010)19, (ggf. Ersatz für DRAM)

Nanotools/Nanoanalytik

Lithografie-Stepper 7,7 Mrd. USD (2006)15

Elektronenstrahlithografie 0,9 Mrd. USD (2006)15

Sputter-Verfahren 2,1 Mrd. USD (2006)15

Ionen-Implantation 1,4 Mrd. USD (2006)16

MBE-Verfahren 1,1 Mrd. USD (2006)15

CVD-Equipment 5,7 Mrd. USD (2006)15

Rastersondenmikroskopie 200 Mio. USD (2002), 800 Mio. USD (2007)17

SEM 0,6 Mrd. USD (2006)15

Dünnfilm-Messtechnik 0,5 Mrd. USD (2006)15

Ultrapräz. Oberflächenbearbeitung 250-500 Mio. EUR (2006)12

Nano-Positionierung 0,5 -1 Mrd. EUR (2006)12

Nano-Partikelzähler 10-50 Mio. EUR (2006)12

Nano-Robotik 10-50 Mio. EUR (2006)12

Tabelle 3.9 (Fortsetzung): Abschätzungen des jährlichen Weltmarktvolumens

nanotechnologischer Produkte

Quellen: 1 BCC, 2002, 2 Wacker Silicones, 2003, 3 SRI, 2002, 4 Mitsubishi Research Institute, 2002, 5 Fecht et al., 2003, 6 Reuters, 2002, 7 BASF/Distler, 2002, 8 Aspen Systems, 2001, 9 Stevenson, 2003, 10 Frost&Sullivan, 2002, 11 Frost&Sullivan, 2003, 12

Unternehmensbefragung, 13 VDI TZ-Experten-Workshop, 14 BCC, 2003, 15 VDI Nachrichten, 2003, 16 BCC, 2002b, 17 Small Times, 2002, 18eigene Abschätzung, 19

Small Times, 2003

87

4444 ANHALTSPUNKTE FÜR MAANHALTSPUNKTE FÜR MAANHALTSPUNKTE FÜR MAANHALTSPUNKTE FÜR MARKTPOTENZIALE IN RKTPOTENZIALE IN RKTPOTENZIALE IN RKTPOTENZIALE IN PATENTDATENPATENTDATENPATENTDATENPATENTDATEN

4.14.14.14.1 Methodische VorüberlegungenMethodische VorüberlegungenMethodische VorüberlegungenMethodische Vorüberlegungen

4.1.14.1.14.1.14.1.1 Patente als Indikator für wirtschaftliches PotenzialPatente als Indikator für wirtschaftliches PotenzialPatente als Indikator für wirtschaftliches PotenzialPatente als Indikator für wirtschaftliches Potenzial

Wenn aus Patentinformationen Indikatoren für das wirtschaftlichePotenzial einer Technologie gewonnen werden sollen, so ist zunächst die grundsätzliche Frage nach dem Wert von Patenten zu diskutieren.

Es ist eine bekannte Tatsache, dass Patente einen hohen Wert haben können und eine zentrale Rolle für die Wettbewerbsposition von Firmen einnehmen können.1 Eine weit weniger beachtete Tatsache besteht darin, dass viele Patente kaum einen Wert haben. Für alle Patente gilt, dass sie immer Kosten verursachen. In der wissenschaftlichen Literatur werden eine Reihe von Methoden zur Patentbewertung in verschiedenen Situationen beschrieben (Wurzer, 2002; Pitkethly, 2002; Reitzig, 2002). Patentbewertungen sind erforderlich zur Unterstützung von Managemententscheidungen im Verlauf von FuE-Projekten und ihrerVerwertung, wie z. B.:

• Soll eine Erfindung patentiert werden?

• Soll eine einmal begonnene Patentanmeldung weiter verfolgt werden? In welchen Ländern?

• Soll ein erteiltes Patent aufrecht erhalten werden? In welchen Ländern?

Patentbewertungen sind aber auch im Rahmen von Lizenzverhandlungen, beim Verkauf von Patenten, in Verhandlungen über Wagniskapital beiFirmengründungen, bei Firmenverkäufen und -zusammenschlüssen sowie schließlich für die Bilanzierung und die Berichterstattung von Bedeutung.

Letztlich bemisst sich der Wert von Patenten nach dem zukünftigenMarktwert der damit zusammenhängenden Produkte. Dementsprechendliegt einer Patentbewertung selbst eine Art von Marktprognose zugrundeund sie unterliegt damit allen Unsicherheiten, die einer solchen Prognose inhärent sind. Da bereits der Zusammenhang mit den jeweiligen Produkten nicht immer eindeutig ist, sind die Prognoseunsicherheiten einer Patentbewertung besonders ausgeprägt. Patentbewertungen sind

1 Als aktuelles Beispiel sei etwa auf die Entscheidung des Bezirksgerichts von Tokio hingewiesen, das die Firma Nichia zu einer Zahlung in Höhe von 180 Millionen US-Dollar an Prof. Nakamura, den Erfinder der blauen Leuchtdiode, verpflichtet (Normile, 2004).

Patentbewertung

Prognoseunsicher-heit


also abhängig von dem Zeitpunkt, an dem sie erstellt werden und können sich darüber hinaus im Lauf der Zeit ändern, wenn sich die Grundlagender Bewertung zwischenzeitlich ebenfalls verändert haben. Abbildung4.1 zeigt eine (unvollständige) Übersicht von Methoden zur Patentbewertung entlang des Technologielebenszyklus (Wurzer, 2002).

Abbildung 4.1: Methoden zur Patentbewertung entlang des Technologielebenszyklus (nach Wurzer, 2002)

Gerade am Anfang einer technologischen Entwicklung sind die Unsicherheiten über den technischen und wirtschaftlichen Erfolg einer Idee noch immens. Entsprechend vielfältige Handlungsmöglichkeiten bestehen im Verlauf eines Patentanmeldeverfahrens sowohl vor als auch nach einer eventuellen Patenterteilung. Vor diesem Hintergrund gibt es Ansätze, Patente als so genannte reale Optionen zu betrachten und die Theorie der Preisbildung bei Kauf- und Verkaufsoptionen für handelbareGüter auf die Patentbewertung zu übertragen. Dabei fließen beispielsweise erwartete Kosten und Nutzen eines möglichen erteiltenPatentes, aber auch die erwarteten Kosten ein, die entstehen würden,wenn das Patent in der Hand eines Wettbewerbers wäre (Pitkethly,2002).

Beim Verfahren der Lizenzanalogie werden die Konditionen von Lizenzvereinbarungen zum Vergleich herangezogen, die hinsichtlich des Produktmarktes als analog angesehen werden. So haben beispielsweise Hellebrand und Kaube (2001) eine Sammlung von Einigungsvorschlägen der Schiedsstelle beim Deutschen Patentamt herausgegeben, die für das Verfahren der Lizenzanalogie genutzt werden kann. Die Anwendungdieser Methode setzt eine relativ hohe Reife der Technologie voraus.

Verschiedene bibliometrische Patentindikatoren korrelieren nachgewiesenermaßen mit dem Wert von Patenten (vgl. Wurzer, 2002,Reitzig, 2002 und die dort angegebenen Referenzen). Sie bieten denVorteil, dass sie sich mit überschaubaren Kosten zuverlässig ausPatentdatenbanken erheben lassen. Die Verwendung von Patentindikatoren setzt aber voraus, dass bereits relevante Patentinformationen publiziert sind und bedarf daher eines gewissen

Optionstheorie

Lizenzanalogie

Bibliometrische Patentindikatoren

Option

Wertsicherheit

Prognoseraum

Umsätze

Patentindikatoren

Lizenz-analogie

Idee ohne Umsetzung

Idee mitBusinessplan

KommerziellesProdukt

Bewertungszeitpunkt

Kapitel 4 89

Vorlaufs. In der Praxis werden die Anzahl von Zitierungen in Suchberichten und Patenten Dritter, die Anzahl von Entgegenhaltungen, die Anzahl von Referenzen in der Nicht-Patent-Literatur, die Existenzvon Einsprüchen und Nichtigkeitsklagen sowie Daten über die Größe der Patentfamilien und den Erteilungsstatus verwendet.

4.1.24.1.24.1.24.1.2 Patentauswertungen zur NanotechnologiePatentauswertungen zur NanotechnologiePatentauswertungen zur NanotechnologiePatentauswertungen zur Nanotechnologie

In der Literatur liegen keine Studien vor, die typische Patentindikatorenzur Bewertung von Nanotechnologiepatenten systematisch erheben.Gleichwohl gibt es einzelne Untersuchungen zu Patenten im BereichNanotechnologie, die teilweise wichtige Informationen bereitstellen.

Von besonderem Interesse ist eine Vorstudie zur Nanotechnologie im Rahmen der Anstrengungen der Europäischen Kommission, „Landkarten“ für die technologische und wissenschaftliche Exzellenz in Europa („mapping excellence“) zu erarbeiten (Nanotechnology Expert Group, 2002). Trotz der vergleichbar hohen Qualität dieser Arbeitnennen die Studienautoren selbst die folgenden Einschränkungen: „It should be noted that all tables reflect only limited patent data“ (S. 21). „Abstracts and keywords were missing from much of the patent data“(S. 41). Es ist besonders hervorzuheben, dass bei dieser Untersuchungdie recherchierten Patente jeweils Experten vorgelegt wurden, umEinschätzungen abzugeben, ob das jeweilige Patent zur Nanotechnologiegerechnet werden soll.

Weitere Studien befassen sich mit dem Wechselspiel zwischen Wissenschaft und Technologie im Bereich der Nanotechnologie und den internationalen Strukturen der Zusammenarbeit und werten dazu unter anderem Literaturzitate in Patenten aus (z. B. Meyer, 1998; Meyer, 2001; Verbeeck, 2002). In diesem Zusammenhang ist die Dissertation vonHullmann (2001) bemerkenswert, die den internationalen Wissenstransfer am Beispiel der Nanotechnologie untersucht und dabei auch auf Patente eingeht.2

Ein Ländervergleich, beruhend auf Daten des US-amerikanischen Patentamts (USPTO), findet sich in: Marinova (2003). Im Laufe derArbeit an der vorliegenden Studie ist eine weitere Arbeit (Huang, 2003) erschienen, die ebenfalls Daten des USPTO auswertet. Während Marinova (2003) bereits bis zum Jahr 2000 eine Gesamtzahl von 1524deutschen Patentanmeldungen beim USPTO konstatiert, taucht

2 Vgl. dazu auch Compano (2002), basierend auf derselben Datenerhebung mit Patentdaten bis ca. 1997/1998.

Experten-einschätzung

Wechselspiel von Wissenschaft und Technologie


Deutschland als Anmeldeland bei Huang (2003) gar nicht auf, was die Qualität dieser Arbeit sehr fragwürdig erscheinen lässt.3

Diese Beobachtung zeigt jedoch, dass es vor der Bewertung einerPublikation und dem Ziehen von Schlussfolgerungen aus einer solchen Publikation erforderlich ist, die Datengrundlage und die Methoden der Auswertung genau zu beachten.

4.1.34.1.34.1.34.1.3 Recherchestrategie und MethodikRecherchestrategie und MethodikRecherchestrategie und MethodikRecherchestrategie und Methodik

So wie es keine allgemein anerkannte Definition der Nanotechnologiegibt (vgl. die Diskussion in Kapitel 2), so gibt es auch keine allseitsakzeptierte Suchstrategie für Nanotechnologiepatente. Auch die imvorhergehenden Abschnitt aufgeführten Studien unterscheiden sich in der Verwendung der Suchworte stark voneinander. Eine Zuordnung anhandspezieller Klassen in der internationalen Patentklassifikation (IPC) ist ebenfalls nicht möglich.4

Diskussionen mit Vertretern des Europäischen Patentamtes (EPA) im Laufe der Arbeiten an dieser Studie haben mit dazu geführt, dass das EPA sich dieses Problems bewusst geworden ist und jetzt eine Klassifikation auf der Basis neu definierter ICO-Codes („in computeronly“) anstrebt. Eine Arbeitsgruppe von etwa zehn Patentprüfern hat in einer ersten Runde ca. 15.000 Patente mit Bezug zur Nanotechnologieidentifiziert.5

Die Vielzahl von Recherchestrategien in der Literatur lässt sich grob in die folgenden drei Gruppen gliedern:

1. Die einfachste Suchstrategie besteht in der Suche nach der „nano“-Vorsilbe, wobei gewisse Kombinationen dieser Vorsilbe explizit ausgeschlossen werden, wenn offensichtlich kein Zusammenhang zurNanotechnologie besteht. Die häufigsten dieser auszuschließendenKombinationen sind:

nano-sec? or nano2 or nano3 or nanogram? or nanolite? or nanolitr? or nanomol? or

nanos or nanosat? or nanosec? or subnanomol? or subnanosec?

3 Hintergrund ist vermutlich ein Fehler bei dem verwendeten Ländercode, der in Huang (2003) als „DT“ für Deutschland angegeben wird, während tatsächlich „DE“ das korrekte Kürzel ist.

4 Zwar gibt es in der IPC die Klasse B82 mit dem Titel Nanotechnologie, doch werden unter dieser Klasse nur wenige eng umrissene Nanostrukturen und deren Fertigung gefasst.

5 Diese Anstrengung kann wesentlich dazu beitragen, dass das EPA der Herausforderung gerecht werden kann, die ein neues und stark interdisziplinäres Feld wie die Nanotechnologie für ein Patentamt darstellt. Allerdings lassen sich ICO-Codes für Außenstehende nicht zur Recherche nutzen, so dass die genannten Schwierigkeiten dadurch nicht berührt werden.

Diskussionen mit Vertretern des EPA

„nano“-Vorsilbe

Kapitel 4 91

2. Eine detailliertere Suchstrategie besteht darin, ausführlicheSuchwortlisten aufzustellen, Beispiele solcher Listen finden sich in Braun (1997) und Hullmann (2001). Prinzipiell haben explizite Suchwortlisten wiederum zwei Bestandteile. Zum einen sind dies Suchworte, die die Nanotechnologie möglichst in ihrer Gesamtheitrepräsentieren (Beispiel: „nanoparticle“), und zum anderen solcheSuchworte, die für einzelne Teiltechnologien, die zur Nanotechnologie gezählt werden, charakteristisch sind.6

Die Schwierigkeit solcher eher spezifischen Suchworte liegt darin,eine vollständige Liste davon zu erstellen.7 Je nachdem, welche der Teiltechnologien in der Suche berücksichtigt werden und welche nicht, können sich Verzerrungen und Ungleichgewichte ergeben, insbesondere bei den gefundenen Anmeldefirmen, etwa wenn es sichum Firmen mit einem sehr spezifischen Produkt- und Technologieprofil handelt. Andererseits wächst mit der Zahl zusätzlich berücksichtigter Teiltechnologien die Gefahr, solcheSuchworte mit aufzunehmen, die nicht mehr nur spezifisch Nanotechnologie beschreiben.

3. Die gründlichste Strategie besteht dementsprechend darin, mit einer breiten Suche eine möglichst umfassende Stichprobe an Kandidatenfür Nanotechnologiepatente zu recherchieren und die tatsächlicheZugehörigkeit zur Nanotechnologie anhand einer Durchsicht allerrecherchierten Patenschriften zu entscheiden. Allerdings kommt die„Nanotechnology Expert Group and Eurotech Data“ in ihrer Studie(2001, S. 47) zu dem Schluss: „One cannot expect experts to agree on which (...) are relevant.“

Aufgrund der Vielzahl von Dokumenten und der verfügbaren Ressourcen wurde für diese Studie eine Recherche auf Basis der folgenden ausführlichen Wortliste gewählt:

nanoactuator?, nanoaggregate?, nanoamorphous?, nanoanaly?, nanoarchitectur?,

nanoarray?, nanobacteri?, nanoball?, nanoband?, nanobar?, nanobead?, nanobelt?,

nanobio?, nanobot?, nanobridge, nanobuildingblock?, nanocage?, nanocapillarity?,

nanocapsul?, nanocarrier?, nanocatal?, nanocavity?, nanocell?, nanoceramic?,

nanocermet?, nanochannel?, nanocharacter?, nanochem?, nanochip?, nanocluster?,

nanocoat?, nanocolloid?, nanocolumn?, nanocomposit?, nanocompound?,

nanocomputer?, nanoconduct?, nanocone?, nanoconstriction?, nanoconstruction?,

nanocontact?, nanocrack?, nanocrystal?, nanocube?, nanodeformation?,

nanodevic?, nanodiamond, nanodiffraction, nanodimension?, nanodisk?,

nanodispers?, nanodisplacement?, nanodissection?, nanodomain?, nanodot?,

6 Beispiele und Konsequenzen für die Analyse der Patentdaten werden in den weiteren Abschnitten angesprochen.

7 Im Prinzip müssten Suchworte für alle in Kapitel 3 aufgelisteten Technologien und Anwendungen mit eingeschlossen werden.

Ausführliche Suchwortlisten

Durchsicht der recherchierten Patentschriften

Recherchestrategie


nanodrop?, nanoelectr?, nanoelement?, nanoemulsion?, nanoencapsulat?,

nanoengineer?, nanoenvironment?, nanoetching?, nanofabricat?, nanofeature,

nanofiber?, nanofibr?, nanofilament?, nanofiller, nanofilm?, nanofilt?, nanofluid?,

nanofoam?, nanofriction?, nanogap?, nanogel?, nanoglass, nanograin?, nanogran?,

nanogrid?, nanogroove?, nanohardness?, nanoheterostructure?, nanohole,

nanohorn?, nanoillumin?, nanoimprint?, nanoimprint?, nanoinclusion?,

nanoindentation?, nanoionics?, nanojunction?, nanolaminate?, nanolayer?,

nanolithograph?, nanomachin?, nanomagnet?, nanomanipulat?, nanomanufactur?,

nanomap?, nanomask?, nanomaterial?, nanomatrix?, nanomechanic?,

nanomembrane?, nanomeric?, nanometal?, nanomodification?, nanomolecular?,

nanomotor?, nanomultilayer?, nanoobject?, nanooptics?, nanopartic?, nanopattern?,

nanophase?, nanophoto?, nanophysics?, nanopigment?, nanopipe?, nanopit?,

nanopolar?, nanopolyhedra?, nanopor?, nanoposition?, nanopowder?,

nanoprecipitation?, nanoprobe?, nanoprocess?, nanoreact?, nanorheology?,

nanorod?, nanoroughness?, nanoscaffolding?, nanoscale?, nanoscien?, nanoshell?,

nanosize?, nanosol?, nanosolid?, nanosource?, nanospectroscopy?, nanosphere?,

nanostring?, nanostruct?, nanosurface?, nanosuspension?, nanoswitch?,

nanosystem?, nanotech?, nanotemplate?, nanotexture?, nanotip?, nanotiter?,

nanotool?, nanotopography?, nanotribology?, nanotub?, nanotweezer, nanowear?,

nanowelding, nanowhisk?, nanowire?

nanometer(w)(accurac? or partic? or precision? or thick? or thin? or scale? or size?

or structure? or width?)

atomic (w) layer(w) (deposit? or epitax?) or molec? (w) beam (w) epitax? or mbe or metal? (w) organ (w) vapo? (w) phase (w) epitax? or movpe

Diese Liste wurde teilweise um weitere Suchbegriffe ergänzt (vgl. die Erläuterungen in den nachfolgenden Abschnitten). Die recherchiertenPatente wurden stichprobenartig auf Relevanz für die Nanotechnologiegeprüft. Eine Zuordnung zu bestimmten Branchen erfolgte über IPC-Klassen, basierend auf der OECD-Konkordanz (OECD, 1994) sowie gegebenenfalls über weitere Suchbegriffe.

Für die Patentanalyse im Rahmen der vorliegenden Studie wurde dieDatenbank WPINDEX ausgewählt. Dies bringt zwei wesentliche Vorteile gegenüber den oben zitierten Studien mit sich:

1. WPINDEX ist statistiktauglich, da die einzelnen Elemente derDatenbank jeweils komplette Patentfamilien abbilden. In anderenDatenbanken ist dies nicht der Fall, so dass es zu Mehrfachzählungenderselben Patentanmeldung kommen kann (z. B. wenn Offenlegungsschrift und Patentschrift zur gleichen Anmeldung sowieäquivalente Schriften aus derselben Familie als separate Dokumentein der Datenbank geführt werden).

2. Zu jeder Patentfamilie werden vom Datenbankanbieter eigene Kurzzusammenfassungen verfasst. Dies mildert die Auswirkungen der bei Patenten gängigen Praxis, wesentliche Schlagworte (hier z. B.

Datenbank WPINDEX

Kapitel 4 93

die Vorsilbe „nano“) in den Formulierungen absichtlich zu vermeiden.8

Ein Nachteil der Datenbank WPINDEX besteht darin, dass nicht nachErfinderadressen recherchiert werden kann. Die Zuordnung einer Patenfamilien zu einem Land erfolgte aus diesem Grunde über das Land der Erstanmeldung (Datenbankfeld PRC „priority country“).

Die Qualität dieser Zuordnung wurde anhand der Daten der Recherchezur Chemie überprüft: Bei den Top-20-Anmeldern dieser Branche stimmte das Land der Erstanmeldung mit dem Land des Sitzes der Firmenzentrale überein, und zwar lag die Übereinstimmung bei denverschiedenen Anmeldern jeweils über 85 Prozent und erreichte beieinem Drittel der Firmen 100 Prozent.

In den folgenden Abschnitten werden nun Patentstatistiken vorgestellt,die auf der Zählung von Patentfamilien basieren. Ausgewertet werden die Anmeldeländer, der zeitliche Verlauf der Anmeldungen und die thematischen Schwerpunkte. Bei den branchenspezifischen Recherchen werden zusätzlich die führenden Anmelder (Firmen) angegeben.

Abschnitt 4.2 beginnt mit einer Übersicht aller Nanotechnologiepatente, dann folgen Auswertungen zu ausgewählten Lead-Märkten: Chemie inAbschnitt 4.3, Optik in Abschnitt 4.4 und schließlich Automobiltechnikin Abschnitt 4.5.

In jedem der Abschnitte findet sich darüber hinaus eine Auswertung nach Ländern, die sich auf besonders werthaltige Patentfamilien beschränkt.Als Indikator wurden dazu solche Patentfamilien ausgewählt, bei denen wenigstens ein Patent bereits erteilt wurde9 und die Anmeldung in mehr als nur einem Land angestrebt wird.10 Dieser Indikator lässt sich gut erheben und bietet den Vorteil, relativ zeitnah signifikante Aussagen zu erlauben. Zwar lässt sich diese Form der Patentbewertung nicht monetärumrechnen, dennoch sind mit gewissen Einschränkungen Aussagen über die relative Position der verschiedenen Länder im Wettbewerb möglich.

8 Um Wettbewerbern das Auffinden von Patenten zu erschweren, sindUmschreibungen in Patentschriften üblich. So wäre es beispielsweise nicht ungewöhnlich, dass eine „Waschmaschine“ in einem Patent als „Vorrichtung zur Reinigung textiler Werkstücke“ bezeichnet wird.

9 Nach dem Datenbankfeld PK (patent kind code). 10 Nach dem Datenbankfeld CYC, Kriterium CYC > 1.

Länderzuordnung

Zählung von Patenfamilien

Besonderswerthaltige Patentfamilien


4.24.24.24.2 Patente in der Nanotechnologie insgesamtPatente in der Nanotechnologie insgesamtPatente in der Nanotechnologie insgesamtPatente in der Nanotechnologie insgesamt

Die Patente in der Nanotechnologie insgesamt wurden mit der Suchstrategie 2 anhand der in Abschnitt 4.1.3 angegebenen ausführlichenWortliste ermittelt.11 Insgesamt wurden ca. 13.000 Patentfamilien gefunden.12

Abbildung 4.2: Zeitlicher Verlauf der Patentanmeldungen in der Nanotechnologie insgesamt

Abbildung 4.2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Anmeldungen. Ein starker sprunghafter Anstieg der Anmeldungen seit dem Ende der neunzigerJahre fällt ins Auge. So hat sich die Zahl der Anmeldungen von 1997 bis 1999 und von 1999 bis 2001 jeweils mehr als verdoppelt.13

11 Datum der Recherche: 4. März 2004. 12 Im Weiteren werden die Worte Patentfamilie und Patent synonym verwendet.13 Da zwischen der Anmeldung eines Patents und dem Erscheinen der ersten

Veröffentlichung, die eine Patentdatenbank erfassen kann, oft 18 Monate vergehen, liegen für die Jahre nach 2001 derzeit noch keine vollständigen Zahlen vor, so dass diese Jahre in den Diagrammen zum zeitlichen Verlauf der Übersichtlichkeit halber nicht aufgeführt werden. In den anderen Diagrammen sind bereits verfügbare Daten aus 2002, 2003 und 2004 jedoch enthalten.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Jahr der Erstanmeldung

Zah

l der

Pat

entf

amili

en

Kapitel 4 95

Abbildung 4.3: Länderverteilung der Patentanmeldungen in der Nanotechnologie insgesamt

Die meisten Patente entfallen auf die USA, mit einer Zahl von beinahe4500, gefolgt von Japan mit 3440 Patenten und Deutschland mit ca. 1300 Patenten, vgl. Abbildung 4.3.

Überraschenderweise erscheinen dann bereits China und Korea14 mit jeweils ca. 1000 Patenten noch vor Frankreich mit ca. 500 Patenten und Großbritannien mit knapp 300 Anmeldungen. Unter den Rubriken EPO(„European Patent Office“) und WIPO („World Intellectual PropertyOrganisation“) sind Anmeldungen aufgeführt, die nicht über eines der nationalen Patentämter eingereicht wurden, sondern unmittelbar einem dieser beiden supranationalen Patentämter vorgelegt wurden.15

Es folgen Russland, Taiwan, Australien, Schweden, Italien und die Schweiz.

Bei der Bewertung dieser Rangfolge und der Einschätzung der relativen Position der führenden Länder ist Folgendes zu beachten: Nach Aussagen von Experten des EPA sollte bei Ländervergleichen die Qualität und der inhaltliche Umfang der einzelnen Patente mit berücksichtigt werden. Qualität und Umfang unterscheiden sich zwischen europäischen Anmeldungen, das heißt insbesondere auch bei deutschen

14 Die Länderbezeichnung Korea wird hier und im Folgenden synonym für die Republik Korea („Süd-Korea“) verwendet.

15 Eine nähere Länderzuordnung kann für diese Anmeldungen aufgrund der oben aufgeführten Einschränkung der Datenbank WPINDEX nicht erfolgen.

Gewichtungs-faktoren für Ländervergleiche

52

65

70

75

93

157

198

249

271

497

952

1009

1304

3440

4486

0 1000 2000 3000 4000 5000

Schweiz

Italien

Schweden

Australien

Taiwan

Russland

WIPO

EPO

Großbritannien

Frankreich

Korea

China

Deutschland

Japan

USAL

an

d d

er

Ers

tan

me

ldu

ng

Zahl der Patentfamilien


Patenten und Anmeldungen aus USA und Japan. Nach Angaben der Experten des EPA ist es demnach im Durchschnitt angemessen, eineeuropäische bzw. deutsche Anmeldung als gleichwertig mit sieben bis neun japanischen und drei bis fünf US-amerikanischen Anmeldungen zu sehen.

Unter Berücksichtigung dieser Gewichtungsfaktoren liegt Deutschlandwenigstens gleichauf mit den USA und deutlich vor Japan.

Abbildung 4.4: Verteilung der aller Nanotechnologiepatente auf die IPC-Sektionen

Abbildung 4.4 stellt die grobe thematische Verteilung der Nanotechnologiepatente anhand der Zugehörigkeit zu den acht Sektionender IPC dar. Die größte Zahl der Patente, und zwar gut ein Drittel aller Nanotechnologiepatente ist dem Sektor C „Chemie und Hüttenwesen“zuzurechnen, in diesen Sektor fällt auch die Biotechnologie. Gut ein Viertel der Nanotechnologiepatente entstammt dem Bereich der Elektrotechnik. An dritter Stelle folgen Patente aus der Sektion B „Arbeitsverfahren, Transportieren“, in diese Sektion fallen neben der gesamten Prozesstechnik auch die Oberflächen- und Beschichtungstechnologien. Auf die Sektion A „Täglicher Bedarf“entfällt etwa ein Achtel aller Nanotechnologiepatente. In dieser Sektion sind insbesondere auch die Kosmetik und Medizintechnik angesiedelt.Etwa zehn Prozent der Nanotechnologiepatente gehören zur Sektion G „Physik“. Die weiteren Sektionen zu „Textilien, Papier“, „Bauwesen;Erdbohren; Bergbau“ und „Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen“ spielen bei Nanotechnologiepatenten nur eine untergeordnete Bedeutung.

Chemie an erster Stelle

23

135

288

1314

1609

2294

3679

4736

0 1000 2000 3000 4000 5000

E - Bauwesen

F - Maschinenbau

D - Textilien

G - Physik

A - Täglicher Bedarf

B - Verfahren

H - Elektrotechnik

C - Chemie

Se

kti

on

de

r IP

C


Kapitel 4 97

Abbildung 4.5: Länderverteilung der Patentfamilien mit wenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird für die Nanotechnologie insgesamt

Abbildung 4.5 zeigt die Länderverteilung der Patentfamilien mitwenigstens einem erteilten Patent16 und diejenigen, bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird. Auch nach dieser Statistik weisen die USA die meisten Patente auf, gefolgt von Japan und Deutschland. Von diesen drei Ländern steht die Quote, d. h. die Anzahl dieser Patente, im Verhältnis zu allen Patenten (s. Abbildung 4.3), bei Japan ist sie mit weniger als 20 Prozent besonders niedrig. UnterBerücksichtigung der oben aufgeführten Gewichtungsfaktoren lägendanach wiederum USA und Deutschland etwa gleichauf.

Im Vergleich zu Abbildung 4.3 fällt daneben besonders auf, dass China in dieser Statistik nicht mehr unter den Top-15-Ländern auftaucht, nachdem es noch bei der Zählung aller Patentfamilien an vierter Stelle lag. Dabei ist allerdings auch zu berücksichtigen, dass nennenswerte Anmeldezahlen für China erst seit dem Jahr 2000 zu verzeichnen sind. Insofern wäre es möglich, dass die zeitliche Distanz für den hier

16 Suche nach den folgenden Patentartencodes :aub or ca# or cha or cha5 or chb# or cnc or dec# or dee or deg or epb# or fib1 or frb or gbb or itb or jpb# or krb# or nlc# or ruc# or sec# or usa or usb# or usc# or use#.

Besonderswerthaltige Patente

28

31

33

34

37

40

46

63

113

117

249

273

473

651

2054

0 500 1000 1500 2000 2500

Niederlande

Finnland

Kanada

Schweden

Taiwan

Australien

Italien

WIPO

Großbritannien

EPO

Korea

Frankreich

Deutschland

Japan

USAL

an

d d

er

Ers

tan

me

ldu

ng



gewählten Indikator in Bezug auf Anmeldungen aus China noch nichtausreicht.

An fünfter Stelle erscheint nun Frankreich mit einer vergleichsweise hohen Quote von 55 Prozent vor Korea mit einer Quote von lediglich ca. 25 Prozent. Danach folgen Großbritannien, Italien, Australien, Taiwan,Schweden, Kanada, Finnland und die Niederlande.

4.34.34.34.3 Nanotechnologiepatente im Bereich ChemieNanotechnologiepatente im Bereich ChemieNanotechnologiepatente im Bereich ChemieNanotechnologiepatente im Bereich Chemie

Dieser Abschnitt präsentiert die Ergebnisse der Recherche zu Nanotechnologiepatenten im Bereich Chemie.17 Die Zuordnung der Patente zum Bereich Chemie erfolgte auf Basis der OECD-Konkordanz(OECD, 1994, S. 77). Berücksichtigt wurden die Gebiete Makromolekulare Chemie und Polymere, Werkstoffe und Metallurgie,Organische Feinchemie und Grundstoffchemie.18

Abbildung 4.6: Länderverteilung der Nanotechnologiepatente im Bereich Chemie

Die meisten Patente stammen aus den USA, gefolgt von Japan, vgl.Abbildung 4.6. An dritter Stelle tauchen bereits Anmeldungen aus China auf, dann Anmeldungen aus Deutschland vor Frankreich und Korea.Neben den supranationalen Anmeldungen erscheinen noch Großbritannien und Australien unter den Top 10.

17 Datum der Recherche: 18. Juni 2003. Diese Recherche erfolgte nachRecherchestrategie 1 aus Abschnitt 4.1.3. Ein Vergleich mit Recherchestrategie 2 hat gezeigt, dass im Einzelfall Abweichungen im Bereich von 20 bis 30 Prozent auftreten. Die qualitativen Aussagen ändern sich jedoch nicht wesentlich.

18 Dies entspricht den folgenden IPC-Klassen: (c07c or c07d or c07f or c07h or c07j or c07k or c08b or c08f or c08g or c08h or c08k or c08l or c09d or c09j or c01! or c03c or c04! or c21! or b22! or a01n or c05! or c07b or c08c c09b or c09c or c09f or c09g or c09h or c09k or c10b or c10c or c10f or c10g or c10h or c10j or c10k or c10l or c10m or c11b or c11c or c11d)/ic.

37

51

87

88

177

208

542

609

728

1171

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Australien

WIPO

Großbritannien

EPO

Korea

Frankreich

Deutschland

China

Japan

USA

La

nd

de

r E

rsta

nm

eld

un

g


Kapitel 4 99

Berücksichtigt man erneut die oben angesprochenen Gewichtungsfaktoren, so liegt Deutschland knapp vor den USA unddeutlich vor Japan. Auch im Bereich Chemie fällt die hohe Zahl vonAnmeldungen insbesondere aus China, aber auch aus Korea auf.

Abbildung 4.7: Führende Anmelder von Nanotechnologiepatenten im Bereich Chemie

Die Auflistung der Top 20 Anmelder ist in Abbildung 4.7 dargestellt. Unter den zehn führenden Anmeldern sind allein fünf aus Deutschland mit BASF, Bayer, Degussa, Henkel und dem INM, Saarbrücken.

Bei der Vorstellung der Ergebnisse vor Firmenvertretern und Branchenexperten im Rahmen eines Workshops (vgl. Abschnitt 6.3)wurde deutlich, dass mit dieser Recherche nur etwa ein Drittel bis ein Viertel aller relevanten Patente gefunden wird. Gleichwohl kann man davon ausgehen, dass Verhältnisse im Groben richtig wiedergegebenwerden.

Deutsche Firmen gut positioniert

22

22

22

23

23

24

25

25

25

27

28

30

32

34

42

45

47

48

52

55

0 10 20 30 40 50 60

DOW CHEM CO

ILJIN NANOTECH CO LTD

UNIV QINGHUA

DOW CORNING CORP

UNIV FUDAN

UNIV CALIFORNIA

RHODIA INC

PPG IND OHIO INC

EASTMAN KODAK CO

OSAKA GAS CO LTD

DOKURITSU GYOSEI HOJINSANGYO GIJUTSU (JST)

HENKEL KGAA

DEGUSSA AG

L'OREAL SA

MITSUBISHI CHEM. (Kagaku)

NEC CORP

INST. NEUE MATERIALIEN GEM.GMBH

SONY CORP

BAYER AG

BASF AG

Pat

en

tan

me

lde

r



Andererseits zeigt sich an dieser Aufstellung die eingangs diskutierteSchwierigkeit, spezifische Einzeltechnologien aus der Nanotechnologiezu berücksichtigen. So hält etwa die Firma Covion nach eigenen Angaben ca. 70 Patentfamilien mit Bezug zu organischen Halbleitern, was als Technologie sicherlich zur Nanotechnologie gezählt werdenmuss. Eine Recherchestrategie, die in diesem Sinne alle Spezialanbieter ausreichend berücksichtigt, erscheint nur mit sehr hohem Aufwandrealisierbar. Insofern muss als Einschränkung genannt werden, dass die Anmeldezahlen von Firmen mit einem sehr spezifischen Profil möglicherweise nicht angemessen repräsentiert werden.

Mit diesen Einschränkungen sei als führende Anmelder aus Japan auf Sony, NEC, Kagaku, das JST und Osaka Gas hingewiesen. Als Anmelder aus Frankreich treten L’Oreal und Rhodia auf. Amerikanische Anmeldersind PPG Industries, Eastman Kodak, Dow Corning und Dow Chemicalsowie die Universität von Kalifornien. Aus China treten an führenderStelle die Universitäten Fudan und Qinghua in Erscheinung.

Abbildung 4.8: Thematische Schwerpunkte bei den Nanotechnologiepatenten im Bereich Chemie

Die thematischen Schwerpunkte sind in Abbildung 4.8 dargestellt. Die größte Anzahl von Anmeldungen stammt aus dem Bereich Werkstoffenoch vor Anmeldungen aus der Polymerchemie. Diese beiden Bereicheverzeichnen bei Betrachtung der zeitlichen Entwicklung der Anmeldezahlen auch aktuell den stärksten Anstieg. Die zeitlicheEntwicklung der Anmeldung im Bereich der Chemie insgesamt verläuft qualitativ so wie bei den Nanotechnologiepatenten insgesamt.

Beispiel Covion - Spezialanbieter nur schwer zu erfassen

315

323

921

1208

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Org. Feinchemie

Grundstoffchemie

Polymere

Werkstoffe

Te

ilth

em

en


Kapitel 4 101

Abbildung 4.9: Länderverteilung der Patentfamilien mit wenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird für die Nanotechnologiepatente im Bereich Chemie

Abbildung 4.9 zeigt die Länderverteilung der Patentfamilien mitwenigstens einem erteilten Patent19 und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird.20 In dieser Statistik weisen die USA die meisten Patente auf, gefolgt von Deutschland vor Japan. Von diesen drei Ländern weist Japan erneut die niedrigste Quote auf(Verhältnis der Anzahl dieser Patente zu allen Patenten, nach Abbildung4.6) mit weniger als 25 Prozent. Unter Berücksichtigung der obenaufgeführten Gewichtungsfaktoren lägen danach wiederum USA und Deutschland etwa gleichauf; beide jedoch deutlich vor Japan.

Im Vergleich zu Abbildung 4.6 fällt daneben besonders auf, dass China in dieser Statistik nicht mehr unter den Top-10-Anmeldeländern auftaucht, nachdem es noch bei der Zählung aller Patentfamilien an dritter Stelle lag.

An vierter Stelle erscheint nun Frankreich mit einer vergleichsweise hohen Quote von 60 Prozent vor Großbritannien, Korea, Australien und Italien. Die Quote von Korea liegt bei weniger als 25 Prozent.

4.44.44.44.4 Nanotechnologiepatente im Bereich OptikNanotechnologiepatente im Bereich OptikNanotechnologiepatente im Bereich OptikNanotechnologiepatente im Bereich Optik

Die Recherche zu Nanotechnologiepatenten im Bereich Optik erfolgtenach der Recherchestrategie 2 aus Abschnitt 4.1.3, ergänzt um diefolgenden Schlagworte, die für die gesamte Nanooptik als relevant angesehen werden:

19 Suche nach den folgenden Patentartencodes: aub or cnc or dec# or dee or deg or epb# or frb or gbb or jpb# or krb# or usa or usb# or usc# or use#.

20 Kriterium cyc>1.



Recherchestrategie Nanooptik


18

21

25

40

42

48

120

166

221

727

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Italien

Australien

WIPO

Korea

EPO

Großbritannien

Frankreich

Japan

Deutschland

USAL

an

d d

er

Ers

tan

me

ldu

ng



quantumcascad? or quantumdot? or quantumfilm? or quantumheterostructure? or

quantumpot? or quantumwell? or quantumwire?

optic?(w)near(w)field? or snom or near(w)field?(w)optic? or snim or

scanning(w)near(w)field(w)infrared

surface(w)plasmon(w)resonan?

fluorescen?(w)resonan?(w)energ?(w)transfer? or fret or single(w)molecule(w)

(spectroscop? or fluorescen?) or fluoresc?(w)correl?(w)spectrosc?

(femtosecond or ultrashort(w)pulse)(w)laser and (cut? or drill? or ablat?)

vertic?(w)cavit?(w)surfac?(w)emi?(w)laser? or vcsel

ultraprecision(w)optic?

Die Zuordnung der Patente zum Bereich Optik erfolgte in Anlehnung an die OECD-Konkordanz (OECD, 1994, S. 77). Berücksichtigt wurde derdort mit Optik bezeichnete Technologiebereich, ergänzt um bestimmteIPC-Klassen, unter anderem zur Beleuchtung und zu elektrischen Lichtquellen, zu nichtsichtbaren Wellenlängen und zur Ultrapräzisionsbearbeitung optischer Elemente.21

Abbildung 4.10: Länderverteilung der Nanotechnologiepatente im Bereich Optik

Abbildung 4.10 zeigt die Verteilung der Anmeldungen auf die Länder der Erstanmeldung.

Im Bereich der Optik stammen die meisten Nanotechnologie-anmeldungen aus Japan, noch vor den USA. Mit deutlichem Abstandfolgen Korea vor Deutschland, Großbritannien und Frankreich. Taiwan und China weisen jeweils deutlich weniger als 100 Anmeldungen auf.

21 Datum der Recherche: 24. Oktober 2003. Eingrenzung bezüglich der IPC-Klassifikation: (g02! or g03! or h01s or b24b013 or b29d011 or f21! or g01m011 or h01j or h01k or h01l033 or h05b031 or h05b033 or h05b035 or g01j)/icm.

23

36

57

60

106

138

191

251

1314

2034

0 500 1000 1500 2000 2500

WIPO

China

EPO

Taiwan

Frankreich

Großbritannien

Deutschland

Korea

USA

Japan

La

nd

de

r E

rsta

nm

eld

un

g


Kapitel 4 103

Abbildung 4.11: Führende Anmelder von Nanotechnologiepatenten im Bereich Optik

Wie Abbildung 4.11 zu entnehmen ist, wird die Liste der Anmelderentsprechend der Länderverteilung von US-amerikanischen und japanischen Firmen angeführt. Unter den Top-20-Anmeldern taucht als deutsche Firma allein Siemens auf. Weitere deutsche Firmen unter den Top 40 sind Infineon, Osram und Zeiss.

Abbildung 4.12: Thematische Schwerpunkte bei den Nanotechnologiepatenten im Bereich Optik

9

10

15

24

26

27

29

30

33

38

40

41

44

44

45

48

49

59

60

61

67

0 10 20 30 40 50 60 70 80

ZEISS (25-40)

OSRAM (25-40)

INFINEON (25-40)

SIEMENS

AGILENT

EASTMAN KODAK

TOSHIBA

HEWLETT-PACKARD

MATSUSHITA

XEROX

FURUKAWA

SAMSUNG

HITACHI

FUJITSU

CANON

SHARP

LUCENT

MOTOROLA

MITSUBISHI

NEC

AT&TP

ate

nta

nm

eld

er


31

95

114

239

389

580

891

0 200 400 600 800 1000

weitere Lichtquellen

Photographie, Lithographie, Holographie

Messtechnik/Analytik

Entladungslampen

Opt. Elemente und Geräte

Halbleiter-IR-Quellen

Laser

Te

ilth

em

en



Abbildung 4.12 zeigt die thematischen Schwerpunkte in der Nanooptik.Es zeigt sich, dass Lichtquellen insgesamt den größten Umfang haben.Die beiden größten Teilthemen sind nanooptische Laser und Halbleiter-basierte Infrarot-Quellen. An vierter Stelle folgen außerdem nochEntladungslampen. Andere optische Elemente und Geräte machen ungefähr ein Sechstel aller Anmeldung in der Nanooptik aus. Weitere Teilthemen sind die Messtechnik und Analytik sowie Photographie,Lithografie und Holografie.

Abbildung 4.13: Zeitlicher Verlauf der Anmeldungen von Nanotechnologiepatenten im Bereich Optik

Der zeitliche Verlauf der Anmeldungen ist in Abbildung 4.13 dargestellt.Hier ist ein Unterschied zu dem Verlauf der Anmeldungen in der Nanotechnologie insgesamt zu erkennen, der sich in einer ersten Spitze von Anmeldungen im Jahr 1993 zeigt. Bei der Betrachtung des zeitlichenVerlaufs der Anmeldungen in den verschiedenen Teilthemen wird deutlich, dass diese Spitze auf den Bereich der Laser und halbleiterbasierten Quellen zurückzuführen ist. Hier zeigt sich, dass mit den Quellen auf Basis von Quantenfilmen eine bestimmte Nanotechnologie schon früh - auch in wirtschaftlicher Hinsicht - wichtig geworden ist. Insofern stellt sich das Gesamtbild als eine Summe dar, die aus den Anmeldungen zu Lichtquellen auf Basis von Quantenfilmenbesteht, mit einer Spitze in den frühen neunziger Jahren und dem für die Nanotechnologie insgesamt beobachteten Trend einer allmählichenZunahme von Patenten und einem schnellen Anstieg seit dem Ende derneunziger Jahre.

Quantenfilmlaser als frühe

Anwendung

0

50

100

150

200

250

300

350

1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001


Za

hl d

er

Pa

ten

tfa

mili

en

Kapitel 4 105

Abbildung 4.14: Länderverteilung der Patentfamilien mit wenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird für die Nanotechnologiepatente im Bereich Optik

Abbildung 4.14 zeigt die Länderverteilung der Patentfamilien mitwenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird.22 In dieser Statistik rangieren die USA vor Japan. In absoluten Zahlen ist der Abstand dieser beiden Länder vor Deutschland beträchtlich, zieht man jedoch die oben diskutiertenGewichtungsfaktoren in Betracht, so erscheinen Deutschland und Japanetwa gleichauf. Der Abstand Deutschlands, aber auch von Großbritannien und Frankreich zu den USA ist dann deutlich geringer. Korea erscheint an vierter Stelle; für Korea liegt das Verhältnis der Anzahl dieser Patente zur Anzahl aller Patente (vgl. Abbildung 4.10) mit etwa 35 Prozent im Bereich Optik deutlich höher als im Durchschnitt Koreas in der Nanotechnologie insgesamt.

Lithografie mit extrem-ultraviolettem Licht

In Abbildung 4.15 ist der zeitliche Verlauf der Anmeldungen in einerspeziellen Recherche zur Lithografie mit extrem-ultraviolettem Licht (EUVL) dargestellt.23

22 Vgl. Fußnote 19 und 20. 23 Datum der Recherche: 1. Februar 2002. Suche nach:

(euv? or extreme(1w)ultraviolet?)/bi and (g03f? or h01l021?)/icm.


10

24

46

72

85

87

98

604

694

0 200 400 600 800

WIPO

Taiwan

EPO

Frankreich

Großbritannien

Korea

Deutschland

Japan

USAL

an

d d

er

Ers

tan

me

ldu

ng



Abbildung 4.15: Zeitlicher Verlauf der Patentanmeldungen im Bereich Lithografie mit extrem-ultraviolettem Licht

Hier zeigt sich deutlich ein sprunghafter Anstieg der Aktivitäten im Jahr 1998, der auf die weltweit intensivierten Anstrengungen zur Entwicklung der EUVL zurückzuführen ist.24

Abbildung 4.16: Auszug führender Anmelder im Bereich Lithografie mit extrem-ultraviolettem Licht

Bei Betrachtung der Firmen, die für Stepper bedeutend sind, zeigtAbbildung 4.16 eine deutliche Überlegenheit der Gruppe ASML-SVGL-Zeiss. Nikon weist gerade noch vor der EUVLLC einen guten Anmeldeplatz auf, während Canon nur sehr wenig Anmeldungen hat.

Dieses Beispiel der EUVL belegt, dass zur Bewertung spezieller Technologien auch spezifische Patentauswertungen erforderlich sind. So erscheint Zeiss in der allgemeinen Auswertung (vgl. Abbildung 4.11)nicht an einer herausragenden Stelle. Die sehr gute Technologiepositionin der wirtschaftlich wichtigen Technologie EUVL wird nur durch eine gezielte Recherche deutlich. Für eine vollständige Bewertung derTechnologieposition Deutschlands im Bereich der Nanooptik wärendementsprechend weitere Detailrecherchen erforderlich.

24 Die Daten für das Jahr 2001 waren zum Zeitpunkt der Recherche noch nicht vollständig.

VollständigeBewertung der

Technologieposition erfordert

Detailrecherchen

0

10

20

30

40

50

60

70

´86 ´87 ´88 ´89 ´90 ´91 ´92 ´93 ´94 ´95 ´96 ´97 ´98 ´99 ´00 ´01


Za

hl d

er

Pa

ten

tfa

mili

en

0123456789

101112

ASML SVGL/SiliconValley Group

Zeiss Nikon EUVLLC Canon

Patentanmelder (Auszug)

Za

hl d

er

Pa

ten

tfa

mili

en

Kapitel 4 107

4.54.54.54.5 Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich AutomobiltechnikAutomobiltechnikAutomobiltechnikAutomobiltechnik

In diesem Abschnitt wird die Recherche zu Nanotechnologiepatenten in der Automobiltechnik vorgestellt. Die Recherche erfolgte nach der Strategie 2 (vgl. Abschnitt 4.1.3). Es gibt in der IPC zwei Klassen; B60 und B62, die speziell dem Fahrzeugbau und den Motorfahrzeugen gewidmet sind. Die Vorrecherche zeigte jedoch, dass die Zahl vonNanotechnologiepatenten in diesen Klassen sehr gering ist. Deswegen wurde die Suche ohne Einschränkung an die IPC-Klassen ausgeführt und die Zuordnung zur Automobiltechnik über die zusätzlichen Suchbegriffe:

CAR OR VEHICL? OR AUTOMOB? OR AUTOMOT?

versucht.25 Die Titel der verbleibenden Treffermenge von 238 Patenten wurden vollständig auf Relevanz für Nanotechnologie und Automobiltechnik geprüft. Die geringe Zahl von Patenten allein deutet jedoch schon darauf hin, dass diese Recherche sicher nicht vollständig ist.

Bei der Vorstellung der Ergebnisse vor Branchenexperten im Rahmeneines Workshops (vgl. Abschnitt 6.4) wurde zu Recht auf die Unvollständigkeit dieser Recherche hingewiesen. Insbesondere wurdebetont, dass aus sehr vielen Patenten mit Relevanz für die Automobilindustrie dieser Bezug aus der Patentschrift gar nichthervorgeht. Dies betrifft insbesondere chemische Produkte, die imAutomobilbau eingesetzt werden. Wird etwa ein Nanofüllstoff verwendet, um gezielt Eigenschaften von Kunststoffen oder auch Lacken zu verbessern, die letztlich unter anderem im Automobilbereich eingesetzt werden, so wird das entsprechende Patent im Normalfalldarauf keinen Hinweis enthalten.

Letztlich spiegelt sich darin wider, dass die Automobilindustrie eher am Ende der Wertschöpfungskette steht und der Zusammenhang zu den zugrunde liegenden Basistechnologien, wie etwa der Nanotechnologie,nur über diverse Zwischenstufen besteht. Da sich dieses prinzipielleProblem jedoch nur mit sehr hohem Aufwand lösen lässt, werden dieRechercheergebnisse nichtsdestotrotz unter explizitem Verweis auf ihre sehr eingeschränkte Vollständigkeit und somit auch sehr eingeschränkteRepräsentativität in aller Kürze vorgestellt.

25 Datum der Recherche: 17. November 2003. Aufgrund des Suchbegriffs „vehicl?“ zeigte die Treffermenge einen relativ großen Anteil an Patenten aus dem Bereich Biotechnologie/Pharma, in dem Begriffe wie „drug delivery vehicle“ eine große Rolle spielen. Deswegen wurden die Suchbegriffe: drug# or gene? or agent# or protein# or enzym? ausgeschlossen.

Bezug zur Automobiltechnik geht aus der Patentschrift oft nicht hervor

Recherche-strategien



Rechercheergebnis sehr unvollständig


Abbildung 4.17: Länderverteilung von Nanotechnologiepatenten im Bereich Automobiltechnik

Abbildung 4.17 zeigt die Länderverteilung, die im Wesentlichen vergleichbare Charakteristika aufweist wie die weiter oben vorgestelltenLänderverteilungen, wobei USA, Deutschland und Japan die meistenAnmeldungen aufweisen, aber mit insgesamt deutlich niedrigerer Gesamtzahl.

Abbildung 4.18: Anmelder von Nanotechnologiepatenten im BereichAutomobiltechnik

Die in Abbildung 4.18 dargestellte Liste von Anmeldern beginnt mitFirmen aus dem Bereich Chemie. Die Firma Henkel ist beispielsweise

3

3

3

4

4

4

5

7

8

8

12

0 2 4 6 8 10 12 14

BOSCH

FORD

GENERAL MOTORS

DAIMLERCHRYSLER

DELPHI TECH INC

MAGNA INT

BASF COATINGS

RICE UNIVERSITY

INST NEUE MATERIALIEN

HENKEL

BAYER

Pa

ten

tan

me

lde

r


2

2

3

3

5

6

7

14

32

64

98

0 20 40 60 80 100 120

Kanada

Taiwan

China

WIPO

Korea

Großbritannien

EPO

Frankreich

Japan

Deutschland

USA

La

nd

de

r E

rsta

nm

eld

un

g


Kapitel 4 109

aktiv im Bereich von Klebstoffen für die Automobilindustrie. Dannfolgen mit Magna und Delphi Zulieferfirmen, bevor schließlich Autohersteller in Erscheinung treten.

Abbildung 4.19: Thematische Schwerpunkte von Nanotechnologiepatenten im Bereich Automobiltechnik

Abbildung 4.19 zeigt die thematische Verteilung in der Stichprobe nach Auswertung der Verteilung der IPC-Klassen. Neben den in Abbildung4.19 aufgeführten Themenfeldern tauchen weiterhin auf: OptischeElemente und Geräte, Prozesse zum Auftragen von Flüssigkeiten, Beschichten von und mit Metallen, physikalische und chemische Prozesse, Bearbeitung von Plastik, chemische Herstellung von Fasern sowie Fahrzeugteile, Antrieb und Fenster. Es fällt positiv auf, dass trotz des geringen Stichprobenumfangs die als wichtig betrachteten Produktgruppen und Einsatzbereiche der Nanotechnologie in der Automobiltechnik enthalten sind.

Abbildung 4.20: Zeitlicher Verlauf von Anmeldungen von Nanotechnologiepatenten im Bereich Automobiltechnik

WichtigeProduktgruppen sind vertreten

24

27

28

33

42

0 10 20 30 40 50

Schichtkörper

Anorg. Chemie (Metalle &Nichtmetalle)

Farben & Lacke, Klebstoffe

Batterien, Glühlampen, Kabel, HL

Organische makromolekulareVerbindungen

Te

ilth

em

en


0

10

20

30

40

50

60

70

1989 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001


Za

hl d

er

Pa

ten

tfa

mili

en


Auch der in Abbildung 4.20 dargestellte zeitliche Verlauf der Anmeldungen spiegelt die Position des Automobilbaus am Ende derWertschöpfungskette wider. Es ist zu sehen, dass die Entwicklung um etwa fünf Jahre gegenüber dem Verlauf in der Nanotechnologie insgesamt später einsetzt (vgl. Abbildung 4.2).

Abbildung 4.21: Länderverteilung der Patentfamilien mit wenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird für Nanotechnologiepatente im Bereich Automobiltechnik

Bei Betrachtung von Patentfamilien mit wenigstens einem erteilten Patent und bei denen die Anmeldung in mehr als einem Land angestrebt wird26 verbleiben nur die in Abbildung 4.21 dargestellten vier Länder mit mehr als fünf Anmeldungen, so dass die Fallzahlen hier zu geringwerden, um weitergehende Aussagen zu formulieren.

4.64.64.64.6 Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich Nanotechnologiepatente im Bereich Medizintechnik und LifeMedizintechnik und LifeMedizintechnik und LifeMedizintechnik und Life SSSSciencesciencesciencesciences

Die Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer(AGIT) bearbeitet als Konsortialführer im Auftrag des BMBF eine Studie zum Thema Nanotechnologie und Gesundheit. Für eine Patentauswertung zum Bereich Medizintechnik und Life Sciences seideshalb auf die bevorstehende Publikation des Abschlussberichts dieser Studie hingewiesen, die sich diesem Themenkomplex im Detail widmet.

An dieser Stelle sei nur erneut auf die generellen Schwierigkeitenbezüglich der Recherchestrategie zu Nanotechnologiepatenten hingewiesen, die sich am Beispiel der Medizintechnik und Lifesciencesgut darstellen lässt. Wie beispielsweise in der Technologieanalyse„Nanobiotechnologie II“ (Wagner, 2004) dargestellt, kommt

26 Vgl. Fußnote 19 und 20.

Eigenständige Studie zu

Nanotechnologie und Gesundheit

0 10 20 30 40 50 60

Frankreich

Japan

Deutschland

USA

La

nd

de

r E

rsta

nm

eld

un

g

Zahl Patentfamilien

Kapitel 4 111

Nanotechnologie in bestimmten Formen von Biochips zum Einsatz. Allein zu den Suchworten (dna? or bio? or protein?)(w)chip? enthält die Datenbank WPINDEX mehr als 900 Patentfamilien, von denen aber nurein Bruchteil tatsächlich der Nanobiotechnologie im eigentlichen Sinne zuzuordnen ist. Diesen Bruchteil durch Suchbegriffe genau abzubildenist jedoch enorm schwierig. An diesem Beispiel wird deutlich, dass der Versuch, die Nanotechnologie durch eine Liste von Einzeltechnologienzu beschreiben, ganz eigene Fallstricke enthält, die unter Umständendazu führen, dass die Suchergebnisse nur eine geringe Präzisionaufweisen.

4.74.74.74.7 Nanotechnologiepatente im ÜberblickNanotechnologiepatente im ÜberblickNanotechnologiepatente im ÜberblickNanotechnologiepatente im Überblick

Diese Patentauswertung belegt zunächst einmal nachdrücklich, dass die sehr dynamische Entwicklung der Nanotechnologie sich auch in denPatentameldungen wiederfindet. In den letzten fünf Jahren haben sich die jährlichen Patentanmeldungen in der Nanotechnologie etwa alle zwei Jahre verdoppelt (vgl. Abbildung 4.2).

Die oben vorgestellten Länderverteilungen zeigen, dass Deutschland in der Patentsituation der Nanotechnologie sehr gut aufgestellt ist - sowohl in der Nanotechnologie insgesamt als auch in dem zahlenmäßig wichtigsten Teilbereich der Chemie. Gerade bei den besonders werthaltigen Patenten stellt sich die Position Deutschlands als sehr gut dar. (vgl. Abbildung 4.5, 4.9). In keinem der betrachteten Lead-Märkteist ein gravierender Rückstand auf die USA oder Japan zu verzeichnen.

Bei den Diskussionen zur Patentstrategie im Bereich Nanotechnologiewurde von den Branchenexperten in den durchgeführten Workshops (vgl. Kapitel 6) darauf hingewiesen, dass die Nanotechnologie prinzipiellkeine völlig andere Patentstrategie erfordert als andere Technologiebereiche.27 Ein Spezifikum besteht allerdings darin, dass die Entwicklungszeiten von einem nanotechnologischen Grundeffekt bis zur Anwendung in bestimmten Fällen so lang sein können, dass der Patentschutz kurz nach dem Erreichen der Produktreife ausläuft.

Mit Bezug auf KMU wurde darauf hingewiesen, dass die Patentierneigung in diesen Unternehmen deutlich geringer ist als in Großunternehmen. In KMU wird gegebenenfalls bevorzugt, technologische Betriebsgeheimnisse - auch wenn sie patentierbar wären - gar nicht erst offenzulegen. Aus Kostengründen würden KMU im Zweifelsfalle beispielsweise eher Gebrauchsmuster anmelden. Eine

27 Aufgrund der Interdisziplinarität der Nanotechnologie kommen auf die Patentämter jedoch schwierige Aufgaben zu, wie von den Experten des EPA betont wurde. So ist sicherzustellen, dass die Patentanmeldungen entsprechend qualifizierten Prüfern zugeordnet werden, dies kann es erforderlich machen, einzelne Anmeldungen durch ein Team prüfen zu lassen. Auch ist zu verhindern, dass aus Unkenntnis unzulässig breit gefasste Patentansprüche akzeptiert werden.

Hohe Präzision der Recherche nur mit hohem Aufwand zu erreichen

Dynamische Entwicklung bei den Patentanmeldungen in der Nanotechnologie

Dynamische Entwicklung bei den Patentanmeldungen in der Nanotechnologie

Deutschland ist sehr gut aufgestellt

Lange Entwicklungszeiten

Patentierneigung von KMU


sinnvolle Patentstrategie für KMU könnte nach Aussage der befragtenExperten z. B. darin bestehen, eine Technologie gemeinsam mit den Hauptanwendern zu patentieren.

Abschließend soll noch einmal betont werden, was im Laufe des Kapitelsbereits an verschiedenen Beispielen (wie etwa im Abschnitt 4.4 anhandder Patente zur Lithografie mit extrem-ultraviolettem Licht in denAbbildungen 4.15 und 4.16) gezeigt wurde: Eine breit angelegte Patentrecherche wie sie hier vorgestellt wurde, eignet sich zu einerBeurteilung der generellen Patentsituation. Zur Einschätzung einzelner Firmen und spezifischer Technologien sind entsprechend detailliertePatentrecherchen erforderlich.

Wie im Abschnitt 4.1.1 dargelegt, kann die Auswertung bibliometrischerPatentindikatoren keine Abschätzung der Marktpotenziale in absolutenZahlen liefern. Es wird jedoch deutlich, dass weltweit beträchtliche Anstrengungen im Gange sind, geistiges Eigentum im Bereich der Nanotechnologie abzusichern, was darauf hindeutet, dass die Patentanmelder in diesem Bereich ein signifikantes Marktpotenzial sehen. Wie diese Auswertung gezeigt hat, ist Deutschland im internationalen Wettbewerb bezüglich der Patentsituation hervorragendaufgestellt.

Beurteilung spezifischer Technologien

erfordert spezifische Recherchen

Breit angelegte Recherche zur

Beurteilung der generellen

Patentsituation

Keine Abschätzung der

Marktpotenziale in absoluten Zahlen

113

5555 VERANKERUNG UND UMSEVERANKERUNG UND UMSEVERANKERUNG UND UMSEVERANKERUNG UND UMSETZUNG DER TZUNG DER TZUNG DER TZUNG DER NANOTECHNOLOGIE IN DNANOTECHNOLOGIE IN DNANOTECHNOLOGIE IN DNANOTECHNOLOGIE IN DEUTSCHEN UNTERNEHMENEUTSCHEN UNTERNEHMENEUTSCHEN UNTERNEHMENEUTSCHEN UNTERNEHMEN

5.15.15.15.1 Ziele der UnternehmensbefragungZiele der UnternehmensbefragungZiele der UnternehmensbefragungZiele der Unternehmensbefragung

Die Nanotechnologie wird als eine der wegweisenden Schlüsseltechno-logien der Zukunft begriffen. Die vielen Möglichkeiten der Nanotechnologie sind dabei heute bei weitem noch nicht in vollemUmfang bekannt. Vielmehr sind bisher erste Ansatzpunkte für Innovationen durch Nanotechnologie gefunden worden. Diese finden ihre Anwendung beispielsweise in den Carbon Nanotubes, in den Leseköpfenvon Computer-Festplatten oder in Biochips. Das Interessante an der Na- notechnologie ist dabei, dass sie nicht einfach eine kleinere Skalierungals die Mikrotechnologien darstellt, sondern mit den weiteren Verkleine-rungen auch vielfach neue physikalische, chemische und/oder biologi-sche Eigenschaften auftreten, die die Potenziale für völlig neue Lösungs-ansätze in der wirtschaftlichen Nutzung aufweisen.

Ziele der schriftlichen Unternehmsbefragung sind vor diesem Hinter-grund eine solide Identifikation und eine (erste) Bewertung der wirt-schaftlichen Potenziale der Nanotechnologie für den Standort Deutsch-land. Zentrale Fragestellungen der Unternehmensbefragung sind unteranderem: Wo wird die Nanotechnologie bereits heute verwandt, welcheWachstumschancen wird der Nanotechnologie in den nächsten Jahrendurch die wirtschaftlichen Akteure eingeräumt und schließlich, welcheBeziehungen zwischen wirtschaftlichen Akteuren bestehen bereits heute in der Nanotechnologie. Um eine Operationalisierung der Fragestellun-gen zu erreichen, wurde der gesamten Unternehmensbefragung eine ein-heitliche Definition von Nanotechnologie zugrunde gelegt (dazu ausführ-lich Kapitel 2). Diese lautet:

Als Nanotechnologie verstehen wir hier:

a) alle Produkte, die mindestens eine funktionelle Komponente mit einer

kontrollierten geometrischen Abmessung unterhalb von 100 Nanome-

tern in mindestens einer Richtungsdimension besitzen, wodurch phy-

sikalische, chemische oder biologische Effekte nutzbar werden, die

oberhalb dieser kritischen Abmessung nicht auftreten und

b) analytisches und/oder verfahrenstechnisches Equipment, das für die

kontrollierte Herstellung, Positionierung und Vermessung von unter

a) genannten funktionellen Komponenten erforderlich ist.

Bei den aufgeführten Fragestellungen wird deutlich, dass es weniger um die Erhebung zukünftiger Forschungsergebnisse in der Grundlagenfor-schung geht als vielmehr um die Frage nach den Diffusionschancen des vorhandenen Grundlagenwissens in die Forschung und Entwicklung inden Unternehmen und deren Umsetzung in wirtschaftliche Anwendun-

Neue Lösungsansät-ze in der wirt-schaftlichenNutzung

Ziel: solide Identi-fikation

Definition


gen. Den Erkenntnisgegenstand nimmt damit nicht die Forschung, son-dern die marktliche Nutzung der Nanotechnologie ein.

5.25.25.25.2 Anmerkungen zur Vorgehensweise Anmerkungen zur Vorgehensweise Anmerkungen zur Vorgehensweise Anmerkungen zur Vorgehensweise

Bei der Gestaltung und Auswahl der Fragen im Fragebogen wurde daraufgeachtet, dass jeweils drei Zeitpunkte in Bezug auf die Nanotechnologieabgefragt wurden:

• Das Verhalten der Unternehmen in der Vergangenheit

• Das gegenwärtige Vorgehen der Unternehmen

• Die strategische Zukunftsausrichtung der Unternehmen

Im Design der Fragen wurden des Weiteren auch die Schwerpunkte der eigenen Aktivitäten in FuE und im Produktangebot sowie die Netzwerk-verbindungen in der Zulieferung von nanotechnologischen Komponentenwie auch die Zulieferung von solchen Komponenten abgefragt (vgl. den Fragebogen im Anhang).

In der quantitativen Untersuchung wurden von den beteiligten Partnerndes Projektes Adressen gesammelt. Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologienzentrum GmbH lieferte 509 ausgewählte Adressenvon Unternehmen in Deutschland, die eindeutig der Nanotechnologiezuzuordnen waren. Ein Abgleich mit verschiedenen neueren Publikatio-nen ergab, dass in dem Adressenmaterial alle von anderen aufgeführtenUnternehmen, die sich mit Nanotechnologie beschäftigen, enthalten sind. Insbesondere der Abgleich mit dem Datenbestand der Deutschen BankAG ergab, dass die 78 von der Deutschen Bank AG der Nanotechnologiezugerechneten Unternehmen vollständig in dem VDI TZ ZTC-Materialenthalten sind. Für zahlreiche Firmen, insbesondere Großunternehmen,lagen mehrere Adressen vor. Insgesamt wurden für 25 Unternehmen 73 Adressen geliefert; allein die Firma Siemens AG weist acht Adressen auf. Die Untersuchung sollte sich zielgemäß nur auf Unternehmen beziehen.Wissenschaftliche Institute wurden somit nicht einbezogen.

Zusätzlich wurden von der Deutschen Bank 291 Adressen beigesteuert. Dabei handelt es sich um Adressen von Unternehmen, die in der Mikro-systemtechnologie (MST) an der Schnittstelle zur Nanotechnologie aktiv sind. Auch bei diesem Material ist die Zahl der Adressen höher als die Zahl der Unternehmen: Für 13 Unternehmen werden jeweils zwei Adres-sen genannt. In diesem Ausgangsmaterial werden etwa zehn Ingenieurbü-ros aufgeführt, die wie die Wissenschaftlichen Institute nicht zu der Ziel-gruppe der Fragebogenaktion zu zählen sind.

Somit ist insgesamt statt von 800 Adressen eher von 700 Unternehmen-adressen auszugehen, die im Bereich Nanotechnologie tätig sein könnten,wobei unterstellt wird, dass das bei den etwa 270 Unternehmenadressender Deutschen Bank AG der Fall ist. Würde dieses Adressenmaterialnicht berücksichtigt, so umfasste das Ausgangsmaterial etwa 450 Adres-

Auswahl der befragten Unternehmen

Kapitel 5 115

sen von Unternehmen, bei denen im Nanobereich Aktivitäten feststehenoder zumindest stark vermutet werden.

Es wurden insgesamt 800 Fragebögen versendet. Nach Ablauf der ge-setzten Abgabefrist sind insgesamt etwa 70 Fragebögen ausgefüllt zu-rückgesendet worden, und zwar erfolgte der Rücklauf fast ausschließlichvon Adressen aus dem VDI TZ ZTC-Bestand. Aus dem MST-Adressmaterial ergab sich zu der Zeit lediglich ein Rücklauf von fünf ausgefüllten Fragebogen. In dieser ersten Runde reagierten immerhin 26 Unternehmen, die keinen ausgefüllten Fragebogen gesendet hatten, mit einer Begründung, warum sie keinen Fragebogen zurückgesendet hatten.18 von den 26 begründeten ihre Nichtbeantwortung damit, dass sie nicht im Bereich der Nanotechnologie tätig seien, davon 15 aus dem Adres-senmaterial von VDI TZ ZTC.

Nach einer telefonischen und elektronischen Nachfassaktion erhöhte sich der Rücklauf schließlich auf 107 ausgefüllte Fragebogen, wobei zwei Fragebögen wegen allzu später Zusendung nicht mehr in die quantitativeAuswertung gelangten.

Je nach zugrunde gelegter Zahl für das Ausgangsmaterial und der Wer-tung des Rücklaufs ergeben sich unterschiedliche Rücklaufquoten. Die Spanne reicht von 13,1 für 105 ausgefüllte und verarbeitete Fragebögen,bezogen auf 800 versendete Fragebögen, über 15,0 (700 Unternehmens-adressen) bzw. 23,3 (ca. 450 im Nanobereich tätige Unternehmen) bis zu 27,1 für 122 (107 plus 15 „keine Aktivität im Nanobereich“), bezogenauf die ca. 450 Unternehmensadressen des VDI TZ ZTC Ausgangsmate-rials. In jedem Fall reicht jedoch die Rücklaufquote aus, um durch eine quantitative Bearbeitung zu abgesicherten repräsentativen Aussagen zu kommen.

Die Auswertung der Rückläufe erfolgte mit dem Programm SPSS unddie entsprechenden Korrelationen wurden ebenfalls mit SPSS berechnet.

5.35.35.35.3 Strukturdaten zu den UnternehmenStrukturdaten zu den UnternehmenStrukturdaten zu den UnternehmenStrukturdaten zu den Unternehmen

Um sich ein Bild von der Stichprobe bilden zu können ist es sinnvoll,zunächst einige Informationen zur Zusammensetzung der erhobenen Un-ternehmen zu sammeln. Hierbei zeigt sich, dass mit etwa 70 Prozent ein Großteil der erhobenen Unternehmen im Zeitraum von 1980-2002 ge-gründet wurde.

Rücklaufquote

Ca. 450 Unterneh-men insgesamt


Abbildung 5.1: Zeitpunkt der Unternehmensgründung der befragtenUnternehmen

Im Bereich der Nanotechnologie fand offensichtlich in den neunziger Jahren eine starke Gründungswelle statt. Dies darf aber nicht mit der wirtschaftlichen Kraft der Unternehmen verwechselt werden. Unter den vor 1980 gegründeten Unternehmen zählen wirtschaftlich in der Nano-technologie starke Unternehmen wie z. B. Bosch und Siemens. Auch bei den jüngeren Unternehmen sagt der Gründungszeitpunkt nichts über die wirtschaftliche Kraft aus.

Ein interessantes Kriterium für die wirtschaftlichen Potenziale der erho-benen Unternehmen bildet auch die Frage nach der wirtschaftlichen Ei-genständigkeit. Hier geht es vor allem darum, ob das betrachtete Unter-nehmen eigenständig am Standort agieren kann oder ob es sich um eine „verlängerte Werkbank“ eines ausländischen Unternehmens handelt. Die Untersuchung zeigt, dass 71 Prozent der Unternehmen wirtschaftlicheigenständig sind und somit auch am Standort Deutschland die strategi-schen Weichenstellungen vornehmen können.

Gründungswelle in den neunziger

Jahren

Wirtschaftliche Ei-genständigkeit der

Unternehmen

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

vor1900

1900 -1939

1940 -1949

1950 -1959

1960 -1969

1970 -1979

1980 -1989

1990 -1999

2000 -2002

Unternehmensgründung

Kapitel 5 117

Abbildung 5.2: Wirtschaftliche Eigenständigkeit der befragten Unternehmen

Gleichzeitig zeigt die Untersuchung, dass sich von den verbleibenden 29 Prozent über 82 Prozent in den Händen deutscher und nur sieben Prozentin den Händen außereuropäischer Anteilseigner befinden.

Abbildung 5.3 Sitz des Anteilseigners

Im Rahmen der Unternehmen mit Anteilseignern sind bei etwa 15 Pro-zent der Unternehmen Risikokapitalgeber vertreten. Hierbei handelt es sich also um Beteiligungen, die nicht primär aus firmenspezifisch ge-schäftstrategischen, sondern rein aus finanzwirtschaftlichen Gründen zu betrachten sind.

Wirtschaftliche Eigenständigkeit des Unternehmens

eigenständig71%

nicht eigenständig

29%

Sitz des Anteilseigners

Deutschland82%

Europäische Union11%

Ausland (ohne EU)7%


Abbildung 5.4: Anteil der Risikokapitalgeber

Entsprechend verdeutlicht Abbildung 5.4 auch, dass die Mehrheitsbetei-ligung von über 50 Prozent mit zwei Prozent die absolute Ausnahme bildet. Das Gros der Beteiligungen liegt zwischen 25 und 50 Prozent.

Neben der wirtschaftlichen Aufstellung der Unternehmen ist auch die Frage der Schwerpunkte der Geschäftstätigkeit ein Indikator über die Ausrichtung der Unternehmen. Hier zeigt sich, in welchen Feldern Nano-technologie heute bereits als relevante Technologie angesehen wird. Dem liegt die Hypothese zugrunde, dass die Mehrzahl der Unternehmen in den Feldern forschen und entwickeln, in denen sich ihre angestammten Märk-te befinden.

Abbildung 5.5: Schwerpunkt der Geschäftstätigkeit

Geschäftstätigkeit

Anzahl der Unternehmen0 5 1 0 15 2 0 25 3 0

Sonstige

W erkzeug masc hine nbau

Hers te llun g von n achr ich tentech nisc hen G eräten

Hers tel lung v on mediz intech nisc hen G eräten

Hers tel lung von industr ie lle n Prozess s teuerung sanlagen

Me taller zeugun g, -bearbeitung

Gla s- und Keramikgew erbe

Hers t ellu ng von Kraf tw ag en und Kraf tw ag enteilen

Maschinenba u ohne We rkzeug masc hine n und Hau shalt sgeräte

Hers tel lun g ele ktronischer Baue lemente

w issen schaf tliche F orschung seinr ichtung en und Ins ti tute

tech nisch e, phys ikalis che un d chemisc he Untersuc hung

Hers tel lun g von o ptisc hen G eräten

Hers te llu ng von Mess -, Ko ntroll-, Na v igations- Ins trume nten

Chemische Indu s tr ie

S ch w e rp u n k t d e r G e sc h ä fts tä tig ke it

A n zah l d e r Un te rn e h m en

Risikokapitalgeber

nein

85%ja

15 % 25 - 50 %

unter 25 %

51 - 75 %

Beteiligung vonRisikokapitalgebern

Anteil derRisikokapitalgeber

4 %

9 %

2 %

Kapitel 5 119

Bei der Auswertung der Geschäftsfelder zeigt sich, dass vor allem in der chemischen Industrie und der Herstellung von Mess-, Kontroll- und Na-vigationsinstrumenten die in der Nanotechnologie engagierten Unter-nehmen ihre Märkte haben. Dies deckt sich durchaus auch mit Ergebnis-sen anderer Studien.

Die Nanotechnologie als relativ junges Technologiefeld wird sowohl in Deutschland und Europa als auch in Asien und den USA als Zukunfts-technologie angesehen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Fragenach der Ansiedlung der primären Kunden der Unternehmen im globalen Kontext. Hier zeigt sich, dass insgesamt ein Großteil des gesamten Um-satzes1 der betrachteten Firmen in Deutschland getätigt wird, gefolgt vonEuropa ohne Deutschland und den USA. Asien und insbesondere Japanspielen für die Unternehmen in der Stichprobe eine untergeordnete Rolle.

Abbildung 5.6: Verteilung der Kunden der befragten Unternehmen

Wichtige Informationen liefert der Zusammenhang zwischen der Ansied-lung der primären Kunden und dem Schwerpunkt der Geschäftsaktivitä-ten. Hierbei zeigt sich, dass in den Bereichen Metallerzeugung und -bearbeitung, im Werkzeugmaschinenbau, in der Herstellung medizin-technischer Geräte, der Mess-, Kontroll- und Navigationsinstrumente und bei den technischen, physikalischen und chemischen Untersuchungen ein Anteil von über 50 Prozent der Kunden in Deutschland ansässig sind.

Im Geschäftsfeld der chemischen Industrie, des Glas- und Keramikge-werbes, des Maschinenbaus (ohne Werkzeugmaschinen und Haushaltsge-räte) liegt der Anteil der deutschen Kunden bei annähernd 50 Prozent. Die restlichen Geschäftsfelder weisen höhere Anteile ausländischer Kun-den auf, wobei insbesondere bei der Herstellung industrieller Prozess-steuerungsanlagen (50 Prozent), im Maschinenbau und in der Herstellung mediztechnischer Geräte (jeweils 22 Prozent) sowie in der Herstellung

1 Umsatz inklusive und exklusive der nanotechnologischen Produkte.

Verteilung der Kunden

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Deutschland EU (ohne D) USA Japan Asien

Verteilung der Kunden

81 - 100 %

61 - 80 %

41 - 60 %

21 - 40 %

1 - 20 %

Kunden


elektronischer Bauelemente (20 Prozent) den asiatischen Kunden ein großes Gewicht zukommt.

Demgegenüber sind die stärksten Kundenkontakte zu den USA vor allem im Geschäftsfeld der Herstellung industrieller Produktionsanlagen und in der Herstellung elektronischer Bauelemente (jeweils 26 Prozent) sowie der chemischen Industrie (jeweils 25 Prozent) anzutreffen.

Eine abschließende Beschreibung der in der Stichprobe enthaltenen Un-ternehmen kann durch die Umsatzverteilung und die Anzahl der Mitar-beiter gewonnen werden.

Beim Unternehmensumsatz lässt sich die hohe Anzahl der Neugründun-gen bereits vermuten. Etwa 32 Prozent der Unternehmen in der Stichpro-be weisen 2001 einen Umsatz von bis zu zwei Millionen Euro auf. Wei-tere knapp 20 Prozent der Unternehmen liegen zwischen zwei und zehn Millionen Euro. Allerdings gibt es auch etwa 30 Prozent der Unterneh-men in der Stichprobe, die einen Umsatz von über 50 Mio. EUR ange-ben.

Abbildung 5.7: Unternehmensumsatz im Geschäftsjahr 2001

Unternehmens-umsatz und Neu-

gründungen

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

bis 2 Mio. € 2 bis 10 Mio. € 10 bis 50 Mio. € über 50 Mio €

Unternehmensumsatz im Geschäftsjahr 2001

Umsatz

Anteil derUnternehmen

Kapitel 5 121

Noch deutlicher wird der Anteil der KMU an der Stichprobe bei der Auswertung der Mitarbeiterzahlen. Etwa 35 Prozent der Unternehmenhaben bis zu 20 Mitarbeiter. Bei insgesamt knapp 68 Prozent der Unter-nehmen, die an der Befragung teilnahmen, ist die EU-Definition für ein KMU2 mit bis zu 250 Mitarbeitern noch erfüllt.

Abbildung 5.8: Anzahl der Mitarbeiter im Unternehmen

Bei der Stichprobe wurde überwiegend für das gesamte Unternehmen der Fragebogen erhoben (75 Prozent). Lediglich ein kleinerer Teil beantwor-tete die Fragen für einen Unternehmensteil (zehn Prozent) bzw. für eine Stabsstelle (15 Prozent).

5.45.45.45.4 Die heutige Bedeutung der NanotechnDie heutige Bedeutung der NanotechnDie heutige Bedeutung der NanotechnDie heutige Bedeutung der Nanotechnoooologie logielogielogie

In der Befragung wurde der Frage nachgegangen, ab wann und in wel-cher Form sich die Unternehmen mit der Nanotechnologie befassen.Hierbei zeigte sich, dass der häufigste Startpunkt für die Nanotechnolo-gie im Zeitraum von 1996 bis 2000 zu sehen ist. In diesem Zeitraum ha-ben sowohl die Beobachtung der nanotechnologischen Szene als aucheigene FuE-Arbeiten und die Nutzung der Nanotechnologie in Produktenihren stärksten Zuwachs erlebt. In diesen Zeitraum fallen z. B. auch die vom BMBF initiierten Diskussionen über marktrelevante Bezüge (1996)und die Einrichtung der Kompetenzzentren (1998) für den Bereich Nano-technologie mit öffentlicher Förderung.

2 Nach der Definition der EU werden als Unternehmen bezeichnet, wenn sie bis zu 250

Mitarbeiter und bis zu 50 Mio. Umsatz pro Jahr haben.

KMU

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

bis 20 21 bis 100 101 bis250

251 bis500

501 bis1000

1000 bis5000

5000 undmehr

Anzahl der Mitarbeiter im UnternehmenAnteil derUnternehmen

Mitarbeiter


Abbildung 5.9: Auseinandersetzung mit Nanotechnologie

Noch deutlicher wird das Bild, wenn die Entwicklungen über die Jahreüber die verschiedenen Aktivitäten betrachtet werden. Die Auswertung der Aktivitäten zeigt deutlich die über den Zeitablauf stattfindende Ver-schiebung der Aktivitäten von der Beobachtung hin zu den Umsetzun-gen.

Diese Tendenz belegt auch die Umsatzentwicklung seit 1996. Im Ver-gleich des Umsatzes mit Produkten mit Nanotechnologieanteilen zwi-schen 1996 und 2001 fällt auf, dass in allen Umsatzklassen der Umsatz 2001 den Umsatz des Jahres 1996 übertroffen hat. Darüber hinaus wird bei der Auswertung auch deutlich, dass die Zahl sowohl solcher Unter-nehmen, die erste Umsätze mit Produkten mit Nanotechnologieanteilenerzielen, als auch der Unternehmen, die ihren gesamten Umsatz mit Pro-dukten mit Nanotechnologieanteilen machen, deutlich gestiegen ist.

Großer Bedeu-tungszuwachs seit

Mitte der neunziger Jahre

Auseinandersetzung mit Nanotechnologie

0

10

20

30

40

50

60

vor 1990 1990 - 1995 1996 - 2000 seit 2001

Beobachten der Szene

eigene F+E Arbeiten

Nutzung in Produkten

Anzahl der Unternehmen

Kapitel 5 123

Abbildung 5.10: Nanotechnologiebezogener Umsatzanteil

Um die Umsatzzahlen bewerten zu können ist es sinnvoll, die Umsatz-zahlen in zwei Kategorien zu unterteilen:

• Umsätze mit der Herstellung von nanotechnologischen Produkten

• Umsätze mit Produkten, in denen Nanotechnologie verwendet wird.

Hierbei ist hervorzuheben, dass sich 66 Prozent der Unternehmen als Hersteller und etwa 29 Prozent als reine Anwender von nanotechnologi-schen Produkten bezeichnen.3 Dies lässt erste Rückschlüsse auf die Dif-fusion von nanotechnologischem Wissen zu. Offensichtlich ist die Grup-pe der reinen Anwender von nanotechnologischen Vorprodukten bishernoch begrenzt, während die aktive Herstellung solcher Komponentenbereits ein gewisses Maß erreicht hat. Dieses Muster ist für einen Diffu-sionsprozess typisch. Entsprechend ist es ein gutes Zeichen für eine statt-findende Diffusion, dass sich die Zahl der Anwender, die reine Marktbe-obachter sind und keinen Umsatz mit nanotechnologischen Vorproduktenerzielen, von 1996 mit 71 Prozent auf 2001 mit 25 Prozent reduziert hat. Die Zahl der aktiven Marktteilnehmer hat sich demnach also erhöht. Dies zeigt auch eine Korrelationsrechnung zwischen Umsatzanteil und Vor-produkten.

Betrachtet man die Wirtschaftsräume, aus denen die jeweiligen nano-technologischen Vorprodukte bezogen werden, so bildet der deutscheWirtschaftsraum immer noch den größten Zulieferermarkt. Europa ohneDeutschland und die USA folgen als nächste Zulieferermärkte.

3 5 Prozent haben keine Aussage getroffen.

Zahl der aktiven Marktteilnehmer hat sich erhöht

Nanotechnologiebezogener Umsatzanteil

02468

1012141618202224262830

bis 10%

20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

1996

2001

Anteil amGesamtumsatz des Unternehmens

AnzahlderUnter-nehmen


Abbildung 5.11: Bezug von Nanotechnologieprodukten

Eine Beschreibung der Schwerpunkte bei den Geschäftsfeldern der Un-ternehmen wurde im Kapitel 5.3 vorgenommen. Interessant ist die Korre-lation dieser Schwerpunkte mit den Schwerpunkten in den Aktivitäten der Unternehmen, in denen der Nanotechnologie eine zentrale Rolle heu-te zukommt. So wurde die Frage nach der Relevanz von Anwendungsfel-dern wie folgt beantwortet:

Abbildung 5.12: Ausprägungen der heutigen Anwendungsfelder

Auch hier liegen Chemie, Werkstoffe und Verfahrenstechnik an der Spit-ze, gefolgt von der Medizintechnik/Gesundheit und IuK. Dies kanndurchaus als Beleg dafür angesehen werden, dass die Firmen in der Na-notechnologie in den Bereichen agieren, die auch ohne nanotechnologi-sche Komponenten ihre Kernkompetenz bilden.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Lebensmittel / -verarbeitung

Weiße und braune Ware

Umwelt (incl. Recycling)

Baugewerbe

Energie (-versorgung)

Kosmetik

Maschinenbau

Transport und Verkehr

Messtechnik

Information und Kommunikation

Medizintechnik / Gesundheit

Chemie / Werkstoffe / Verfahrenstechnik

Anwendungsfelder

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Deutschland Europa (ohne D) USA Japan Asien (ohneJapan)

Bezug von Nanotechnologieprodukten

unter 20 %

20 % - 39 %

40 % - 59 %

60 % - 79 %

80 % - 100 %


Kapitel 5 125

Dies wird deutlich, wenn die Frage nach den Konkurrenten in den An-wendungsfeldern gestellt wird. Hier zeigt sich offensichtlich, dass im Bereich der Chemie die zentralen Konkurrenten in Deutschland und den USA vermutet werden. Demgegenüber sehen die Akteure in der Medi-zintechnik/Gesundheit, in der IuK und der Messtechnik ihre Konkurren-ten vor allem nur in den USA.

Abbildung 5.13: Anteil der deutschen Konkurrenten im Anwendungsfeld (V15 mit V18)

InternationaleKonkurrenz

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20






Kosmetik

Maschinenbau

Baugewerbe



Messtechnik



Deutsche Konkurrenten in den Anwendungsfeldern


Abbildung 5.14: Anteil der europäischen Konkurrenten ohne Deutschland im Anwendungsfeld

Abbildung 5.15: Anteil der amerikanischen Konkurrenten im Anwendungsfeld

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10





Maschinenbau



Kosmetik

Baugewerbe

Messtechnik




Europäische Konkurrenten in den Anwendungsfeldern

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20


Baugewerbe






Maschinenbau

Kosmetik

Messtechnik




Amerikanische Konkurrenten in den Anwendungsfeldern

Kapitel 5 127

Abbildung 5.16: Anteil der japanischen Konkurrenten im Anwendungsfeld

Abbildung 5.17: Anteil der asiatischen Konkurrenten ohne Japan im Anwendungsfeld

Dies vermag erste Schlüsse auf die Entwicklung der Diffusion in den Triadeländern zu zulassen. Hier scheint sich ein typisches Muster wieder einzustellen. Während die Auswertung des Bezugs der Vorprodukte dar-auf hindeutet, dass Deutschland in der Forschung einen guten Stand er-reicht hat, scheinen die Firmen in den USA in der Umsetzung der For-schungsergebnisse in Produkte schneller zu sein (z. B. im Bereich IuK). Interessant ist aber auch, dass sowohl Japan als auch der Rest Asiens in

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10



Baugewerbe




Maschinenbau

Kosmetik



Messtechnik



Japanische Konkurrenten in den Anwendungsfeldern

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


Baugewerbe




Kosmetik

Maschinenbau





Messtechnik


Asiatische Konkurrenten in den Anwendungsfeldern


der Nanotechnologiediffusion derzeit kaum als Konkurrent angesehenwird.

Dieses Ergebnis wird ein Stück weit durch die Auswertung der Einschät-zung über die Stärke potenzieller Konkurrenten und FuE und marktlicherUmsetzung bestätigt. Hier zeigt sich gerade in der FuE, dass Asien ohne Japan, Japan und Europa ohne Deutschland den USA und Deutschlandhinterher hinken. Jedoch äußern die Befragten, dass in der Umsetzungder Nanotechnologie in Produkte die USA und Japan besser agieren als Deutschland.

Abbildung 5.18: Wahrnehmung der Forschungsstärke im internationalen Vergleich

Abbildung 5.19: Wahrnehmung der Vermarktungsstärke im internationalen Vergleich

Dies zeigt sich ebenfalls bei der Auswertung der Frage nach den stärks-ten Wettbewerbern.

Forschung und Um-setzung im interna-tionalen Vergleich

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Asien (ohne Japan)

Japan

USA

Europa (ohne D)

Deutschland

Vergleich der Forschung

Bewertungmangelhaftsehr gut

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Asien (ohne Japan)

Japan

USA

Europa (ohne D)

Deutschland

Vergleich der kommerziellen Umsetzung

Bewertung mangelhaftsehr gut

Kapitel 5 129

Abbildung 5.20: Firmensitz der stärksten Wettbewerber im Vergleich

Im Folgenden wird analysiert, welchen Stellenwert deutsche Unterneh-men der Nanotechnologie beimessen. Bei der Auswertung wird deutlich,dass die Unternehmen in der Stichprobe der Nanotechnologie vor allem wirtschaftliche Chancen einräumen und sie weniger als technologische„Spielwiese“ betrachten. So sehen über 75 Prozent der Unternehmen die Chance, dass die Nanotechnologie ihnen neue Märkte erschließen kann. Über 60 Prozent der Unternehmen sehen in der Nanotechnologie einenentscheidenden Wettbewerbsfaktor bzw. die Chance, die technologischeWettbewerbsfähigkeit zu verbessern.

Nanotechnologie keine technologi-sche „Spielwiese“

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

Asien (ohne Japan)

Sonstige

Europa (ohne D)

Japan

Deutschland

USA

Firmensitz der stärksten Wettbewerber


Abbildung 5.21: Einschätzung der Nanotechnologierelevanz bezüglich des Know-hows des Unternehmens

Abbildung 5.22: Einschätzung der Nanotechnologierelevanz bezüglich der Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

1 2 3 4 5

NT-Know-how als entscheidender Wettbewerbsfaktor

trifft zu trifft nicht zuEinschätzung

0%

10%

20%

30%

40%

50%

1 2 3 4 5

NT verbessert die technologische Wettbewerbsfähigkeit


Kapitel 5 131

Abbildung 5.23: Einschätzung der Nanotechnologierelevanz bezüglich der Erschließung neuer Märkte des Unternehmens

Demgegenüber lehnen die Unternehmen die Aussagen, die Nanotechno-logie bilde ein neues Experimentierfeld, ebenso ab wie in abgeschwäch-ter Form auch die Aussage, dass die Technologiekompetenz abgerundetwürde.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

1 2 3 4 5

NT kann völlig neue Märkte erschließen



Abbildung 5.24: Einschätzung der Nanotechnologierelevanz bezüglich der Technologiekompetenz des Unternehmens und der Einstellung zur Rolle im Unternehmen

5.55.55.55.5 Zukünftige Entwicklungen in der Zukünftige Entwicklungen in der Zukünftige Entwicklungen in der Zukünftige Entwicklungen in der NanotechnolNanotechnolNanotechnolNanotechnoloooogie giegiegie

Die Perspektiven der Nanotechnologie werden mehrheitlich von denUnternehmen positiv bewertet. So wollen fast 90 Prozent der Unterneh-

0%

10%

20%

30%

40%

50%

1 2 3 4 5

NT als ein neues Experimentierfeld


0%

10%

20%

30%

40%

50%

1 2 3 4 5

NT rundet Technologiekompetenz ab


Kapitel 5 133

men ihre Aktivitäten in der Nanotechnologie verstärken, davon sogar fast 30 Prozent erheblich.

Abbildung 5.25: Entwicklung der Nanotechnologieaktivitäten

Dies geht einher mit einem Anstieg auch in der Beschäftigung. Nur 18 Prozent der befragten Unternehmen sehen keinen wachsenden Personal-bedarf für ihre nanotechnologischen Aktivitäten. Die restlichen Unter-nehmen rechnen mit einem wachsenden Bedarf an Mitarbeitern.

Abbildung 5.26: Anstieg des Personaleinsatzes in Nanotechnologie im Unternehmen

Hierbei zeigt sich auch, dass vor allem die kleineren und die sehr großen Unternehmen ein Wachstum bei den Mitarbeitern erwarten. Die folgendeKreuztabelle 5.1 gibt die Ergebnisse für diesen Zusammenhang wieder.

Wachsender Personalbedarf

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

erheblichverstärken

verstärken gleichbleibend

Entwicklung der Aktivitäten im Bereich Nanotechnologie

Steigerungsquote des Personaleinsatzes bis 2006

Steigerung 10 - 20 %;

26%

Steigerung 21 - 50 %; 16%

Steigerung 51 - 75 %;

4%

Steigerung 76 - 100 %; 4%

Steigerung 101 - 200 %; 8%

Steigerung übe r 200 %;

9%

keine Steigerung; 18%

Steigerung unter 10 %; 14%


Welchen Umsatz erwirt-schaftete Ihr Unterneh-men im Geschäftsjahr2001?

Personalsteigerung: Rechnen Sie mit einer Steigerung Ihres Personaleinsatzes im Bereich Nanotechnologie bis 2006?

Gesamt

ja nein

Bis 2 Mio. EUR 28 7 35

2 bis 10 Mio. EUR 16 4 20

10 bis 50 Mio. EUR 8 3 11

Über 50 Mio EUR 26 5 31

Gesamt 78 19 97

Tabelle 5.1: Welchen Umsatz erwirtschaftete Ihr Unternehmen im Geschäftsjahr 2001? Personalsteigerung: Rechnen Sie mit einer Steigerung Ihres Perso-naleinsatzes im Bereich Nanotechnologie bis 2006?

Bei der Suche nach den Märkten der Nanotechnologie von morgen wurdenicht direkt nach Produkten gefragt. Diese Frage hätten die Unternehmenfür den anvisierten Zeitpunkt 2006 wohl kaum beantworten können. Ent-sprechend hat sich die Untersuchung auf die Erhebung von im Jahr 2006 relevanten Anwendungsfeldern konzentriert. Um ein Ranking der Ant-worten zu erhalten, wurden die Befragten gebeten, drei Prioritäten in der Relevanz zukünftiger Anwendungsfelder vorzunehmen, um somit eineRangreihe bilden zu können.

Abbildung 5.27: Zukünftige Wichtigkeit der Anwendungsfelder

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60


Lebensmittel / -verarbe itung

Baugewerbe


Kosmetik


Maschinenbau



Messtechnik




Zukünftige Wichtigkeit der Anwendungsfelder

höchste Priorität

zweithöchste Priorität

dritthöchste Priorität

Kapitel 5 135

Bei dem Ranking zeigt sich, dass den Anwendungsfeldern IuK, Che-mie/Werkstoffe/Verfahrenstechnik und Medizintechnik/Gesundheit so-wohl hinsichtlich der ersten Priorität als auch in den weiteren Prioritäten höchste Zukunftsrelevanz zugebilligt wird. In diesen Anwendungsfeldernsehen die Unternehmen offensichtlich die besten Marktchancen bis zum Jahr 2006.

Um eine Zuordnung zwischen den zukunftsträchtigen Anwendungsfel-dern und den zu ihrer Realisierung notwendigen Funktionselementen und Technologien zu erzielen, wurden entsprechende Verknüpfungen abge-fragt. Gefragt wurde nach dem Zusammenhang zwischen den drei vonden Befragten als am wichtigsten angesehenen Anwendungsfeldern undden benötigten Funktionen und Technologien. Hierdurch gelingt es einer-seits zu erheben, welche funktionalen Anforderungen die nanotechnolo-gische Anwendung in den jeweiligen Anwendungsfeldern erfüllen muss.Mit der weiteren Verknüpfung zu den benötigten Technologien wird es andererseits möglich zu zeigen, welche technologischen Ausrichtungenvon den Unternehmen zur Realisierung ihrer Vorstellungen in den An-wendungsfeldern jeweils relevant sind.

Bei der Auswahl der möglichen Funktionen wurde darauf geachtet, ein möglichst breites Spektrum abzufragen. Insgesamt wurden 19 Funktio-nen nach Ihrer Relevanz für die Anwendungsfelder angeboten. Außer-dem konnten in einer offenen Frage weitere Funktionen zugefügt werden,was auch von 12 Befragten genutzt wurde.

Abbildung 5.28: Relevanz der nanotechnologischen Funktionen

Bei der Auswertung der Verteilung über die Funktionen zeigt sich eine starke Ausrichtung auf die folgenden Funktionen: Oberflächefunktionali-sierung, optische Effekte, verbesserte Werkstoffeigenschaften, Analy-tik/Diagnose, Sensorik und Nanobiologische Funktionen. Betrachtet man

ZukunftsträchtigeAnwendungsfelder

0 20 40 60 80 100 120 140

Materialseparation

Filterung v. Fluiden oder Gasen

Design / Mode / Ästhetik

Energiewandlung

Materialdosierung

Datenübertragung (Telematik)

Aktorik

Fertigungsequipment

Datenverarbeitung u. -speicherung

Medizin. Therapie / Diagnose

Displays

Schutz (Korrosion, Schmutz etc.)

Strukturerzeugung

Nano-biologische Funktionen

Sensorik

Analytik / Diagnose

Verbesserte Werkstoffeigensch.

Optische Effekte

Oberflächenfunktionalisierung

1. Priorität 2. Priorität 3. Priorität


die Häufigkeiten über die drei Prioritäten hinweg, dann verschiebt sich lediglich die Reihung unter den angeführten Funktionen.

Bei den benötigten Technologien wurden insgesamt 16 Alternativen zur Auswahl gestellt. Auch hier gab es wiederum die Möglichkeit einer offe-nen Frage, die auch von 29 Befragten genutzt wurde.

Abbildung 5.29: Relevanz unterschiedlicher nanotechnologischer Ausprägungen

Werden die Häufigkeiten über die Prioritäten betrachtet, dann zeigt sich deutlich, dass die Technologien der Thin film deposition methods, der Microscopy, der Self-assembly und der Optical lithography die höchste Besetzungsdichte aufweisen. Insgesamt ist aber das Feld im Ranking sehr dicht, so dass sich allein aus den Häufigkeiten nur sehr begrenzte Aussa-gen bilden lassen.

Einen höheren Aussagewert liefern die Bezüge zwischen den Variablen. Hierbei wurden zunächst die Ausprägungen Funktionen und Anwen-dungsfelder und dann die Ausprägungen Anwendungsfelder und Techno-logien betrachtet. Die folgende Kreuztabelle 5.2 gibt die Besetzungshäu-figkeiten für den Zusammenhang zwischen Anwendungsfeldern und Funktionen wieder. Hierbei wurde auf die Beibehaltung der Auswertung nach Prioritäten verzichtet, da dann die Besetzungsdichte zu gering wür-de, was sich negativ auf die Aussagefähigkeit auswirken würde.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Particle beam lithography

Separation / filtration methods

Biological engineering

Nanoprint/-imprint

Catalysis

Metrology

Powder processing

Molecular engineering

Modelling and Simulation

Ultra-precision engineering

Optical lithography

Sol-gel processing

Microscopy

Self assembly

Thin film deposition methods

1. Priorität 2. Priorität 3. Priorität

Kapitel 5 137

Info

rmat

i-on

/Kom

mun

ikat

ion

Med

izin

tech

-ni

k/G

esun

dhei

t

Kos

met

ik

Tra

nspo

rt u

nd V

er-

kehr

Che

mie

Um

wel

t

Ene

rgie

Mas

chin

enba

u

Mes

stec

hnik

Bau

gew

erbe

Leb

ensm

itte

l

Wei

ße/b

raun

e W

are

Sum

me

Funktionen

Analytik/Diagnose 7 28 4 1 15 1 0 0 19 1 2 0 78

Medizinische Thera-pie/Diagnose

0 34 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 37

Oberflächenfunktionalisi-rung

16 23 3 11 33 3 4 5 7 4 1 1 111

Displays 21 3 1 3 4 0 1 0 6 0 0 2 41

Energiewandlung 5 0 1 4 7 3 9 3 2 1 0 1 36

Fertigungsequipment 11 6 0 3 6 1 3 5 4 1 0 0 40

Nutzung Nano-bio-Eigenschaften

2 31 5 1 14 2 2 1 3 2 2 1 66

Datenverarbeitung und -speicherung

22 3 1 2 4 0 1 1 6 0 1 0 41

Datenübertragung 12 3 1 4 3 0 1 0 3 0 1 1 29

Materialseparation 1 4 1 0 7 0 0 1 0 0 0 1 15

Sensorik 12 16 2 7 15 4 3 3 16 0 0 3 81

Aktorik 7 6 0 4 5 1 1 2 7 1 0 0 34

Materialdosierung 1 7 4 1 6 0 0 2 2 1 0 1 25

Optische Effekte 20 3 5 8 18 0 1 1 13 1 0 2 72

Filterung von Fluiden/Gasen

2 7 2 1 7 1 1 0 0 0 0 1 22

Schutz 4 2 3 9 21 1 0 5 2 5 0 0 52

Verbesserter Werkstoffei-genschaften

10 7 2 13 34 4 4 8 5 4 1 1 93

Strukturerzeugung 15 4 0 4 12 0 3 6 3 2 1 0 50

Design/Mode/Ästhetik 4 1 5 3 7 0 0 0 1 1 0 1 23

Andere 1 3 0 1 2 0 0 0 1 0 0 1 9

Tabelle 5.2: Anwendungsfelder in Priorität 1-3 in Zusammenhang mit den Funktionen in der Priorität 1-3


Hierbei zeigen sich erste Strukturen, welche funktionalen Anforderungenin den jeweiligen Anwendungsfelder in concreto benötigt werden. So liegen zentrale Funktionen im am stärksten besetzten AnwendungsfeldIuK in den Bereichen Datenverarbeitung und -speicherung, Displays und Optische Effekte. Dies lässt sich inhaltlich deutlich mit den wachsendenAnforderungen an die Performance von IT-Hardware und Software so-wie dem wachsenden Bedarf an leichte, robuste und gleichzeitig hoch-auflösende User Interfaces erklären.

Abbildung 5.30: Funktionen im Anwendungsfeld Informationen undKommunikation

Im Anwendungsfeld Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik liegendie zentralen funktionalen Eigenschaften in den verbesserten Werkstoff-eigenschaften und der Oberflächenfunktionalisierung, gefolgt von der Schutzfunktion sowie den optischen Effekten. Auch hier lassen sich erste Strukturen ableiten.

IUK

Chemie, Werkstoffe und Verfahrens-

technik

0 5 10 15 20 25

Medizinische Therapie/Diagnose

Materialseparation

Materialdosierung

andere

Nutzung nano-bio. Eigenschaften

Filterung von Fluiden / Gasen

Schutz


Energiewandlung

Analytik/Diagnose

Aktorik

verbesserter Werkstoffeigenschaften

Fertigungsequipment

Datenübertragung

Sensorik

Strukturerzeugung


Optische Effekte

Displays

Datenverarbeitung - und speicherung

Bedeutung verschiedener Funktionenim Anwendungsbereich

Information und KommunikationFunktionen


Kapitel 5 139

Abbildung 5.31: Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik und Funktionen

In der Medizintechnik werden die zentralen Funktionen in der medizini-schen Therapie/Diagnose, der Nutzung nanobiologischer Eigenschaftenund der Analytik/Diagnose gesehen. Auch dies lässt sich mit dem Einsatz von nanotechnologischen Produkten im Gesundheitsbereich bewerten.Offensichtlich werden von den Befragten im diagnostischen Einsatzbe-reich die höchsten Erträge von Produkten mit nanotechnologischen Ele-menten erwartet.

Medizintechnik und Gesundheit

0 5 10 15 20 25 30 35


andere

Datenübertragung


Displays

Aktorik

Materialdosierung

Fertigungsequipment

Materialseparation



Energiewandlung

Strukturerzeugung


Analytik/Diagnose

Sensorik

Optische Effekte

Schutz



Bedeutung verschiedener Funktionenim Anwendungsbereich

Chemie / Werkstoffe und VerfahrenstechnikFunktionen

Anzahlder Unternehmen


Abbildung 5.32: Medizintechnik/Gesundheit und Funktionen

Analog zu den Zusammenhängen zwischen den Funktionen und den An-wendungsfeldern lassen sich Überlegungen zu den Zusammenhängen zwischen Anwendungsfeldern und Nanotechnologien herstellen. Auchhier basiert die Auswertung wiederum auf der Besetzungshäufigkeit in den jeweiligen Ausprägungen zwischen den verschiedenen abgefragtenTechnologien und Anwendungsfeldern.

0 5 10 15 20 25 30 35

Energiewandlung


Schutz

andere

Datenübertragung

Optische Effekte

Displays


Materialseparation

Strukturerzeugung

Aktorik

Fertigungsequipment

Materialdosierung



Sensorik


Analytik/Diagnose



Bedeutung verschiedenerF k i

Medizintechnik / GesundheitFunktionen


im Anwendungsbereich

Kapitel 5 141

Info

rmat

ion

und

Kom

mu-

nika

tion

Med

izin

tech

nik

Kos

met

ik

Tra

nspo

rt

Che

mie

Um

wel

t

Ene

rgie

Mas

chin

enba

u

Mes

stec

hnik

Bau

gew

erbe

Leb

ensm

itte

l

Wei

ße/b

raun

e W

are

Sum

me

Technologien

Separation/filtration methods 1 4 1 3 5 2 3 0 2 0 0 1 22

Biological engineering 1 13 0 0 6 0 0 0 2 0 1 0 23

Sol-gel processing 3 7 2 10 14 1 0 2 1 4 0 0 44

Powder processing 4 3 3 6 12 1 2 4 0 1 0 0 36

Particle beam lithography 6 0 0 0 1 0 1 0 3 0 0 0 11

Catalysis 6 2 1 6 7 1 2 0 0 1 0 1 27

Self assembly 7 12 2 5 13 2 2 2 3 2 2 1 53

Nanoprint/-imprint 8 3 0 2 0 0 0 2 2 0 0 1 18

Molecular engineering 8 11 0 3 8 1 3 0 1 0 2 1 38

Metrology 9 4 0 1 3 1 0 2 13 1 1 0 35

Microscopy 11 14 2 3 15 1 0 5 9 1 1 1 63

Modelling and simulation 12 6 1 6 7 0 2 2 4 0 0 2 42

Ultra-precision engineering 17 11 0 2 5 0 2 6 8 0 0 0 51

Optical lithography 20 10 1 5 2 1 2 2 10 0 0 2 55

Thin film deposition methods 21 13 3 8 14 5 6 2 7 2 0 3 84

Andere 3 7 2 2 6 2 1 0 2 0 0 0 25

Tabelle 5.3: Anwendungsfelder in Priorität 1-3 in Zusammenhang mit den Technologien in der Priorität 1-3

Die in der Kreuztabelle 5.3 ersichtlichen Nutzungen in den Verbindun-gen zwischen den Anwendungsfeldern und den Technologien zeigt deut-lich die Breite der Nutzung der einzelnen Technologien und damit deren Prospektivität. Deutlich wird dabei, dass die Nutzungsbreite in Medizin-technik, Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechniken, Informations- und Kommunikationstechnik sowie in Transport und Verkehr besonders aus-geprägt ist. Demgegenüber ist vor allem die Prospektivität der Technolo-gien in der Lebensmittelindustrie besonders eng gefasst.


Im Einzelnen werden besonders aussagekräftige Ergebnisse im Bereichder Medizintechnik/Gesundheit erzielt, die eine deutliche Perspektive der Technologien auf die Microscopy, das Biological Engineering, die Thin Film Deposition Methods und das Self Assembly hervortreten lassen.

Abbildung 5.33: Medizintechnik/Gesundheit und Technologien

Hier deuten sich Zukunftsfelder an, die zum einen in den neuen Metho-den der Microscopy gesehen werden dürften, wobei hier das Marktvolu-men sicherlich nicht zu überschätzen ist, und zum anderen in den Berei-chen der selbststimulierenden biologischen Systeme, die vor allem im Hautbereich angesiedelt sein dürften.

In der Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik ist ebenfalls die Mic-roscopy zusammen mit dem Sol-gel-Processing und der Thin Film Depo-sition Method am stärksten ausgeprägt. Aber auch Powder Processing und Self-Assembly bilden ein hohes Potenzial für das Anwendungsfeld.

Zukunftsfelder

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

particle beam lithography

catalysis

powder processing

nanoprint /-imprint

separation / f iltrat ion methods

metrology

modelling and simulation

sol-gel processing

andere

optical lithography

ultra-prec ision engineering

molecular engineering

self assembly

thin f ilm deposit ion methods

biological engineering

microscopy


Technologien

Bedeutung verschiedener Technologienim Anwendungsbereich


Kapitel 5 143

Abbildung 5.34: Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik und Technologien

Insgesamt zeigt sich, dass neben der Medizintechnik auch in Che-mie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik die Breite der verfolgten Techno-logien stark ausgeprägt ist. Selbst Lithografieverfahren werden in diesem Bereich noch mit relativer Häufigkeit verfolgt.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

nanoprint /-imprint

particle beam lithography

optical lithography

metrology

ultra-precision engineering

separation / f iltration methods

biological engineering

andere

modelling and simulation

catalysis

molecular engineering

powder processing

self assembly

thin film deposition methods

sol-gel processing

microscopy


Technologien

Bedeutung verschiedener Technologienim Anwendungsbereich

Chemie / Werkstoffe und Verfahrenstechnik


5.65.65.65.6 Zukünftige Schritte und Hürden bei der Zukünftige Schritte und Hürden bei der Zukünftige Schritte und Hürden bei der Zukünftige Schritte und Hürden bei der EnEnEnEnttttwicklung der Nanotechnologiewicklung der Nanotechnologiewicklung der Nanotechnologiewicklung der Nanotechnologie

5.6.15.6.15.6.15.6.1 Nächste Schritte in der NanotechnologieNächste Schritte in der NanotechnologieNächste Schritte in der NanotechnologieNächste Schritte in der Nanotechnologie

Im Folgenden werden die Ergebnisse über weitere Maßnahmen zur Wei-terentwicklung der Nanotechnologie, die die Unternehmen planen unddie Hürden, denen sie sich gegenüber sehen, präsentiert. Die Ergebnissebeziehen sich dabei jeweils auf das Anwendungsfeld, dem vom Befrag-ten die höchste Priorität beigemessen wurde. Diese Fokussierung war notwendig, um eindeutige Antworten zu erhalten.

Die Problematik einer engen Verzahnung zwischen FuE einerseits undmarktlicher Platzierung andererseits wird durch die Phase verdeutlicht, in der sich die Unternehmen derzeit befinden. Hier zeigt sich, dass sich im breiten Feld der Nanotechnologie Unternehmen finden, die noch bei der Forschung und Entwicklung stehen und andere, die bereits Produkte am Markt platziert haben.

Abbildung 5.35: Derzeitige Arbeitsphase der befragten Unternehmen in derNanotechnologieentwicklung

Entsprechend hoch sind die Werte auch für die verschiedenen Phasen im Technologie- und Innovationszyklus. An sich wäre dieses Ergebnis sehr erfreulich, wenn mit der marktlichen Platzierung auch gleichzeitig der Verkauf der Produkte oder zumindest die dafür notwendigen Maßnah-men eingeleitet würden. Nun zeigt aber die Auswertung der Frage nach den ersten Schritten, die eingeleitet wurden, dass bei allen Maßnahmen,die schnelle marktliche Platzierungen ermöglichen, wie der Kauf von

Aktuelle Arbeits-phase im

Unternehmen

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Patent

Produkt

Prototyp

Entwicklung

Forschung

Aktuelle Arbeitsphase

Häufigkeit der Nennungen

Kapitel 5 145

Eigentumsrechten und der Aufbau eines internationalen Vertriebsnetzes, nur eine geringe Besetzungsdichte aufweist.

Abbildung 5.36: Schritt zur Realisierung der nanotechnologischen Vorhaben für die Zukunft

Die starke Betonung der Bereitstellung des Forschungspersonals, die Kontaktaufnahme zu Kooperationspartnern und die Tätigung von Sach-investitionen lassen den Schluss zu, dass derzeit die überwiegende Kon-zentration noch in den Forschungsanstrengungen zu sehen ist, was mit dem Zeithorizont bis 2006 allerdings auch korrespondiert.

Abbildung 5.37: Erwartete Marktvolumina für spezifizierte Produkte im Jahr 2006

Hier zeigt sich, dass die befragten Unternehmen durchaus positiv gegen-über den Potenzialen ihres Kernproduktes in der Nanotechnologie einge-stellt sind. Mehr als 50 Prozent der Unternehmen sehen für ihr Produktmit höchster Priorität ein globales Marktvolumen von 250 Mio. EUR und mehr als realistisch für 2006 an. Weitere 26,7 Prozent der Unternehmen

Vor allemForschungsanstren-gungen

Beachtliche Um-satzpotenziale

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Sachinvestitionen

Kooperationspartner

Eigentumsrechte

Forschungsprojekte

Forschungspersonal

Vertriebsnetz

Schritte zur Nutzung

Anzahl der Nennungen

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

Prozent

wenigerals 50Mio. €

50 - 250Mio. €

250 -500 Mio.

€

500 -1.000Mio. €

mehr als1.000Mio. €

Umsatz

Größe Weltmarkt für spezifizierte Produkte


erwarten immerhin noch ein weltweites Marktvolumen von 50-250 Mio.EUR. Dies zeigt die durchaus beachtlichen Umsatzpotenziale, die die Unternehmen sehen.

Interessant in diesem Zusammenhang ist ebenfalls die Erwartung an das potenzielle Marktvolumen Deutschlands am Gesamtweltmarkt.

Abbildung 5.38: Anteil Deutschlands am weltweiten Umsatz in denausgewählten Produkten der Nanotechnologie

Hier zeigt sich, dass Deutschlands Anteil am Weltmarkt im Jahr 2006 bei weitem nicht mit den Forschungspotenzialen Deutschlands in der Nano-technologie in der Gegenwart korrespondiert. Während die Forschungs-leistung heute als überzeugend angesehen wurde, sind die Marktanteile im Mittel bei zwischen 11 Prozent und 25 Prozent. Hier zeigt sich wie-derum das geringe Vertrauen in die Marktbildungsfähigkeit deutscher Unternehmen.

Werden aber die Marktanteile des eigenen Unternehmens am Weltmarkt betrachtet, wird das Bild wieder etwas positiver.

Anteil Deutschlands am Weltmarkt

3,5

39,5

39,5

17,4

weniger als 1 %

1 - 10 %

11 - 25 %

über 25 %

Kapitel 5 147

Abbildung 5.39: Anteil des Unternehmens am Weltmarkt (V27)

In Bezug auf das Produkt im am höchsten priorisierten Anwendungsfeldsehen die Befragten doch einen deutlichen Marktanteil ihres Unterneh-mens.

Die Einschätzungen der Befragten über ihre Märkte basieren aber nicht nur auf ihren eigenen Erfahrungen.

Abbildung 5.40: Quelle der Markteinschätzung (V28)

Vielmehr hat eine Vielzahl der Befragten Informationen Dritter zur Ein-schätzung der Marktvolumina herangezogen. So wurden Presseinforma-tionen und Markstudien ausgewertet und in einem recht hohem Maßeauch Kundenbefragungen durchgeführt. Dieser hohe Wert der Kundenbe-fragungen als Informationsquelle zeigt, dass der Stimulus von User-

Anteil des Unternehmens am Weltmarkt

21,8

50,6

20,7

6,9

weniger als 1 %

1 - 10 %

11 - 25 %

über 25 %

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Kundenbefragungen

Marktstudien

Presseinformationen

Aussagen der

Konkurrenz

Basis der Markteinschätzungen

Häufigkeit der Nennungen


Producer-Beziehungen bei Innovationen auch in der Nanotechnologiefestzustellen ist.

5.6.25.6.25.6.25.6.2 Hürden auf dem Weg zu erfolgreichen Hürden auf dem Weg zu erfolgreichen Hürden auf dem Weg zu erfolgreichen Hürden auf dem Weg zu erfolgreichen nannannannanooootechnolotechnolotechnolotechnologischen Anwendungen im Jahr 2006gischen Anwendungen im Jahr 2006gischen Anwendungen im Jahr 2006gischen Anwendungen im Jahr 2006

Die Befragten haben sich vielfältig zu Hürden bei der Entwicklung und Platzierung von nanotechnologischen Anwendungen geäußert. Hierbeizeigt sich, dass vor allem die für den Anschub der FuE wie aber auch bei der Vermarktung notwendigen finanziellen Ressourcen ein zentrales Hemmnis bilden.

Abbildung 5.41: Relevanz der Innovationshürden nach Ausrichtung

Sowohl die Investitionskosten wie auch die Finanzierung und Förderungentlang der Wertschöpfungskette bilden Hemmnisse, die alle anderen Hürden übertreffen. Diese zentrale Problematik der Finanzierung der Innovationen hat erhebliche Auswirkungen auf den gesamten Innovati-onsprozess.

Interessant ist, dass die Hürde Gesetzgebung keine zentrale Rolle ein-nimmt. Offensichtlich sehen die Befragten in dem gesetzlichen Rahmen keine primäre Quelle für Probleme. Dies kann sicherlich als ein großer Erfolg für die Politik betrachtet werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Frage auf das Jahr 2006 abzielt und damit Friktionen des institu-tionellen Rahmens von den Befragten möglicherweise noch nicht antizi-piert werden können. Hier scheint in Bezug auf die Nanotechnologie eine ruhigere Entwicklung möglich zu sein als z. B. bei der Biotechnologie, in der der institutionelle Rahmen eine Quelle steten Konflikts bildet.

Hohe Investitions-kosten als Hürde

Gesetzgebung keine besondere Hürde

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Hürde Gesetzgebung

Hürde Marktpotenzial

Hürde Technologie-Information

Hürde Markt-Information

Hürde Kooperationspartner

Hürde Fachpersonal

Hürde Fördermittel

Hürde Finanzierung

Hürde Investitionskosten

Wichtigkeit der Anwendungshürden

Wichtigkeit

Kapitel 5 149

5.75.75.75.7 Die Bedeutung der Nanotechnologie für unteDie Bedeutung der Nanotechnologie für unteDie Bedeutung der Nanotechnologie für unteDie Bedeutung der Nanotechnologie für unter-r-r-r-schiedliche Unternehmensgrößenschiedliche Unternehmensgrößenschiedliche Unternehmensgrößenschiedliche Unternehmensgrößen

Im Rahmen der quantitativen Erhebung wurde versucht auch Aussagenzu identifizieren, die Rückschlüsse auf Unterschiede zwischen Ausprä-gungen für Großunternehmen und KMU zulassen. Die Auswertung derquantitativen Erhebung getrennt nach den Zielgruppen der kleinen und mittleren Unternehmen und Großunternehmen hat nur in einigen wenigenBereichen zu signifikant unterschiedlichen Ergebnissen geführt. Hierbei sollte jedoch beachtet werden, dass der Stichprobenumfang für eine sol-che Auswertung im höchsten Maße eingeschränkt ist. Insgesamt 34 Un-ternehmen der Stichprobe fallen unter die Kategorie Großunternehmen.Demgegenüber sind 72 Unternehmen der Kategorie KMU zu zuordnen.Diese Stichproben lassen nur sehr begrenzte Aussagen zu und sind aus einer statistischen Sicht durchaus nur als Indikator und nicht als im statis-tischen Sinne signifikant anzusehen.

Trotz der Einschränkungen sind die Ergebnisse als Indikator zweifellosinteressant und lassen sich, erweitert durch die Aussagen der qualitativenErhebung, durchaus innovationspolitisch nutzen.

5.7.15.7.15.7.15.7.1 Unterschiede bei der Unternehmensgründung undUnterschiede bei der Unternehmensgründung undUnterschiede bei der Unternehmensgründung undUnterschiede bei der Unternehmensgründung und ––––finafinafinafinannnnzierungzierungzierungzierung

Es ist nicht verwunderlich, dass zwischen den KMU und den Großunter-nehmen deutliche Unterschiede im Gründungszeitpunkt und der Unter-nehmensfinanzierung festzustellen sind. Interessant ist jedoch für sich betrachtet, dass es im Jahr 2000 offensichtlich zu einem Gründungsschub gekommen ist. Immerhin 15,3 Prozent der in der Stichprobe erfassten KMU wurden in diesem Jahr gegründet. Nimmt man die Jahre 1998 bis2002, so liegt der Wert bei knapp 35 Prozent der in der Stichprobe erfass-ten Unternehmen.

In der Finanzierung der kleinen und mittleren Unternehmen ist ein Anteil von 20,8 Prozent festzustellen, die sich über Venture Capital finanziert haben. Offensichtlich hat der „Hype“ in der New Economy sich auchdeutlich bei Venture Capital-Investitionen in der Nanotechnologie mani-festiert. Dies ist besonders vor dem Hintergrund interessant, dass derzeit weltweit kaum mehr Venture Capital-Investitionen in Unternehmen fest-zustellen sind, die sich in einer frühen Marktphase befinden. Die Aussa-ge, dass der Zugang zum Kapitalmarkt für die jungen Nanotechnologie-unternehmen heute sicherlich schwerer wäre, kann vor diesem Hinter-grund wohl getroffen werden.

Die Beteiligung der Venture Capital Unternehmen an den jungen Nano-technologieunternehmen liegt mehrheitlich in der Kategorie zwischen 25 und 50 Prozent. Auch hier zeigt sich, dass Venture Capital-Investitionenso getätigt werden, dass ein strategischer Einfluss auf das Unterneh-mensmanagement möglich wird.

Besonderheiten bei KMU

Gründung

Finanzierung


5.7.25.7.25.7.25.7.2 Unterschiede in den Unternehmensschwerpunkten und Unterschiede in den Unternehmensschwerpunkten und Unterschiede in den Unternehmensschwerpunkten und Unterschiede in den Unternehmensschwerpunkten und den Anwendungsfeden Anwendungsfeden Anwendungsfeden Anwendungsfelllldern heutedern heutedern heutedern heute

Betrachtet man die heutigen Unternehmensschwerpunkte der Unterneh-men, so fällt auf, dass in der Stichprobe ausschließlich KMU bereits heu-te nanotechnologische Produkte und Verfahren in der Herstellung von Mess-, Kontroll- und Navigationssystemen einsetzen. Dies kann entwe-der auf einen systematischen Bias bei der Stichprobenerhebung zurück-geführt werden oder als Indikator für das wachsende Verständnis von Unternehmen in der Mikrosystemtechnik für nanotechnologische Chan-cen interpretiert werden (für eine ausführliche Diskussion siehe Kapi-tel 7).

5.7.35.7.35.7.35.7.3 Unterschiede beim Personal und bei der Unterschiede beim Personal und bei der Unterschiede beim Personal und bei der Unterschiede beim Personal und bei der PersonalenPersonalenPersonalenPersonalenttttwicklungwicklungwicklungwicklung

Bei der Beschäftigung von Mitarbeitern in den Unternehmen lassen sich die zu erwartenden Unterschiede zwischen den KMU und den Großun-ternehmen auch in der Stichprobe identifizieren.

Abbildung 5.42: Mitarbeiter in den Unternehmen in der Stichprobe getrennt nach Großunternehmen und KMU

Die Grafik zeigt deutlich, dass die Großunternehmen, wenn sie sich in der Nanotechnologie engagieren, mit deutlich höheren Mitarbeiterzahlen in das Feld einsteigen.

Sowohl bei den KMU als auch bei den Großunternehmen zeigt sich, dass der überwiegende Anteil der Unternehmen in der Stichprobe bis zum Jahr 2006 seine Anzahl der Mitarbeiter in der Nanotechnologie ausbauenwill. 79,7 Prozent der KMU und 84,4 Prozent der Großunternehmen er-warten in der Stichprobe entsprechende Aufstockungen bei den Mitarbei-tern. Hiermit kann der Nanotechnologie sicherlich ein hohes Potenzial bei der Schaffung neuer Arbeitsplätze zugebilligt werden. Dies wird auch unterstützt durch die Angaben über den erwarteten Ausbau der Mitarbei-ter, der in der folgenden Graphik festgehalten ist.

KMU und Personal-entwicklung

Nanotechnologie hat hohes Potenzial bei Schaffung neu-

er Arbeitsplätze

0% 20%40%60%80%

KMU Großunternehmen

bis 5 6-25 26-100 101-250 mehr als 250

100 %

Kapitel 5 151

Abbildung 5.43: Erwartete Ausweitung der Mitarbeiter im Jahr 2006

Hier liegen also deutliche Wachstumspotenziale für die Beschäftigung in der Nanotechnologie.

5.7.45.7.45.7.45.7.4 Innovationshürden nach UnternehmenInnovationshürden nach UnternehmenInnovationshürden nach UnternehmenInnovationshürden nach Unternehmenssssgrößengrößengrößengrößen

Signifikante Unterschiede zwischen den Innovationshürden für KMUund Großunternehmen lassen sich lediglich in drei Bereichen identifizie-ren.

Ein deutlicher Unterschied besteht bei den Finanzierungsquellen. KMU haben in ihrer Wahrnehmung deutlich schlechtere Zugangsbedingungenzum Kapitalmarkt als Großunternehmen. Entsprechend bildet die Finan-zierung ihrer Aktivitäten auch für 38,6 Prozent der KMU eine wichtigeInnovationshürde. Im Unterschied dazu bildet der Zugang zum Kapital-markt für Großunternehmen nur in 7,7 Prozent der Stichprobe eine wich-tige Innovationshürde.

Ähnlich liegt der Unterschied bei dem Zugang zu Marktinformationen. Auch hier sehen 21,3 Prozent der KMU - eine deutliche höhere Zahl als die Großunternehmen mit 3,7 Prozent - eine wichtige Innovationshürde.

Schließlich bildet die mangelnde Verfügbarkeit von kompetenten regio-nalen Kooperationspartnern eine weitere Innovationshürde, bei der sich die Einschätzung der KMU in der Stichprobe von der der Großunterneh-men unterscheidet. 22,2 Prozent der KMU sehen diese Innovationshürdeals wichtig an, während bei den Großunternehmen lediglich 7,4 Prozentdies als eine wichtige Innovationshürde angeben.

Die drei unterschiedlichen Wahrnehmungen von dem, was als Innovati-onshürde begriffen wird, spiegeln die unterschiedlichen Größenklassen

KMU: schlechtere Zugangsbedingun-gen zum Kapital-markt

Innovationshürde Marktinformationen

0

20

40

60

80

100

%

Ausweitung um bis zu

50%

Erwartete Ausweitung der

Mitarbeiter im Jahr 2006

KMU

Großunternehmen


wider. Offensichtlich wächst mit der Unternehmensgröße auch derZugriff auf den Kapitalmarkt, die verfügbare Menge an marktlichen In-formationen und die Attraktivität für regionale Partner. Für die Innovati-onspolitik, die sich zum Ziel setzt, KMU zu stärken, bieten die Unter-schiede aber einen Ansatzpunkt für zielorientierte Interventionen.

5.85.85.85.8 Ergebnisse der UnternehmensbefragungErgebnisse der UnternehmensbefragungErgebnisse der UnternehmensbefragungErgebnisse der Unternehmensbefragung im Übeim Übeim Übeim Überrrrblickblickblickblick

Im Folgenden werden die zentralen Ergebnisse der schriftlichen Unter-nehmensbefragung nochmals zusammengefasst (für eine eingehende Interpretation zentraler Ergebnisse siehe Kapitel 7).

• Bei der Auswertung der Geschäftsfelder der befragten Unternehmenzeigt sich, dass in der Nanotechnologie engagierte Unternehmen vorallem in den Branchen Chemische Industrie und der Herstellung vonMess-, Kontroll- und Navigationsinstrumenten tätig sind. Dies deckt sich durchaus auch mit Ergebnissen anderer Studien.

• Die Untersuchung zeigt, dass 71 Prozent der befragten Unternehmenwirtschaftlich eigenständig sind und somit auch am Standort Deutschland die strategischen Weichenstellungen vornehmen kön-nen. Gleichzeitig zeigt sich, dass von den verbleibenden 29 Prozentüber 82 Prozent sich in den Händen deutscher und nur sieben Prozent in den Händen außereuropäischer Anteilseigner befindet. Bei etwa 15 Prozent der Unternehmen sind Risikokapitalgeber vertreten.

• Nach den Ergebnissen der Unternehmensbefragung zeigt sich, dassder häufigste Startpunkt für die Nanotechnologie im Zeitraum von1996 bis 2000 zu sehen ist. In diesem Zeitraum haben sowohl die Be-obachtung der nanotechnologischen Szene als auch eigene FuE-Arbeiten und die Nutzung der Nanotechnologie in Produkten ihrenstärksten Zuwachs erlebt. In diesen Zeitraum fallen z. B. auch dievom BMBF initiierten Diskussionen über marktrelevante Bezüge (1996) und die Einrichtung der Kompetenzzentren (1998) für den Be-reich Nanotechnologie mit öffentlicher Förderung.

• Es wird deutlich, dass die Zahl sowohl solcher Unternehmen, dieerste Umsätze mit Produkten mit Nanotechnologieanteilen erzielenals auch der Unternehmen, die ihren gesamten Umsatz mit Produktenmit Nanotechnologieanteilen machen, deutlich gestiegen ist. Hierbei ist hervorzuheben, dass sich 66 Prozent der Unternehmen als Herstel-ler und etwa 29 Prozent als reine Anwender von nanotechnologischenProdukten bezeichnen. Demnach spielt die Gruppe der reinen An-wender von nanotechnologischen Vorprodukten für die Nanotechno-logie-Szene in Deutschland bisher eine geringere Rolle als die akti-ven Hersteller solcher Komponenten. Dieses Muster ist für einen Dif-fusionsprozess typisch. Entsprechend ist es ein gutes Zeichen für eine stattfindende Diffusion, dass sich die Zahl der Anwender, die reine

Chemische Industrie sehr aktiv

Eigenständige deutsche

Unternehmen

Häufigster Startpunkt

Zahl der aktiven Marktteilnehmer hat sich deutlich

erhöht

Kapitel 5 153

Marktbeobachter sind und keinen Umsatz mit nanotechnologischen Vorprodukten erzielen, von 71 Prozent im Jahr 1996 auf 25 Prozentim Jahr 2001 reduziert hat. Die Zahl der aktiven Marktteilnehmer hat sich demnach also deutlich erhöht.

• Während die Auswertung des Bezugs der Vorprodukte darauf hin-deutet, dass Deutschland in der Forschung einen guten Stand erreichthat, scheinen die Firmen in den USA in der Umsetzung der For-schungsergebnisse in Produkte schneller zu sein (z. B. im BereichIuK). Interessant ist aber auch, dass sowohl Japan als auch der Rest Asiens in der Nanotechnologiediffusion derzeit kaum als Konkurrentangesehen wird. Dieses Ergebnis wird zum Teil durch die Auswer-tung der Einschätzung über die Stärke potenzieller Konkurrenten und FuE und marktlicher Umsetzung bestätigt. Hier zeigt sich gerade in der FuE, dass Asien und Europa den USA und Deutschland hinter-herhinken. Jedoch äußern die Befragten, dass in der Umsetzung derNanotechnologie in Produkte die USA und Japan besser agieren alsDeutschland.

• Die Perspektiven der Nanotechnologie werden mehrheitlich von denUnternehmen positiv bewertet. Ca. 90 Prozent der befragten Unter-nehmen wollen ihre Aktivitäten in der Nanotechnologie verstärken,davon sogar fast 30 Prozent erheblich. Dies geht einher mit einemAnstieg auch in der Beschäftigung. Nur 18 Prozent der befragten Un-ternehmen sehen keinen wachsenden Personalbedarf für ihre nano-technologischen Aktivitäten. Die restlichen Unternehmen (72 Pro-zent) rechnen mit einem kräftig wachsenden Bedarf bei den Mitarbei-tern.

• Deutsche Nanotechnologieunternehmen sind derzeit überwiegend noch auf Forschungsanstrengungen konzentriert, was sich aus derPriorisierung der Bereitstellung des Forschungspersonals, der Kon-taktaufnahme zu Kooperationspartnern und der Tätigung von Sachin-vestitionen ableiten lässt.

• Aus der Sicht der befragten Unternehmen korrespondiert Deutsch-lands Anteil am Weltmarkt im Jahr 2006 nicht mit den Forschungs-potenzialen Deutschlands in der Nanotechnologie in der Gegenwart.Während die Forschungsleistung heute als überzeugend angesehen wird liegen die Marktanteile im Mittel zwischen 11 Prozent und 25Prozent.

• Sowohl die Investitionskosten wie auch die Finanzierung und Förde-rung entlang der Wertschöpfungskette bilden Hemmnisse, die alleanderen Hürden übertreffen. Diese zentrale Problematik der Finanzie-rung der Innovationen hat erhebliche Auswirkungen auf den gesam-ten Innovationsprozess.

USA und Japan in der Umsetzung zurzeit besser

Positive Bewertung der Nanotechnolo-gie durch Unter-nehmen

Noch auf Forschung konzentriert

Anteile am Welt-markt im Mittel

Hürde Investitions-kosten


• Insgesamt fallen 34 Unternehmen der Stichprobe unter die KategorieGroßunternehmen. Demgegenüber sind 72 Unternehmen der Katego-rie KMU zu zuordnen. 35 Prozent dieser KMU sind zwischen 1998 und 2002 gegründet worden. Ein deutlicher Unterschied besteht bei den Finanzierungsquellen. KMU haben in ihrer Wahrnehmung deut-lich schlechtere Zugangsbedingungen zum Kapitalmarkt als Großun-ternehmen und einen erschwerten Zugang zu Marktinformationen.

Besonderheiten KMU

155

6666 MARKTPOTENZIALE DER MARKTPOTENZIALE DER MARKTPOTENZIALE DER MARKTPOTENZIALE DER NANOTECHNOLOGIE IN NANOTECHNOLOGIE IN NANOTECHNOLOGIE IN NANOTECHNOLOGIE IN LEADLEADLEADLEAD----MÄRKTEMÄRKTEMÄRKTEMÄRKTENNNN

6.16.16.16.1 Anmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur Vorgehensweise

Sämtliche aufbereiteten Ergebnisse der Literaturanalyse, der Patentananlyse, der Experteninterviews und der Unternehmensbefragungzum wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie wurden in Thesenform als konstruktive Konfrontationsbasis in Expertenworkshopseingespeist. Somit wurde gleichsam die Delphi-Methode angewandt. Mit Anwendung der Delphi-Methode wurden die Experten aus dem jeweiligen zu untersuchenden Lead-Markt (siehe dazu Kapitel 6.2) in einem Workshop zu den Themen „Nanotechnologische Produkt-/ Marktpotenziale entlang der Wertschöpfungskette“, „Innovations-/Umsetzungshemmnisse“, „Beschäftigungsentwicklung/Qualifizierung“und „Patente“1 befragt. Es wurden ihnen Ergebnisse und Thesen vorgelegt, die sie in Bezug auf eine realistische Einschätzung kritischhinterfragen und überprüfen sollten. Darüber hinaus wurden über eine Kartenabfrage auf der Basis von Metaplan nanotechnologische Produktoptionen überprüft und zum Teil ergänzt.

An den Workshops zu den Themen Chemie, Automobilbau und Optik nahmen zwischen 15 und 25 Experten aus/von Banken, Wissenschaft,Kompetenzzentren der Nanotechnologie, Produzenten, Zulieferern,Systementwicklern und Venture Capital Unternehmen teil.2 Ein zentrales Problem, das bei der Delphi-Methode auch bei Workshops auftretenkann, hängt mit den ausgewählten Experten zusammen. Es besteht durchaus die Gefahr, dass diese Experten versuchen, ihre speziellenThemengebiete besonders zu platzieren (Heimer und Werner, 2004).Dieses mögliche Problem wurde insofern berücksichtigt, als eine größere Zahl von Experten aus den relevanten Arbeitsgebieten beteiligt war und eine angemessene Ausgewogenheit hinsichtlich der Arbeitsgebieteberücksichtigt wurde.

Um die Bedeutung der Nanotechnologie für die deutschen Lead-Marketsund Perspektiven für das Erschließen der Marktchancen aufzeigen zu können, werden die Ergebnisse den entsprechenden Branchen zugeordnet und dargestellt. Diese Ergebnisse finden sich in den entsprechendenUnterkapiteln des Kapitels 6.

1 Die Ergebnisse zum Thema „Patente“ finden sich aus Gründen der Übersichtlichkeit in Kapitel 4.

2 Mit den Experten des Europäischen Patentamtes wurden bilaterale Diskussionen über Arbeitsergebnisse dieser Studie geführt.

Methode: Expertenworkshops

Experten aus relevanten Arbeitsgebieten


6.26.26.26.2 Erschließen der Marktchancen in den LeadErschließen der Marktchancen in den LeadErschließen der Marktchancen in den LeadErschließen der Marktchancen in den Lead----MärktenMärktenMärktenMärkten

In übergeordneten Studien zum wirtschaftlichen Potenzial der Nanotechnologie werden - wie in Kapitel 1.1 erwähnt - in der Regel die jeweiligen sogenannten Lead-Märkte3 einzelner Länder nicht hinreichend berücksichtigt. Während beispielsweise die Bereiche Elektronik, IuK und Biotechnologie in den USA betroffene Lead-Märkte darstellen, sind dies in Deutschland unter anderem die Branchen Chemie/Verfahrenstechnik und Automobilbau. Bezeichnend für diese Lead-Market-Branchen ist,dass sie in einem besonders intensiven Partnerschaftsverhältnis zur Wissenschaft stehen, woraus sie ihre technologische Stärke schöpfen, und für ein Land in der Regel von besonderer volkswirtschaftlicher oder strategischer Bedeutung sind.

Eine Nachfragestruktur, die dazu führt, dass sich eine Innovation auf einem nationalen oder regionalen Markt schneller entwickelt und die Trends setzt, so dass die Innovation wiederum von anderen Märkten übernommen wird, wurde bereits zu Beginn der neunziger Jahre vomHarvard-Ökonomen Michael Porter als Dynamik der sogenannten Lead-Märkte bezeichnet. Unternehmen können in einem Lead-Markt Marktforschung und FuE durchführen, um ihre Produkte in einem anspruchsvollen Umfeld zu testen und zu entwickeln. Für Regierungenund andere staatliche Institutionen ergibt sich die Möglichkeit, für ihr Land zu werben und hochwertige Unternehmsbereiche und Arbeitsplätzezu sichern und zu erweitern (Krück et al., 2002).

Um die Bedeutung der Nanotechnologie für die deutschen Lead-Märkteund Perspektiven für das Erschließen der Marktchancen aufzeigen zu können, wurde ein besonderes Augenmerk auf diejenigen Branchen gerichtet, die die technologische Leistungsfähigkeit der deutschenIndustrie prägen (Chemie, Automobilbau, Optik, Life Sciences4 und Elektronik5).6 Die durch ein solches Bündeln gewonnenen Daten wurden

3 Zur Definition von Lead-Märkten siehe Kapitel 1.1. 4 In einer Studie von AGIT, die im Herbst 2004 erscheinen soll, finden sich auch

Ergebnisse zu den Marktpotenzialen der Nanotechnologie im BereichMedizintechnik/Life Sciences. Um eine mögliche Doppelarbeit zu vermeiden, wurde auf die Durchführung eines eigenen Workshops verzichtet.

5 Wie bereits in Kapitel 1.2 erwähnt gehört die Elektronik dank der International Technology Roadmap for Semiconductors zu den Technologien, deren zukünftige Entwicklung sehr gut beschrieben ist. Da die Halbleiterindustrie sehr investitionsintensiv ist, sind Marktprognosen außerordentlich wichtig für unternehmerische Entscheidungen. Dieser Bedarf wird durch eine ganze Reihe von (kommerziellen) Marktforschungsinstituten bedient. Die Prognosen reichen derzeit ca. bis zum Jahr 2008. Wie sich dabei der Anteil der Nanoelektronik zur Mikroelektronik entwickeln wird und für welche Branchen sich daraus welche Konsequenzen ergeben, ist bisher noch nicht hinreichend systematisch untersucht worden, konnte jedoch mittels Sekundäranalyse ausgewählter kommerzieller Marktstudien herausgefiltert werden. Die Durchführung eines gesonderten Workshops war aus diesem Grund nicht notwendig.

Leadmärkte besitzen eine hohe

volkswirtschaft-liche und

strategischeBedeutung

Kapitel 6 157

durch das Projektteam nochmals aufbereitet und vor ihrer abschließendenDokumentation abermals in das jeweilige branchenspezifische Expertennetzwerk zur Validierung eingespeist.

6.36.36.36.3 ChemieChemieChemieChemie

Die Chemische Industrie gehört in Deutschland traditionell zu den exportstärksten Branchen: Über die Hälfte des vom Standort Deutschland erzielten Umsatzes wird direkt im Ausland erzielt. Das weltweiteMarktwachstum ist deutlich größer als im Inland. Die sehr starkeinternationale Einbindung der Grundstoff- und Spezialchemie in denwechselseitigen Warenaustausch zeigt sich an außerordentlich hohenImport- sowie Exportquoten im Vergleich zu verarbeiteten Industriewaren insgesamt. Diese erreichen bei Gütern der Grundstoffchemie um die 70 Prozent, bei Spezialchemikalien Werte von 90 Prozent (VCI, 2003).

Innerhalb der Grundstoffchemie hat Deutschland Spezialisierungsvorteilebei Farbstoffen, Anorganika und Kunststoffen. Mit einer deutlich über dem Durchschnitt des Verarbeitenden Gewerbes liegenden lnnovations-tätigkeit strahlt die Chemieindustrie weit in andere Branchen hinein, liefert diesen Vorprodukte und Anregungen für Innovationen. Es gibt keinen besseren Beleg für ihre Schlüsselfunktion als ihre enge wirtschaftliche Verflechtung. Grundstoff- und Spezialchemie gehören auch zu denjenigen Zweigen, die in Deutschland auf besonders günstigeNachfragebedingungen treffen: Anspruchsvolle Nachfrager (Automobil-und Maschinenbau, Medizin- und Analysetechnik) treiben zu einer hohen Innovationsrate. Wichtige Abnehmer waren z. B. die Automobil-, die Verpackungs- und die Bauindustrie. Auf der anderen Seite kommenchemische Erzeugnisse in den Bereichen Gesundheit, Umwelt und Ernährung zum Einsatz. Chemische Erzeugnisse tragen auf breiter Ebene zu einer Steigerung der Lebensqualität bei. Den größten Anteil amProduktionswert der deutschen chemischen Industrie hatten im Jahr 2002 die Fein- und Spezialchemikalien mit gut 25 Prozent. Auf den weiterenPlätzen folgten die Polymere und die pharmazeutischen Erzeugnisse.

Die deutsche Chemische Industrie nimmt bei FuE im internationalenVergleich unvermindert eine Spitzenposition ein. Von den anderenwestlichen Industrieländern rangiert lediglich Japan vor Deutschland. Selbst die Chemische Industrie in den USA produziert weniger FuE-intensiv als die in Deutschland. Tendenziell wahrnehmbar wird, dass chemische Forschung immer deutlicher zur Sache der Großunternehmenzu werden scheint (BMBF, 2002).

Innerhalb der deutschen Wirtschaft nimmt die Chemische Industrie eine hervorgehobene Stellung ein: Der Anteil der Chemiebetriebe am Umsatz

6 Siehe dazu unter anderem die Berichte des BMBF „Zur technologischen

Leistungsfähigkeit Deutschlands“ seit Ende der neunziger Jahre.

StarkeInternationali-sierung im Bereich der Chemischen Industrie


des Verarbeitenden Gewerbes beträgt rund zehn Prozent. Damit liegt sie unter den Branchen des Verarbeitenden Gewerbes auf dem vierten Rang. Mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 1,8 Prozentzwischen 1991 und 2002 wuchs die Chemieproduktion schneller als die Produktion des Verarbeitenden Gewerbes insgesamt. Beachtlich ist der Aufwand zur Erhaltung und Entwicklung der technologischen Basis: Mit 8,2 Mrd. EUR werden 18,2 Prozent der FuE-Aufwendungen der deutschen Wirtschaft von der chemischen Industrie getätigt. Diedeutschen Chemieunternehmen beschäftigten im Jahr 2002 im Durchschnitt 462.000 Mitarbeiter in Deutschland. Die Branche liegtdamit auf Platz sechs unter den Branchen des Verarbeitenden Gewerbes.

Die positive Beschäftigungswirkung der Chemieindustrie geht weit über die eigene Branche hinaus. Durch die Nachfrage der Chemieunternehmenwerden bei inländischen Zulieferern mehr als 380.000 Arbeitsplätzegeschaffen.

Die Chemische Industrie produziert eine breite Palette an Produkten für die verschiedensten Lebensbereiche. Auf der einen Seite stellt dieChemieindustrie Vorprodukte für andere Industriezweige her. Zu dieser Gruppe gehören anorganische Grundchemikalien, Petrochemikalien,Polymere sowie Fein- und Spezialchemikalien. Im Jahr 2002 wurdeninsgesamt rund 70 Prozent der Chemieproduktion an industrielle Weiterverarbeiter geliefert.

Die Nanotechnologie, insbesondere der Bereich Nanomaterialien, wird in Zukunft eine wachsende Bedeutung in der chemischen Industrie bei der Erzeugung hochwertiger Spezialchemikalien überwiegend auf der Wertschöpfungsstufe von Vor- und Zwischenprodukten spielen. In einigen Teilbereichen ist die Anwendung von Nanomaterialien schonlange etabliert, z. B. bei Industrierußen, Pigmenten, Polymerdispersionen und Kolloiden. In anderen Bereichen, insbesondere für Anwendungen im Gesundheitswesen oder der Elektronik, befinden sich eine Reihe neuartiger Nanomaterialien in der Forschungspipeline, die erst in den kommenden Jahren ihr wirtschaftliches Potenzial entfalten werden. Da Materialinnovationen einen der wesentlichen Treiber für den technologischen Fortschritt darstellen, werden neue Nanomaterialien eine Schrittmacherfunktion für innovative Produkte auch in anderen Industriezweigen einnehmen.

6.3.16.3.16.3.16.3.1 Wertschöpfungsketten und AnwendungspotenzialeWertschöpfungsketten und AnwendungspotenzialeWertschöpfungsketten und AnwendungspotenzialeWertschöpfungsketten und Anwendungspotenziale

Nanomaterialien, Precursoren und Beschichtungstoffe bilden den Ausgangspunkt der Wertschöpfungsketten der Nanotechnologie im Bereich Chemie. Aus diesen Grundstoffen werden im nächsten SchrittVorprodukte und Halbzeuge hergestellt, die sowohl in der Chemie als auch in anderen Industriezweigen weiterverarbeitet werden. Die Endanwendungen und Produkte chemischer Erzeugnisse umfassen

Nanomaterialienhaben als Vor- und Zwischenprodukte

eine wachsende Bedeutung bei der

Erzeugung hochwertiger

Spezialchemikalien

Kapitel 6 159

nahezu sämtliche Industriezweige, von denen für die Nanotechnologieinsbesondere die Medizin, Kosmetik, Automobilbau, IuK-Technik sowie die Energie- und Umwelttechnik von wirtschaftlicher Bedeutung sind(vgl. Tabelle 6.1).

Grundstoffe

(Nanomaterialien/Precursoren)

Vorprodukte/

Halbzeuge

Anwendungen/

Produkte

(Bauteile/Systeme)

Anorganische Nanopartikel

Metalloxide, Schichtsilikate Metalle, Fullerene, CNT, Carbon Black, Aerosil, Lanthanoide

Organische Nanopartikel

Polymerdispersionen, Farbstoffe, Wirkstoffe, Makromoleküle (Dendrimere etc.)

Nanoporöse Materialien

Aerogele, Zeolithe ...

Nanokomposite

Glas/Keramik, Metalle/Legier-ungen, Polymere, Organische Halbleiter, Ferrofluide, etc.

Precursoren/

Beschichtungsstoffe

Metallorganika, div. Chemikalien, PVD-Targets

• Katalysatoren

• Membranen/Filter

• Pigmente/Farben

• Poliermittel

• Füllstoffe

• Sensoren

• Wirkstoffe/Träger

• Folien/Verpackung

• Textilfasern

• Markerstoffe

• Supraleiter

• Thermoelektrika

• Beschichtete Halbzeuge

Medizin

Drug Delivery, Biochips, Implantate, Antimikrobika

Kosmetik

Sonnencreme, Zahnpasta,

Automobil

Reifen,Karosseriewerkstof-fe, Abgasreinigung, Brennstoffzelle, Scheiben und Spiegel, LED-Beleuchtung

IuK

Datenspeicher, Displays, Laserdioden, Glasfasern

Energie/Umwelt

Solarzellen,Batterien, Brenn-stoffzellen,Kondensatoren

Tabelle 6.1: Potenzielle Anwendungen von Nanomaterialien in verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette

Von Vertretern deutscher Nanotechnologie-Unternehmen in der chemischen Industrie ist im Rahmen eines Workshops eine Priorisierungdes wirtschaftlichen Potenzials verschiedener Nanotechnologieanwen-dungen für den Zeithorizont 2006 vorgenommen worden. Die Ergebnissesind in den folgenden Grafiken dargestellt.

Zwischenprodukte der chemischen Industrie, in denen die Nanotechnologie Anwendung finden wird, lassen sich unter anderem in folgende Kategorien einordnen:

• Katalysatoren (nanoporöse keramische Katalysatorträger, nanopartikuläre Edelmetallkatalysatoren für eine Vielzahl chemischer Reaktionen und Prozesse etc.)


• Filtration und Separation (nanoporöse Membranen auf Basis organischer, anorganischer oder organisch-anorganischer Hybridmaterialien

• Komposit-Werkstoffe (nanopartikelverstärkte Polymere, Keramikenoder Metalle)

• Beschichtungsmaterialien (Sole und Dispersionen zur Beschichtungvon Metallen und Kunststoffen)

• Additive/Füllstoffe (nanopartikuläre Füllstoffe wie Kieselsäure,Carbon Black als Zusatz für eine Vielzahl chemischer Produkte wieGummi, Pharmaka, Farben etc.)

• Mikronisierte Wirkstoffe (nanopartikuläre organische Wirkstoffez. B. Vitamine als Lebensmittelzuätze oder pharmazeutische Wirkstoffe in Arzneimitteln, unter anderem für eine bessere Bioverfügbarkeit)

• Drug Carrier (nanopartikuläre Transportsysteme für pharmazeutische Wirkstoffe zum selektiven Wirkstofftransport oder nanoporöse Materialien für eine kontrollierte Wirkstoffabgabe, z. B. für Düngemittel oder Pestizide in der Landwirtschaft, Duftstoffe inTextilien etc.)

• Farben/Lacke (kratzfeste Klarlacke auf Basis vernetzter Polymere,Ormoceren, Dendrimeren etc., Effektfarben auf Basis monodisperser Nanopartikel etc.)

• Sensoren (Temperatur-, Druck- und chemische Sensoren auf Basis von Nanomaterialien, z. B. Metalloxiden, Nanoröhren oder nanostrukturiertem Graphit)

• Klebstoffe (Polymerdispersionen, Klebstoffe auf Basis magnetischer, nanopartikulärer Verbundstoffe für schaltbare Klebstoffe, Metallnanopulverfür als Zusatz für leitfähige Klebstoffe etc.) Darüber hinaus kommen noch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in anderen Industriezweigen hinzu (vgl. Kapitel Nanomaterialien).

In einem Workshop mit Vertretern deutscher Nanotechnologie-unternehmen aus dem Bereich Chemie/Schichttechnologie wurden nanotechnologische Produkte auf ihre wirtschaftliche Relevanz hin bis zum Jahr 2006 bewertet. Die Ergebnisse sind aufgeschlüsselt nach den Bereichen Grundstoffe, Zwischenprodukte und Endanwendungen in Abbildung 6.1, Abbildung 6.2 und Abbildung 6.3 dargestellt.

Kapitel 6 161

Abbildung 6.1: Priorisierung nanotechnologischer Grundstoffe hinsichtlich der Marktrelevanz für die Chemische Industrie bis zum Jahr 2006 (angegeben ist die Anzahl der Nennungen durch die Workshopteilnehmer)

Abbildung 6.2: Priorisierung nanotechnologischer Zwischenprodukte hinsichtlich der Marktrelevanz für die Chemische Industrie bis zum Jahr 2006 (angegeben ist die Anzahl der Nennungen durch die Workshopteilnehmer)

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Zwischenprodukte auf Basisvon Nanomaterialien

Zwischenprodukte auf Basisnanoskaliger Funktionsschichten

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Anorganische Nanopartikel

Organische Nanopartikel

Nanostrukturierte Werkstoffe/Komposite

Materialien fürNanobeschichtungen

Hybridmaterialien


Abbildung 6.3: Priorisierung nanotechnologischer Produkte in verschiedenen Anwendungsfeldern hinsichtlich der Marktrelevanz für die Chemische Industrie bis zum Jahr 2006 (angegeben ist die Anzahl der Nennungen durch die Workshopteilnehmer)

Am relevantesten für das wirtschaftliche Potenzial der chemischenIndustrie bis zum Jahr 2006 wurden bewertet:

Grundstoffe:

• Metalloxid-Nanopartikel (z. B. Titandioxid)

• Funktionalisierte Nanopartikel

• Organische Halbleiter

Zwischenprodukte der chemischen Industrie

• Nano-Komposite

• Kratzfestbeschichtungen

Produkte in anderen Anwendungsfeldern

• Information und Kommunikation (Elektronik auf Basis funktionalerschichten)

• Automobil (Lacke und funktionalisierte Oberflächen)

• Kosmetik (Sonnenschutzmittel auf Basis von Metalloxid-Nanopartikel)

Im Folgenden werden die Wertschöpfungsketten in der chemischen Nanotechnologie für die im Rahmen des Workshops als wirtschaftlichrelevant bewerteten Beispiele näher erläutert. Die tabellarischeZusammenfassung enthält Angaben über die eingesetzten

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Information/Kommunikation

Medizin

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Lebensmittel/Getränke

Bautechnik

Automobil

Energieversorgung

Kosmetik

Kapitel 6 163

Nanomaterialien, Zwischenprodukte, Anwendungen, Technologien unddie durch Nanotechnologie verbesserten Produkteigenschaften.

Nano-

material

Zwischen-

produkte

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Technolgien Verbesserte

Produkteigen-

schaften

Metalloxide Dispersionen Sole, CMP-Slurries

Elektronik, Sonnenschutz, Diagnostik, transparente leitfähige Schichten

Herstellung aus Gas-/ Flüssigphase, Fällung

Transparenz,Verarbeitbarkeit, Homogenität

Funktio-nalisierte Nanopartikel (beschichteteNanopartikel hochver-netzte Poly-mere)

Komposite, Dispersionen Schichten, Lacke,Folien,Biomarker

Produkt-/ Plagiatschutz(Dokumente, Luxusgüter), druckbare Elektronik, Displays, Diagnostik, Autolacke, Verpackungen

Herstellung aus Gas-/ Flüssigphase Fällung, Ober-flächenmodifi-zierung,Verarbeitungdurch Ink-Jet

Mech. Effekt (Komposite), Kratzfestigkeit,Selbstreinigung, hohe spez. Ober-fläche (Additive), Transparenz, Ver-arbeitbarkeit

Organische Halbleiter

Opt. Schich-ten, elektron. Schichten

Beleuchtung, Displays, flex-ible Elektro-nik, Sensoren

Herstellung aus Gas-/ Flüssigphase

Optoelektronischeund Halbleiter-eigenschaften, Verarbeitbarkeit

Kohlenstoff-nanoröhren

Polymer-komposite, Membranen,Fasern, Feld-emissions-spitzen

Elektronik, Displays, Kon-struktions-werkstoffe,Antistatikver-packungen

Abscheidung aus der Gasphase (CVD)

Leitfähigkeit, me-chanische Eigen-schaften, Feldemis-sionseigenschaften

Tabelle 6.2: Beschreibung der Wertschöpfungsketten für verschiedene priorisierte nanotechnologische Anwendungen in der chemischen Industrie

6.3.26.3.26.3.26.3.2 MarktpotenzialeMarktpotenzialeMarktpotenzialeMarktpotenziale

Marktpotenziale in der Nanotechnologie ergeben sich für die ChemischeIndustrie in erster Linie durch die Herstellung Nanotechnologie-basierterGrund- und Zwischenprodukte, die zum Teil in der chemischen Industrie aber auch in anderen Industriezweigen weiterverarbeitet werden. In der Tabelle 6.3 sind die Abschätzungen der Marktpotenziale für verschiedene nanostrukturierte Grund- und Zwischenprodukte zusammengestellt. Auf eine Darstellung der Marktpotenziale der Endprodukte wird in dieser Darstellung verzichtet, da die Wertschöpfung zum Großteil außerhalb der chemischen Industrie und auch außerhalb des Nanotechnologiesektorsanfällt.


Grund-/Zwischenprodukte Jährliches Weltmarktvolumen

(Bezugsjahr)

Rohstoffe

CVD-Precursoren 50-250 Mio. EUR (2006)12

Sol-Gel-Materialien 50-250 Mio. EUR (2006)12

PVD-Targets für Magnetoelektronik 300 Mio. USD (2006)13

Nanomaterialien

Metalloxid-/Metall-Nanopartikel 900 Mio. USD (2005)1

Nano-Kieselsäure 800 Mio. EUR (2003)2

Nano-Schichtsilikate 25 Mio. USD (2006)3

Kohlenstoffnanoröhren 145 Mio. USD (2005)4, 1,2 Mrd. USD (2006)5

Carbon Black 3 Mrd. USD (2002)6, 5,7 Mrd. (2002)3,8 Mrd. USD (2006)5

Polymerdispersionen 15 Mrd. EUR (2002)7

Organische Halbleiter 500 Mio. USD (2005)10

Dendrimere 5-15 Mio. EUR (2006)3

Mikronisierte Wirkstoffe (Vitamine, Pharmaka)

1 Mrd. EUR (2002)7

Zeolithe 2,6 Mrd. USD (2006)5

Aerogele 10 Mrd. USD (2005)8

Polymere Nanokomposite 300 Mio. USD (2006)3, 1,1 Mrd. USD (2006)5 1,5 Mrd. EUR (2009)9

Zwischenprodukte

Korrosionschutzpapier 10-50 Mio. EUR (2006)12

Lacke 50-250 Mio. EUR (2006)12

Folien für Displays 50-250 Mio. EUR (2006)12

Markerstoffe 250-500 Mio. EUR (2006)12

Nanosensoren

Temperatursensoren 4,6 Mio. USD (2004), 217 Mio. USD (2011) 11

Drucksensoren 4,4 Mio. USD (2004), 87 Mio. USD (2011) 11

Chemische Sensoren 1,3 Mio. USD (2007), 36 Mio. USD (2011) 11

Tabelle 6.3: Abschätzungen des Weltmarktes nanotechnologischer Produkte in der chemischen Industrie

1 BCC, 2002, 2 Wacker Silicones, 2003, 3 SRI, 2002, 4 Mitsubishi Research Institute, 20025, Fecht et al., 2003, 6 Reuters, 2002, 7 BASF/Distler, 2002, 8 Aspen Systems, 2001, 9 Stevenson, 2003, 10 Frost&Sullivan, 2002, 11 Frost&Sullivan, 2003, 12 Unter-nehmensbefragung, 13 Platinum Association, 2003

Wie aus der Tabelle 6.3 hervorgeht, weisen derzeit insbesondere die „klassischen“ Nanomaterialien wie Carbon Black, Polymerdispersionenoder Zeolithe jährliche Umsätze im Mrd. USD Bereich auf. Für neuere Nanomaterialien wie Nanopartikel, Kohlenstoffnanoröhren und polymereNanokomposite wird mittelfristig jedoch mit jährlichen

Kapitel 6 165

Marktwachstumsraten von mehreren 100 Prozent gerechnet. Diese Annahmen gehen allerdings von sehr optimistischen Voraussetzungen aus, z. B. dass die Herstellungsprozesse für Nanomaterialien ohneSchwierigkeiten auf industriellen Maßstab hochskaliert werden könnenund dass durch Nanomaterialien deutliche Preis-Performance-Gewinneermöglicht werden.

Aus Sicht deutscher Nanotechnologieunternehmen der chemischen Industrie werden Wachstumspotenziale vor allem im Bereich funktionaler Beschichtungen gesehen (z. B. Elektronik, kratzfesteSchichten, Korrosionsschutz, Oberflächenfunktionalisierung von Auto-mobilkomponenten), aber auch im Bereich Organische Halbleiter undNanokomposite. Deutsche Unternehmen haben insbesondere in den Be-reichen Funktionalisierte Nanopartikel, Metalloxid-Nanopartikel und Organische Halbleiter eine starke Position im Weltmarkt. Auffällig ist der Bereich Kohlenstoffnanoröhren, in dem deutsche Unternehmen nur schwach vertreten sind. Hier dominieren japanische (z. B. Mitsui) und amerikanische Unternehmen (z. B. Carbon Nanotechnologies).

Abbildung 6.4: Marktwachstum und Position Deutschlands im Bereichnanotechnologischer Produkte der chemischen Industrie

6.46.46.46.4 AutomobilbauAutomobilbauAutomobilbauAutomobilbau

Deutschland hat eine weltweite Spitzenposition im Automobilbau, die in erster Linie durch eine Fokussierung auf den Bereich der Spitzentechnik erarbeitet werden konnte, um somit den gestiegenen Anforderungen der Märkte gerecht zu werden und die Exportfähigkeit deutscher Automobilbau zu erhalten. Die Automobilbranche, die eine volkswirt-schaftliche Schlüsselgröße für Deutschland darstellt, erwirtschaftete 2001 einen Umsatz von 202 Mrd. Euro. Davon entfielen 69 Prozent auf die

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Nanotechnologisch beeinflussteZwischen-Produkte

Nanotechnologisch beeinflussteProdukte in sonst. Anwendungsfeldern

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Hersteller von Kraftwagen und deren Motoren, gut drei Prozent auf die Hersteller von Anhängern, Aufbauten und Containern sowie 28 Prozent auf die Kfz-Teile- und die -Zubehörindustrie. Damit erzielte dieAutomobilindustrie ein Sechstel des gesamten industriellen Umsatzes in Deutschland. Mit 121 Mrd. Euro erbrachte die deutsche Automobilindustrie 60 Prozent ihres Umsatz im Ausland. Die deutschen Automobilhersteller und Zulieferer beschäftigen weltweit mehr als 1,5 Millionen Menschen, davon mehr als die Hälfte in Deutschland. DieBeschäftigung im Inland konnte in den letzten Jahren ausgebaut werden: Seit 1994 wurde die Zahl der Arbeitsplätze im Inland um 122.000 erhöht. Trotz der konjunkturellen Schwäche im Jahr 2002 blieb die Beschäftigung in der Automobilindustrie mit 763.500 Personen nahezukonstant. Bei den Zulieferern wurde aufgrund der Übernahme zusätzlicher Wertschöpfung von den Herstellern sogar zusätzliches Personal eingestellt. Die deutsche Automobilindustrie beschäftigt mehr als 12,8 Prozent aller Erwerbstätigen der gesamten deutschen Industrie.Sie bringt gleichzeitig ein Drittel der FuE-Ausgaben der deutschen Wirtschaft und ein Fünftel der Investitionen auf. In den letzten fünf Jahren wurden in Deutschland 49 Mrd. Euro investiert; die FuE-Ausgaben lagen in diesem Zeitraum bei mehr als 65 Mrd. Euro. DasFuE-Personal wurde in den letzten Jahren deutlich auf über 70.000Personen erhöht (VDA, 2003).

Innovationen und Spitzentechnologie sind somit zwingende Voraussetzungen, um die Wettbewerbsfähigkeit im Automobilbau zuerhalten. Steigende staatliche Reglementierungen bei der Sicherheit und der Umweltverträglichkeit sowie immer höhere Kundenerwartungen inBezug auf Leistung, Komfort und Design von Automobilen werden einständiger Antrieb für die Einführung innovativer Technologien sein. Diese Rahmenbedingungen werden die Verbreitung nanotechnologischerAnwendungen im Automobilbau sicherlich forcieren. Aufgrund ihresbreiten Querschnittscharakter wird eine Vielzahl von Automobil-technologien von der Nanotechnologie beeinflusst werden. Es ist abzu-sehen, dass eine nanotechnologische Kompetenz im Automobilbau der Zukunft zu den Kernfähigkeiten gehören wird, die erforderlich sind, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit dieser für die deutscheVolkswirtschaft wichtigen Branche zu erhalten (TAB, 2003).


Die Nanotechnologie wird Fortschritte im Hinblick auf alle für dieweitere Entwicklung des Automobils relevanten Kriterien ermöglichen,von der Ökologie (mit den Teilaspekten Energieeffiziente Antriebe,Leichtbau, Schadstoffreduktion und Ressourcenschonung) über dieSicherheit (passive und aktive Sicherheit) bis hin zum Komfort (mit den Teilaspekten Passenger Wellness, Produktdesign und Infotainment).Dieses wird allerdings nur vor dem Hintergrund ökonomisch

Hoher Innovationsdruck wird den Einsatz der Nanotechno-

logie in der Automobiltechnik

begünstigen

Kapitel 6 167

wettbewerbsfähiger Technologien mit konkurrenzfähigem Preis-Performance-Verhältnis möglich sein (vgl. Abbildung 6.5)

Abbildung 6.5: Wettbewerbsrelevante Produktanforderungen im Automobilbau (Quelle: Automobilhersteller Deutschlands, VDI TZ)

Der Reifegrad nanotechnologischer Entwicklungen im Automobilbaureicht heute von bereits eingesetzten Komponenten oder Teilsystemen (z. B. reflexionsfreie Instrumentenbeschichtung) über konkrete Entwick-lungsbemühungen (z. B. beschlagfreie Scheiben) bis hin zum Stadiumvon visionären Produktideen mit einer allenfalls langfristigen Realisierbarkeit (z. B. schaltbare Lackfarben oder selbstgestaltendeKarosserien). Nanotechnologische Anwendungen werden für eine Vielzahl von Produktgruppen und Komponenten diskutiert, wie aus der Tabelle 6.4 hervorgeht.

Energie-effizienz

Passenger-Wellness

Produkt-design

AktiveSicherheit

PassiveSicherheit

Schadstoff-reduktion

Ressourcen-schonung

Sicherheit

Komfort

Ökologie

Unterhaltung/Infotainment

Ökonomie

Betriebs-kosten

Kaufpreis


Grundstoffe/-verfahren

(Nanomaterialien/Tools )

Komponenten/

Systeme

Anwendungen

Materialien, Werkstoffe

• Hochfeste Stähle • Metall-Matrix-

Komposite • Nanopartikel

verstärkte Polymere • Katalytische

Nanopartikel • Thermoelektrika• Nano-Klebstoffe • Nanofluide ... Verfahren/Tools

• PVD-, CVD-Verfahren

• Nanopartikelsynthese • Ionenstrahl-/

Plasmaverfahren ... Funktionale Schichten

• Ultra-hydrophob • Elektrochrom • Antireflex • Verschleißschutz • KratzfestigkeitElektronik und Sensorik

• Magnetoelektronik • WBG-Halbleiter (SiC,

GaN)• LED, OLED ...

Fahrwerk

• Reifen• Stoßdämpfer • Sensorik Antriebssystem

• Zündanlage, Einspritzung

• Kraftstofftank/-zusätze

• Abgasanlage • Brennstoffzelle • Batterien • Schmiermittel,

Kühlung • Thermoelektrische

Abwärmenutzung Karosserie/Außenhaut

• Tragende Struktur • Scheiben• Lackierung • Außenhaut-

Funktionalisierung Innenraum/Ausstattung

• Konsolen/Armaturen • Anzeigen/Displays • Beleuchtungstechnik • Elektronik, DV

Sicherheit

• Aktive Sicherheit (Bremsen

• Scheinwerfer, Sicht (indirekte Sicht, Radar etc.), Fahrverhalten)

• Passive Sicherheit (Fahrzeugstruktur,Airbag, Fußgänger-schutz

Komfort/Design

• Klimatisierung • Effektlackierung• Selbstreinigende

Oberflächen• Unterhaltung/

Infotainment (Internet, Videodienste

• Navigations-/ Verkehrsleitsysteme

Umwelt/Nachhaltigkeit

• Kraftstoffverbrauch• Schadstoffemissionen • Geräuschemissionen • Ressourcenschonende

Produktion • Recycling

Tabelle 6.4: Potenzielle Nanotechnologie-Anwendungen im Automobilbau in verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette

Einige wesentlichen Anwendungen der Nanotechnologie im Automobilbau werden im Folgenden kurz erläutert (vgl. FHG-INT, 2003bzw. TAB, 2003).

6.4.1.1 Nanomaterialien als Konstruktionswerkstoffe

Im Bereich der Konstruktionswerkstoffe richten sich nanotechnologische Entwicklungsbemühungen hauptsächlich auf die Verringerung des Fahrzeuggewichtes durch Leichtbaumaterialien, um damit Kraftstoff-einsparungen zu ermöglichen. Dies betrifft beispielsweise nanopartikelverstärkte bzw. mit Nanofüllstoffen versehene Polymere, deren physikalische und chemische Eigenschaften mit den Füllstoffenmodifiziert und optimiert werden können. Insgesamt wird den polymerbasierten Nanoverbunden gerade im Automobilbau eine großeZukunft vorausgesagt, wenn neben der Lösung der immer noch

Kapitel 6 169

bestehenden technologischen Probleme auch eine Verringerung derbisher noch sehr hohen Preise gelingt. Anwendungsmöglichkeiten gibt es überall, wo bisher konventionelle Kunststoffe eingesetzt werden, also in der gesamten Innenausstattung, aber z. B. auch in Gehäusen von Elektrobauteilen (Hohenberger, 2000). Auch die Eigenschaften vonMetallen lassen sich durch das Einbringen weiterer Phasen im Nanometerbereich stark verbessern. So werden vom japanischen Stahlhersteller NKK nanopartikelverstärkte Stähle für den Karosserie-Leichtbau entwickelt (Materials World, 2001). Auch andere Metalle wie beispielsweise das für den Automobilbau relevante Aluminium lassen sich beispielsweise durch nanostrukturierte keramische Fasern (insbesondere Siliziumkarbid, aber auch Alumiumoxid oder Aluminiumnitrid) in ihren mechanischen Eigenschaften gezielt verbessern. Ebenfalls von hoher Bedeutung ist das Thema Korrosionsschutz für die Funktionserhaltung der für Konstruktionszwecke eingesetzten Werkstoffe. Die Nanotechnologiebietet hier Lösungen, beispielsweise durch Anwendung Sol-Gel-basierterKorrosionsschutzschichten mit anorganisch-organischen Hybridmaterial-ien, die eine umweltverträglichere Alternative zu schwermetallhaltigen Korrosionsschutzsystemen darstellen und auch aus wirtschaftlichenGesichtspunkten konkurrenzfähig sind. In Deutschland beschäftigt sich z. B. die Firma Nano Tech Coatings (NTC) mit der Herstellung derartigerKorrosionschutzsysteme (Aschenbrenner, 2003).

Der Verschleißschutz mechanisch hochbeanspruchter Bauteile wie z. B. Dieseleinspritzpumpen ist ein weiteres Einsatzgebiet der Nanotechnologie im Automobilbau. Mittels Plasmaverfahren hergestellte nanostrukturierte Hartschichten auf Kohlenstoff (DLC)-, Carbid- oder Nitrid-Basis sind hier das Mittel der Wahl, um höhere Einspritz-Druckezu ermöglichen, die notwendig sind, um den wachsenden Anforderungenan Kraftstoffeinsparungen und Schadstoffreduktion gerecht zu werden.Derartige Systeme werden in Deutschland unter anderem von der FirmaBosch hergestellt (Bosch, 2001). Bei den bisherigen DLC-Anwendungenim Kfz-Bereich, wie der Beschichtung von hochbelasteten Komponentenvon Diesel-Einspritzsystemen oder reib- und verschleißminimiertenVentilen, liegen die Schichtdicken noch im Bereich weniger µm mit der Tendenz zu weiterer Reduzierung.

Gewichteinsparungen lassen sich weiterhin durch den Einsatz vonKunststoff statt Glas in Automobilverscheibungen realisieren. Derartigen Kunststoffscheiben, z. B. auf Polycarbonatbasis, lässt sich durchtransparente nanoskalige Schichten die Kratzfestigkeit von Mineralglasverleihen, so dass ein Einsatz in hochbeanspruchten Automobilscheiben möglich wird. In Deutschland werden diese Entwicklungen unter anderem von der Exatec GmbH, einem Joint Venture der Bayer AG undGeneral Electric, vorangetrieben. Entsprechende Beschichtungen werdenbereits seit einiger Zeit bei Kunststoffbrillengläsern eingesetzt.

Nanomaterialien für Leichtbau, Korrosions- und Verschleißschutz im Automobilbau


Langfristig wird die Entwicklung transparenter Leichtbauwerkstoffe mit geringer Dichte und hoher Steifigkeit angestrebt, die eine transparente Kuppel ermöglichen könnte und durch den Verzicht auf A-, B- und C-Säule zu einer verbesserten Rundumsicht führen würde.

Von besonderer Bedeutung im Konstruktionsbereich sind auch nanotechnologische Klebetechniken und Haftvermittler, mit denen sich Energie bei den Fügeprozessen sparen (kleben statt schweißen), umweltbelastende Klebemittel ersetzen und Recyclingprozesse vereinfachen lassen. Eine interessante Anwendung könnte sich durch Klebstoffe ergeben, die mit magnetischen Nanopartikeln modifiziert sind. Die Hafteigenschaften dieser Klebstoffe können von außen durch elektromagnetische Strahlung gesteuert werden, indem die auf diese Weise eingekoppelte thermische Energie chemische Reaktionen oder ein thermisches Aufschmelzen bewirkt. Derartige Anwendungen werden vonder Firma Sustech GmbH in Darmstadt entwickelt.

Die Nutzung nanostrukturierter Rußpartikel als Füllstoffe in Autoreifenist schon länger Stand der Technik. Fortschritte bei der Herstellung neuartiger Nanostrukturruße unter anderem der Firma Degussa werden in Zukunft weitere Optimierungen der Reifeneigenschaften, wie z. B. die Reduzierung des Rollwiderstandes, ermöglichen.

6.4.1.2 Oberflächenfunktionalisierung

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Nanotechnologie im Automobilbauist die Funktionalisierung im Bereich der vom Nutzer direkt wahrnehmbaren Oberflächen des Autos, wie z. B. die Lackierung, Scheiben oder Instrumente im Cockpitbereich. Hier gibt es eine Vielzahl von Ideen und zum Teil bereits verwirklichten Anwendungen (vgl. FhG-INT; 2003, TAB, 2003).

Eine bereits seit längerem praktizierte Standardanwendung ist dieHerstellung von Scheinwerferreflektorbeschichtungen. Sowohl diehauchdünne Barrieregrundierung des Reflektors als auch die aufgedampfte Aluminium-Reflexionsschicht und die Korrosionsschutz-oberfläche sind nur nanometerdünn. Die wesentlichen Vorteile gegenüber konventionellen Beschichtungen liegen in einem höherenReflexionsgrad und damit einer höheren Lichtbrillanz sowie in einerlängeren Haltbarkeit aufgrund der besonders großen Dichte der Korrosionsschutzschicht (Rügheimer und Schiller, 2002).

Eine ebenfalls bereits realisierte Anwendung ist der Einsatz vonAntireflexionsbeschichtungen auf Abdeckscheiben im Displaybereich. Diese in der Industrie schon lange etablierte Anwendung nanoskaliger Interferenzschichten soll künftig insbesondere im Hinblick auf kostengünstigere Herstellverfahren sowie die Beschichtung großflächiger auch gekrümmter Oberflächen weiterentwickelt werden. Einen Lösungsansatz bieten hierbei unter anderem mittels Tauchverfahren

BreitesAnwendungsfeld für

nanostrukturierte funktionale

Oberflächen im Automobilbau

Kapitel 6 171

aufgebrachte interferenzoptische Sol-Gel-Schichten, die unter anderem von der Firma Schott angeboten werden.

Ein weiteres Gebiet mit hohem Produktpotenzial im Automobilbau sindAntibeschlagschichten und Easy-to-clean-Schichten durch hydrophilebzw. hydrophobe Oberflächen. Antibeschlagschichten lassen sich durchAufbringen einer chemisch modifizierten hyydrophilen Nanoschichtrealisieren. Anwendungsmöglichkeiten werden in der Beschichtung der Scheiben-Innenseiten, der Außenspiegel oder der Scheinwerfer-Abdeckscheiben gesehen. Hier gibt es eine Reihe von Entwicklungsaktivitäten und prototypischen Anwendungen. Eine Serienproduktion ist aber noch nicht in Sicht, wegen der hohen Kosten einer zu geringen Abriebfestigkeit und der Härte der Schichten (Langenfeld et al., 2001). Hydrophobe Oberflächen, die sich mit Hilfe verschiedener Prozesstechnologien durch Aufbringen unpolarer Nanoschichten (insbesondere durch Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen) herstellen lassen, werden für Easy-to-clean- bzw. selbstreinigendeOberflächen (z. B. „Lotus-effect“) in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern diskutiert. Als Anwendung im Automobilbau wirdan eine entsprechende Ausrüstung von Außenspiegeln, Lackoberflächenoder der Außenseite der Windschutzscheibe gedacht. Einer weitenVerbreitung im Automobilbau stehen derzeit ähnlich wie bei den hydrophilen Systemen hohe Kosten, mangelhafte mechanische Eigenschaften sowie geringe Langzeitstabilität entgegen. Dennoch sind bereits erste Produkte auf dem Markt z. B. von der Firma Nanogate.

Eine weitere marktrelevante Anwendung der Nanotechnologie im Automobilbau sind Effektlacke auf Basis nanoskaliger Pigmente. Diesebasieren auf der Anwendung nanoskaliger Plättchen aus Silizium- oder Aluminiumoxid, die mit nanoskaligen Interferenzschichten aus Metalloxiden, beispielsweise aus Titan- oder Eisenoxid, beschichtet sind, mit denen sich verschiedene optische Effekte realisieren lassen (Sepeur-Zeitz, 2003).

6.4.1.3 Energieeffizientere Antriebe und Energieversorgung

Eine Vielzahl von Entwicklungsbemühungen und Konzeptvorschlägenzur Nutzbarmachung von Nanotechnologien im Automobil betrifft den Bereich Energieversorgung/Antrieb. Zu nennen sind unter anderemfolgende Bereiche:

• Solarzellen: In die Automobilaußenhaut integrierte Solarzellen-module könnten künftig beispielsweise den Betrieb von Klimaanlagen auch bei ausgeschaltetem Motor ermöglichen, was zum Teil mit erheblichen Krafstoffeinsparungen verbunden wäre. Verschiedene nanotechnologische Ansätze verfolgen die Optimierungphotovoltaischer Systeme, die sich auch für den Einsatz in der Automobilbau eignen, wie z. B. Dünnschicht-Solarzellen auf Basis

Selbstreinigende Oberflächen finden derzeit noch wenig Anwendung im Automobilbau


von Polymeren (z. B. Grätzeltyp) oder Silizium (z. B. Si-Ge-Quantenpunkte)

• Batterien/Kondensatoren: Die Verwendung von Nanomaterialien alsElektroden ermöglicht die Entwicklung leistungsfähigerer Batterienund Kondensatoren für zukünftige Anwendungen, z. B. in Automobilen mit Hybridantrieben.

• Brennstoffzellen: Nanotechnologien spielen eine wesentliche Rolle bei der Optimierung von Brennstoffzellen, in erster Linie bei der Vergrößerung reaktiver Oberflächen von Elektroden, Membranen und Katalysatoren. Auch für eine effiziente Wasserstoffspeicherungwerden Nanomaterialien in Betracht gezogen, z. B. nanokristallineLeichtmetallverbindungen oder auch metallorganische Verbindungen(vgl. Müller, 2002).

• Thermoelektrika: Der Einsatz thermoelektrischer Wandler zur Nutzung thermischer Energie an heißen Modulen wie Zylinder im Motor im Auto könnte in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Wandler lässt sich durch Verwendung nanokristalliner Materialien verbessern.

6.4.1.4 Elektronik und Sensorik

Auch im Bereich der Kfz-Elektronik und -Sensorik hat die Nanotechnologie längst Einzug gehalten und weist für die Zukunft noch ein erhebliches Potenzial unter anderem in folgenden Anwendungen auf (vgl. Dreßen, 2003):

• LED

LED-Rückleuchten bzw. -Bremslichter sind mittlerweile Stand derTechnik. Diese verdanken ihre Lebensdauer und Lichtausbeute beiminimalem Stromverbrauch und Volumen einem Schichtsystem aus Halbleitermaterialien mit Nanometer-Präzision. Weitere Optimierungenkönnten innerhalb dieses Jahrzehnts auch den LED-Frontscheinwerferermöglichen. Weil LEDs viel kleiner als herkömmliche Fahrzeuglampensind, ergibt sich damit ein größerer Designspielraum für die Automobilhersteller, z. B. für die weitere Reduzierung des Luftwiderstandes und damit des Kraftstoffverbrauchs. Auch der deutlichgeringere Stromverbrauch der LEDs kommt letztlich der Reduzierungdes Kraftstoffverbrauchs zu Gute.

• Sensoren

Die stark steigende Zahl von Sensoren im Automobilbau, wie sie z. B. für die Motorüberwachung, das Innenraumklima und für Sicherheitssysteme wie Airbag, ABS und ESP benötigt werden, basieren mittlerweile zum großen Teil auf funktionstragenden Strukturen undSchichten im Nanometerbereich.

Abb. 6.6: LED-Rücklichter im

Automobil sind mittlerweile Stand der

Technik

Kapitel 6 173

• Elektronik

Die Elektronik hat in den letzten Jahren eine wahre „Innovationslawine“ in der Automobilbau hervorgerufen. Die stetige Zunahme elektronischer Systeme im Automobil und deren zunehmende Vernetzung durch Bussysteme erfordern in Zukunft elektronische Systeme, die dem Standder Technik entsprechen und somit Produkte der Nanotechnologie sind. Aktuelle Prozessoren oder Speicherchips enthalten funktionstragende Strukturen im Bereich von 90-130 Nanometern; in wenigen Jahren wird diese Größe auf 65 und dann auf 45 Nanometer schrumpfen. Damit einhergehen wird jeweils ein massiver Sprung nach oben in der Leistungsfähigkeit der Elektronik und ein massiver Sprung nach unten in den Kosten, wie er jeweils für die zukünftigen Kfz-Systeme benötigtwird. Mit Hilfe leistungsfähiger Nanoelektronik werden sich beispielsweise die heutigen passiven Sicherheitssysteme wie ABS und ESP zu aktiven Sicherheitssystemen entwickeln, die Gefahrensituationenfrühzeitig erkennen und gegebenenfalls Hindernissen aktiv ausweichen können.

In einem Workshop wurden Vertreter deutscher Unternehmen aus denBereichen Automobilhersteller und Zulieferer zu einer Priorisierung der wirtschaftlichen Relevanz verschiedener Nanotechnologieentwicklungenbis zum Jahr 2006 befragt. Die Ergebnisse sind in der Abbildung 6.7 zusammengefasst.

Abbildung 6.7: Priorisierung nanotechnologischer Komponenten/Systemen und deren Anwendungsfeldern im Bereich des Automobilbaus hinsichtlich derwirtschaftlichen Relevanz bis zum Jahr 2006

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Komponenten/Systeme Anwendungsfelder


Am relevantesten für das wirtschaftliche Potenzial von Nanotechnologieanwendungen im Automobilbau bis zum Jahr 2006 wurden bewertet:

Komponenten/Systeme:

• Lacke (z. B. kratzfeste Lacke, Effektlacke)

• Außenhaut-/Oberflächenfunktionalisierung (Antireflexschichten, An- tifogschichten, Easy-to-Clean-Schichten etc.)

• Reifen (nanoskalige Füllstoffe)

Anwendungsfelder

• Leichtbau (Nano-Komposite, funktionale Schichten etc.)

• Verschleißminderung (Tribologische Schichten, Nanomaterialien etc.)

• Schadstoffreduktion (Katalysatoren, Filter, Kraftstoffzusätze etc.)

Im Folgenden werden die Wertschöpfungsketten der Nanotechnologie im Automobilbau für einige im Workshop als wirtschaftlich relevant be-werteten Beispiele näher erläutert. Die Zusammenfassung in Tabelle 6.5 enthält Angaben zu den eingesetzten Nanomaterialien, Zwischenproduk-ten, Anwendungen, Technologien und den durch Nanotechnologie ver-besserten Produkteigenschaften (bzw. Nanotechnologie-Bezug).

Kapitel 6 175

Tools/ Nano-

Materialien

Komponenten/

Systeme

Anwen-

dungen

Nanotechnologie-

bezug

• Stähle• Polymere

Nano-komposite

• Leichtmetalle • Gradienten-

schichten • Keramik

• Karosserie• Tragende

Struktur • Antrieb • Polymerscheiben

Leichtbau für verbesserteKraftstoff-effizienz

nanoskalige Gefüge, Schichten verbessern Materialeigenschaften: • höhere Festigkeit • Tribologie • kratzfeste Poly-

mer-Scheiben

• Schmierstoffe• Nanopartikel • Nanoporöse

Katalysator-träger

• Membrane

• Katalysatoren • Krafstoffadditive • Partikelfilter • Alternative

Antriebe

Verringerung vonSchadstoff-emissionen

Effizienzsteigerungendurch höhere kataly-tische Reaktivität (Ob-erflächen-Volumen-Verhältnis, Selektivität etc.)

• Lackzusatz-stoffe (UV-Schutz etc.)

• Pigmente• Lackierpro-

zess

• Effektlacke• Kratzfeste

Klarlacke

Fahrzeuglackierung, Farb-effekte, Kratz-festigkeit

Nanoskalige Ausgangsstoffe führen zu verbesserten Produkteigenschaften

• Rohstoffe • Füllstoffe • Additive • Nanoanalytik

• Automobilreifen weniger Roll-widerstand, höhere Halt-barkeit und Haftung

nanoskalige Gefüge, Schichten verbessern Materialeigenschaften

Tabelle 6.5: Beschreibung der Wertschöpfungsketten für verschiedene priorisierte nanotechnologische Anwendungen im Automobilbau


Die Bewertung des Marktpotenzials der Nanotechnologie im Automobilbau lässt sich kaum durch quantitatives Zahlenmaterialbeschreiben. Obwohl bereits nanotechnologisch beeinflusste Komponenten im Automobilbau serienmäßig zum Einsatz kommen, istder Anteil der Nanotechnologie an der Wertschöpfung in der Regel nicht bestimmbar, da die Anwendung der Nanotechnologie häufig nur einenVerfahrensschritt bei der Herstellung komplexer Bauteile umfasst, z. B. die Beschichtung von Scheinwerferreflektoren, Diesel-Einspritzpumpenetc. Auch auf der Ebene von Grund- und Werkstoffen gibt es allenfalls für Teilbereiche konkrete Abschätzungen des Marktpotenzials derNanotechnologie im Automobilbau, da eine branchenspezifische Segmentierung der Umsatzzahlen von Nanomaterialien in der Regelnicht verfügbar ist. So wird beispielsweise nur ein Teilbereich des Weltumsatzes von Nanomaterialien wie Carbon Black in Höhe von ca. 3 Mrd. EUR pro Jahr für Anwendungen in Automobilreifen erzielt. Innerhalb der Unternehmensbefragung und der Experteninterviews konnten nur wenige quantitative Markteinschätzungen für Anwendungender Nanotechnologie im Automobilbau erhoben werden, wobei der


Wertschöpfungsanteil der Nanotechnologie an den genannten Komponenten nicht beziffert werden kann (vgl. Tabelle 6.6).

Nanotechnologiekomponenten/-

systeme

Jährliches Weltmarktvolumen

(Bezugsjahr)

Magnetoelektronische Sensoren im Automobil

600 Mio. USD (2006)2

Antifog-Coatings von Scheinwerfer-abdeckungen

50-250 Mio. EUR (2003)1

Lacke 50-250 Mio. EUR (2006)1

Automobilreifen 7 Mrd. EUR (2006)1

Komponenten mit nanoskaligen Hartschichten

0,5 -1 Mrd. EUR (2006)1

Tabelle 6.6: Abschätzungen des Weltmarktes nanotechnologischer Produkte im Automobilbau, Quelle: 1 Unternehmensbefragung, 2 Experteninterviews

Im Rahmen eines Expertenworkshops schätzten Vertreter deutscherNanotechnologie- und Automobilunternehmen die kurzfristige Marktrelvanz der Nanotechnologie im Automobilbau als relativ geringein. Ursache hierfür sind die relativ langen Vorlaufzeiten für Technologieentwicklungen, die in der Regel an die Innovationszyklen der verschiedenen Modellserien gekoppelt sind. Zudem erschweren hohe Qualtitäts- und Sicherheitsstandards in der Automobilindustrie einekurzfristige Umsetzung technologischer Innovationen, da in der Regel langwierige Testprozeduren durchlaufen werden müssen. Mit einemmoderaten Marktwachstum bis 2006 wird in den Bereichen Polymer-Nanokomposite, Nanolacke und Nanobeschichtete Automobilscheibengerechnet, bei denen deutsche Unternehmen auch eine gute Ausgangsposition besitzen.

Kapitel 6 177

Abbildung 6.8: Bewertung priorisierter Nanotechnologieanwendungen im Automobilbau, bezogen auf die Position Deutschlands und das Marktwachstum bis 2006 (Quelle: Expertenworkshop)

Langfristig (ab 2010) wird allerdings mit einem erheblich gestiegenen Einfluss der Nanotechnologie im Automobilbau gerechnet, mit entsprechenden Auswirkungen auch auf Marktpotenziale speziell imBereich der Automobilzulieferindustrie. Ein dynamischer Bereich wird hier die Automobilsensorik sein. Es wird erwartet, dass magnetoelektronische Sensoren auf Basis von GMR- (Giant-magnetoresistive) bzw. TMR- (Tunnel-magnetoresistive) Sensorschichtsystemen im Bereich Druck-/Dehnungsmessungen, z. B.für Reifendrucküberwachung/Fahrdynamiksysteme, signifikante Marktanteile gewinnen werden. Das Weltmarktvolumen für magnetoelektronische Sensoren im Automobilbau wird im Jahr 2006 auf ca. 600 Mio. EUR geschätzt, wobei deutsche Automobilzulieferer eine gute Ausgangsposition haben (Quelle: Experteninterviews).

6.56.56.56.5 OptikOptikOptikOptik

Die optische Industrie wird in der Regel unter dem Branchencluster„Feinmechanik und Optik“ subsumiert, der außer den Optischen Technologien auch mechatronische und medizinische Technologien umfasst.

Hierbei handelt es sich um wachstumsstarke Branchen, die mit ihrenHightechprodukten in fast allen Wirtschaftszweigen wie der Informations- und Kommunikationstechnologie, in Computern, im Automobilbau, in der Photographie oder in der berührungslosen Messtechnik Anwendung finden und als Schlüssel- und Querschnitts-technologien eine hohe Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland darstellen. Die Feinmechanik und Optik ist eine stark mittelständisch geprägte Branche. Weit über die Hälfte aller deutschen

Position Deutschlands

hoch

mittel

gering


Ma

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6

Nanobeschicht.Leichtmetalle

Polymer-Nano- Komposite

Nanostruktur.Stähle

Nanostruktur.Keramik

Polycarbonat-Scheiben

Nano-Lack(kratzfest, Farb-

effekte)

Reifen


Erfindungen entstehen in kleinen oder mittleren Unternehmen und gerade spezielle Problemlösungen sind oftmals eine Stärke der Kleinen. Die optische Industrie setzt in ihren Anwendungsbereichen Consumer Optics(Augenoptik), Photonik und Präzisionstechnik (Imaging/Phototechnik, Laser/optische Komponenten )sowie Messtechnik und Sensorik in breitem Umfang modernste nanotechnologische Herstellungsverfahren und Geräte ein. Das BMBF hat die Bedeutung der optischen Technologien erkannt und setzt mit der deutschen Agenda „OptischeTechnologien für das 21. Jahrhundert“ ein Signal für einen Aufbruch in die zukünftige Ära des Photons. Bei der optischen Industrie handelt es sich um eine sehr forschungsintensive Branche. Durchschnittlich gut neun Prozent des Umsatzes - in Einzelfällen bis zu 25 Prozent - werden für Forschung und Entwicklung (FuE) aufgewandt, mit steigender Tendenz. Der Anteil an Facharbeitern liegt zudem außerordentlich hoch, im Schnitt bei ca. 70 Prozent. Die optische und feinmechanischeIndustrie beschäftigte im Jahr 2002 ca. 172.000 Personen, davon ca. 21.000 im Bereich Consumer Optics, ca. 14.000 im Bereich Imaging und Phototechnik, ca. 64.000 im Bereich Messtechnik und Sensorik und ca. 40.000 im Bereich Laser und Optische Komponenten (Spectaris, 2003).


Die Wertschöpfungsketten im Bereich der Nanooptik lassen sich grob in die Bereiche:

• Grundstoffe/Verfahren

• Nanooptische Zwischenprodukte

• Endprodukte in den verschiedenen Anwendungsfeldern

unterteilen. Die Abbildung 6.9 gibt einen groben Überblick überGrundstoffe/Verfahren, Komponenten und Systeme, die im Bereich derNanooptik relevant sind.

Kapitel 6 179

Abbildung 6.9: Grundstoffe/Verfahren, Komponenten und Systeme im Bereich der Nanooptik

Wirtschaftlich relevante Anwendungsfelder und Produktgruppen derNanooptik sind im Folgenden noch einmal kurz zusammengefasst (vgl. auch Kapitel 3).

• Ultrapräzisionsoptik

Ultrapräzisionsoptiken kommen vor allem in der Lithographie zumEinsatz, bei der für die Herstellung elektronischer Bauelemente mit nanoskaligen Strukturgrößen atomar präzise Optiken zwingend erforderlich sind, insbesondere beim Übergang zum EUV-Bereich.

• Optoelektronische Lichtquellen - Laser und Leuchtdioden

Optoelektronische Bauelemente wie Laserdioden und LED basieren aufextrem dünnen, nur nanometerdicken Halbleiterschichten. DerartigeBauelemente haben schon seit langem Einsatz in hochvolumigen Massenmärkten gefunden, insbesondere in den Bereichen IuK-Technologie (z. B. Diodenlaser für DVD und CD-Geräte), Beleuchtungstechnik (LED) und anderen Anwendungsfeldern. Weiterentwicklungen der nächsten Jahre zielen auf die Erschließungneuer Wellenlängenbereiche, die Verbesserung von Lichtleistung,Effizienz und Lebensdauer sowie die Entwicklung flexibler Lichtquellen auf Polymerbasis. Hierdurch werden voraussichtlich in Zukunft weitereaussichtsreiche Märkte erschlossen werden können, z. B. Laser-TV oder auch weiße LED als Frontscheinwerfer im Automobil.

• Flachdisplays

Flachbildschirme werden in Zukunft herkömmliche Kathodenstrahl-röhrenbildschirme weitgehend verdrängen und im Jahr 2006 voraussichtlich ein Marktvolumen von 64 Mrd. USD erzielen (Becker, 2003). Der Hauptanteil fällt hierbei auf Flüssigkristalldisplays, aber auch

Abbildung 6.10: Weiße LED haben Potenzial als energieeffiziente Lichtquellen in der Beleuchtungstechnik

Verfahren/Tools• PVD-, CVD-Verfahren• MBE• Lithographie• Ionenstrahl/Plasmaverf.• ...

Prozesskontrolle/-analyse• SPM-Mikroskopie• Nanoindentation• Röntgendiffraktometrie• Laserprofilometrie• Interferometrie• .....

Strahlquellen• VUV-, EUV-, Röntgenquellen• Diodenlaser (VCSEL, HLDL, QD)• LED (organisch, anorganisch) ...

Optische Schichten• Transparent + elektrisch leitfähig• Antireflexschichten ...

Sonst. Komponenten• Linsen (sphärisch, asphärisch ...)• Photonische Kristalle• Spiegel (Röntgen, etc. )• Lichtleiter, Optokoppler, Modulatoren• Marker, Sensoren ...

Optische Systeme• Ultrapräzisionsoptik• EUV-Röntgenoptik• Nahfeldoptiken• Kunststoffoptiken• Mikrooptik• Binäre Optik ...

Materialien,Werkstoffe• Transparente Polymere• Organische Halbleiter• Anorganische Halbleiter• ...

Grundstoffe/-Verfahren

NanooptischeZwischenprodukte

Information und Kommunikation• Datenspeicherung (CD, DVD, hologr.)• Datenübertragung (Glasfaser, Satcom)• Visualisierung (OLED, Laser-TV) ...

Gesundheit/Life Sciences• HTS für Pharmaforschung• Gewebediagnostik, Molecular Imaging• Laserchirugie ...

Beleuchtung• Allgemeinbeleuchtung (LED ...)• Adaptive, intelligente Lichtsysteme (Auto...)

Industrielle Fertigung• Halbleiterfertigung (Lithografie ...)• Mikromaterialbearbeitung ...

Messtechnik/Sensorik• Opt. Sensoren (Auto, Verkehr, Sicherheit)• Aerosolmesstechnik

Klassische Geräteoptik• Kameras, Ferngläser, Brillen ...)

Endprodukte inAnwendungsfeldern


andere auf Nanotechnologie basierende Konzeptionen wie OLED oderFED werden signifikante Marktanteile erzielen. Von OLED-Displayserhofft man sich vor allem eine große Kostenersparnis und neue Anwendungsmöglichkeiten, da diese großflächig prozessierbar, flexibelund preisgünstig herstellbar sind. Die prinzipielle Funktionsweise einer OLED (Organic LED) beruht ähnlich wie die der anorganischen LED auf Injektionselektrolumineszenz, bei der nanoskalige Schichten ausorganischen Halbleitern eine funktionsbestimmende Rolle spielen. FED sind selbstleuchtend und können farbige Bilder mit hoher Helligkeit und ausreichendem Kontrast darstellen. Mit dieser Technologie könnenhöchste Auflösungen erreicht werden, aber auch die Herstellung großflächiger Displays bereitet keine prinzipiellen Schwierigkeiten. Die Herstellung kann mit Methoden der Dünnschichttechnologie erfolgen,was eine kostengünstige Massenproduktion erlaubt. In modernen FED werden als besonders effiziente Elektronenemitter Kohlenstoff-nanoröhren verwendet (CNT-FED).

• Optische Messtechnik und Sensorik

Optische Sensoren im visuellen, infraroten und ultravioletten Spektralbereich finden zunehmend Verbreitung in verschiedenen industriellen Anwendnungsfeldern. Auch in diesem Bereich lassen sich durch anotechnologische Anwendungen Effizienz, Selektivität undLebensdauer der Sensorkomponenten verbessern.

In einem Workshop wurden Vertreter deutscher Unternehmen im Bereich der Nanooptik zu einer Priorisierung der wirtschaftlichen Relevanzverschiedener Nanotechnologieentwicklungen in den Bereichen Zwischenprodukte (Komponenten/Systeme) und Anwendungsfelder biszum Jahr 2006 befragt. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen Abbildung 6.12 und Abbildung 6.13 zusammengefasst.

Abb. 6.11: Mechanisch flexible

Displays aus selbstleuchtenden

organischen Leuchtdioden (OLED),

Quelle: Siemens

Kapitel 6 181

Abbildung 6.12: Priorisierung von Komponenten/Systemen im Bereich der Nanooptik hinsichtlich der wirtschaftlichen Relevanz bis zum Jahr 2006

Abbildung 6.13: Priorisierung von Anwendungsfeldern nanooptischer Komponenten/ Systeme hinsichtlich der wirtschaftlichen Relevanz bis zum Jahr 2006

Zwischenprodukte Komponenten/Systeme mit Bezug zur Nano-Optik

Strahlquellen

Sonstige Komponenten

Systeme

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Mikro

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Anwendungsfelder von Komponenten/Systemen mit Bezug zur Nano-Optik


Gesundheit/Life Sciences

Beleuchtung

Klassische Geräte-/ Konsumoptik

Messtechnik/Sensorik

Industrielle Fertigung

0

2

4

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Halbleit

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Als wirtschaftlich bedeutsam wurden aus Sicht deutscher Nanooptik-Unternehmen die Felder Leuchtdioden/Laserdioden, funktionelle Schichten sowie Ultrapräzisonsoptik (insbesondere Lithografiesysteme für die Halbleiterfertigung) bewertet. Die Wertschöpfungsketten für die genannten Beispiele der Nanooptik wurden tabellarisch zusammengefasstund entsprechend der eingesetzten Nanomaterialien, Zwischenprodukte, Anwendungen, Technologien und der durch Nanotechnologie verbesserten Produkteigenschaften (bzw. Nanotechnologie-Bezug) charakterisiert.

Tools/

Materialien

Komponenten/

Systeme

Anwen-

dungen

Nanotechnologie-

Bezug

• Design und Simulation,

• Ultrapräzi-sionsoptik

• Nanostruk-turierung

• Beschich-tung

• Lichtquellen • Masken• Abbildungs-

optik

Halbleiterferti-gung: • Optische

Lithografie-Systeme

• Werkzeug für Nanostrukturi-erung

• UltrapräziseOberflächen

• Defektfreiheit(Masken)

• Ionenstrahl-/ Sputter-verfahren

• Spin-Coating

• CVD-Verfahren

• Sol-Gel

Funktion. Schichten • Mech. Schutz • Kratzfestigkeit• Phosphor-

schichten • Opt. Kopp-

lungsschichten

• Medizin. Endoskopie,

• Biosensorik • Displays • Beleuchtung • Brillen

• Optische Eigen-schaft in Komb. mit anderer Funktionalität

• Interface-Engineering

• Alleinstellungs-merkmal

• MBE, CVD, PVD

• Optische Lithografie

• Thermische Verfahren

• Leuchtdioden • Laserdioden

• Opt. Daten-übertragung und -speicher

• Beleuchtung, • Medizin • Messtechnik +

Analytik

• DefektfreieSchichten,

• Nanostrukturen (Quantum Dot)

• Opt. Litho-grafie

• Beschich-tung

• Laser-Mikro-materialbe-arbeitung

• DiffraktiveOptik

• Linsen/Spiegel• Bragg-Gitter

• Holografie • Spektroskopie • Mikrooptik • Optische Da-

tennetze • Displays

• Geometrische Anforderungen

Tabelle 6.7: Beschreibung der Wertschöpfungsketten für verschiedene priorisierte nanotechnologische Anwendungen in der Optischen Industrie


Marktpotenziale durch die Nanotechnologie ergeben sich für die Optische Industrie in erster Linie im Bereich der Ultrapräzisionsoptiken(speziell in der Halbleiterfertigung) sowie im Bereich optoelektronischer Lichtquellen (Laserdioden und LED). In der Tabelle 6.8 sind dieAbschätzungen der Marktpotenziale für verschiedene nanotechnologi-sche Komponenten und Systeme zusammengestellt. Hierbei ist zu

Kapitel 6 183

berücksichtigen, dass der Anteil der Nanotechnologie an der Wertschöpfung der genannten Produkte in der Regel nicht quantifiziertwerden kann. Die Nanotechnologie steuert jedoch wesentliche Funktionalitäten bei, die für die Wettbewerbsfähigkeit und den Markterfolg der Produkte unerlässlich sind.

Nanotechnologische

Komponenten/Systeme

Jährliches Weltmarktvolumen

(Bezugsjahr)

Ultrapräzisionsoptiken, davon Lithografieoptiken

1-5 Mrd. EUR (2006)1

0,5 – 1 Mrd. EUR (2006)1

Lithografie-Stepper 7,7 Mrd. USD (2006)2

LED, davon weiße LED

1-5 Mrd. EUR (2006)3

10-50 Mio. EUR (2006)3

Diodenlaser,davon Hochleistungs-Diodenlaser

1-5 Mrd. EUR (2006)3

50-250 Mio. EUR (2006)1

OLED-Displays 0,1 Mrd. USD (2002), 2,5 Mrd. USD (2006)2

CNT-FED 0,01 Mrd. USD (2002), 0,05 Mrd. USD (2006)2

Optische Sensorik 1-5 Mrd. EUR (2006)3

Laserinterferometer 10-50 Mio. EUR (2006)1

Optische Dünnfilm-Messtechnik 250-500 Mio. EUR (2006)1

Tabelle 6.8: Abschätzungen des Weltmarktes nanotechnologischer Produkte im Bereich Optische Industrie; Quellen: 1 Unternehmensbefragung, 2 Fecht et al. 2003, 3 Expertenworkshop

Was das Marktwachstum bis 2006 betrifft, wird die ProduktgruppeDiodenlaser und LED als dynamischster Bereich bewertet. Für den LED-Bereich wird beispielsweise mit jährlichen Wachstumsraten von 80Prozent gerechnet. Nach Einschätzung der deutschen Unternehmensvertreter ist Deutschland in diesen Bereichen sehr gut positioniert und hat international eine führende Rolle inne. Bei der kommerziellen Umsetzung, insbesondere für den Endanwendermarkt (z. B. Displays) wird die Position Deutschlands gegenüber Japan und Südostasien als deutlich schwächer bewertet (Quelle: Experteninterview).Weiterhin eine starke Position wird Deutschland in den BereichenOptische Lithografie, Ultrapräzisionsoptik und Funktionelle Schichtenbescheinigt. Im dynamischen Markt des High-Throughput-Screenings, für den nanooptische Detektionssysteme eine zunehmend wichtigereRolle spielen, ist Deutschland allerdings nur relativ schwach vertreten.


Abbildung 6.14: Marktwachstum und Position Deutschlands im Bereichnanotechnologischer Produkte in der Optischen Industrie

6.66.66.66.6 Life SciencesLife SciencesLife SciencesLife Sciences

Der Bereich Life Sciences umfasst eine Gruppe naturwissenschaftlicher Forschungsrichtungen, die sich mit der gezielten marktwirtschaftlichenAnwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse der modernen Biologie,Biotechnologie, der Chemie und anderer Gebiete beschäftigen. DieseErkenntnisse tragen entscheidend zum Verständnis lebender Organismenund ökologischer Systeme bei. Das eröffnet bislang ungeahnte Möglichkeiten in der Aufklärung von genetisch oder durch äußereEinflüsse ausgelösten Krankheiten und erschließt neue Therapien. Die fundamentalen neuen Erkenntnisse in diesem Wissenschaftsbereich, die Fortschritte in den dazugehörigen Technologien und ihre breite Anwendung in der Gesundheits-, Umwelt- und Ernährungsforschung werden weitreichende Auswirkungen auf die gesundheitliche Versorgung, die Beherrschung von Umweltgefahren und unser gesamtesgesellschaftliches Leben haben. Gleichzeitig bieten die Lebenswissenschaften ein großes Potenzial für die Schaffung und den Erhalt von neuen und anspruchsvollen Arbeitsplätzen.7 Die Life Sciences sind vor allem für folgende Wirtschaftszweige relevant:

• Medizin/Pharmazie

• Lebensmittelindustrie

• Kosmetik

7 s. unter www.bmbf.de

Life Sciences werden

weitreichende Auswirkungen auf

unser gesellschaftliches

Leben haben

Position Deutschlands

hoch

mittel

gering


Ma

rktw

ac h

s tu

mDiffraktive

Optik Ultrapräzisions-optik

Funkt. Schichten

Diodenlaser Leuchtdioden

USA

HTS

Opt. Sensoren

„weiße“ LED

Opt. Lithografie

Kapitel 6 185

6.6.16.6.16.6.16.6.1 Wertschöpfungsketten und AnwendungsWertschöpfungsketten und AnwendungsWertschöpfungsketten und AnwendungsWertschöpfungsketten und Anwendungspotenzialepotenzialepotenzialepotenziale

6.6.1.1 Medizin/Pharmazie

Im Bereich der Nanotechnologieanwendungen für die Medizin und Pharmazie hat es in den letzten Jahren intensive Forschungsaktivitätenauf den Gebieten Wirkstofftransport (Drug Delivery) und neuartigerBiochip-Systeme gegeben (vgl. Wagner und Wechsler, 2004). Außerdemgibt es viele Ansätze, Nanopartikel in der molekularen Diagnostikeinzusetzen und nanostrukturierte Materialien für die Herstellungbioaktiver Oberflächen zu verwenden. Da der Bereich Life Sciences den Fokus einer parallel bearbeiteten Vertiefungsstudie zu Anwendungen der Nanotechnologe bildete8, wird hier nur eine kurze Übersicht über die wesentlichen Einsatzgebiete gegeben.

• Biomedizinische Grundlagenforschung

Die fortwährende Weiterentwicklung der instrumentellen Analytik wie die Rastersondentechniken oder die optische Einzelmoleküldetektion erlaubt es mittlerweile, biologische Objekte auf der Nanoskala zuuntersuchen. Dies liefert wichtige Beiträge zum Verständnis biochemischer Prozesse und kann langfristig in neue Strategien für die Bekämpfung von Krankheiten münden.

• Drug Delivery

Nanoskalige Drug-Delivery-Systeme bieten das Potenzial, in wässrigen Medien schwerlösliche oder chemisch labile Wirkstoffe zum kranken Gewebe zu transportieren, biologische Barrieren, wie die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden und Wirkstoffe gezielt im kranken Gewebeanzureichern, um so die Gefahr von Nebenwirkungen zu verringern.Mittlerweile befinden sich die ersten Medikamente, die solche Drug-Delivery-Systeme nutzen, auf dem Markt.

• Kontrastmittel in der Diagnostik

Nanopartikel können für die molekulare Bildgebung genutzt werden, um Kontrastmittel mit Hilfe von molekularen Markern im kranken Gewebeanzureichern. Da die molekularen Signaturen vieler Krankheiten bereitsvor Ausbruch der Symptome auftreten, können mit solchen MethodenKrankheiten bereits im Frühstadium diagnostiziert werden.

• Biochips

Ein weiterer Bereich, in dem Nanotechnologie an Bedeutung gewinnt, ist die Biochip-Technologie. Solche kompakten Systeme sollen mittel- bis langfristig einen Massenmarkt in der medizinischen Diagnostik

8 Die Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer (AGIT) hat als Konsortialführer im Auftrag des BMBF eine Studie zum Thema Nanotechnologie und Gesundheit erstellt, die im Herbst 2004 erscheint.

Intensive Forschungs-aktivitäten auf den Gebieten Drug Delivery und Neuartige Biochips

Erste Nanoskalige Drug-Delivery-Systeme sind bereits auf dem Markt


erschließen, insbesondere, um teure und zeitaufwändige Labor-untersuchungen durch Schnelltests vor Ort beim praktizierenden Arzt oder in der Klinik zu ersetzen. Solche Systeme werden auch für denEinsatz in der personalisierten Medizin entwickelt. Nanotechnologie wird in diesem Bereich weniger für die weitere Miniaturisierung eine Rolle spielen, sondern vielmehr für die Verbesserung der Nachweis-empfindlichkeit und der Zuverlässigkeit der Systeme. So finden beispielsweise Nanopartikel-Fluoreszenzmarker oder nahfeldoptischeDetektionssysteme Einsatz, um die Nachweisempfindlichkeit von Biochips zu erhöhen. Derzeit werden außerdem eine Reihe von neuartigen elektrischen und magnetischen Biochip-Detektionssystemen entwickelt, die auf Nanotechnologie basieren. Gerade in diesem Bereich sind deutsche Forschungsinstitute und Unternehmen sehr aktiv undinternational gut positioniert. Im Vergleich zu den konventionellenoptischen Verfahren sind die elektrischen und magnetischen Detektorenrobuster und einfacher in einem miniaturisierten Sensor zu integrieren.

• Implantate

Durch nanostrukturierte Oberflächen von Implantaten läst sich deren Bioverträglichkeit und das Einwachsverhalten verbessern. Eine großeBedeutung kommt dabei einem verbesserten Verständnis der Vorgängean der Grenzfläche zwischen dem Gewebe und der Implantatoberflächezu.

6.6.1.2 Kosmetik

Der Bereich der Kosmetik wird in erster Linie durch die Verwendungvon Nanomaterialien profitieren. Nanopartikel finden hier bereits unter anderem in folgenden Bereichen Anwendung:

• Sonnenschutzmittel

Nanoskalige Metalloxidpartikel wie Titandioxid oder Zinkoxid werdenbereits als hocheffiziente UV-Absorber in Sonnenschutzmitteln eingesetzt. Aufgrund der geringen Partikelgröße sind die verwendeten Dispersionen transparent und bieten somit einen auf der Haut unsichtbaren Sonnenschutz. Ein weiterer Vorteil anorganischer imVergleich zu organischen UV-Absorbern ist ein geringeres Allergiepotenzial. Allerdings ist noch nicht abschließend geklärt, ob die Nanopartikel unter gewissen Umständen über die Haut in den menschlichen Organismus gelangen und dort eventuell systemischeEffekte auslösen könnten. Der Weltmarkt für Nanopartikel, die imSonnenschutz eingesetzt werden, wird für das Jahr 2005 auf 87 Mio.USD geschätzt (BCC, 2003).

• Pigmente

Nanstrukturierte Pigmente werden in Kosmetikfarben eingesetzt, um besondere Farbeffekte zu erzielen. Derartige Pigmente basieren unter

Nanopartikel als UV-Absorber in Sonnenschutz-

mitteln

Kapitel 6 187

anderem auf nanoskalig beschichteten Silikatplättchen, die aufgrund von Interferenzeffekten die Farbe abhängig vom Betrachtungswinkel ändern

• Emulsionen

Nanoskalige Hohlkörper wie Liposome werden als Transportbehälter für verschiedene Wirkstoffe in Hautcremes verwendet. Während Liposomehauptsächlich wasserlösliche Wirkstoffe transportieren, werden alsVehikel von fettlöslichen Wirkstoffen, wie zum Beispiel Vitamin A oder E, eher so genannte Nanosomen verwendet. Nanosomen bestehen auseiner Lecithinhülle, die einen ölhaltigen Kern umschließt.

• Zahncreme

Nanopartikel werden derzeit als Zusatzstoffe in Zahncreme untersucht, um defekten Zahnschmelz zu regenerieren. So entwickelt beispielsweise die Firma SusTech einen Wirkstoff aus Kalziumphosphat-Proteinteilchen, die leicht in Dentinkanälchen der Zähne eindringenkönnen. Dort dienen sie als Kristallisationskeime, an denen sich weitere Mineralien anlagern und die Kanäle verschließen und somit das Problemempfindlicher, freiliegender Zahnhälse entschärfen.

6.6.1.3 Lebensmitteltechnologie

Bereiche in der Lebensmitteltechnologie in denen die NanotechnologieAnwendungspotenziale besitzt sind z. B.:

• Verpackungsmaterialien

Nanotechnologie findet bereits Einsatz im Bereich der Lebensmittel-Verpackungsmaterialien. Zu nennen sind hier beispielsweise nanopartikelverstärkte Polymere, die eine geringere Gasdurchlässigkeit besitzen und sich somit für den Einsatz als Lebensmittelfolien eignen.Auch Beschichtungstechnologien werden eingesetzt, um die Gasdichtigkeit beispielsweise von PET-Flaschen für Getränke zu erhöhen. Hierbei werden sowohl nanoskalige Innenwand- als auch Außenwandbeschichtungen angewendet, die z. B. im Plasmaverfahrenhergestellt werden.

• Lebensmittelzusatzstoffe

Durch Nanostrukturierung von speziellen Wirkstoffen wie beispielsweiseVitaminen, die als Lebensmittelzusatz verwendet werden, wird derenWirksamkeit im menschlichen Organismus erhöht. Mikronisierte Wirkstoffe werden bereits in erheblichem Umfang eingesetzt und weisen ein Weltmarktvolumen von ca. 1 Mrd. USD (BASF, 2002) auf. Auch umFarbeffekte zu erzielen oder die Fließeigenschaften, beispielweise von Ketchup, zu verbessern werden Nanopartikel bereits in Lebensmitteln eingesetzt.

Nanopartikel alsZusatzstoffe in Zahncreme zur Regeneration defekten Zahnschmelzes werden entwickelt


• Biosensorik

Im Bereich der Lebensmittelindustrie sind Biosensoren von Interesse, die in der Lage sind den Frischegrad von Lebensmitteln zu überwachen. In Entwicklung sind hier Dünnfilmsensoren zur Identifikation flüchtigerVerbindungen, die sich zum Teil direkt in die Verpackung integrierenließen und dem Verbraucher das Verderben von Lebensmitteln beispielsweise durch Farbumschlag anzeigen könnten.


Bislang gibt es nur wenig Markteinschätzungen für Anwendungen der Nanotechnologie im Life Science-Sektor. Eine Übersicht über existierende Marktprognosen gibt die Tabelle 6.9.

Weltmarkt-

volumen (Jahr)

Quelle

Medizin/Pharmazie

Biophysikalische Analytik (z. B. Rastersondentechniken)

181 Mio. USD (2002)

745 Mio. USD (2007)

BCC 2003

Gesamtmarkt Biochips/Schnelltests 2 Mrd. USD (2010) VDI-Nach-richten 2003

DNA Chips 1,9 Mrd. USD (2006)

DB 2003

Protein Chips 0,4 Mrd. USD (2006)

DB 2003

Nanotechnologiebasierte Diagnostik und Analytik (z. B. Nanopartikel für Biochips, Biomagnetische Separation, Kontrastmittel)

80 Mio. USD (2002) 391 Mio. USD

(2007)

BCC 2003

Wirkstoffe und Drug Delivery 8 Mio. USD (2002) 33 Mio. USD (2007)

BCC 2003

Tissue Engineering 0 Mio. USD (2002) 1,5 Mio. USD

(2007)

BCC 2003

Ag-Nanopartikel in antimikrobiellen Anwendungen

1 Mio. USD (2005) BCC 2001

Kosmetik

Nanopartikel in Sonnenschutzmitteln 86,50 Mio. USD (2005)

BCC 2001

Tabelle 6.9: Abschätzungen des Weltmarktes nanotechnologisch beeinflussterProdukte im Life Sciences-Bereich

Kapitel 6 189

6.76.76.76.7 ElektronikElektronikElektronikElektronik

Die Halbleiterelektronik hat eine wichtige Hebelwirkung für denElektronikmarkt. Die Elektronik wiederum ist selber eine Schlüsseltechnologie für die verschiedensten Branchen. Für die Produktion der Halbleiterelektronik ist die Zulieferung von Equipmentund Materialien notwendig. Abbildung 6.15 verdeutlicht die Wert-schöpfungskette schematisch.

Abbildung 6.15: Wertschöpfung in der Elektronik

Abbildung 6.16: Historische Entwicklung des Halbleiterelektronik-Marktes und des Equipmentmarktes im Vergleich zum Elektronikmarkt und dem globalen Bruttoinlandsprodukt (Quelle: VLSI Research, 2004)

Abbildung 6.16 stellt die Entwicklung des Halbleiterelektronik-Marktes, des zugehörigen Equipmentmarktes der Entwicklung des Elektronikmarktes und des globalen Bruttoinlandproduktes gegenüber.Der Halbleiterelektronik-Markt weist seit 1965 ein mittleres, jährliches

Elektronik ist eine Schlüssel-technologie

Halbleiterelektronik

Elektronische Bauelemente

Elektronik

Com

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100

1000

10000

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100000000

1955 1965 1975 1985 1995 2005

Jahr

[Mrd

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]

globales BIP

Elektronik-Umsatz

Halbleiterelektronik-Umsatz

Equipment-Umsatz


Wachstum von 14,7 Prozent auf. Er ist damit doppelt so schnell gewachsen wie das globale Bruttoinlandsprodukt.

Nach einer Prognose der World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) werden in der Halbleiterelektronik-Produktion im Jahr 2006 weltweit 215 Mrd. USD umgesetzt (Abbildung 6.17). Die Unsicherheit solcher Prognosen ist aufgrund der starken konjunkturellen Schwankungen9

relativ groß. So prognostiziert BCC für 2006 einen Umsatz von 246 Mrd. USD, die Semiconductor Industry Association (SIA) geht von 205 Mrd. USD aus. Allgemein wird ein überdurchschnittliches Wachstum im Wirtschaftsraum Asien Pazifik erwartet.

Abbildung 6.17: Entwicklung der weltweiten Halbleiterelektronik-Produktion. (Quelle:WSTS)

Abbildung 6.18 zeigt, wie sich die Halbleiterelektronik-Produktion auf die verschiedenen Komponenten aufteilt. Nach dieser Prognose der SIA hat der Logik-Bereich den größten Anteil und wird in den nächstenJahren auch am stärksten wachsen.

9 Die jährlichen Wachstumsraten schwankten seit 1965 zwischen - 32,0 % und + 44,6 %.

0

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2002 2003 2004 2005 2006

Jahr

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Mrd

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]

Asien Pazifik

Japan

Europa

Amerika

Kapitel 6 191

Abbildung 6.18: Entwicklung des Halbleiterelektronik-Marktes, aufgeteilt nach denverschiedenen Komponenten (Quelle: SIA, 2004)

Der Markt mit Equipment zur Halbleiterelektronik-Produktion ist in den letzten Jahrzehnten noch stärker gewachsen als der Halbleiterelektronik-Markt, unterliegt aber auch noch stärkeren konjunkturellen Schwankungen. Abbildung 6.19 zeigt, wie sich der Markt nach einer Prognose von VLSI Research bis 2008 entwickeln wird.

Abbildung 6.19: Entwicklung des weltweiten Umsatzes mit Equipment zur Halbleiterelektronik-Produktion bis 2008 (Quelle: VLSI Research,2004)

Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Gartner wurden 200221 Mrd. USD mit Materialien für die Halbleiterelektronik-Produktionumgesetzt.

0

20

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80

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120

2003 2004 2005 2006

Jahr

We

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Mrd

. U

S-$

] OptoelektronikDiskrete BauelementeAnalogMOS SpeicherMOS Logik

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60

70

1998 2000 2002 2004 2006 2008

Jahr

We

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eit

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Um

sa

tz [

Mrd

. U

S-$

]

Assembling

Test-Systeme

Wafer-Fabrikation


Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektroindustrie (ZVEI) schätzteden Markt für elektronische Bauelemente für 2003 weltweit auf 300,5 Mrd. USD. Davon entfielen 17,23 Mrd. USD auf den deutschen Marktund davon wiederum 10,59 Mrd. USD in den Halbleiterelektronik-Bereich. Größter Abnehmer für elektronische Bauelemente ist in Deutschland die Automobilindustrie mit einem Anteil von knapp 32Prozent, gefolgt von der Datentechnik mit 24 Prozent, der Telekommunikation mit 22 Prozent und der Industrieelektronik mit 17 Prozent. Schlusslicht ist mit einem Marktanteil von fünf Prozent die Konsum-/Unterhaltungselektronik, die in Deutschland nur noch eineuntergeordnete Rolle spielt (Quelle: ZVEI, VDI nachrichten, 21.11.2003)

Der gesamte Elektronikmarkt weist seit 1965 ein mittleres, jährlichesWachstum von 10,3 Prozent auf. Weltweit werden nach Angaben desMarktforschungsinstitutes VLSI Research mit Elektronikprodukten im Jahr 2004 1168 Mrd. USD umgesetzt. Für das Jahr 2006 wird ein Umsatzvon 1329 Mrd. USD prognostiziert. Abbildung 6.20 zeigt die Aufteilungdes Elektronik-Markts auf verschiedene Branchen. Es fällt auf, dass es bis 2008 nur zu geringen Verschiebungen der Marktanteile kommenwird.

Abbildung 6.20: Entwicklung der weltweiten Elektronikproduktion bis 2008, aufgeteilt nach Branchen (Quelle: VLSI Research, 2004)

Bei der Elektronikproduktion sind Deutschland, Frankreich und Großbritannien in Europa führend. Dies ist in Abbildung 6.21 für das Jahr 2001 dargestellt. Detailliertere und neuere Zahlen gibt es von der European Information Technology Observatory (EITO) für den Informations- und Kommunikationsmarkt (IuK-Markt). Der weltweiteIuK-Markt für 2004 wird auf ein Volumen von 2378 Mrd. EUR geschätzt. Der Elektronikanteil verbirgt sich dabei in dem Bereich IuK-

0

250

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1998 2000 2002 2004 2006 2008

Jahr

We

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Mrd

. U

S-$

] Sonstige

Consumer

AutomobilbauÖffentl. Hand

IndustrieMedizin

Kommunikation

Computer

Kapitel 6 193

Equipment10 mit einem Volumen von 696 Mrd. EUR. Auch hier ist Deutschland in Europa führend (siehe Abbildung 6.21).

Abbildung 6.21: Elektronikproduktion in Europa. Die Angaben des Verbandes European Electronic Components Industry sind für das Jahr 2001.

Abbildung 6.22: Umsatz mit IuK-Equipment im Jahr 2004 (Quelle: EITO, 2003)

Der Anteil der Halbleiterelektronik an der Elektronik ist in den letzten Jahrzehnten von ca. 4,5 Prozent im Jahr 1960 auf derzeit ca. 17,5 Prozent gewachsen und wird weiter anwachsen (siehe Abbildung 6.23). NachAngaben des pan-europäischen Programms MEDEA+ wird der

10 Hierunter fasst die EITO die Bereiche computer hardware, office equipment, end user communications equipment und datacom and network equipment zusammen

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Halbleiterelektronik-Anteil bei Mobiltelefonen und anderen Hightech-Anwendungen 2007 bei ca. 50 Prozent liegen.

Abbildung 6.23: Anteil des Halbleiterelektronik-Marktes am gesamten Elektronikmarkt(Quelle: VLSI Research)

Wie bereits in Kapitel 3 erwähnt, wird der Markt der Halbleiterelektronik auch weiterhin von der Silizium-basierten CMOS-Elektronik dominiert. Getrieben durch die fortschreitende Miniaturisierung wird es, anders als in anderen Technologien, zu einem durch die ITRS klar vorgezeichneten, kontinuierlichen Übergang von der Mikroelektronik zur Nanoelektronikkommen.

Bisher sind keine Zahlen erhältlich, die angeben, wie groß der Anteil der 100 nm-Generation oder folgender Generationen an der gesamten Halbleiterelektronik-Produktion ist. Abbildung 6.24 zeigt, wie sich die Wafer-Starts pro Woche auf die Produktionslinien größer 120 nm undkleiner 120 nm aufteilen. Danach wird der Anteil der Generationenkleiner 120 nm kontinuierlich wachsen und bis 2006 einen Anteil von 12,5 Prozent erzielen.

Mit diesen Zahlen lässt sich abschätzen, dass die Nanoelektronik im Jahr 2006 ca. zehn Prozent des Halbleiterelektronik-Marktes ausmachen wird. Dies entspricht den Prognosen zufolge einem Marktvolumen von über 20 Mrd. USD.

Nanoelektronik-Markt 2006: über

20 Mrd. USD

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1955 1965 1975 1985 1995 2005

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Kapitel 6 195

Abbildung 6.24: Aufteilung Wafer-Starts pro Woche auf die CMOS-Generationen größer 120 nm und kleiner 120 nm (Quelle: VLSI Research)

Im hier betrachteten Zeitraum werden allenfalls die alternativenSpeicherkonzepte MRAM in der Magnetoelektronik, FRAM in der Ferroelektronik und der PC-RAM erste Marktanteile des Weltmarktes für Speicherchips erobern, der im Jahr auf 2006 auf ca. 30 Mrd. USDgeschätzt wird (Small Times, 2003). Auf der anderen Seite werden diese Konzepte weitgehend in das bestehende CMOS-Umfeld integriert werden. Die Magnetoelektronik hat allerdings bereits seit längeremwesentlichen Einfluss auf den Weltmarkt der Festplattenspeicher, die GMR-Sensoren in den Leseköpfen verwenden. Der Weltmarkt für Festplattenspeicher wird im Jahr 2006 auf 26,9 Mrd. USD geschätzt. Auch wenn der Wertschöpfungsanteil der nanotechnologischen Komponente, des GMR-Sensors, hierbei nicht quantifizierbar ist, wird die große Hebelwirkung der Nanotechnologie auf den Volumenmarkt der Festplattenspeicher deutlich.

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2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

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< 120 nm


Abbildung 6.25: Standorte der Elektronik-Industrie in Deutschland (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) (Quelle: BMBF)

Abbildung 6.25 gibt einen Überblick über in Deutschland ansässigeChiphersteller, Zulieferer und Systemhersteller. 1999 betrug nachAngaben des Bundesverband für Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (Bitkom) die Zahl der Arbeitsplätze in der Produktion elektronischer Bauelemente 82.000. Für die folgenden Jahre hat der Verband keine entsprechenden Zahlen mehr veröffentlicht. Eine systematische Erhebung der Arbeitsplätze in den Bereichen Halbleiterelektronik, Equipment und Elektronik ist bisher nicht erfolgt. Nach Schätzungen des BMBF existieren in diesem Bereich insgesamt ca. 215.000 Arbeitsplätze, davon 20.000 bei den Chipherstellern, 45.000 bei Zulieferern von Equipment und 150.000 bei den Systemherstellern.

6.86.86.86.8 MarktMarktMarktMarktpotenziale und Zeithorizonte im Überblickpotenziale und Zeithorizonte im Überblickpotenziale und Zeithorizonte im Überblickpotenziale und Zeithorizonte im Überblick

Im Folgenden werden die Marktpotenziale nanotechnologischer Anwendungen in den beschriebenen Lead-Märkten nochmals tabellarischzusammengefasst. Eine Ableitung des „Nanotechnologieweltmarktes“ ist auf Basis der genannten Zahlen allerdings nicht möglich, da

• nur für einen Teil nanotechnologischer Produkte Marktzahlen verfügbar und die Auflistungen somit unvollständig sind,

Kapitel 6 197

• die Marktprognosen sich zum Teil auf unterschiedliche Zeithorizontebeziehen

• Doppelungen bei der Nennung von Nanotechnologieprodukten in zwei oder mehreren Teilbereichen vorkommen (z. B. Anwendung von Nanogrundprodukten/-komponenten in Produkten aus anderen Bereichen)

• Produkte aus unterschiedlichen Stufen der Wertschöpfungskette indie Betrachtung einfließen (Grundprodukte, Zwischenprodukte, Endprodukte etc.)

Nanotechnologische Produkte Jährliches Weltmarktvolumen (Bezugsjahr)

Chemie

Nanomaterialien

• Metalloxid-/Metall-Nanopartikel 900 Mio. USD (2005)1

• Nano-Kieselsäure 800 Mio. EUR (2003)2

• Nano-Schichtsilikate 25 Mio. USD (2006)3

• Kohlenstoffnanoröhren 145 Mio. USD (2005)4, 1,2 Mrd. USD (2006)5

• Carbon Black 3 Mrd. USD (2002)6, 8 Mrd. USD (2006)5

• Polymerdispersionen 15 Mrd. EUR (2002)7

• Organische Halbleiter 500 Mio. USD (2005)10

• Dendrimere 5-15 Mio. EUR (2006)3

• Mikronisierte Wirkstoffe 1 Mrd. EUR (2002)7

• Zeolithe 2,6 Mrd. USD (2006)5

• Aerogele 10 Mrd. USD (2005)8

• Polymere Nanokomposite 0,3 Mrd. USD (2006)3, 1,5 Mrd. EUR (2009)9

Zwischenprodukte

• Korrosionsschutzpapier 10-50 Mio. EUR (2006)12

• Lacke 50-250 Mio. EUR (2006)12

• Folien für Displays 50-250 Mio. EUR (2006)12

• Markerstoffe 250-500 Mio. EUR (2006)12

Nanosensoren

• Temperatursensoren 4,6 Mio. USD (2004), 217 Mio. USD (2011)11

• Drucksensoren 4,4 Mio. USD (2004), 87 Mio. USD (2011)11

• Chemische Sensoren 1,3 Mio. USD (2007), 36 Mio. USD (2011)11


Nanotechnologische Produkte Jährliches Weltmarktvolumen (Bezugsjahr)

Automobilbau

• Magnetoelektronische Sensoren 600 Mio. USD (2006)13

• Antifog-Coatings für Scheinwerfer 50-250 Mio. EUR (2003)12

• Lacke 50-250 Mio. EUR (2006)12

• Automobilreifen 7 Mrd. EUR (2006)12

• Komponenten mit Hartschichten 0,5 -1 Mrd. EUR (2006)12

Elektronik

• CMOS-Elektronik <100 nm 20 Mrd. USD (2006)18

• GMR-HDD 26,6 Mrd. USD (2006)5

• MRAM 30-50 Mrd. USD (2010)19, (DRAM-Ersatz)

Optische Industrie

• Ultrapräzisionsoptiken,

davon Lithografieoptiken

1-5 Mrd. EUR (2006)12

0,5 – 1 Mrd. EUR (2006)12

• Lithografie-Stepper 7,7 Mrd. USD (2006)5

• LED,

davon weiße LED

1-5 Mrd. EUR (2006)13

10-50 Mio. EUR (2006)13

• Diodenlaser,

davon Hochleistungs-Diodenlaser

1-5 Mrd. EUR (2006)13

50-250 Mio. EUR (2006)12

• OLED-Displays 0,1 Mrd. USD (2002), 2,5 Mrd. USD (2006)5

• CNT-FED 0,01 Mrd. USD (2002), 0,05 Mrd. USD (2006)5

• Optische Sensorik 1-5 Mrd. EUR (2006)13

• Laserinterferometer 10-50 Mio. EUR (2006)12

• Optische Dünnfilm-Messtechnik 250-500 Mio. EUR (2006)12

Life Sciences

Medizin/Pharmazie

• Biophysikalische Analytik 181 Mio. USD (2002), 745 Mio. USD (2007)14

• Gesamtmarkt Biochips/Schnelltests 2 Mrd. USD (2010)15

• DNA-Chips 1,9 Mrd. USD (2006) 5

• Protein-Chips 0,4 Mrd. USD (2006) 5

• Nanobasierte Diagnostik und Analytik 80 Mio. USD (2002), 391 Mio. USD (2007)14

• Wirkstoffe und Drug Delivery 8 Mio. USD (2002), 33 Mio. USD (2007)14

• Tissue Engineering 0 Mio. USD (2002), 1,5 Mio. USD (2007)14

• Ag-Nanopartikel in Antimikrobika 1 Mio. USD (2005)16

Kosmetik

• Nanopartikel in Sonnenschutzmitteln 86,5 Mio. USD (2005)16

Tabelle 6.10: Abschätzungen des jährlichen Weltmarktvolumens nanotechnologischer Produkte in den jeweiligen Lead-Märkten

Kapitel 6 199

Quellen: 1 BCC, 2002, 2 Wacker Silicones, 2003, 3 SRI, 2002, 4 Mitsubishi Research Institute, 2002, 5 Fecht et al., 2003, 6 Reuters, 2002, 7 BASF/Distler, 2002, 8 Aspen Systems, 2001, 9 Stevenson, 2003, 10 Frost&Sullivan, 2002, 11 Frost&Sullivan, 2003 12

Unternehmensbefragung, 13 VDI TZ Experten-Workshops, 14 BCC 2003, 15VDI-Nachrichten 200216 BCC 2001, 17 Small Times 2002, 18eigene Abschätzung, 19 Small Times, 2003

Einen Überblick über den Entwicklungsstand verschiedener nanotechno-logischer Produkte in den betrachteten Lead-Märkten bietet die Abbildung 6.26.

Abbildung 6.26: Entwicklungsstand und Zeithorizonte verschiedener Nanotechnologie-produkte in den betrachteten Lead-Märkten (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) (Quelle: VDI TZ)

Nanotechnologische ProdukteNanotechnologische Produkte

Konzept Prototyp Markteintritt Verbreitung am Markt

Nano-Schichtsilikate Organische Halbleiter Dendrimere Aerogele Polymere NanokompositeLackeNanopigmente

Carbon Black Polymerdispersionen Mikronisierte Wirkstoffe

CNT-Verbundmaterialien

Anorganische NanopartikelChemische Sensoren

Antifog-Coatings Kratzfeste LackePolymer- Windschutzscheiben

Reifenfüllstoffe Komponenten mit Hartschichten

Magnetoelektronische SensorenBrennstoffzelle Nanokomposite Kraftstoffzusatz

Ferrofluid-Stoßdämpfer

Thermoelektrische Abwärmenutzung

CMOS-Elektronik <100 nmPolymerelektronikFRAM MRAM

MolekularelektronikRTD

DNA-ComputingSpintronik

PC-RAM

GMR-HDD

EUVL-OptikenQuantenpunktlaserPhotonische Kristalle weiße LED

OLED

CNT-FEDQuantenkryptografie

Biochips Sonnenschutz

Drug Delivery KontrastmittelBiomolekulare Motoren

Antimikrobika Magnet. Hyperthermie BiosensorenLab-on-a-chipTissue Engineering

ChemieChemie

Life SciencesLife Sciences

Optische IndustrieOptische Industrie

ElektronikElektronik

AutomobilbauAutomobilbau

201

7777 MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT MARKET ASSESSMENT ---- ABLEITUNGEN FÜR DEN ABLEITUNGEN FÜR DEN ABLEITUNGEN FÜR DEN ABLEITUNGEN FÜR DEN STANDORT DEUTSCHLANDSTANDORT DEUTSCHLANDSTANDORT DEUTSCHLANDSTANDORT DEUTSCHLAND

7.17.17.17.1 Anmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur VorgehensweiseAnmerkungen zur Vorgehensweise

Im folgenden Kapitel 7 findet sich die Zusammenführung und Bewertungder gesamten ermittelten Ergebnisse. Die Ergebnisse werden unteranderem im Kontext mit Ergebnissen aus anderen verfügbaren kommerziellen Quellen bewertet (Markus-Datenbank und der aktuellen WMTech Marktstudie, (Fecht et al., 2003). Dies dient der Plausibilisierung der gesamten Ergebnisse und dem Herausarbeiten der spezifischen Perspektiven und Ableitungen für den Standort Deutschland. Dabei wird unter anderem eine Stärken-Schwächen-Analyse der internationalen Wettbewerber in diesem Umfeld, ihremomentane und zukünftige Orientierung im Forschungs- und Applikationsbereich und auch eine vergleichende PositionsbestimmungDeutschlands vorgenommen. Auf der Basis der zusammengestellten Informationen mit strukturierten Methoden (swot analysis und white spot analysis) wird zudem eine Analyse des Status in Deutschland sowie der vorhandenen Chancen und Defizite durchgeführt.

Eine SWOT-Analyse umfasst eine Stärken-Schwächen-Analyse (strength-weakness), also die Bewertung der Faktoren, die in Deutschland selbst beeinflusst werden können, und eine Chancen-Risiko-Analyse (opportunities-threats), d. h. eine Bewertung von globalwirkenden Faktoren. Die white-spot analysis stellt ein qualitatives, strukturiertes Verfahren dar, um in einer Matrix, die zum BeispielMärkte/Applikationen und Technologieplattformen beschreibt, nicht oder nur schwach besetzte Positionen (so genannte weiße Flecken) zu identifizieren (Deschamps, 2000). Für Aussagen zu den Beschäftigungs-wirkungen der Nanotechnologie ist man, wie dies bei Quer-schnittstechnologien grundsätzlich der Fall ist, auf Schätzungenangewiesen. Weder der Anteil der Nanotechnologie am Bruttosozialprodukt noch der Niederschlag förderpolitischer Maßnahmenim Bereich der Nanotechnologie in Form von neu geschaffenen (oderabgebauten) Arbeitsplätzen lässt sich statistisch exakt abbilden. Ursachen dafür sind zum einen die breite Diffusion der Nanotechnologie in eine Vielzahl industrieller Wirtschaftszweige in Deutschland, zum anderenkommt die Problematik der Definition und Abgrenzung eines Nanotechnologieproduktes hinzu, die eine eindeutige Zurechnung desindustriellen Outputs auf die Nanotechnologie nahezu unmöglich macht.

Im Rahmen der Beschäftigungsanalyse konnte deshalb nur eine Abschätzung der direkten Beschäftigungswirkungen im Zusammenhangmit der Nanotechnologie durchgeführt werden. Hierbei wurde auf dieErgebnisse der schriftlichen Unternehmensbefragung sowie auf verfügbare Sekundärquellen, wie die kommerzielle Markus-Datenbank,

Zusammenführung und Bewertung der gesamten Ergebnisse

Positions-bestimmung Deutschlands

SWOT-Analyse

Beschäftigungs-analyse


Unternehmensberichte und -webseiten, zurückgegriffen. Eine Betrachtung der indirekten Beschäftigungseffekte ist aufgrund der gewählten Methodik unter Berücksichtigung der limitierten Datenverfügbarkeit nicht möglich gewesen.

7.27.27.27.2 Die Märkte der Nanotechnologie für deutsche Die Märkte der Nanotechnologie für deutsche Die Märkte der Nanotechnologie für deutsche Die Märkte der Nanotechnologie für deutsche UnternehmenUnternehmenUnternehmenUnternehmen

7.2.17.2.17.2.17.2.1 Situationsanalyse aus Sicht der beteiligten UnternehmenSituationsanalyse aus Sicht der beteiligten UnternehmenSituationsanalyse aus Sicht der beteiligten UnternehmenSituationsanalyse aus Sicht der beteiligten Unternehmen

Den Ergebnissen der schriftlichen Umfrage ist zu entnehmen (ausführlichdazu Kapitel 5), dass die befragten Unternehmen der Nanotechnologie eine hohe Bedeutung beimessen. Hierbei wird deutlich, dass die Unternehmen in der Stichprobe der Nanotechnologie vor allem wirtschaftliche Chancen einräumen und sie weniger als technologische„Spielwiese“ betrachten. Über 75 Prozent der Unternehmen sehen dieChance, dass die Nanotechnologie ihnen neue Märkte erschließen kann. Über 60 Prozent der Unternehmen sehen in der Nanotechnologie einenentscheidenden Wettbewerbsfaktor bzw. die Möglichkeit, ihre technologische Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern.

Demgegenüber lehnen die befragten Unternehmen die Aussagen, dieNanotechnologie bilde ein neues Experimentierfeld, ebenso ab wie in abgeschwächter Form auch die Aussage, dass die Technologiekompetenzabgerundet würde (siehe dazu die Abbildungen 5.21 bis 5.24 in Kapitel5). Dieses Ergebnis widerlegt eindeutig die vielfach verbreitete Aussage, dass Nanotechnologie lediglich einen „Hype“ darstellt. DerartigeBehauptungen werden zum Teil von Institutionen der Finanzwirtschaftsowie der Presse aufgestellt, ohne dass diese in der Regel über fachlich fundierte Kenntnisse, einen qualifizierten oder gar fachwissenschaftlichen Hintergrund verfügen. Da aber gerade dieFinanzierungsproblematik eine der wichtigsten Innovationsbarrieren für die Nanotechnologie darstellt, ist die Zusammenarbeit dieser Bereicheeine wichtige Herausforderung für die Zukunft, die insbesondere in Deutschland ungelöst ist.

Eine wesentliche Variable für die Einschätzung des zukünftigen Marktes durch die Unternehmen bildet deren Umsatzeinschätzung. Hier zeigtsich, dass die befragten Unternehmen durchaus positiv gegenüber den Potenzialen ihres Kernproduktes (das in der Gesamtheit der Befragten ein extrem breites Anwendungsspektrum darstellt) in der Nanotechnologieeingestellt sind. Mehr als 50 Prozent der Unternehmen sehen für ihr Produkt mit höchster Priorität für das Jahr 2006 ein globales Umsatzvolumen von 250 Mio. EUR und mehr als realistisch an. Weitere 26,7 Prozent der Unternehmen erwarten immerhin noch ein weltweitesMarktvolumen von 50-250 Mio. EUR (s. dazu in Kapitel 5 Abbildung5.37). Dies zeigt die durchaus beachtlichen Umsatzpotenziale, die die Unternehmen für ihre Nanotechnologieprodukte sehen.

Nanotechnologie hat hohe

Bedeutung in Unternehmen

Unternehmen sehen beachtliche

Umsatzpotenziale für ihre

Nanotechnologie-produkte

Kapitel 7 203

Interessant in diesem Zusammenhang ist auch die Erwartung an daspotentielle Marktvolumen Deutschlands am Gesamtweltmarkt. Eine Marktprognose lässt sich hieraus allerdings nicht ableiten. Hier zeigt sich, dass Deutschlands Anteil am Weltmarkt im Jahr 2006 nicht mit den Forschungspotenzialen Deutschlands in der Nanotechnologie in derGegenwart korrespondiert. Während die Forschungsleistung heute als überzeugend angesehen wird, liegen die Marktanteile vorwiegend im Mittel zwischen elf Prozent und 25 Prozent (siehe dazu die Abbildung5.38 in Kapitel 5). Hier zeigt sich ein geringes Vertrauen in dieMarktbildungsfähigkeit deutscher Unternehmen.

Die Ergebnisse der Unternehmensbefragung haben gezeigt, dass derBereich Chemie (einschließlich Materialien) das wichtigste Anwendungsfeld der Nanotechnologiefirmen in Deutschland darstellt,gefolgt vom Bereich Life Sciences (Medizintechnik/Gesundheit) undIuK. Die Stärke des Bereiches Chemie in Deutschland wird noch dadurch unterstrichen, dass die Mehrzahl der befragten Unternehmen in diesem Bereich die zentralen Konkurrenten in Deutschland und den USA sehen.

Im Bereich Chemie liegen die zentralen funktionalen Eigenschaften der Nanotechnologie in den verbesserten Werkstoffeigenschaften und derOberflächenfunktionalisierung, gefolgt von der Schutzfunktion sowie den optischen Effekten, also durchaus klassischen und anwendungsnahenAnforderungen.

7.2.27.2.27.2.27.2.2 Segmentierung der NanotechnologieunternehmenSegmentierung der NanotechnologieunternehmenSegmentierung der NanotechnologieunternehmenSegmentierung der Nanotechnologieunternehmen

Verknüpft mit der Frage nach Nanotechnologieprodukten ist die Fragestellung nach der Definition eines Nanotechnologieunternehmens.Auch hier gibt es bisher keine einheitliche Definition. Im Gegensatz zu anderen Technologiefeldern mit relativ homogenen Anwendungsfeldern – wie z. B. in der Biotechnologie – sind in der Nanotechnologie sehr unterschiedliche Firmen aus verschiedensten Branchen und mit unterschiedlich starkem Engagement in der Nanotechnologie aktiv.Ebenso sind definitionsgemäß heterogene Anwendungsfelder und Produkte vertreten. Die Anwendungsfelder reichen, wie bereits ausgeführt, von der Herstellung von Nanomaterialien über den LifeScience-Bereich bis hin zur Elektronik. In Anlehnung an die Definitionvon Ernst & Young, bei der drei Kategorien von Biotechnologie-unternehmen definiert wurden, wird hier eine Segmentierung nach dem Umsatzanteil der Nanotechnologie als Maß für dessen wirtschaftlicheBedeutung in den Unternehmen herangezogen. Mangels einer objektivenMessgröße wurden hierfür die Aussagen zum geschätzten Nanotechnologieanteil am Unternehmensumsatz aus der schriftlichen Unternehmensbefragung zugrunde gelegt. Dabei wurden von den 105verwertbaren Fragebögen 103 Unternehmen aus den Ergebnissen derschriftlichen Befragung klassifiziert. Für die Daten der

Forschungsleistungüberzeugend

Starke Bereiche in Deutschland

Was ist ein Nanotechnologie- unternehmen?


Unternehmenskenngrößen wurden nur 103 Rückläufe ausgewertet, daweitere zwei jeweils aus den selben Unternehmen kamen.

Im Folgenden werden die drei Kategorien (F1 bis F3) – die ein Maß für die Wertschöpfung durch die Nanotechnologie und Fokussierung vonUnternehmen darstellen - bestimmt:

Nanotechnologieunternehmen F1:

Der Umsatzanteil durch Nanotechnologieprodukte am Gesamtumsatz des Unternehmens beträgt mindestens 50 Prozent.

Nanotechnologieunternehmen F2:

Der Umsatzanteil durch Nanotechnologieprodukte am Gesamtumsatz des Unternehmens liegt zwischen ein Prozent und 50 Prozent.

Unternehmen F3:

Der Umsatzanteil durch Nanotechnologieprodukte am Gesamtumsatz des Unternehmens beträgt bis zu ein Prozent. Diese Unternehmen beschäftigen sich zwar mit der Nanotechnologie, erzielen bislang aber noch keine signifikanten Umsätze mit der Nanotechnologie. Hierbei handelt es sich vor allem um Unternehmen, die in der Nanotechnologieforschen, die Nanotechnologieprodukte nutzen oder um solche Unternehmen, die sich im Beobachtungsstadium befinden und möglicherweise beabsichtigen in der Zukunft Nanotechnologie einzusetzen.

Die im Rahmen dieser Studie durchgeführte Erhebung unter 103 deutschen Nanotechnologieunternehmen (aus 105 verwertbaren Fragebogen) ergab die in Abbildung 7.1 dargestellte Verteilung auf die drei Kategorien F1 bis F3.

Kapitel 7 205

k.A.20 (19%)

F312 (12%)

F233 (32%)

F138 (37%)

Abbildung 7.1: Segmentierung der erfassten Nanotechnologieunternehmen nach Umsatzanteil der Nanotechnologieprodukte am Gesamtumsatz (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Die Einteilung von Unternehmen in drei Kategorien ermöglicht dieEntwicklung eines Nanotechnologieindikators, der es beispielsweiseerlaubt, die Mitarbeiterentwicklung zeitlich zu verfolgen. Wird eine vergleichbare Grundgesamtheit in einem anderen Land, z. B. den USAbetrachtet, ist damit ein direktes „Benchmarking“ möglich. Aufgrundfehlender historischer Daten über die Umsatz- und Mitarbeiterentwicklung und die entsprechenden Umsatzanteile, die durch Nanotechnologie entstanden sind, lässt sich die Entwicklung nur über einen sehr begrenzten Zeitraum verfolgen. In Kapitel 7.5.2 wird auf den Ansatz eines Nanotechnologieindikators näher eingegangen.

7.37.37.37.3 EinsatzvoEinsatzvoEinsatzvoEinsatzvoraussetzungen raussetzungenraussetzungenraussetzungen

Deutschland kann als international wichtiger Technologiestandort auf Schlüsseltechnologien wie die Nanotechnologie nicht verzichten. Der Industriestandort Deutschland verfügt selbst über keine nennenswerten Rohstoffe. Er kann sich im internationalen Wettbewerb folglich nur mit Hilfe von Innovationen behaupten. Die Ausbildung von hochqualifizierten Fachkräften ist eine wichtige Voraussetzung dafür.

Spitzentechnologien sind eine zentrale Bedingung für wirtschaftlichenFortschritt. Dafür braucht Deutschland eine kritische Masse an Know-how-Potenzial, geeignete Fach- und Führungskräfte und ein starkeEntwicklungs-, Fertigungs-, Vermarktungs- und Dienstleistungsbasis.

In Bezug auf die Nanotechnologie treten folgende Fragen auf: Welches ökonomische, wissenschaftliche und technologische Umfeld findet die Nanotechnologie in Deutschland vor? Wie ist es in diesem Kontext um die wirtschaftliche Umsetzung von Spitzentechnologien bestellt? Als ein

Deutschland kann auf Nanotechnolo-gie nicht verzichten


relevanter Indikator wird zunächst die FuE-Intensität der Nanotechnologieunternehmen in Deutschland betrachtet.

34,4%

26,9%

11,7% 10,9%8,6%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

Bis 20 21 - 100 101 - 250 251 - 1000 über 1000

Anzahl Mitarbeiter

Du

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teil

Abbildung 7.2: FuE-Anteil (gemessen am Jahresumsatz) der Nanotechnologieunternehmen nach Unternehmensgröße (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Die Erhebungen der hier vorliegenden Studie zeigen einen in Relation zur Mitarbeiterzahl außerordentlich hohen Anteil an FuE-Personal bei kleinen und mittleren Unternehmen (Abbildung 7.2), was als ein Belegfür die hohe FuE-Intensität kleiner Unternehmen in diesem Feld angesehen werden kann. Diese Relation spiegelt nicht zuletzt denUmstand wider, dass kleine Technologieunternehmen in der Regel auf ein zentrales Produkt fokussiert sind, auf dessen Idee die Gründungbasiert und das im Verlauf der Seed- und Start-Phase zur Marktreifegebracht wird. Damit einher geht erfahrungsgemäß eine nahezu 100-prozentige Konzentration auf FuE-Aktivitäten in diesen jungen Technologieunternehmen. In dieser Phase ist eine besondere Abhängigkeit von Kapitalgebern gegeben. Die Beschaffung von Venture-Capital gestaltet sich aber gerade nach dem Ende des „New Economy-Hype“ für Start-up Unternehmen in Deutschland als ausgesprochenschwierig. Die Investitionsbereitschaft in Start-up-Unternehmen mit einer relativ langen „Time-to-market-Spanne“ ist, seitens der Venture-Capital-Unternehmen, drastisch gesunken.

Folglich besteht ein akuter Bedarf an alternativen Finanzierungsquellenund -instrumenten, um die Gründungsdynamik der vergangen Jahre unddie damit geschaffenen Arbeitsplätze in der Nanotechnologie aufrechtzuerhalten.

Hohe FuE-Intensität bei KMU

Hohe Abhängigkeit von Kapitalgebern

Investitions-bereitschaft

gesunken

Gründungsdynamik aufrechterhalten

Kapitel 7 207

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Ind

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Abbildung 7.3: Gründungsgeschehen in Deutschland 1991 – 2002 in der Nanotechnologie (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung; Fechtet al., 2003). Die Gründungen im Jahr 1991 wurden auf 100 normiert.

Abbildung 7.3 gibt einen Überblick über das Gründungsgeschehen in der Nanotechnologie über die letzten zehn Jahre. Dabei wurde die Zahl der Unternehmensgründungen im Jahr 1991 auf 100 normiert und die relative Veränderung der Folgejahre demgegenüber aufgetragen. DieseEntwicklung, die eine vergleichbare Dynamik mit anderen Hochtechnologiebereichen (wie z. B. Biotechnologie) aufweist, ist durch ein starkes Anwachsen der Unternehmensgründungen seit Mitte derneunziger Jahre mit einem deutlichen Höhepunkt im Jahr 2000 undeinem signifikanten Absinken im Jahr 2001 gekennzeichnet. Neben der verschlechterten Situation an den Kapitalmärkten und dem deutlichschlechteren Angebot an Start-up-Finanzierungen im Vergleich zumEnde der neunziger Jahre sind sicherlich auch konjunkturelle Einflüssefür die Negativentwicklung der Gründungsdynamik verantwortlich. Der außerordentlich geringe Wert des Index der Unternehmensgründungen in 2002 ist zumindest teilweise auch auf die unvollständigere Erfassung erst kürzlich gegründeter Unternehmen zurückzuführen und daher nur bedingt aussagekräftig.

7.3.17.3.17.3.17.3.1 TTTTechnologische Voraussetzungenechnologische Voraussetzungenechnologische Voraussetzungenechnologische Voraussetzungen

Durch intensive staatliche Investitionen in den FuE-Bereich und die Infrastruktur verfügt Deutschland über eine sehr gute technologischeAusgangsbasis in der Nanotechnologie. Technologieindikatoren, wie die Anzahl der wissenschaftlichen Publikationen in Fachzeitschriften oder die Anzahl der Patente, weisen durchweg in Europa und weltweit eine Spitzenposition Deutschlands auf (vgl. z. B. TAB, 2003; Compano und

Anwachsen der Unternehmens-gründungen Mitte der neunziger Jahre

Sehr gute technologische Ausgangsbasis in Deutschland


Hullman, 2002).1 Die deutsche Nanotechnologieszene ist in der Breite sehr gut aufgestellt, was sich unter anderem in den unterschiedlichenthematischen Schwerpunkten der Nanotechnologiekompetenzzentren undden breit gefächerten Tätigkeitsschwerpunkten der im Rahmen dieser Studie befragten Unternehmen widerspiegelt. Die Notwendigkeit einer derart breiten technologischen Aufstellung wird transparent, wenn die funktionalen Anforderungen von Nanotechnologieprodukten mit denAnwendungsfeldern korreliert werden.

Tabelle 7.1 fasst die Ergebnisse in einer inversen White-spot-Analyse der für die Nanotechnologie relevanten Produkteigenschaften zusammen, die aus der schriftlichen Unternehmensbefragung ermittelt wurden. DieWhite-spot-Analyse stellt ein qualitatives, strukturiertes und gleichzeitig plakatives Verfahren dar, um Abhängigkeiten zwischen beispielsweiseMärkten bzw. Applikationen und Funktionen oder Anwendungen und Technologieplattformen in Form einer Matrix darzustellen. Nicht oder nur schwach besetzte Positionen (sogenannte weiße Flecken) in derMatrix können mit Hilfe dieser Methode identifiziert werden. Wird diese Methode dazu verwendet, besonders starke Zusammenhänge zwischenverschiedenen Sachverhalten aufzudecken, so spricht man von einerinversen White-spot-Analyse (Deschamps, 2000). Dementsprechend stellen die schwarzen Bereiche signifikante Kausalitäten zwischenfunktionalen Anforderungen an ein Nanotechnologieprodukt und einemspezifischen Anwendungsbereich dar.

1 Ausführlich dazu Kapitel 4.

FürNanotechnologie

relevante Produkt-eigenschaften

Kapitel 7 209

Anwendungsbereiche / Branchen

Funktionen IuK

Med

izin

tech

nik

Kos

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ik

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l

Wei

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Analytik/Diagnose

Medizinische Therapie / Diagnose


Displays

Energiewandlung

Fertigungsequipment

Nutzung nano/biotechn. Eigenschaften

Datenverarbeitung und -speicherung

Datenübertragung

Materialseparation

Sensorik

Aktorik

Materialdosierung

Optische Effekte

Filtern von Fluiden / Gasen

Schutz

VerbesserteWerkstoffeigenschaften

Strukturerzeugung


Schutz

Tabelle 7.1: Inverse White-spot-Analyse der wichtigsten Funktionen und der Anwendungsbereiche/Branchen (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Das Ergebnis der Analyse lässt zum einen typische Funktionen vonNanotechnologieprodukten über die verschiedenen Anwendungsbereicheerkennen, zum anderen bilden sich relevante bzw. geforderte Funktionalitäten und Kombinationen von Funktionen für ein bestimmtesAnwendungsfeld heraus. So findet die Nanotechnologie insbesondere dort in verschiedenen Bereichen Anwendung, wo Analytik und Diagnose, Oberflächenfunktionalisierung, sensorische und optischeEffekte von Bedeutung sind. Daneben sind in den Anwendungsfeldern IuK, Medizin/Gesundheit und Chemie verschiedenste Funktionalitätenvon Nanotechnologieprodukten gefragt, während in den


verkehrstechnischen Anwendungen in erster Linie Oberflächen-funktionalitäten und Werkstoffeigenschaften der Nanotechnologie von Bedeutung sind.

In den Bereichen Kosmetik, Umwelt, Energie, Maschinenbau, Baugewerbe, Lebensmittel und weiße/braune Ware konnte der festgelegte Schwellenwert bei keinem Anwendungsbereich überschrittenwerden, so dass dort nur „weiße Flecken“ zu erkennen sind. Hieraus kann geschlossen werden, dass die Ergebnisse und Methoden der Nanotechnologie – in den genannten Feldern - weitgehend noch nichtgenutzt werden. Die Ergebnisse der inversen White-spot-Analyse zeigeneine bemerkenswerte Übereinstimmung mit anderen Quellen (vgl. hierzuz. B. Fecht et al., 2003). Dort stehen die Bereiche Transport, Energie und Umwelt auf den letzten Plätzen, wenn der Einfluss der Nanotechnologieauf die unterschiedlichen Anwendungsbereiche/Branchen betrachtetwird. So weist auch die TAB-Studie (TAB, 2003) darauf hin, dass der Entwicklungsstand von Produkten, Produktideen und Konzepten derNanotechnologie - in Abhängigkeit von der Branche – sehr unterschiedlich weit fortgeschritten ist. Die Diffusion der Nanotechnologie in Anwendungen steht in vielen Bereiche erst amAnfang. Die amerikanische National Science Foundation (Roco, 2002) geht davon aus, dass die Entwicklung der Nanotechnologie durch eine S-förmige Kurve beschrieben werden kann, bei deren Entwicklung einZeitraum von etwa fünf Jahren benötigt wird, um vom Anfang der Kurvein den stark ansteigenden Teil zu gelangen. Diesen Trend kann man auch in den White-spot-Analysen in den Tabellen 7.1 und 7.2 erkennen. Für die breite Nutzung der Nanotechnologie müssen zunächst die Grundlagen geschaffen werden durch Entwicklungen im Material-, Equipment-,Produktions- und Analysebereich. Wenn diese Voraussetzungen geschaffen sind, kann die Diffusion der entwickelten Technologien in andere Bereiche erfolgen.

Analog kann mit Hilfe der inversen White-spot-Analyse Aufschluss über die Relevanz von Technologieplattformen der Nanotechnologie gewonnen werden. In Tabelle 7.2 sind die typischen Technologieplattformen sowie die dominanten Märkte für deren Endprodukte dargestellt. Die weißen Bereiche stellen aus Sicht derbefragten Unternehmen keine signifikante Technologie- oder Messtechnikplattform für einen spezifischen Anwendungsbereich dar, während die schwarzen Felder wichtige Technologien bzw. Messtechniken für einen speziellen Anwendungsbereich repräsentieren.

Die befragten Unternehmen gehen davon aus, dass die wichtigstenAnwendungsfelder der Nanotechnologie (IuK, Chemie sowie Medizintechnik) gleichzeitig die meisten Technologieplattformen bzw. Messtechniken benötigen. Mit Ausnahme des self assembly und desmolecular engineering sind die anderen Technologien und Messtechniken eher als klassische Verfahren einzustufen, die allerdings durch neuere

Bereiche mit „weißen Flecken“

Grundlagen schaffen für die

breite Nutzung der Nanotechnologie

Kapitel 7 211

nanotechnologische Erkenntnisse weiterentwickelt und optimiert werden.Wie auch in der Tabelle 7.1 ergibt sich in der inversen White-spot-Analyse (Tabelle 7.2) eine Übereinstimmung der schwarzen Fleckenbezogen auf die betroffenen Anwendungsbereiche/Branchen. Das sindoffenbar die Bereiche, in denen sich die Methoden der Nanotechnologiebereits etabliert haben bzw. in der Einführung sind. Die größteerforderliche Technologievielfalt ist in den Bereichen Medizintechnik,IuK sowie der Chemie notwendig. Der Einsatz dieser Technologieplattformen stellt eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung von Produkten dar. Eine gezielte staatliche Förderung der Nanotechnologie in den genannten Anwendungsbereichen kann die Diffusion der Nanotechnologie in Produkte beschleunigen und dieWettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen kurz- und mittelfristigstärken.

Anwendungsbereiche/ Branchen

Technologieplattform/ Messtechnik Iu

K

Med

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ik

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Bau

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are

Separation/filtration methods


Sol-gel processing

Powder processing


Catalysis

Self assembly

Nanoprint/-imprint


Metrology

Microscopy

Modelling and simulation


Optical lithography


Other

Tabelle 7.2: Inverse White-spot-Analyse der wichtigsten Technologieplattformen und Anwendungsbereiche/Branchen (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)


7.3.27.3.27.3.27.3.2 Voraussetzungen für branchenspezifische Anwendungen Voraussetzungen für branchenspezifische Anwendungen Voraussetzungen für branchenspezifische Anwendungen Voraussetzungen für branchenspezifische Anwendungen

Mit Blick auf die von den deutschen Nanotechnologieunternehmen bedienten Anwendungsfelder sind deutliche Schwerpunkte innerhalb des breiten Einsatzbereiches von Nanotechnologieprodukten zu erkennen (vgl. Abbildung 7.4).

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%




Messtechnik


Maschinenbau

Kosmetik

Energie(-versorgung)

Baugewerbe

Umwelt (inkl. Recycling)



Sonstige

Prozent der Befragten Unternehmen

gesamt

Großunternehmen(mehr als 1000 MA)

Abbildung 7.4: Bedeutung der Nanotechnologie für einzelne Anwendungsfelder (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Analog der starken Vertretung der chemischen Industrie unter denNanotechnologieunternehmen, die gemäß der Erhebung mit 27 Prozent den größten Anteil der befragten Unternehmen stellen, wird der Bereich „Chemie“ von über 50 Prozent der befragten Unternehmen als Anwendungsfeld für ihre Nanotechnologieprodukte genannt. An zweiterund dritter Stelle folgen die Anwendungsfelder „Information undKommunikation“ und „Medizin/Gesundheit“, die von knapp 40 Prozentder Unternehmen bereits heute mit Produkten der Nanotechnologiebedient werden. Gegenüber der Messtechnik, die als viertes bedeutendesAnwendungsfeld zu sehen ist, sind die anderen Bereiche von geringererBedeutung für die Mehrzahl der befragten Unternehmen. Dieses gilt auch für den Bereich „Transport und Verkehr“, der jedoch aufgrund seinergesamtwirtschaftlichen Bedeutung für Deutschland als Lead-Market (in dieser Studie bezeichnet als Automobilbau) für die Nanotechnologiedefiniert wurde (vgl. Kapitel 6).

Eine separate Betrachtung der Großunternehmen mit mehr als 1000Beschäftigten zur Verifizierung der wirtschaftlichen Bedeutung dereinzelnen Anwendungsfelder lässt einige Unterschiede zu Tage treten. Weitgehende Übereinstimmung ergibt sich in den beiden führendenAnwendungsbereichen Chemie und IuK. Erwartungsgemäß kommt jedoch bei dieser Betrachtung dem Bereich „Transport und Verkehr“, in dem der Automobilbau einen wichtigen Bereich darstellt, eine deutlich

„Chemie“ als besonders wichtiges

Anwendungsfeld gefolgt von „IuK“

Kapitel 7 213

höhere Bedeutung zu. Auch die Anwendungsbereiche „Energie(versorgung)“ und „Kosmetik“ spielen aus Sicht der Großindustrie eine nicht unwesentliche Rolle.

Darüber hinaus stellt sich die Frage, welche technologische undwirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie innerhalb der Unternehmen zukommt. Die Mehrzahl der befragten Unternehmen betrachten ihr Nanotechnologie-Know-how als wichtigen Wettbewerbsfaktor sowohl auf ihren angestammten Märkten als auch für die Erschließung neuer Märkte (vgl. Abbildung 7.5). Für nur 36 Prozent der Unternehmen rundet die Nanotechnologie lediglich die bestehendeTechnologiekompetenz ab und wird mittelfristig nicht als Kernkompetenz gesehen. Für weniger als ein Viertel der befragtenUnternehmen stellt die Nanotechnologie gegenwärtig nur ein neuesExperimentierfeld dar. Diese Aussagen unterstreichen die heutigekommerzielle Bedeutung der Nanotechnologie für die deutsche Industrie.Eine Korrelation zwischen den Aussagen zur Bedeutung der Nanotechnologie und den fünf dominanten Anwendungsfeldern legt keine wesentlichen Unterschiede zwischen den Anwendungsfeldern offen (vgl. Abbildung 7.5).

12345

NT-Know-how alsWettbewerbsfaktor

Wettbewerbsfähigkeitauf angestammten

Märkten

Erschließung neuerMärkte

keine strategischeKernkompetenz

nur einetechnologische

Option

Experimentierfeld

Chemie / Werkstoffe /Verfahrenstechnik

Information undKommunikation

Medizintechnik /Gesundheit

Messtechnik


trifft nicht zu trifft zu

Abbildung 7.5: Einschätzung der Bedeutung der Nanotechnologie für die befragten Unternehmen nach bedienten Anwendungsfeldern (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Ein weltweiter Vergleich der stärksten Wettbewerber deutscher Nanotechnologieunternehmen nach Anwendungsfeldern zeigt die Stärkender deutschen Unternehmen insbesondere in den Anwendungsbereichen Chemie und Automobil (vgl. Abbildung 7.6). Während Deutschland ausSicht der deutschen Industrie in diesen Feldern gleichauf mit den USA als Herkunftsland der stärksten Wettbewerber liegt, wird die Konkurrenzaus Übersee in den Feldern IuK, Life Sciences (Medizintechnik/Gesundheit) und der Messtechnik stärker als in

Nanotechnologie-Know-how wichtiger Wettbewerbsfaktor


Deutschland und anderswo in der Welt eingeschätzt. Allein im Feld IuK überwiegen sowohl europäische als auch asiatische (einschließlich japanische) Wettbewerber die Konkurrenz aus Deutschland.

0%

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Asien (ohne J)

Japan

USA

Europa (ohne D)

Deutschland

Abbildung 7.6: Regionale Herkunft der stärksten Wettbewerber deutscher Nanotechnologieunternehmen für die wichtigsten Anwendungsfelder(Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

7.3.37.3.37.3.37.3.3 Finanzielle VoraussetzungenFinanzielle VoraussetzungenFinanzielle VoraussetzungenFinanzielle Voraussetzungen

Wie bereits ausgeführt, verfügt Deutschland über eine gute Ausgangsbasis in der Nanotechnologie. Die wissenschaftlichen Technologieindikatoren räumen Deutschland durchweg einen weltweitenSpitzenplatz ein (vgl. Kapitel 7.6). Hierbei ist allerdings anzumerken, dass die Technologieindikatoren durchgehend einen Zeitraum in der Vergangenheit widerspiegeln, aber nicht den aktuellen Stand - geschweige denn die wirtschaftliche Entwicklung - beschreiben können. Die Anzahl der Patente mag einen Grundstein für die zukünftige Entwicklung setzen, ist aber nicht allein ausschlaggebend für diezukünftige wirtschaftliche Ausschöpfung der Nanotechnologie in Deutschland. Auch wenn die Mehrzahl der befragten Unternehmen dieNanotechnologie als wichtigen Wettbewerbsfaktor sieht, ist die zukünftige Entwicklung stark abhängig von der gesamtwirtschaftlichenSituation.

Insbesondere die Zurückhaltung von Investitionen der Venture-Capital-Branche in Start-up -Unternehmen wirkt sich derzeitig äußerst negativ auf Unternehmensgründungen im deutschen Nanotechnologie-Umfeld aus. Die klassische Bankfinanzierung von Unternehmensgründungen ist in den letzen Jahren zunehmend schwieriger geworden, da sich diedeutsche Bankenlandschaft selbst in einer Krise befindet.

Klassische Bankfinanzierung

schwierig

Kapitel 7 215

Aufgrund des „New-Economy-Hypes“ und der daraus resultierenden negativen Folgen für die „Venture-Capital-Szene“ in Deutschlandwerden Neuinvestitionen in risikoreiche Nanotechnologie Start-ups auch aus diesem Bereich zunehmend unwahrscheinlicher. Hinzu kommt, dass in Deutschland die wenigsten Venture-Captial-Gesellschaften überqualifiziertes Personal verfügen, die über Investitionen in derartkomplexe Technologien qualifiziert entscheiden können. In diesem Punkt sind einige „Venture-Capital-Gesellschaften“ in den USA deutlich besser aufgestellt. Mangelnde Finanzierungsquellen wurden sowohl in derschriftlichen Unternehmensbefragung als auch in allen durchgeführtenWorkshops - unabhängig von der Unternehmensgröße - als die wichtigsteInnovationsbarriere identifiziert. Dabei muss die Finanzierung nicht zwangsläufig durch „Venture Capital“ erfolgen, auch in Großunternehmen ist die Finanzierung aus dem „Cashflow“ von „risikoreichen Nanotechnologieprojekten“ zunehmend schwieriger geworden. Insgesamt stellt die Finanzierungshürde eine erheblicheProblematik für die zukünftige wirtschaftliche Entwicklung der Nanotechnologie in Deutschland dar. Dabei sind nicht nur staatlicheSubventionen notwendig, sondern auch eine „Reanimation“ von „Equity-Investoren“.

7.3.47.3.47.3.47.3.4 Struktur der deutschen „NanotechnologieStruktur der deutschen „NanotechnologieStruktur der deutschen „NanotechnologieStruktur der deutschen „Nanotechnologie----Industrie“Industrie“Industrie“Industrie“

Die Struktur der in der Nanotechnologie tätigen Unternehmen in Deutschland weist eine hohe Zahl kleiner Unternehmen auf (vgl. Abbildung 7.7). Dieses geht einher mit der Altersverteilung der in diesem Technologiefeld aktiven Unternehmen, von denen etwa zwei Drittel ab 1990 gegründet wurden (vgl. Abbildung 7.8). Die Gründungen im Bereich der Großunternehmen stellen im Wesentlichen ausgegliederteGeschäftsbereiche bestehender Unternehmen dar, wie z. B. die Ausgliederungen der Geschäftsbereiche Halbleiter von Siemens zuInfineon oder der Sparte Spezialchemie der Hoechst AG zu Clariant. Aus Abbildung 7.8 geht weiter hervor, dass zu den Unternehmen, die sich mit Nanotechnologie beschäftigen, eine Reihe etablierter Unternehmengehören, die zum Teil schon vor 1900 gegründet worden sind, wiebeispielweise Merck oder BASF, während die eigentliche Gründungswelle neuer Nanotechnologieunternehmen in den neunzigerJahren einsetzte.

Auffällig ist zurzeit eine merkliche Unterrepräsentation von Unternehmen mittlerer Größe, was eine schwache Vertretung des klassischen Mittelstandes in diesem Technologiefeld zeigt. Das Innovationspotenzial der Nanotechnologie gibt offensichtlich einer beträchtlichen Zahl kleiner innovativer Unternehmen die Chance, sich am Markt zu bewähren. Gleichfalls hat auch eine Zahl von Großunternehmen die wirtschaftlichen Chancen der Nanotechnologie

Mangelnde Finanzierungs-quellen als Barriere für Innovation

Hohe Zahl kleiner Unternehmen

Unternehmen mittlerer Größe unterrepräsentiert

Vertretene Großunternehmensehr aktiv


erkannt und nutzt die Potenziale dieser Schlüsseltechnologie fürProduktinnovationen aus.

0

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1001 bis5000

über5000

Anzahl Mitarbeiter

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SchriftlicheUnternehmensbefragung

Fecht et al., 2003

Abbildung 7.7: Unternehmen der Nanotechnologie nach Unternehmensgrößenklassen (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung, Fecht et al., 2003). Die unterschiedlichen Quellen zeigen eine tendenzielle Übereinstimmungund bestätigen somit die Qualität der Stichprobe.

0

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40

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60

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80

vor 1900 1900 -1949

1950 -1959

1960 -1969

1970 -1979

1980 -1989

1990 -1999

2000 -2002

Gründungsjahr

An

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men

GU

KMU

Abbildung 7.8: Gründungsgeschehen in der Nanotechnologie nach Unternehmensgrößenklassen (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung, Fecht et al., 2003); Die Werte für den Zeitraum 2000 bis 2002 sind nur unvollständig erfasst und daherschraffiert dargestellt (vgl. Kapitel 7.3)

Kapitel 7 217

In Abbildung 7.9 wird die Branchenzuordnung der an der Befragungbeteiligten Unternehmen zusammenfassend dargestellt. Als Branchen mit dem höchsten Anteilen an Nanotechnologieunternehmen konnte die Chemische Industrie und die Herstellung von Mess- Kontroll- undNavigationsgeräten identifiziert werden. In letzterer Branche ist zudem eine signifikante Verteilungshäufung kleiner und mittlerer Unternehmenzu verzeichnen. Die sicher notwendige Interpretation der wenig differenzierenden NACE-Kodierung (der National Accounts in Europeist die europäische Gliederung der Wirtschaft in statistische Sektorenbzw. Produktionsbereiche) der Unternehmenszuordnung lässt den Schluss zu, dass es sich hier um vornehmlich in speziellen Nischen tätige KMU im Bereich der Entwicklung und Herstellung von nanotechnologischem Equipment, d. h. von Fertigungs-, Analyse- undTestkomponenten handelt.

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bis 20 MA

über 5000 MA

Abbildung 7.9: Branchenzuordnung der untersuchten Nanotechnologieunternehmen(Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

7.3.57.3.57.3.57.3.5 Akzeptanz der NanotechnologieAkzeptanz der NanotechnologieAkzeptanz der NanotechnologieAkzeptanz der Nanotechnologie

Neben den Hoffnungen auf bedeutende Umsatzpotenziale in fast allenBranchen der Wirtschaft verbinden sich mit der Nanotechnologie weitereweitreichende Erwartungen vor allem im Bereich des Gesundheitswesens, der Krankheitsprävention, der Altersversorgung und anderem.


Zu den prognostizierten positiven Folgen nanotechnologischer Entwicklungen für die Gesundheit und Umwelt gehören unter anderemdie Entwicklung neuer Diagnose- und Therapieverfahren, Erkenntnisfortschritte in den Biowissenschaften und im Verständnisbiologischer Prozesse, die Entwicklung neuer oder die Optimierungbekannter Medikamente und Agro-Chemikalien.

Nanotechnologiebasierte Diagnoseinstrumente können möglicherweiseKrankheiten oder Dispositionen für Krankheiten früher als bishererkennen, nanopartikuläre Dosiersysteme können zu Fortschritten bei der medikamentösen Behandlung führen. Durch Verfahren der Nanotechnologie kann die Biokompatibilität künstlicher Implantateverbessert werden.

Entlastungseffekte für die Umwelt können sich durch die Einsparung von stofflichen Ressourcen, die Verringerung des Anfalls von umweltbelastenden Nebenprodukten, die Verbesserung der Effizienz bei der Energieumwandlung, die Verringerung des Energieverbrauchs unddie Entfernung Umwelt belastender Stoffe aus der Umwelt ergeben.Diese Auswirkungen der Nanotechnologie auf die menschliche Gesundheit oder die Entlastung der Umwelt stellen jedoch bisherüberwiegend Hypothesen dar, deren Bestätigung durch erfolgreiche FuE-Bemühungen erst am Beginn steht.2

Der mitunter fehlende oder von der Öffentlichkeit als unzureichend angenommene praktische Nachweis dieser Vorhersagen führt zunehmend häufiger zu einer breit geführten, nicht immer rein sachlich dem Ge-genstand folgenden Diskussion um die Wirkungen und Folgen der technologischen Breitennutzung der Nanotechnologie.

Im Mittelpunkt dieser Diskussion stehen unter anderem Fragen nach den Auswirkungen einer unkontrollierten Freisetzung von Nanopartikeln.Vorliegende Forschungsergebnisse zu dieser Frage sind hinsichtlich ihrer Belastbarkeit begrenzt. Die in die Diskussion eingebrachten Vermutungen über mögliche negative Folgen der Inhalation oder Zellgängigkeit von Nanopartikeln basieren bisher im Wesentlichen auf Analogieschlüssen zu Ergebnissen vorliegender Untersuchungen über die Wirkungen ultrafeiner Partikel (Asbest-Analogie). Der Einfluss vonNanopartikeln auf Reaktionen im Körper, z. B. bei der Aufnahme durchEinatmen oder über die Haut, ist noch weitgehend Gegenstand derForschung.

2 Das BMBF hat zu diesem Thema eine erste Studie in Auftrag gegeben („Nachhaltigkeitseffekte durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte“), deren Ergebnisse im Herbst 2004 erscheinen sollen. Die Studie wurde unter der Leitung des Instituts für Ökologische Wirtschaftsforschung, Berlin, bearbeitet.

Medizin: neue Verfahren

Umwelt: Entlastungs

effekte?

Umwelt: unkontrollierte

Freisetzung?

Kapitel 7 219

In der Vergangenheit wurde Nanotechnologie in praktischer Philosophieund Ethik kaum thematisiert, mögliche gesellschaftliche Folgen ihresverstärkten Einsatzes wurden eher selten erforscht. Fehlende Information,fehlende Kommunikation und unzureichende Faktenkenntnis kann infehlende gesellschaftliche Akzeptanz für neue Technologien mündenund, nicht zuletzt für die Nanotechnologie, zu einer erheblichenInnovationsbarriere werden. So werden bereits auf Grund existierender Wissenslücken zu den Folgen der Nanotechnologie von verschiedenen gesellschaftlichen Gruppen Forderungen nach einem Moratorium fürbestimmte Aspekte des Einsatzes der Nanotechnologie und der Forschung in diesem Technologiefeld erhoben (ETC, 2003). Um derartige „Show-Stopper“ und Fehlentwicklungen frühzeitig zu vermeiden, wurden in jüngerer Vergangenheit zunehmend Aktivitäten im Bereich der sozialwissenschaftlichen Begleitforschung speziell in den USA, Großbritannien und Deutschland initiiert, unter anderem von der NSF (USA), der Royal Society (GB), sowie dem BMBF und dem TAB (D).

7.47.47.47.4 InnovationsInnovationsInnovationsInnovations---- und Diffusionshemmnisse und Diffusionshemmnisse und Diffusionshemmnisse und Diffusionshemmnisse

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Technologiedynamik in derForm sich verkürzender Produkt- und Technologielebenszyklen, Sättigungstendenzen auf den traditionellen Märkten und einer Dynamisierung der technischen Entwicklungen, hat sich der globaleWettbewerb in den letzten Jahren erheblich verschärft. Wettbewerbsfähigkeit und Wachstum werden mehr denn je davon bestimmt, die Fähigkeit zu besitzen, neue Produkte und neue Verfahrenhervorzubringen und diese weltweit zu vermarkten, um dadurch neueMärkte zu erschließen und den künftigen Innovations- und Investitionsanforderungen gerecht zu werden. Innovation ist somit eine zentrale Determinante für die Wettbewerbsfähigkeit und zukünftigeErfolge und zwar nicht nur für die Großunternehmen, sondern geradeauch für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), da sie bei Marktumbrüchen einem existenzielleren Anpassungsdruck als Großunternehmen unterliegen.

Für die internationale Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland auf zukunftsträchtigen Gebieten wie der Nanotechnologie ist es daher von elementarer Bedeutung, ein innovationsförderndes Umfeld fürUnternehmen zu gewährleisten und Innovationshürden zu beseitigen. Zu diesem Zweck wurden in der zu dieser Studie durchgeführten schriftlichen Befragung potenzielle Innovationsbarrieren im Hinblick auf die von Industrieseite adressierten Anwendungsfelder für Nanotechnologie-Produkte erfasst.

An erster Stelle stehen aus Sicht der befragten Unternehmen Innovationshürden wie Investitionskosten, Finanzierung und Fördermittel, die auffälligerweise allesamt finanzieller Natur sind (siehe

Nanotechnologie und Ethik?

Sozialwissen-schaftlicheBegleitforschung wird durchgeführt

Innovationsfördern-des Umfeld gewährleisten


Abbildung 5.41 in Kapitel 5). Die Rangfolge der genannten Barrierenlässt darauf schließen, dass die Entwicklung neuer Produkte oderVerfahren im Bereich der Nanotechnologie erhebliche Investitionen erfordert, die nicht allein aus dem Eigenkapital heraus finanziert werden können.

Diese Einschätzung wurde auch in den durchgeführten Workshops zuden ausgewählten Lead-Märkten bestätigt. Mit den Entwicklungen neuer Produkte, insbesondere wenn diese auf neuartigen, bislang im Unternehmen noch nicht eingesetzten Technologien beruhen, sind erhebliche Risiken verbunden, die sowohl im Falle einer externenFinanzierung (z. B. am Kapitalmarkt) als auch im Wettbewerb mitanderen Produkten oder Unternehmenseinheiten um die Allokation derinternen finanziellen Ressourcen die Frage nach der jeweiligen Kosten/Nutzen-Relation aufwerfen. In diesem Zusammenhang spiegeltsich - zumindest teilweise - auch die allgemein schwierige finanzielleSituation der Unternehmen in Deutschland wider sowie die zum Teildamit einhergehende Tendenz zu zunehmend kurzfristig ausgerichtetenUnternehmensentscheidungen. Im Hinblick auf die staatliche Unterstützung entlang der Wertschöpfungskette wurde von den Unternehmen eine zu kurzfristig ausgerichtete Förderung beklagt.

7.4.17.4.17.4.17.4.1 Unterschiede zwischen KMU und Großunternehmen Unterschiede zwischen KMU und Großunternehmen Unterschiede zwischen KMU und Großunternehmen Unterschiede zwischen KMU und Großunternehmen

Signifikante Unterschiede zwischen den Innovationshürden für KMUund Großunternehmen lassen sich in drei Bereichen identifizieren. Ein deutlicher Unterschied besteht bei den Finanzierungsquellen. KMUhaben in ihrer Wahrnehmung deutlich schlechtere Zugangsbedingungenzum Kapitalmarkt als Großunternehmen. Entsprechend bildet die Finanzierung ihrer Aktivitäten auch für 38,6 Prozent der KMU einewichtige Innovationshürde. Im Unterschied dazu bildet der Zugang zum Kapitalmarkt für Großunternehmen nur in 7,7 Prozent der Stichprobeeine wichtige Innovationshürde.

Ähnlich liegt der Unterschied bei dem Zugang zu Marktinformationen. Auch hier sieht mit 21,3 Prozent der KMU eine deutliche höhere Zahl als bei den Großunternehmen mit 3,7 Prozent eine wichtige Innovationshürde.

Schließlich bildet die mangelnde Verfügbarkeit von kompetenten regionalen Kooperationspartnern eine weitere Innovationshürde, bei der sich die Einschätzung der KMU in der Stichprobe von der der Großunternehmen unterscheidet. 22,2 Prozent der KMU sehen dieseInnovationshürde als wichtig an, während bei den Großunternehmenlediglich 7,4 Prozent dies als eine wichtige Innovationshürde angeben.

Die drei unterschiedlichen Wahrnehmungen von dem, was als Innovationshürde begriffen wird, spiegeln die unterschiedlichenGrößenklassen wider. Offensichtlich wächst mit der Unternehmensgröße

KMU haben schlechtere Zugangsbe-

dingungen zum Kapitalmarkt

Mangelnde Verfügbarkeit von

kompetenten regionalen

Kooperations-partnern

Kapitel 7 221

auch der Zugriff auf den Kapitalmarkt, die verfügbare Menge an Marktinformationen und die Attraktivität für regionale Partner. Für die Innovationspolitik, die sich zum Ziel setzt, KMU zu stärken, bieten die Unterschiede aber einen Ansatzpunkt für zielorientierte Interventionen.

7.4.27.4.27.4.27.4.2 Diffusionshemmnisse DiffusionshemmnisseDiffusionshemmnisseDiffusionshemmnisse

Diffusionshemmnisse für die Nanotechnologie sind meist dort am größten, wo nanotechnologische Konzepte oder Vorprodukte bislangkeine Rolle spielten. Dies trifft insbesondere auf Industriebereiche oder Branchen zu, die technologisch wenige Berührungspunkte zu den wissenschaftlichen Grundlagen der Nanotechnologie haben. Beispiele dafür sind der Maschinenbau oder die Automobiltechnik, die im Wesentlichen eher durch ingenieurtechnische Entwicklungsansätze und weniger durch wissenschaftliche Grundlagenforschung geprägt sind.

Insbesondere für den Einsatz der Nanotechnologie im Automobil stelltmangelnde technische Reife aus Sicht der Automobilindustrie in vielenpotenziellen Anwendungsbereichen eine entscheidende Diffusionsbarriere dar. Das vergleichsweise frühe Entwicklungsstadium vieler automobiler Nanotechnologie-Anwendungen und die noch wenigetablierten Kooperationsbeziehungen zwischen Anbietern und Abnehmern von Nanotechnologie-Erzeugnissen sind eine Erklärung dafür, dass das Marktpotenzial für einen Einsatz im Automobil alsunsicher oder sogar unterdurchschnittlich betrachtet wird.

Auch die Chemieindustrie, als die gemäß der Erhebung am stärkstenvertretene Branche unter den Herstellern und Anwendern von Nanotechnologie-Produkten in Deutschland, benennt das Fehlen vonInformationen über potenzielle Märkte als Barriere für die Diffusion des eigenen Nanotechnologie-Know-hows in andere Anwendungsbereiche.Auch hier wirkt sich die Position der Chemieindustrie, die tendenziell am Anfang der Wertschöpfungskette steht, entsprechend hemmend auf dieVerbreitung der Nanotechnologie in endproduktorientierte Anwendungsbereiche aus. Weitere Hemmnisse für eine erfolgreicheDiffusion der Nanotechnologie in neue Märkte und Anwendungen ausSicht der chemischen Industrie sind unterschätzte Markteinführungs-zeiträume, fehlende „killer applications“3 und eine zumeist für KMU unklare Patentsituation, die sich in der Regel nur durch Expertenwissen und einen beträchtlichen Ressourceneinsatz erhellen lässt (sieheausführlich dazu Kapitel 4).

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass mit der Erschließung von Märkten mit Hilfe der Nanotechnologie deutliche Investitionen

3 Unter einer „killer application“ wird ein Produkt verstanden, das in der Lage ist eine starke Marktposition zu gewinnen und das damit die Existenz von (etablierten) Konkurrenzprodukten gefährdet.

Frühes Entwicklungs-stadium der Nanotechnologie zurzeit noch Problem in manchen Branchen

Barriere für die Diffusion: fehlende Informationen über potenzielle Märkte


verbunden sind, die nicht ohne weiteres von der Industrie alleineaufzubringen sind. Begrenzte Marktkenntnisse und noch unzureichende Kooperationsverflechtungen, insbesondere in den bislang noch nicht so stark von der Nanotechnologie durchdrungenen Branchen, stellen eineBarriere für die Innovationsgeschwindigkeit und die Diffusion neuer Anwendungsbereiche dar. Maßnahmen zur Beseitigung dieser Barrierensowie der Zugang zu externem Kapital und auch zu staatlichen Fördermitteln entlang der Wertschöpfungskette sind eine wichtigeVoraussetzung, um die Kosten/Nutzen-Relation für Investitionen in neue Produkte und Anwendungen der Nanotechnologie zu verbessern und dieInvestitionstätigkeit in diesem Bereich zu erhöhen.

7.57.57.57.5 Beschäftigungseffekte und QualifizierungBeschäftigungseffekte und QualifizierungBeschäftigungseffekte und QualifizierungBeschäftigungseffekte und Qualifizierung

Bei der Zurechnung von Arbeitsplätzen auf bestimmte Produkte oderProduktgruppen muss berücksichtigt werden, dass ein bestimmtes Produkt im Allgemeinen nicht von einem Unternehmen in einem Wirtschaftszweig vollständig autonom erzeugt wird, sondern dass dafür eine vielfältige Verflechtung von Vorleistungen zwischen Unternehmen aus verschiedenen Wirtschaftszweigen notwendig ist. Für eine vollständige Untersuchung der Arbeitsplätze müssten deshalb sämtlichedirekten und die indirekten Beschäftigungseffekte berücksichtigt werden, die wie folgt unterschieden werden:

• Direkte Beschäftigungseffekte: Sämtliche produzierende Tätigkeiten und Dienstleistungen, die mit der Entwicklung, Herstellung, Vermarktung, dem Vertrieb und der Finanzierung sowie dem Betrieb von Anlagen zur Herstellung von nanotechnologischen Komponenten und Produkten verbunden sind

• Indirekte Beschäftigungseffekte in der Investitionsgüterindustrieund im Dienstleistungssektor: Um Entwicklung, Herstellung, Vermarktung, Vertrieb, Finanzierung und Betrieb durchführen zu können, müssen Unternehmen, Behörden und sonstige damit befasste Organisationen Investitionen tätigen und fremde Dienstleistungen in Anspruch nehmen. Die mit der Erzeugung dieser Investitionsgüter und Dienstleistungen verbundenen Arbeitsplätze sind nur indirekt von der Absatzentwicklung von Produkten und Dienstleistungen der Nanotechnologie abhängig.

Durch die zugrunde liegende Definition der Nanotechnologie, dietechnische Anlagen und Geräte für die Analytik sowie Anlagen zurHerstellung von nanotechnologischen Komponenten (z. B. Beschichtungssysteme) mit einbezieht, verschwimmt die Grenze zwischen den direkten und den indirekten Effekten, so dass genaugenommen auch indirekte Effekte zu einem gewissen Anteil in Form

Maßnahmen zur Beseitigung von

Barrierenverbessern

Direkte und indirekte

Beschäftigungs-effekte

Kapitel 7 223

derartiger Investitionsgüter bei den nachfolgenden BetrachtungenBerücksichtigung finden.

Ferner sollte bei der Betrachtung von Arbeitsplatzeffekten im Idealfall zwischen dem Bruttoeffekt und dem Nettoeffekt unterschieden werden. Der Bruttoeffekt beschreibt alle im Zusammenhang mit der Nutzung der Nanotechnologie verbundenen Arbeitsplätze. Der Nettoeffekt berücksichtigt dagegen, dass durch den Einsatz der Nanotechnologie andere Technologien ersetzt werden, so dass gegebenenfalls Arbeitsplätze an anderer Stelle entfallen. Aufgrund des Einflusses der Nanotechnologie auf verschiedene Stufen entlang der Wertschöpfungskette und der damit verbundenen Komplexität von Substitutionsprozessen war eine Berücksichtigung des Nettoeffektes im Rahmen dieser Untersuchung nicht möglich.

Für die Ermittlung der Beschäftigungseffekte wurde auf die Ergebnisse der schriftlichen Unternehmensbefragung sowie auf verfügbare Sekundärquellen wie die Markus-Datenbank4 und Unternehmensberichte und -webseiten, zurückgegriffen.

Trotz der eingeschränkten Datenbasis wurde versucht, zu einer Abschätzung der konsolidierten Umsätze und der Gesamtbeschäftigungder deutschen „Nanotechnologie-Industrie“ zu gelangen. Für dieseSchätzungen wurden die vorhandenen Daten mit Hilfe statistischerMethoden ausgewertet. Um die Schätzungen vorzunehmen, wurden fehlende Daten zu den in der Gesamtstichprobe enthaltenen Unternehmen, insbesondere für Umsätze, Mitarbeiterzahlen und Nanotechnologieanteil am Umsatz auf Basis der statistischen Mittelwerteangenommen. Dabei wurde grundsätzlich vorausgesetzt, dass für diegenannten Unternehmenskennzahlen innerhalb der jeweiligen Betrachtungsmenge eine Normalverteilung vorherrscht. Um die Gültigkeit dieser Annahme nach Möglichkeit zu gewährleisten und die Homogenität innerhalb einer Betrachtungsgruppe zu erhöhen, wurde die Gesamtstichprobe in sieben Unternehmensgrößenklassen (nach Mitarbeiterzahl) aufgeteilt und statistisch innerhalb jeder dieser Betrachtungsgruppen separat untersucht.

Diese Vorgehensweise führt zu einer Reduzierung des Stichproben-umfangs je Betrachtungsgruppe und geht damit zu Lasten der statistischen Signifikanz der Ergebnisse. Die teilweise sehr geringenStichprobenumfänge je Betrachtungsgruppe lassen nur eine grobe Abschätzung zu und sind aus statistischer Sicht mehr als Indikatoranzusehen. Auf der anderen Seite käme eine Analyse über die gesamteStichprobe aufgrund der Heterogenität der untersuchten Unternehmen

4 Die Markusdatenbank ist eine kommerziell angebotene Datenbank der Organisation Creditreform mit ca. 800.000 Einträgen zu deutschen Unternehmen (u. a. mit Geschäftszweck, Umsatz, Mitarbeiterzahl).

Berücksichtigung des Nettoeffekts war nicht möglich

Eingeschränkte Datenbasis


mit Variationen der untersuchten Größen (Umsatz und Beschäftigung) über bis zu fünf Größenordnungen (Zehnerpotenzen) zu weit unrealistischeren Schätzungen.

7.5.17.5.17.5.17.5.1 UmsatzUmsatzUmsatzUmsatz---- und Beschäftigtenzahlen der deutschen und Beschäftigtenzahlen der deutschen und Beschäftigtenzahlen der deutschen und Beschäftigtenzahlen der deutschen „Nanotechnologie„Nanotechnologie„Nanotechnologie„Nanotechnologie----Industrie“Industrie“Industrie“Industrie“

Als Ausgangspunkt für die Ermittlung der Beschäftigungswirkung der Nanotechnologie für die deutsche Volkswirtschaft dient die schriftlicheBefragung unter den in Deutschland vertretenen Unternehmen, die sich entweder als Hersteller oder Anwender mit der Nanotechnologie befassen. Hierbei wurde zunächst nicht berücksichtigt, welcher Anteildes Unternehmensumsatzes auf Nanotechnologieprodukte entfällt bzw. welcher Anteil der Beschäftigten direkt oder indirekt mit Nanotechnologie befasst ist.

In der Unternehmensbefragung wurde aus Gründen der Akzeptanz beiden Befragten lediglich eine Kategorisierung der Unternehmen imHinblick auf Umsatz und Beschäftigte nach vorgegebenen Größenklassen erfragt. Um konkretere Aussagen über die Zahl der Beschäftigten treffen zu können, wurden absolute Mitarbeiterzahlen aus anderen verfügbaren Quellen, unter anderem Markus-Datenbank, aus veröffentlichten Jahres-berichten sowie vereinzelt aus unternehmenseigenen Internetseitenherangezogen. Diese Zahlen dienten der Plausibilisierung der Unternehmensangaben im Fragebogen und sind in die Modellrechnungzur Schätzung der Gesamtbeschäftigtenzahlen eingeflossen (sieheAnhang 4 „Erläuterung der Schätzung von Umsatz und Beschäftigung“).

Um die Grundgesamtheit für die Schätzung zu erhöhen und eine repräsentativere Aussage zu Beschäftigungswirkung der Nanotechnologie in Deutschland zu erhalten, wurde darüber hinaus eine aktuelle, unabhängig von dieser Untersuchung erstellte, kommerzielleStudie zur Nanotechnologie (Fecht et al., 2003) herangezogen. In diesem Report sind auch insgesamt 99 deutsche „Nanotechnologieunternehmen“zum großen Teil mit verifizierten Angaben zum Umsatz und zur Mitarbeiterzahl vertreten. Ein Abgleich beider Datenbestände ergab, dass für die nachfolgenden Betrachtungen auf eine erweiterte Stichprobe von insgesamt 167 Unternehmen (Gesamtstichprobe) zurückgegriffen werdenkonnte. Tabelle 7.3 fasst die für die nachfolgende Abschätzung als Ausgangsbasis dienenden Unternehmensstichproben zusammen.

Grundlage: durchgeführte Unternehmens-

befragung

Zusätzliche Quelle: Markus-Datenbank

Zusätzliche Quelle: Kommerzielle

Studie zur Nanotechnologie

Kapitel 7 225

Unternehmen aus

Primärerhebung

(Schriftliche

Unternehmensbe-

fragung

Zusätzliche

Unternehmen aus

Sekundärquelle

(Fecht et al., 2003)

Alle Unternehmen

der

Gesamtstichprobe

Anzahl

Unternehmen

103 64 167

davon mit

Umsatzangaben

73

(71 %)

48

(75 %)

121

(72 %)

davon mit

Mitarbeiter-

zahlen

82

(79 %)

64

(100 %)

146

(87 %)

Tabelle 7.3: Stichprobe für die Schätzung von Umsätzen und Beschäftigten

Die solide Datenbasis zu den Umsätzen und Beschäftigtenzahlen von 72 Prozent bzw. 87 Prozent erlaubt eine Hochrechnung auf die Gesamtstichprobe von 167 Unternehmen. Dabei wurde eine Differenzierung nach Unternehmensgrößenklassen vorgenommen, da bei den Großunternehmen mit mehr als 5000 Beschäftigten die Umsatz- und Mitarbeiterzahlen bei nahezu 100 Prozent der in der Stichprobe enthaltenen Unternehmen vorlagen, während beispielsweise zu den KMU mit bis zu 20 Mitarbeitern nur in gut 60 Prozent der Fälle Umsatzangaben vorlagen. Für die Hochrechnung wurde der statistische Mittelwert je Größenklasse herangezogen. Eine Zusammenfassung dervorliegenden Daten sowie der Hochrechnung auf die Gesamtstichprobeist in Tabelle 7.4 wiedergegeben.

Stichprobe


Größen-

klasse

1 2 3 4 5 6 7 Gesamt

Mitarbei-

terzahl

Bis 20 21 bis

100

101

bis

250

251

bis

500

501

bis

1000

1001

bis

5000

Über

5000

Anzahl der

Unterneh-

men

72 34 11 11 10 9 20 167

Schätzung

Gesamt-

umsatz

(in Mio.

EUR)

79 197 258 950 1.109 5.038 353.072 360.703

Schätzung

Gesamt-

beschäf-

tigte

650 1.382 1.761 3.944 7.161 23.463 1.223.837 1.262.198

Tabelle 7.4: Schätzung von Umsatz und Beschäftigten der 167 „Nanotechnologieunternehmen“ (zur Segmentierung der Unternehmen in F1, F2 und F3 siehe Abschnitt 7.2.2) in 2002 (Gesamtstichprobe)

Die in der Stichprobe enthaltenen 167 in der Nanotechnologie aktiven Unternehmen erwirtschafteten in 2002 einen geschätzten Gesamtumsatz (weltweit) von knapp 360 Mrd. Euro mit einer Zahl von zusammen etwa1,26 Mio. Mitarbeitern, wobei der Anteil des Umsatzes mit Nanotechnologie noch nicht bestimmt ist.

Obwohl die dargestellten hochgerechneten Umsatz- und Beschäftigten-zahlen aufgrund der guten Abdeckung der Stichprobe durchaus alsrepräsentativ betrachtet werden können, sind sie doch etwas mit Vorsicht zu interpretieren. Wie bereits konstatiert beziehen sich diese Zahlen auf das jeweilige Gesamtunternehmen, ohne zu berücksichtigen, welcherUmsatzanteil davon auf die Nanotechnologie entfällt. Damit sind in Tabelle 7.4 die Gesamtumsatz- und Beschäftigtenzahlen der in derStichprobe enthaltenen Großunternehmen wie DaimlerChrysler, Bayer oder BASF in vollem Umfang mit enthalten.

Um weiter nach der Nanotechnologierelevanz zu differenzieren, wurde in der Unternehmensbefragung der geschätzte Umsatzanteil der Nanotechnologie am Gesamtumsatz des jeweiligen Unternehmens abgefragt. 73 Prozent der befragten Unternehmen in der Primärerhebung(n=103) haben diese Frage beantwortet. Die Ergebnisse, aufgegliedert nach Unternehmensgröße, sind in Abbildung 7.10 dargestellt. Beispielsweise geben 15 Prozent der Unternehmen mit mehr als 1000

Kapitel 7 227

Beschäftigten an, dass der Anteil der Nanotechnologie an ihrem Gesamtumsatz unter 1 Prozent liegt.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

bis 20 21-100 101-250 251-1000 1000 undmehr

Anzahl Mitarbeiter

An

teil U

nte

rneh

men

je G

röß

en

kla

sse

100%

75-99%

50-74%

25-49%

2-24%

0-1%

Abbildung 7.10: Umsatzanteil der Nanotechnologie am Gesamtumsatz nach Unternehmensgröße (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Es ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Unternehmensgrößeund dem Anteil der Nanotechnologie im Unternehmen zu erkennen. Diesist nicht verwunderlich, da kleine Unternehmen ihre Ressourcen stärker bündeln müssen und daher in der Regel eine enger definierte Kernkompetenz aufweisen als Großunternehmen. Insbesondere jungeNanotechnologieunternehmen zeichnen sich in aller Regel durch eine ausgeprägte Kompetenz in einem speziellen Teilgebiet der Nanotechnologie aus und nutzen dieses Know-how als Erfolgs- undWettbewerbsfaktor, um sich erfolgreich im Markt zu positionieren.

Es ist auffallend, dass unter den kleineren Unternehmen der Nanotechnologieanteil wesentlich stärker variiert als bei den größerenUnternehmen. Dies mag zum Teil damit zusammenhängen, dass KMU zahlenmäßig die Stichprobe dominieren und demnach auch eine größereVarianz aufweisen. Die klare Tendenz, dass mit zunehmender Unternehmensgröße sich die Unternehmen a) entweder zum überwiegenden Teil oder b) nur am Rande mit Nanotechnologie befassen, verdeutlicht, dass es hierfür offenbar noch andere, substanzielle Ursachen gibt.

Eine Begründung ist die Heterogenität der Märkte für Nanotechnologie-Produkte in ihrem Reifegrad und Umsatzvolumen. Die Nanotechnologie bedient sowohl etablierte Massenmärkte als auch potenzielle Wachstumsmärkte oder auch ausgewählte Nischenmärkte. Für die in der Regel global tätigen Industrieunternehmen unter den Nanotechnologie-Akteuren kommen jedoch nur große etablierte Märkte oder entstehende Märkte mit viel versprechenden Wachstumspotenzialen in Betracht. Im


ersten Fall kommt der Nanotechnologie ein hoher Umsatzanteil imUnternehmen zu, während im zweiten Fall die Nanotechnologie umsatzmäßig noch wenig bedeutend für die Unternehmen ist, was die Diskrepanz bei der Gewichtung der Nanotechnologie zwischen kleinenund großen Unternehmen erklärt.

Abbildung 7.11 spiegelt vor diesem Hintergrund die bestehenden bzw.antizipierten Potenziale der Nanotechnologie mit Blick auf die deutscheIndustriestruktur wider. Hier zeigt sich deutlich, dass unter den größeren Nanotechnologieunternehmen die Chemische Industrie dominiert, gefolgtvon der Optik sowie der Automobil- und Elektronik-Industrie.

Optische Geräte18%

Medizintechnik3%

Maschinenbau3%

Glas- und Keramik7%Kfz-Industrie

10%

Nachrichtentechn. Geräte

3%

Sonstige14%

Chemische Industrie

32%Elektronik

10%

Abbildung 7.11: Branchenverteilung der Nanotechnologieunternehmen mit mehr als 1000 Mitarbeitern (n=29). (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

7.5.27.5.27.5.27.5.2 Abschätzung der Beschäftigungswirkung der Abschätzung der Beschäftigungswirkung der Abschätzung der Beschäftigungswirkung der Abschätzung der Beschäftigungswirkung der Nanotechnologie in DeutschlandNanotechnologie in DeutschlandNanotechnologie in DeutschlandNanotechnologie in Deutschland

Eine Abschätzung der mit der Nanotechnologie verbundenen Beschäftigungseffekte in Deutschland ist, bedingt durch die Unvollständigkeit der verfügbaren Datenbasis und der Problematik einer zuverlässigen Erhebung der dafür erforderlichen Zahlen, im Rahmen dieser Studie lediglich ansatzweise möglich. Aufgrund des bereitsangeführten Querschnittscharakters der Nanotechnologie sowie derfehlenden Verankerung dieses Technologiefeldes in den statistischerfassten Systematisierungsschemata kann die Einbeziehung der gesamtwirtschaftlichen Produktionsstatistiken und die Verwendungkomplexer Input-Output-Modelle nicht zu einer exakten Ermittlung der tatsächlichen Beschäftigungszahlen führen. Gleichwohl stützt sich die

Abschätzung der Beschäftigungs-

effekte ansatzweise

möglich

Kapitel 7 229

hier vorgenommene Abschätzung auf ca. 37 Prozent5 der in Deutschland tätigen Nanotechnologieunternehmen. Somit sind die Ergebnisse durchaus als eine verlässliche Orientierungsgröße zu betrachten.

Vor der Darlegung der Ergebnisse der nachfolgenden Schätzung sollennoch einige Anmerkungen zur Güte der Datenbasis, den getroffenenAnnahmen und der gewählten Methodik gemacht werden, um eine weitgehende Transparenz der zugrunde liegenden Prämissen zu gewährleisten (zur ausführlichen Erläuterung der Schätzung von Umsatz und Beschäftigung siehe auch Anhang 4):

• Für die Ermittlung der Beschäftigtenzahlen wurde der Umsatzanteil der Nanotechnologie herangezogen und 1:1 auf den Anteil der Beschäftigten im Zusammenhang mit der Nanotechnologie übertragen; damit ergibt sich tendenziell eine geringere Beschäftigtenzahl als die tatsächliche, da die nanotechnologischen Produkte angabegemäß bei vielen Unternehmen noch im Entwicklungsstadium sind und noch keine Umsätze erwirtschaften.

• Angaben zum Umsatzanteil der Nanotechnologie lagen nur für 44 Prozent der Unternehmen in der erweiterten Stichprobe (n=167) vor; die Validität dieser Angaben konnte nicht geprüft werden.

• Eine Unterscheidung zwischen Beschäftigten in Deutschland und ausländischen Beschäftigten der betrachteten Unternehmen konnte nur bei den 20 in der Stichprobe enthaltenen Großunternehmen mit mehr als 5000 Mitarbeitern berücksichtigt werden

• Es wurde keine qualitative Differenzierung nach Art der Beschäftigungsverhältnisse vorgenommen, z. B. nach hoch-qualifizierten Forschern und Entwicklungsingenieuren im Vergleich zu einfachen Arbeitsplätzen im produktiven Bereich.

Für diese Schätzung wurden alle vorhandenen Unternehmensdaten undrelevanten Kenngrößen (Umsatz, Mitarbeiter und Nanotechnologieanteil) der Unternehmen berücksichtigt, um somit die größtmögliche Zuverlässigkeit der Schätzung auf Basis der vorhandenen Daten sicherzustellen (vgl. Tabelle 7.5).

5 Die Anzahl der Unternehmen in Deutschland, bei denen derzeit imNanotechnologiebereich Aktivitäten feststehen oder zumindest stark vermutet werden, liegt bei ca. 450.

Anmerkungen zur Güte der Datenbasis


Größenklasse 1 2 3 4 5 6 7 Gesamt

Mitarbeiterzahl Bis

20

21

bis

100

101

bis

250

251

bis

500

501 bis

1000

1001

bis

5000

Über

5000

Anzahl

Unternehmen 72 34 11 11 10 9 20 167

Geschätzter

Nanotechnologie-

umsatz (in Mio.

EUR)

46 93 92 263 246 1.211 28.353 30.304

Geschätzte

Nanotechnologie-

beschäftigte

302 511 407 746 1.209 4.313 61.603 69.091

Tabelle 7.5: Schätzung von Umsatz und Beschäftigung, verbunden mit der Nanotechnologie, in Deutschland in 2002 für die Gesamtstichprobe

Auf Basis dieser Schätzung ergibt sich ein weltweiter Gesamt-Nanotechnologieumsatz für alle 167 betrachteten Unternehmen von ca. 30 Mrd. Euro und eine Beschäftigtenzahl von 69.000 (direkte undindirekte Beschäftigung errechnet über den Umsatz), wobei Großunternehmen mit über 5.000 Mitarbeitern mit Abstand den größtenEinfluss (ca. 95 Prozent bzw. 89 Prozent) auf den Gesamtumsatz und die Gesamtbeschäftigung der Stichprobe haben. Das ist darin begründet, dass einige der Großunternehmen nach eigenen Angaben einen hohen Nanotechnologieanteil aufweisen, und somit deren Mitarbeiterzahlen in diesem Maße in die Schätzung einfließen. Dies gilt in erster Linie für Großunternehmen der chemischen und der optischen Industrie, die mit bereits etablierten Produktlinien wie beispielsweise nanostrukturiertenMaterialien (z. B. Carbon Black oder Polymerdispersionen, vgl. Kapitel 6.2) oder nanooptischen Komponenten (Lithografieoptiken, LED etc., vgl. Kapitel 6.5) bereits Milliardenumsätze erzielen.

Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass vor allem bei größerenUnternehmen ein bedeutender Teil ihrer Leistungserbringung im Ausland erfolgt, und sich dieses nicht auf die inländische Beschäftigung in Deutschland auswirkt, sollte die inländische Beschäftigungsquote für die Ermittlung der durch die Nanotechnologie induzierte inländischeBeschäftigungswirkung weitestgehend berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wurde zusätzlich für die 20 Unternehmen mit mehr als5.000 Mitarbeitern in der Stichprobe der Mitarbeiteranteil in Deutschlandermittelt und analog auf die potenziellen Beschäftigten in der Nanotechnologie angewendet.

Die in Tabelle 7.5 dargestellten Ergebnisse der Schätzung lassen die Vermutung zu, dass Nanotechnologie in den besonders innovativen

Stichprobe keine 100-prozentige

Abdeckung sämtlicher

Nanotechnologie-unternehmen in D

Kapitel 7 231

Wertschöpfungsprozessen der Unternehmen vorzufinden ist und dieseProzesse aufgrund des hohen Qualifikationsstandes der hiesigen Mitarbeiter und der Nähe zu den zentralen FuE-Standorten der deutschenUnternehmen tendenziell eher in Deutschland angesiedelt sind.

Im Folgenden werden in drei Schritten die bisher geschätzten Beschäftigtenzahlen auf 450 Unternehmen, die im Bereich Nanotechnologie aktiv sind, hochgerechnet. Im ersten Schritt (siehe Abbildung 7.12) wurden die Beschäftigtenzahlen der Unternehmen mitbis zu 5000 Beschäftigten extrapoliert auf insgesamt 420 Unternehmen.Daraus resultiert eine Beschäftigtenzahl von 21.400.

Abbildung 7.12: Extrapolation 1 in Bezug auf Unternehmen mit bis zu 5000 Beschäftigten

Bei Unternehmen mit über 5000 Mitarbeitern wurde lediglich von 20 auf 30 Unternehmen konservativ extrapoliert (Abbildung 7.13). Darausresultiert eine Beschäftigtenzahl von 92.400. Dieses Vorgehen war für die Autoren dieser Studie aufgrund des Vergleichs der Unternehmen, die den Fragebogen beantwortet haben und der Adressliste mit Unternehmenmit über 5000 Beschäftigten, plausibel.

Zusätzliche Extrapolationen

7.488

21.400

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

0 100 200 300 400 500

Nanotechnologie-Unternehmen in Deutschlandmit bis zu 5000 Beschäftigten

An

zah

l d

er

Na

no

-Be

sc

hä

ftig

ten

Hochrechnung(n=420)

Schätzung(n=147)

Trend-extrapolation


Abbildung 7.13: Extrapolation 2 in Bezug auf Unternehmen mit mehr als 5000 Beschäftigten

In Abbildung 14 sind die Extrapolationen 1 und 2 zusammengefasst. In Bezug auf die 450 Unternehmen in Deutschland, bei denen derzeit im Nanotechnologiebereich Aktivitäten feststehen oder zumindest starkvermutet werden, lässt sich festhalten, dass nach dieser Rechnung über die Umsatzzahlen 114.000 Arbeitsplätze abgeschätzt werden können.

Abbildung 7.14: Zusammenfassung der Extrapolationen 1 und 2 sowie Anzahl der Beschäftigten in 450 „Nanotechnologieunternehmen“ in Deutschland

Optimistische Schätzung: 114.000

Arbeitsplätze derzeit

69.000

114.000

0

25.000

50.000

75.000

100.000

125.000

0

30

60

90

12

0

14

7

18

0

21

0

24

0

27

0

30

0

33

0

36

0

39

0

42

0 0

10

20

30 0

16

7

45

0

Anzahl Nanotechnologie-Unternehmen in Deutschland

An

zah

l d

er

Na

no

-Be

sc

hä

ftig

ten

Schätzung GK 1-6*

Schätzung GK 7**

Hochrechnung GK 1-6*

Hochrechnung GK 7**

GK 1-6 GK 7 gesamt

* Unternehmen mit bis zu 5.000 Beschäftigten

** Unternehmen mit über 5.000 Beschäftigten

61.603

92.400

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

0 10 20 30 40

Nanotechnologie-Unternehmen in Deutschlandmit mehr als 5000 Beschäftigten

An

zah

l d

er

Na

no

-Bes

ch

äft

igte

n Hochrechnung(n=30)

Schätzung(n=20)

Trend-extrapolation

Kapitel 7 233

Zur Plausibilisierung der Schätzung der Beschäftigungseffekte der Nanotechnologie wurden in einem weiteren Schritt die Unternehmensangaben der im Rahmen dieser Studie durchgeführten schriftlichen Befragung herangezogen, in der auch nach den direkt oder indirekt von der Nanotechnologie abhängigen Beschäftigten gefragtwurde (vgl. Frage 14 im Fragebogen und Abbildung 7.15). Die 92 Unternehmen, die zu dieser Frage Angaben machten, beschäftigen demzufolge mindestens zwischen 4.000 bis 6.500 Mitarbeiter in diesem Bereich. Die Spanne für die berechnete Mindestbeschäftigtenzahlresultiert daraus, dass keine absoluten Zahlen sondern Größenbereicheabgefragt wurden. Die Werte sind zudem als Untergrenze der von der Nanotechnologie ausgehenden Beschäftigung zu betrachten, da Unternehmen mit mehr als 250 von der Nanotechnologie abhängigenMitarbeitern bei dieser Berechnung nur bis zu diesem Wert berücksichtigt werden können.

Abbildung 7.15: Anzahl direkt oder indirekt von der Nanotechnologie anhängiger Mitarbeiter im Unternehmen (Summe 103 Unternehmen, Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Für die Schätzung des Mindestbeschäftigungseffekts der Nanotechnologie in Deutschland auf Basis dieser Daten für die schätzungsweise 450 „Nanotechnologiefirmen“ ergibt sich bei einerlinearen Interpolation eine Zahl von mindestens 20.000 bis 32.000Arbeitsplätzen in Deutschland. Die ermittelten Gesamtbeschäftigtenzahlen, die sich abhängig von dem jeweiligenErmittlungsansatz ergeben, sind in Abbildung 7.16 graphisch gegenübergestellt.

Vorsichtige Schätzung: 20.000 bis 32.000 Arbeitsplätze derzeit

k.A.11

26 bis 100 MA14 6 bis 25 MA

26

bis 5 MA35

101 bis 250 MA5

250 MA und mehr

12


Abbildung 7.16 Gegenüberstellung der hochgerechneten Beschäftigungswirkung der Nanotechnologie für Deutschland in Jahr 2002 nach unterschiedlichenSchätzungen (eigene Berechnungen)

Je nach verwendeter Datenbasis und Methodik kommt man zu sehr unterschiedlichen Schätzungen für die Gesamtbeschäftigung in Verbindung mit der Nanotechnologie in Deutschland. Die Spanne der niedrigeren Schätzung von 20.000 bis 32.000 Mitarbeitern ist, wie schon erwähnt, als eine Untergrenze zu interpretieren. Folglich können die über die Umsatzzahlen abgeschätzten 114.000 Arbeitsplätze als Obergrenzeangesehen werden. Hinsichtlich der Beschäftigungswirkung ist zuberücksichtigen, dass diese angegebene Arbeitsplatzanzahl überwiegendin der Großindustrie angesiedelt ist. In den Zahlen nicht enthalten sind Arbeitsplätze in den nicht-industriellen Bereichen, die bei wissenschaftlichen Einrichtungen und im Hochschulwesen vorzufindensind.

7.5.37.5.37.5.37.5.3 BeschäftigungsentwickluBeschäftigungsentwickluBeschäftigungsentwickluBeschäftigungsentwicklungngngng

Neben der Abschätzung der absoluten Beschäftigungseffekte der Nanotechnologie ist die Dynamik der Beschäftigungsentwicklung vongroßem Interesse, um Aussagen über die Entwicklung der von der Nanotechnologie abhängigen Arbeitsplätze treffen zu können. Dabei sind sowohl die in der Vergangenheit bereits erfolgte Entwicklung als auch die pozentiellen Aussichten für die Zukunft von Interesse.

Ebenso wie bei der statischen Betrachtung der Beschäftigung könnenauch in diesem Fall nur Schätzungen auf Grundlage der verfügbarenDatenbasis vorgenommen werden. Hierfür lagen belastbare Zahlen zurAnzahl der Mitarbeiter im jeweiligen Gesamtunternehmen über die Jahre 2000 bis 2002 zum Stichtag des jeweiligen Geschäftsjahres von knapp 60 Unternehmen vor. Für das Jahr 2003 wurden verfügbare Angaben zu den erwarteten Mitarbeiterzahlen von ca. 30 Unternehmen herangezogen, um

Untergrenze: 20.000 bis 32.000

Arbeitsplätze

Obergrenze: 114.000

Arbeitsplätze

(n=167)

114.000

(n=92)

32.000

20.000

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

0 100 200 300 400 500

Anzahl der Nanotechnologieunternehmen in D

An

zah

l d

er

Besch

äft

igte

n

Schätzung auf Basisdes Nanotechnologie-anteils am Umsatz

Schätzung auf Basisder Nanotechnologie-Beschäftigten(Untergrenze 2)

Schätzung auf Basisder Nanotechnologie-Beschäftigten(Untergrenze 1)

Hochrechnung (linear)

(n=450)

(n=450)

Kapitel 7 235

einen ungefähren Trend für das vergangene Jahr aufzeigen zu können.Diese Zahlen wurden, wie bereits in den vorhergehenden Analysen, aus der Markus-Datenbank und veröffentlichten Jahresberichten der Unternehmen entnommen.

Abbildung 7.17 stellt die Entwicklung über die vergangenen drei Jahre getrennt nach KMU (weniger als 250 Mitarbeiter) und Großunternehmen (mehr als 250 Mitarbeiter) graphisch dar. Der kaum in der Stichprobe der Unternehmensbefragung enthaltende Mittelbereich (siehe Kapital Abbildung 5.8. in Kapitel 5) wird an dieser Stelle außer Acht gelassen. Während die Unternehmen mit unter 250 Mitarbeitern durchweg Beschäftigungszuwächse verzeichneten, nahmen bei den Unternehmenmit mehr als 250 Mitarbeitern in Summe die Beschäftigten in den Jahren 2001 und 2002 jeweils im Vergleich zum Vorjahr ab. Die positiveEntwicklung im Jahr 2003 ist insbesondere bei den Großunternehmen (GU) mit großer Vorsicht zu betrachten, da diese Angaben aus einer deutlich kleineren Stichprobe gewonnen wurden.

18,2%

4,0%5,1%

-5,5%

-2,7%

0,4%

-10,0%

-5,0%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

2001 2002 2003e

Veränderung ggü Vorjahr

KMU

GU

Abbildung 7.17: Entwicklung der Gesamtbeschäftigtenzahlen von Nanotechnologieunternehmen getrennt für KMU und Großunternehmen 2000 bis 20036 in der Gesamtstichprobe

Bei den kleinen und mittleren Unternehmen ist ein signifikanterRückgang des Beschäftigungsanstiegs zu beobachten von ca. 18 Prozent im Jahr 2001 zu vier bis fünf Prozent in den Jahren 2002 und 2003. Dies ist in erster Linie auf das „Platzen der New Economy Blase“ im Jahr 2000 und dem damit einhergehenden Rückgang an Risikokapital fürjunge High-tech-Unternehmen zurückzuführen. Die leichte zeitlicheVerzögerung zwischen dem Einbruch an den Kapitalmärkten und derMitarbeiterentwicklung bei den KMU lässt sich mit der zu diesem

6 Die Zahlen für 2003 basieren auf erwarteten Mitarbeiterzahlen der Unternehmen.


Zeitpunkt noch guten Kapitalausstattung der Unternehmen nach einer erfolgreichen Finanzierungsrunde erklären.

Für die Einschätzung der mittelfristigen Beschäftigungsentwicklung in der Industrie, die direkt oder indirekt durch die Nanotechnologie beeinflusst wird, wurden die Unternehmen zu ihren Erwartungen befragt(s. Frage 20 im Fragebogen). Nur 21,5 Prozent der KMU und 13,5 Prozent der Großunternehmen rechnen mit keiner Personalaufstockung in diesem Bereich bis zum Jahr 2006. Dagegen erwarten insgesamt 81,4Prozent der befragten Unternehmen einen mehr oder weniger großenMitarbeiterzuwachs durch die Nanotechnologie im eigenen Unternehmen.

Demnach kann der Nanotechnologie sicherlich ein hohes Potenzial bei der Schaffung neuer Arbeitsplätze zugebilligt werden. Von den kleinenund mittleren Unternehmen rechnet knapp die Hälfte mit einem Mitarbeiterzuwachs von mehr als 20 Prozent, ein Drittel mit mehr als 50 Prozent und fast 20 Prozent der KMU noch mit einem Wachstum vonsogar über 100 Prozent bis 2006 in diesem Bereich (siehe auch Abbildung 5.26 in Kapitel 5). Bei den Großunternehmen fällt diePrognose nicht ganz so optimistisch aus. Immerhin gehen hier mehr als die Hälfte von einem Zuwachs von mehr als zehn Prozent aus. Auch hier liegen also deutliche Wachstumspotenziale in der Nanotechnologie. Bei den Großunternehmen ist allerdings davon auszugehen, dass die Anzahlder Mitarbeiter in der Nanotechnologie eher durch unternehmensinterneUmstrukturierungen oder Umwidmungen erhöht wird als durch die Schaffung zusätzlicher Arbeitsplätze.

Auf Basis der von den befragten Unternehmen erwarteten Personalsteigerungen im Bereich der Nanotechnologie wurde eine Abschätzung des absoluten Zuwachses an Beschäftigten vorgenommen. Hierfür wurden die gleichen Annahmen wie für die konservative Schätzung unter Abschnitt 7.5.2 für die Ermittlung der derzeitigenBeschäftigung getroffen (Spanne von 20.000 bis 32.000 und 114.000).Danach ergibt sich ein erwarteter absoluter Beschäftigungszuwachs von mindestens 2.000 bis 10.000 zusätzlichen Arbeitsplätzen bis 2006 allein für die etwa 450 heute existierenden Nanotechnologieunternehmen in Deutschland. Legt man die gleichen Annahmen zugrunde wie für diebetrachtete Schätzung unter 7.5.2, so ist mit einem Zuwachs an neugeschaffenen Arbeitsplätzen durch die Nanotechnologie in der Größenordnung von mindestens 10.000 bis 15.000 auszugehen.

7.5.47.5.47.5.47.5.4 QualifizierungQualifizierungQualifizierungQualifizierung

Direkt mit dem Aspekt der Beschäftigung geht die Frage nach derQualifizierung einher. Mit wachsender Beschäftigung im Bereich der Nanotechnologie ist in der Regel ein Bedarf an qualifiziertem Fachpersonal verbunden. Viele Branchen haben deshalb heute Bedarf an

Große Mehrheit der befragten

Unternehmen erwartet

Beschäftigungs-zuwachs

Zuwachs an neuen Arbeitsplätzen von 10.000 bis 15.000 in

naher Zukunft (2006)

Kapitel 7 237

Naturwissenschaftlern, die fundierte Spezialkenntnisse im Bereich der Nanotechnologie mitbringen.7

Nanotechnologie ist ein sehr interdisziplinäres Wissenschaftsfeld, in dem Erkenntnisse der Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften, Werkstoffwissenschaften, Biologie und anderer Disziplinen zusammenfließen. Innovationen auf dem Gebiet der Nanotechnologiebedürfen daher mehr als das Fachwissen nur einer Disziplin. Der Grund dafür ist das Verschwimmen der traditionell zwischen den Naturwissenschaften gezogenen Grenzen auf atomarer Ebene.

Unternehmen, die im Bereich der Nanotechnologie tätig sind, müssen daher über Personal verfügen, das die jeweiligen Aspekte der verschiedenen Disziplinen kennt und deren Methoden nutzen kann.

Bislang werden für die verschiedenen Bereiche der NanotechnologieAkademiker verschiedenster Fachrichtungen eingesetzt. Im Bereich„Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung“ sind dies vor allem Physiker und Maschinenbau-Ingenieure, in der „Nanomaterialforschung“ in erster Linie Chemiker. Für die Arbeit an „biologischen Detektionssystemen“ werden Biologen benötigt, für den Bau dieser Systeme ist man auf das Spezialwissen der Physiker angewiesen. Im Bereich „FunktionelleSchichtsysteme“ arbeiten in der Regel Physiker und Chemiker zusammen, doch sind hier zunehmend auch Biologen gefragt.

Seit dem Studienjahr 2000/2001 werden die ersten Studiengänge imBereich der Nanotechnologie an deutschen Hochschulen angeboten. Zu den Vorreitern zählten die Universität Würzburg mit dem Studiengang „Nanostrukturtechnik“ und die Universität des Saarlandes mit demStudiengang „Mikro- und Nanostrukturen“. Weitere Beispiele sind seit 2003 an der Universität Kassel mit dem interdisziplinären Diplom-Studiengang „Nanostrukturwissenschaft“ und der Master-Studiengang„Mikro- und Nanotechnik“ an der Fachhochschule München, der allerdings nicht für Studienanfänger angeboten wird. Entsprechend dem Querschnittscharakter der Nanotechnologie sind diese Studiengängeinterdisziplinär ausgerichtet und beziehen mehrere Fachbereiche wie Biologie, Physik, Chemie, Materialwissenschaften oder Elektrotechnik in die Ausbildung ein. Ein Teil der Studiengänge legt besonderen Wert auf den Praxisbezug und die Anwendungsnähe der Ausbildung und siehteinen Abschluss als Diplom-Ingenieur vor. Daneben spielt das ThemaNanotechnologie auch in zahlreichen konventionellen Maschinenbau-,Elektrotechnik/Elektronik-, Physik-, Chemie- oder Biologiestudien-gängen bereits eine zentrale Rolle.

7 Das BMBF fördert zurzeit ein Projekt zum Thema „Ermittlung vonTrendqualifikationen in den Bereichen Nanochemie/Material und Nanoanalytik“. Die Bearbeitung erfolgt durch das Institut für Strukturpolitik und Wirtschaftsförderung (ISW), Halle. Ergebnisse dieses Projektes sollen zum Ende des Jahres 2004 veröffentlicht werden.

Neue Studiengänge


Außerdem betreiben mittlerweile fast alle Universitäten und zunehmendFachhochschulen mit technisch-naturwissenschaftlichen StudiengängenForschung im Bereich der Nanotechnologie. Als Beispiele sind unteranderem die Universitäten Karlsruhe, Aachen, München, Münster, Saarland, Kaiserlautern, Berlin, Kassel, Würzburg und Marburg zunennen. Eigene dezentrale Netzwerke wie das Center for Nanoscience(München), das Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (Kassel) und das Center für funktionelle Nanostrukturen(Karlsruhe) leisten eigenständige Forschungsarbeit. Auch so genannteInkubatoren und Gründungszentren für Nanotechnologie entstehen im Umfeld von Universitäten, wie das „Center for Nanotechnology“ inMünster, sie unterstützen Ausgründungen speziell in diesem Bereich.

Bei der Unternehmensbefragung wurden auch verschiedene Aspekte zumThema Qualifizierung abgefragt, die Aufschluss über den aktuellenBedarf an qualifiziertem Fachpersonal in der Industrie geben.

Bei der Frage, welche Schritte bereits unternommen wurden, um mitHilfe der Nanotechnologie neue Anwendungen zu erschließen oder bestehende Produkte zu substituieren, rangierte die Bereitstellung von Forschungspersonal – neben der Kontaktaufnahme mit Kooperations-partnern – mit an vorderster Stelle (vgl. Abbildung 7.18)

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Tätigung vonSachinvestitionen

Kotaktaufnahme zuKooperationspartnern

Erwerb vonEigentumsrechte

Forschungs- undKooperationsprojekte

Bereitstellung vonForschungspersonal

Anzahl der Nennungen

Abbildung 7.18: Von den Unternehmen unternommene Schritte zur Realisierung der nanotechnologischen Vorhaben für die Zukunft (Quelle: SchriftlicheUnternehmensbefragung)

Gleichzeitig bewerteten die befragten Unternehmen die Verfügbarkeitvon geeignetem Fachpersonal für ihre zukünftigen Vorhaben im Bereich der Nanotechnologie jedoch nicht als eine der wesentlichen Hürden für die Ausschöpfung des antizipierten Anwendungs- und Marktpotenzials. Zwar wurde der Mangel an qualifiziertem Fachpersonal von den

Forschungsschwer-punkte an

Hochschulen und weiteren Zentren

Bedarf an qualifiziertem

Fachpersonal in der Industrie

Kapitel 7 239

Befragten an vierter Stelle genannt, jedoch von der Bedeutung nurdurchschnittlich bewertet.

Betrachtet man die Einschätzung dieser Innovationshürde differenziert nach den angestrebten Anwendungsfeldern bzw. nach Branchenherkunft der Befragten, so sind einige Auffälligkeiten festzustellen (vgl.Abbildung 7.19 und Abbildung 7.20). Insbesondere in dem Anwendungsfeld „Chemie“ kommt dem Mangel an geeignetem Fachpersonal unterdurchschnittliche Bedeutung zu. Unter der naheliegenden Annahme, dass die Unternehmen zukünftige Nanotechnologieprodukte primär in bereits bekannten Anwendungs-bereichen einsetzen möchten, lässt sich diese Beobachtung damiterklären, dass insbesondere Werkstoffen eine zentrale Bedeutung in der Nanotechnologie zukommt. Dem entsprechend ist anzunehmen, dass die Mitarbeiter in diesen Unternehmen bereits über einen entsprechenden Wissensstand mit Blick auf nanotechnologische Aspekte verfügen oder die Unternehmen zumindest Zugang zu solchen Fachkräften haben.

Von dieser Prämisse ist in den Bereichen Maschinenbau und Messtechnik nicht ohne weiteres auszugehen, da hier vorwiegend Ingenieure tätig sind, die aufgrund ihrer praxisorientierteren Ausbildung nicht so vertiefte Kenntnisse in den Grundlagendisziplinen Physik,Chemie oder Biologie besitzen. Dem entsprechend wurde hier der Mangel an geeignetem Fachpersonal höher bewertet.

(n=21)

(n=16)

(n=2)

(n=9)

(n=20)

(n=1)

(n=2)

(n=12)

(n=9)

1 2 3 4 5



Kosmetik


Chemie / Werkstoffe /Verfahrenstechnik


Maschinenbau

Messtechnik

Andere

Bedeutung

Mittelwert

Abbildung 7.19: Abweichung vom Durchschnitt bei der Bewertung derInnovationshürde Fachpersonal nach Anwendungsfeldern (1 = unwichtig, 5 = wichtig) (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Bereich Chemie: Kaum Mangel an geeignetem Fachpersonal


(n=26)

(n=3)

(n=2)

(n=4)

(n=1)

(n=1)

(n=20)

(n=1)

(n=9)

(n=5)

(n=1)

(n=5)

(n=5)

(n=4)

(n=4)

1 2 3 4 5

Chemie

Glas- und Keramik

Metallindustrie

Maschinenbau

Werkzeugmaschinenbau

Medizintechnik

Mess-, Kontroll-, Navigationsgeräte u.ä.

Prozesssteuer.anlagen

Optische Geräte

Kfz-Industrie

Nachrichtentechn. Geräte

Elektronik

F&E-Einrichtungen

Techn., physik., chem. Untersuchung

Sonstige

Bedeutung

Mittelwert

Abbildung 7.20: Abweichung vom Durchschnitt bei der Bewertung derInnovationshürde Fachpersonal nach Branchenzugehörigkeit (1 = unwichtig, 5 = wichtig) (Quelle: Schriftliche Unternehmensbefragung)

Eine repräsentative Aussage für alle Anwendungsfelder lässt sich jedoch aufgrund des begrenzten Datenumfangs und dem subjektiven Bewertungsmaßstab nicht treffen. Gleiches gilt für die Betrachtung nach Branchenherkunft der befragten Unternehmen. Eine zusätzliche Bewertung der Qualifizierungssituation in den Lead-Märkten wurde im Rahmen der durchgeführten Experten-Workshops gewonnen.

Im Bereich Optik wurde von den vertretenen Industrieunternehmen kein Bedarf für neue Berufsbilder wie z. B. einen Diplom-Ingenieur fürNanotechnologie gesehen. Lediglich spezielle Zusatzqualifikationen auf Basis einer soliden Grundlagenausbildung wurden als sinnvoll erachtet.Der Bereich Nano-Optik bildet einen fließenden Übergang zu Mikrosystemtechnik, wofür in den letzten Jahren eine Vielzahl qualifizierter Ausbildungs- und Studiengänge geschaffen wurden, so dass keine zusätzliche Nano-Ausbildung als erforderlich angesehen wird. Die Nano-Optik besitzt ferner eine bedeutende Schnittstelle zu den Materialwissenschaften und der Präzisionsverarbeitung, so dass sich auch hiermit verbundene Qualifikationen für den Bereich Optik eignen.

Im Bereich Automobilbau wird es ebenso wenig als problematisch gesehen, qualifizierte Mitarbeiter zu rekrutieren. Ein Engpass anqualifizierten Fachkräften ist allenfalls im Mittelstand zu beobachten. Eine gute Grundlagenausbildung in den Bereichen Physik, Chemie undBiologie wird als notwendige Voraussetzung für eine Tätigkeit an der Schnittstelle von Nanotechnologie und Kfz-Technik gesehen. Teambildung kann ein Lösungsansatz sein, um die notwendige Interdisziplinarität zu gewährleisten und Kommunikationsbarrieren zwischen den Disziplinen zu beseitigen. Da dieser Lösungsansatz in kleinen oder mittleren Unternehmen aufgrund der begrenzten personellen

Bereich Optik: Zusatzqualifika-tionen erwünscht

Bereich Automobilabau: Weiterbildungs-

möglichkeiten und Nanotechnologie-Spezialisierungen

sinnvoll

Kapitel 7 241

Ressourcen oftmals nicht praktizierbar ist, sollten Weiterbildungs-möglichkeiten sowie ausbildungsintegrierte Nanotechnologie-Speziali-sierungen angeboten werden.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Angebot an Studien- und Ausbildungsgängen im Bereich der Nanotechnologie weitgehendden Erfordernissen der Industrie entspricht. Dem steigenden Bedarf an Interdisziplinarität der Ausbildung wird durch die Bildungsträger durch das Angebot von integrierten Spezialisierungsrichtungen im Bereich der Nanotechnologie Rechnung getragen. Dies sollte jedoch nicht zu Lastender Grundlagenausbildung in den klassischen Naturwissenschaftengehen, die von allen Bereichen der Industrie als essenziell angesehenwird. Neue Initiativen zu Förderung der Grundlagenausbildung inVerbindung mit Nanotechnologie sind kürzlich vom BMBF auf den Weggebracht worden (BMBF, 2004).

7.67.67.67.6 Der Standort Deutschland im internationalen Der Standort Deutschland im internationalen Der Standort Deutschland im internationalen Der Standort Deutschland im internationalen Wettbewerb Wettbewerb Wettbewerb Wettbewerb

7.6.17.6.17.6.17.6.1 Positionierung Deutschlands im internationalen VergleichPositionierung Deutschlands im internationalen VergleichPositionierung Deutschlands im internationalen VergleichPositionierung Deutschlands im internationalen Vergleich

Für die Ausschöpfung des wirtschaftlichen Potenzials der Nanotechnologie und der Schaffung einer „Nanotechnologie-Industrie“,von der deutliche Arbeitsplatzeffekte ausgehen können, ist es mitentscheidend, sowohl technologisch als auch marktseitig an der Spitze des globalen Wettbewerbs zu stehen.

Für die Einschätzung der Position Deutschlands im Bereich der Nanotechnologie wurde auf eine Reihe bestehender Untersuchungenbzw. Studien zurückgegriffen (unter anderem 3i, 2002; Compano undHullmann, 2002; Fecht et al., 2003; TAB 2003). Diese basieren zum Teil auf messbaren Indikatoren, wie z. B. die Anzahl an Patenten oderwissenschaftliche Publikationen (Compano und Hullmann, 2002) undzum Teil auf Einschätzungen von einer größeren Zahl von Experten oder Unternehmen, die zu der wissenschaftlichen oder wirtschaftlichenRangfolge der führenden Industrieländer einschließlich Deutschland auf dem Gebiet der Nanotechnologie befragt wurden (z. B. Fecht et al.,2003). Eine Übersicht über die Ergebnisse dieser Untersuchungen ist in Tabelle 7.6 wiedergegeben.

Derzeitiges Angebot an Studien- und Ausbildungsgängen entsprichtweitgehend Erfordernissen der Industrie


Technologie-Indikator Zeitraum

oder

Zeitpunkt

Position (Rang)

von D im

internationalen

Vergleich

Führendes

Land weltweit

Führendes

Land in

Europa

Quelle

Entwicklungen in der Nanotechnologie (Umfrage) Medizin /Pharma

2002 4 USA (West) UK 3i, 2002

Entwicklungen in der Nanotechnologie (Umfrage) Materialien

2002 4 USA (West) D 3i, 2002

Entwicklungen in der Nanotechnologie (Umfrage) Chemikalien

2002 1 D D 3i, 2002

Entwicklungen in der Nanotechnologie (Umfrage) Elektronik

2002 5 Japan D 3i, 2002

Entwicklungen in der Nanotechnologie (Umfrage) Fertigung

2002 4 USA (West) D 3i, 2002

Anzahl der Publikationen 1997-1999 3 USA D Compano/ Hullmann, 2002

Anzahl der Patente (EPO & PCT)

1991-1999 2 USA D Compano/ Hullmann, 2002

Anzahl der Publikationen (SCI)

1996-2001 3 USA D TAB, 2003

Wachstumsrate der Publikationen

1996-2000 13 Südkorea Niederlande TAB, 2003

Anzahl der Patente (WPINDEX und PATDPA)

1996-2001 2 USA D TAB, 2003

Wachstumsrate der Patente 1996-2000 4 Kanada D TAB, 2003

Anzahl der Publikationen für die Nanotechnologie im Life Science-Bereich (SCI)

1996-2000 2 USA D TAB, 2003

Anzahl der Patente für die Nanotechnologie im Life Science-Bereich (WPINDEX und PATDPA)

1996-2000 2 USA D TAB, 2003

Führende Länder der Nanotechnologie (Umfrage) Nanomaterialien

2003 2 USA D Fecht et al., 2003

Führende Länder der Nanotechnologie (Umfrage) Nanotools


Führende Länder der Nanotechnologie (Umfrage) Nanodevices


Führende Länder der Nanotechnologie (Umfrage) Nanobiotech


Tabelle 7.6: Deutschlands Position in der Nanotechnologie im internationalen Vergleich

Kapitel 7 243

Ein Vergleich der verschiedenen Technologieindikatoren und subjektiven Rankings über verschiedene Beobachtungszeiträume zeigt deutlich, dass Deutschland die führende Position innerhalb Europas einnimmt.8

Lediglich bei den Wachstumsraten der Publikationen und Patente liegtDeutschland auf dem 13. bzw. 4. Rang (vgl. TAB, 2003), was das bereitshohe Niveau der Nanotechnologieaktivitäten in Deutschland unterstreicht. Beispielsweise haben es Länder wie Südkorea, die von einer deutlich schlechteren Position aus starten, relativ leicht, die Wachstumsrate zu erhöhen. Auf der anderen Seite zeigt dies auch, dass kleinere und wirtschaftlich unbedeutendere Länder die Nanotechnologieals chancenreiches Feld für sich ansehen. Klammert man die PositionWachstumsraten aus, so nimmt Deutschland im Mittel über die restlichenIndikatoren den dritten Platz weltweit ein.

Dies wird auch durch die Einschätzung der für diese Studie befragten Unternehmen zum internationalen Stand der Nanotechnologie untermauert. Befragt zu ihrer Einschätzung in Bezug auf die Forschungund kommerzielle Umsetzung der Nanotechnologie in dem eigenen Tätigkeitsfeld zeigte sich jedoch eine Diskrepanz in der PositionDeutschlands (vgl. Abbildung 7.21). Während in der Forschung undEntwicklung Asien, Japan und Europa (ohne Deutschland) den USA undDeutschland hinterherhinken, bewerteten die befragten Unternehmen die Umsetzung der Nanotechnologie in Produkte in den USA und Japan besser als in Deutschland.

12345

Deutschland

Europa (ohne D)

USA

Japan

Asien (ohne J)

Bewertung

Forschung

KommerzielleUmsetzung

Abbildung 7.21: Einschätzung des internationalen Stands in Bezug auf Forschung und Umsetzung der Nanotechnologie im eigenen Tätigkeitsbereich (DieErgebnisse wurden der schriftlichen Unternehmensbefragung entnommen.)

8 Wie in Kapitel 4 ausführlich dargestellt, liegt Deutschland weltweit bei den Patenten in etwa gleich mit den USA an erster Stelle.

Deutschland nimmt führende Position in Europa ein


Dies lässt erste Schlüsse auf die Entwicklung der Diffusion derNanotechnologie in den Triadeländern zu. Hier scheint sich ein typischesMuster wieder einzustellen. Während die Forschung in Deutschland in der Rangfolge auf dem zweiten Platz gesehen wird, scheinen die deutschen Unternehmen bei der kommerziellen Umsetzung der Forschungsergebnisse in Produkte wiederum von den schneller agierenden Unternehmen in den USA und Japan überholt zu werden.

Dieses Ergebnis ist jedoch nur eine subjektive Einschätzung derUnternehmen in Deutschland. Für eine objektive Bewertung des Erfolgsin der kommerziellen Umsetzung der Nanotechnologie müssten objektivierbare Messgrößen herangezogen werden.

7.6.27.6.27.6.27.6.2 Entwicklung eines NanotechnologieEntwicklung eines NanotechnologieEntwicklung eines NanotechnologieEntwicklung eines Nanotechnologie----IndikatorIndikatorIndikatorIndikator----ModellsModellsModellsModells

Um Fortschritte in den Bereichen der Wirtschafts- und Sozialpolitik messen zu können, haben sich die verschiedensten Indikatoren alsGrundlage für Kontroll- und Berichtssysteme bewährt. Bezogen auf die Hochtechnologiefelder findet man in der Literatur lediglich Wissenschafts- und Technologieindikatoren, die über die Anzahl der wissenschaftlichen Publikationen oder der Patente eine Abschätzung der Forschungsaktivität zulassen. Technologiebezogene Indikatoren, dieAufschluss über die Leistungs- oder Innovationskraft von Unternehmen in einem speziellen Technologiefeld geben, existieren nicht. Das Gleiche gilt für die Entwicklung der Mitarbeiterzahlen, die als Gradmesser für die wirtschaftliche Umsetzung einer Hochtechnologiesparte dienen können.

Für eine technologie- und innovationsbezogene Analyse von Unternehmen in einem speziellen Applikationsfeld wie der Nanotechnologie können, je nach Betrachtungsansatz, zahlreiche Kenngrößen von Belang sein.

Bei vorrangiger Betrachtung der FuE-Tätigkeit und der dabei erreichtenErgebnisse sind beispielsweise folgende Aspekte von Bedeutung:

• Höhe des FuE-Aufwandes

• Qualität der FuE-Ausstattung (Equipment, Facilities,…)

• Kooperationen

• Lizenz-Portfolio

Gleichermaßen lassen sich derartige Analysen auf dem Bestand, derVeränderung und der Qualität des FuE-Personals aufbauen. Kenngrößenkönnen hierfür sein:

• Anzahl der Mitarbeiter in FuE

• Qualifikation

• Fluktuation/Wechselquote (im Unternehmen)

Kapitel 7 245

Aufgrund der Vielschichtigkeit der zuvor genannten Einflussgrößenbesteht die Problematik der Quantifizierbarkeit der genannten Größen. Um diese Unzulänglichkeit zu umgehen und statistisch valide Daten zu erhalten, bedient man sich häufig des Indikatoransatzes. Unter einem Indikator wird eine Ersatzgröße verstanden, die eine Aussagekraft für das eigentlich betrachtete Phänomen besitzt. In der Regel geht mit der Verwendung eines Indikators auch eine Komplexitätsreduktion dadurcheinher, dass für die Bewertung des Sachverhalts nur eine Größe herangezogen wird.

Neben den Einzelbetrachtungen von unternehmensbezogenen Daten lassen sich weitere Daten nutzen, um die Entwicklung von Unternehmensgruppen, Technologiefeldern oder Branchen zu untersuchen.

Diese Daten aggregieren eine Vielzahl von identischen (Unternehmens)kennzahlen, die als Indikator für einen bestimmtenSachverhalt dienen. Dabei ist eine zeitnahe Verfügbarkeit der Daten, ihre Eindeutigkeit und ihre Vergleichbarkeit innerhalb und außerhalb des Analyseraums von Belang. Für diese Daten kommen z. B. Aussagen zur Entwicklung der Mitarbeiterzahlen von Unternehmen insgesamt oderstandortbezogen infrage, die Entwicklung ihres Umsatzes, des Gewinns oder der Investitionstätigkeit.

Im Folgenden wird ein Vorschlag für einen Indikator für die zeitlicheEntwicklung der Mitarbeiterzahlen - unter Berücksichtigung der Klassifizierung in F1, F2 oder F3 Unternehmen - im Bereich der Nanotechnologie entwickelt. Mit einer vergleichbaren Stichprobe in anderen Ländern (z. B. den USA) ist damit ein direktes „Benchmarking“der Mitarbeiterentwicklung in verschiedenen Ländern möglich. Da hier verhältnismäßig viele Unternehmen unterschiedlicher Größe zugrundegelegt werden, kann von einer repräsentativen Stichprobe ausgegangen werden. Dieser Ansatz basiert auf der Ermittlung und Analyse vonaussagekräftigen Kennziffern (Indikatoren) für deutsche Nano-unternehmen. Diese sind durch Auswertung vorhandener Datenbanken(Markus-Datenbank etc.) oder durch regelmäßige Primärerhebungenverfügbar. Die Nutzung allgemein zugänglicher Datenbanken birgt den Vorteil, nicht von der Auskunftsfreudigkeit einzelner Unternehmenabhängig zu sein.

Ein Beschäftigungsindikator lässt zwar eine Aussage über die Beschäftigungswirkung und Beschäftigungsentwicklung der Nanotechnologie zu, nicht jedoch über die wirtschaftliche Leistungs-fähigkeit Deutschlands in der Nanotechnologie.

Insbesondere der Praktikabilität der Datenerhebung sowie der räumlichenund thematischen Abgrenzung kommt bei der Entwicklung aussagekräftiger Indikatoren maßgebliche Bedeutung zu. So lassen sich beispielsweise die Beschäftigtenzahlen von Nanotechnologie-

Beschäftigungs-indikator


unternehmen relativ einfach und objektiv erheben, die Zahl der in diesen Unternehmen direkt oder indirekt von der Nanotechnologie abhängigenMitarbeiter sowie der Anteil der davon in Deutschland tätigen Mitarbeiter ist nur mit erheblichen Aufwand zu ermitteln und basiert in der Regel auf zum Teil subjektiven Unternehmensangaben. IndirekteBeschäftigungswirkungen auf die Zulieferindustrie sowie eventuelleSubstitutionseffekte werden nicht berücksichtigt.

Trotzdem besitzt ein System gezielt ausgewählter Nanotechnologie-Indikatoren dann Aussagekraft, wenn eine Ermittlung in regelmäßigenZeitabständen über einen längerfristigen Zeitraum erfolgt und damitTrends erkennbar werden. Ebenso nützlich kann neben einem Zeitvergleich der Vergleich mit äquivalenten Indikatoren in anderenTechnologiefeldern wie der Biotechnologie sein oder etwa ein „Benchmarking“ mit vergleichbaren Kennzahlen im internationalenUmfeld.

In jedem Fall birgt eine isolierte Betrachtung einzelner Kennzahlen die Gefahr, dass übergeordnete, branchenspezifische oder gesamtwirtschaftliche Entwicklungen das Bild verfälschen und zuFehlinterpretationen führen. Daher ist es unabdingbar, entweder derartige Kennzahlen mit in das System aufzunehmen oder zumindest derartigeEinflüsse bei der Beurteilung der Nanotechnologie-Indikatoren und deren Entwicklung zu berücksichtigen.

Beispielhaft ist in Abbildung 7.22 die Entwicklung eines Beschäftigungsindexes für die Nanotechnologie über die vergangenen drei Jahre auf Basis der verfügbaren Informationen aus der Markus-Datenbank dargestellt. (Zur Beschäftigungsentwicklung siehe auch das Kapitel 7.5). In diesem Index sind 35 deutsche Nanotechnologieunternehmen enthalten. Dabei wurde die Zahl der Beschäftigten im Jahr 2000 auf 100 normiert und die relative Veränderung der Folgejahre demgegenüber aufgetragen.9 Die Zusammensetzung nach Unternehmensgröße geht aus Abbildung 7.23 hervor.

9 Für das Jahr 2003 wurde nur die Entwicklung gegenüber den Vorjahren (2000-2002) für die jeweils in der verringerten Stichprobe enthaltenen Unternehmen zugrunde gelegt.

Beschäftigungs-index

Kapitel 7 247

125

121

134

112

108105

90

100

110

120

130

140

2000 2001 2002 2003e*

Be

sc

hä

ftig

un

gs

ind

ex

Index KMU (n=23)

Index gesamt (n=35)

* erwartete Mitarbeiterzahl per 31.12.2003; Index für 2003 auf Basis verringerter Stichprobe

(ngesamt=19; nKMU=13)

Abbildung 7.22: Beschäftigungsindex für die Nanotechnologie getrennt nach KMU und unternehmensgrößenübergreifend (auf 100 im Jahr 2000 normiert)

Abbildung 7.23: Zusammensetzung der betrachteten Unternehmensgröße

Aus Abbildung 7.23 wird deutlich, dass nach einem Anstieg im Jahr 2002 ein deutliches Absinken des Beschäftigungsindikators zu erkennenist. Offenbar hat die gesamtwirtschaftliche Entwicklung einen erheblichen Einfluss auf den Verlauf des Indikators. Die anschließende Zunahme zeigt eine leichte Erholung im Bereich der Nanotechnologie. Gesicherte Aussagen lassen sich allerdings erst über einen längeren Zeitraum treffen.

Bis 20 MA(10)

21 - 100 MA(7)

101 - 250 MA(6)

251 - 500 MA(1)

über 5000 MA(5)

1001 - 5000 MA(1)

501 - 1000 MA(5)


7.77.77.77.7 Ausblick Ausblick Ausblick Ausblick

Die Zukunftsaussichten bis zum Jahr 2006 erstrecken sich über einen kurzfristigen Zeitraum von zwei bis drei Jahren. Die Durchführung der schriftlichen Unternehmsbefragung, der Workshops und der Experteninterviews fanden vor allem im Jahr 2003 statt. Grundsätzlichwurden von den befragten Experten keine radikalen Änderungen imMarktumfeld vermutet, so dass eher von einer evolutionären Entwicklungals von einer radikalen, sprunghaften Änderung ausgegangen werdenkann. Die Zeiträume bis zur Einführung radikaler Neuerungen sind bei den Endanwendern der Nanotechnologie, beispielsweise in der Automobilindustrie, deutlich länger als der Betrachtungszeitraum bis 2006. Trotzdem fallen die Prognosen für die Arbeitsplatz- und Umsatzentwicklung der deutschen Industrie nach der Auswertung derschriftlichen Umfrage und der Workshops für das Jahr 2006 durchaus positiv aus, so dass hier von einer nachhaltigen Einführung derNanotechnologie als fester Bestandteil der Unternehmenskonzepteausgegangen werden kann.

Für einen langfristigen Zeitraum werden allerdings einschneidendeÄnderungen durch die Nanotechnologie erwartet, die zum Teil aufvisionären Ansätzen basieren, wie sie beispielsweise in dem 1991 von Eric Drexler veröffentlichten Buch „Unbounding The Future: The Nanotechnology Revolution” dargestellt wurden. Drexler argumentierte,dass „Engineering“ auf molekularem Niveau eine genaue und kostengünstige Kontrolle über der grundlegenden Struktur der Materieerlauben würde. Folglich könnten z. B. Bögen eines Materials mit der Dicke weniger Moleküle hergestellt werden, die so hart seien wieDiamant. Oder es könnten kleine Maschinen mit der Größe von Mikroben konstruiert werden, um giftige Abfallprodukte aufzubrechen,Plagen zu beseitigen oder Viruskrankheiten zu bekämpfen. Programmierte „Nanodevices“ könnten möglicherweise in den menschlichen Körper injiziert werden und zum Zweck der Wundheilungzu verwundeten Hautzellen geführt werden, während andere wiederum auf einer Wand aufgetragen Anzeigeeinheiten bilden könnten – als eine Art Video-Tapete.

Im gegenwärtigen Stadium der Nanotechnologie liegen Wissenschaft und Fiktion nah beieinander, was mitunter zu leeren Versprechungen ebenso wie zu unrealistischen Hoffnungen geführt hat, teilweise gefördert durch eine nicht immer fundierte Berichterstattung der Medien. Ein anderer Faktor ist das noch teilweise begrenzte physikalische Verständnis über die zugrunde liegenden Mechanismen und Effekte, das mitunter zutechnisch nicht umsetzbaren Versprechungen geführt hat.

Um zwischen Wissenschaft und Fiktion im Hinblick auf zukünftigeProdukte und Verfahren der Nanotechnologie zu unterscheiden, wurdenin einer Studie (Fecht et al., 2003) Experten zu Ihrer Einschätzung zum

Evolutionäre Entwicklungen in

der Nanotechnolo-gie bis 2006

Langfristig werden deutliche

Veränderungen erwartet

Kapitel 7 249

zukünftigen Einfluss der Nanotechnologie auf ausgewählte industrielleAnwendungsbereiche befragt. Die in Abbildung 7.24 wiedergegebenen Ergebnisse basieren auf den Einschätzungen von knapp 50 führendenExperten im In- und Ausland.

Für das Jahr 2015 wird von den Befragten erwartet, dass fast jeder Industriebereich durch die Nanotechnologie beeinflusst wird. Bei den erwartungsgemäß am stärksten von der Nanotechnologie beeinflusstenBereichen handelt es sich um die Materialien, den Bereich Life Sciences und die Elektronik. Danach folgen mit einigem Abstand die BereicheUmwelttechnik, Energietechnik und das Transportwesen. Diese Zukunftseinschätzung weist eine ausgezeichnete Deckung mit der heutigen Aufstellung der Nanotechnologieunternehmen in Deutschland auf.

0%

20%

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60%

80%

100%

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ten

kein/kaum Einfluss

Schwacher Einfluss

mittlerer Einfluss

starker Einfluss

sehr starker Einfluss

Abbildung 7.24: Erwartete Bedeutung der Nanotechnologie für ausgewählte industrielle Anwendungsbereiche im Jahr 2015 (Quelle: Fecht et al.,2003)

Unter anderem wurde in der Befragung eine Einschätzung der zu erwartenden Zeiträume für die kommerzielle Verfügbarkeit von gesellschaftlich, wirtschaftlich und technologisch bedeutsamen Anwendungen und Verfahren abgegeben. Dazu zählten

• die Nutzung von Prinzipien der Selbstorganisation für die Massenproduktion,

• die Nutzung von Selbstreplikationstechniken für die Massen-produktion,

• Produkte auf Basis der Nano(bio)technologie zur Heilung von Krankheiten wie Krebs, Parkinson oder Aids

• Produkte auf Basis der Nano(bio)technologie zur Behebung von DNA-Defekten

Im Jahr 2015 fast jeder Industrie-bereich durch Nanotechnologie beeinflusst?


• miniaturisierte Maschinen in der Größe von Molekülen (molecular-sized machines)

• Nanoelektronik auf Basis neuer Materialien und Technologien

Die Mehrheit der befragten Experten hielt eine erfolgreiche Umsetzungder genannen Produkte oder Technologien in kommerziellem Maßstab in den nächsten zehn Jahren für unrealistisch. Lediglich mit Blick auf die Nutzung von Selbstorganisationsprinzipien als Möglichkeit für dieMassenproduktion erwarteten knapp zwei Drittel der Befragten einekommerzielle Verfügbarkeit derartiger Verfahren vor 2015.

Während alle Experten ohne Ausnahme die Nutzung der Nanotechnologie im Zusammengang mit den Themen Selbstorganisation, DNA-Defekte und Nanoelektronik früher oder später als wahrscheinlichansehen, halten jeweils 13 Prozent die Selbstreplikation und denzukünftigen Einsatz von „Nano-Maschinen“ für gänzlich unwahrscheinlich. Lediglich sechs Prozent haben Zweifel an der Möglichkeit, Krankheiten wie Krebs, Parkinson oder Aids mithilfe der Nanotechnologie zu überwinden.

Für die Zukunft wird eine Diffusion der Nanotechnologie in nahezu jeden Industriebereich erwartet. Es ist davon auszugehen, dass dieses eine evolutionäre Entwicklung ist und die bedeutenden kommerziellen Durchbrüche der Nanotechnologie, z. B. in der Medizin oder der Elektronik, noch nicht unmittelbar bevorstehen sondern noch einige Zeit in Anspruch nehmen werden. In den Bereichen, die aus internationaler Sicht in der Zukunft am stärksten von der Nanotechnologie beeinflusst werden, besitzt Deutschland mit seinen vorhandenen industriellenStärken eine hervorragende Ausgangsposition.

7.87.87.87.8 Market AssesMarket AssesMarket AssesMarket Assesssssment auf einen Blickment auf einen Blickment auf einen Blickment auf einen Blick

Deutschland verfügt in den verschiedensten Bereichen der Nanotechnologie über eine gute wirtschaftliche Ausgangsposition. Die einzelnen Einflussfaktoren für den augenblicklichen Stand der Nanotechnologie in Deutschland sind gleichwohl sehr vielschichtig und heterogen. Wesentliche Erkenntnisse aus dem Kapitel 7 werden daher nochmals kurz zusammengefasst:

• Ein Vergleich verschiedener Marktprognosen für den Nanotechnologieweltmarkt nach verschiedenen Quellen zeigt, dass die Hebelwirkung durch die Nanotechnologie einen Weltmarkt von ca. 100 Mrd. Euro beeinflusst. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass dabei die Marktvolumina unterschiedlicherWertschöpfungstiefen addiert wurden. Die Marktprognosen sagen im Mittel eine exponentielle Steigerung in den nächsten zehn Jahren voraus. Eine Betrachtung der einzelnen Marktanteile, dieauf Deutschland entfallen, ist nicht ohne weiteres möglich. DiePerspektiven der Nanotechnologie für die zukünftige

„Weltmarkt“ Nanotechnologie

Kapitel 7 251

Entwicklung deutscher Unternehmen werden durchweg als positiv angesehen.

• Die im Rahmen dieser Studie befragten Unternehmen lehnen die Aussagen, dass Nanotechnologie ein neues Experimentierfeld darstellt, ebenso ab wie in abgeschwächter Form auch die Aussage, dass durch die Nanotechnologie die Technologiekompetenz abgerundet würde. Dieses Ergebnis widerlegt eindeutig die vielfach verbreitete Aussage, dass Nanotechnologie lediglich einen „Hype“ darstellt.

• Die Ergebnisse der Unternehmensbefragung haben gezeigt, dass der Bereich Chemie (einschließlich Materialien) eindeutig an derSpitze der Nanotechnologiefirmen und -anwendungen in Deutschland steht (gemessen an der Anzahl der Unternehmen, der Häufigkeit bereits existierender nanotechnologischer Produkte und an deren Umsatzpotenzial bis zum Jahr 2006), gefolgt von den Life Sciences (Medizintechnik/Gesundheit) und IuK. Die Mehrzahl der Konkurrenten im Bereich Chemie wird in Deutschland und den USA gesehen.

• Im internationalen Wettbewerb wird die Forschung in Deutschland weltweit (nach den USA) auf dem zweiten Platz gesehen. Bei der kommerziellen Umsetzung der Forschungsergebnisse in Produkte werden die deutschen Unternehmen von den schneller agierenden Unternehmen in den USA und Japan überholt, stehen aber dennoch mit an der Weltspitze, wie die Ergebnisse der Unternehmensbefragung gezeigt haben.

• Die wichtigsten Innovationshürden in Deutschland sind Investitionskosten, Fremd- und Eigenkapital und Fördermittel, dieausschließlich finanzieller Natur sind. Die Rangfolge der genannten Barrieren lässt darauf schließen, dass die Entwicklungneuer Produkte oder Verfahren im Bereich der Nanotechnologie erhebliche Investitionen erfordert, die nicht allein aus dem Eigenkapital heraus finanziert werden können. Mit der Erschließung von Märkten mit Hilfe der Nanotechnologie sind ebenfalls deutliche Investitionen verbunden, die nicht ohne weiteres von der Industrie alleine aufzubringen sind. BegrenzteMarktkenntnisse und noch unzureichende Kooperations-verflechtungen, insbesondere in den bislang noch nicht so starkvon der Nanotechnologie durchdrungenen Branchen, stellen eine Barriere für die Innovationsgeschwindigkeit und die Diffusion neuer Anwendungsbereiche dar. Ebenso stellt die Zusammenarbeit der Finanzwirtschaft und der Nanotechnologieunternehmen eine wichtige Herausforderung für die Zukunft dar, die insbesondere in Deutschland ungelöst ist.

Nanotechnologie kein „Hype“

Bereich Chemie in Deutschland vorn

KommerzielleUmsetzung in D noch zu verbessern

Innovationshürden


• Die Zurückhaltung von Investitionen der Venture-Capital-Branche in Start-up-Unternehmen wirkt sich derzeit äußerst negativ auf Unternehmensgründungen im deutschen Nanotechnologie-Umfeld aus. Die klassische Bankfinanzierung von Unternehmensgründungen ist in den letzen Jahren zunehmend schwieriger geworden, da sich die deutsche Bankenlandschaft selbst in einer Krise befindet.

• Schätzungen des Beschäftigungszuwachses von Arbeitsplätzen in der Nanotechnologie lassen in Deutschland eine Zunahme von mindestens 10.000 bis 15.000 Arbeitsplätzen bis 2006 erwarten, allein durch die etwa 450 in der Nanotechnologie aktiven Unternehmen in Deutschland. Bereits heute finden sich schätzungsweise 20.000 - 32.000 (konservative Schätzung) und 114.000 Arbeitsplätze (optimistische Schätzung) in einem gegenwärtig nicht genauer quantifizierbaren Bereich in Deutschland, die direkt oder indirekt von der Nanotechnologie abhängig sind.

• Für das Jahr 2015 wird erwartet, dass fast jeder Industriebereich durch die Nanotechnologie beeinflusst wird. Bei den erwartungsgemäß am stärksten von der Nanotechnologie beeinflussten Bereichen handelt es aus internationaler Sicht sichum die Bereiche Chemie, der Bereich Life Sciences und die Elektronik. Danach folgen mit einigem Abstand die Bereiche Umwelttechnik, Energietechnik und das Transportwesen (unter anderem Automobilbau).

Für eine zusammenfassende Situationsbeschreibung komplexer Sachverhalte hat sich die SWOT-Analyse bewährt. Die in Tabelle 7.7 dargestellte SWOT-Analyse greift exemplarisch dominante Stärken und Schwächen der Nanotechnologie in Deutschland auf. Eine SWOT-Analyse umfasst eine Stärken-Schwächen-Analyse (strengths und weaknesses), also die Bewertung der Faktoren, die in Deutschland selbst beeinflusst werden können, und eine Chancen-Risiko-Analyse (im Sinne von opportunities und threats), d. h. eine Bewertung von zum Teil global wirkenden Faktoren.

Klassische Bankenfinanzierung

schwierig

Beschäftigungs-zuwachs von 10.000 bis 15.000 Stellen

In Zukunft starke Beeinflussung der Industriebereiche

durch Nano-technologie

SWOT-Analyse

Kapitel 7 253

➘ Strengths

➘ Anteilig sind viele deutsche Kleinunternehmen in der Nanotechnologie aktiv

➘ Deutschland verfügt über eine ausgeprägte Stärke im Bereich Chemie/Werkstoffe im Bereich der Nanotechnologie

➘ Deutschland weist erhebliche Stärken in der Nanotechnologie-Forschung im internationalen Vergleich auf

➘ Weaknesses

➘ Die Anzahl der mittelständischen - in der Nanotechnologie tätigen – Unternehmen ist verhältnismäßig gering

➘ Teilweise schwaches Engagement traditionell starker Branchen (z. B. Maschinenbau) in der Nanotechnologie

➘ Opportunities

➘ Verstärkte kommerzielle Umsetzung der teilweise hervorragenden Forschungsergebnisse ist erforderlich

➘ Threats

➘ Die Finanzierung von Nanotechnologie-Aktivitäten wird als die größte Herausforderung (und Innovationsbarriere) gesehen

➘ Geeignetes Fachpersonal und geeignete Kooperationspartner werden ebenfalls als Herausforderung angesehen.

Tabelle 7.7: SWOT-Analyse der Nanotechnologie in Deutschland

Die SWOT-Analyse unterstreicht die markantesten Aussagen aus derschriftlichen Unternehmensbefragung und den Workshopergebnissen.Die bei den „Threats“ aufgeführte Finanzierung von Nanotechnologieunternehmen ist insbesondere im Zusammenhang mitder Zurückhaltung von Investitionen von „Venture-Capital-Gesellschaften“ in Start-up-Unternehmen problematisch.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Deutschland über eine sehr gute Ausgangsbasis für die wirtschaftliche Umsetzung der Nanotechnologie-Aktivitäten verfügt. Die Exzellenz in der Forschungspiegelt allerdings nicht in vollem Umfang die wirtschaftliche Umsetzung wider. Hier sind die USA und Japan Deutschland bisherüberlegen. Ebenso ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass weltweit im Bereich der Nanotechnologie die Investitionen und staatlichenFörderungen erheblich zugenommen haben, was zum Teil auch auf dieprognostizierten, sehr hohen Marktvolumina zurückzuführen ist. In Zukunft ist ein stärkerer internationaler Wettbewerb in der Nanotechnologie zu erwarten, bei dem zunehmend auch Akteure außerhalb der Triade USA, Japan und Deutschland in Erscheinung treten werden.

Deutschland verfügt über sehr gute Ausgangsbasis

Der internationale Wettbewerb wird stärker

255

8888 FAZITFAZITFAZITFAZIT

Die vorliegende Studie hatte zum Ziel, eine realistische Einschätzung des Marktvolumens und der Marktrelevanz der Nanotechnologie sowohl fürDeutschland selbst als auch im internationalen Kontext zu erarbeiten. Bei der Erhebung und Auswertung des Datenmaterials hat sich ein aufwändiger Methodenmix bewährt und hilft die Defizite der jeweiligeneingesetzten qualitativen (Experteninterviews, Literaturanalyse, Delphi-Workshops) und quantitativen (schriftliche Unternehmensbefragung und Patentanalyse) Methoden zur Ermittlung des wirtschaftlichen Potenzials der Nanotechnologie zu umgehen. Auf diesem Wege gelingt es, dass die Einzelergebnisse im Rahmen der eingesetzten speziellen Methode nicht nur ausschließlich oder gar isoliert voneinander betrachtet, sondern im Kontext der gesamten Ergebnisse behandelt werden. Für die Bewertungder Ergebnisse war es äußerst hilfreich, dass (vorläufige) Ergebnisse in branchenspezifisch ausgerichteten Delphi-Workshops von ausge-wiesenen Experten aus Industrie, Wissenschaft, Finanzwirtschaft unter anderem (siehe die Teilnehmerlisten im Anhang 4) kritisch beleuchtet und bewertet werden konnten. Damit wurden in diese Studie auch Elemente einer partizipativen Innovations- und Technikanalyse alsAnstoß für einen stetigen und konstruktiven Diskurs mit den Stakeholdern eingebracht.

Es kann in diesem abschließenden Kapitel nicht Sinn sein, sämtlichezentralen Ergebnisse zu wiederholen. Ein solcher Überblick der Ergebnisse findet sich zum einen bereits auf den vorangestellten ersten Seiten dieser Studie und zum anderen in den Zusammenfassungen amEnde der einzelnen Kapitel. Wir möchten an dieser Stelle nur kurz darauf verweisen, dass

• die Nanotechnologie eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts ist. Bereits heute werden mit Produkten, die sich nur mit Hilfe der Nanotechnologie realisieren lassen, beträchtliche Umsätze erzielt. Diese Umsätze dürften mit dem wirtschaftlichen Durchbruchder Nanotechnologie zukünftig enorm steigen.

• Deutschland hinsichtlich der Patentsituation in der Nanotechnologie sehr gut aufgestellt ist - sowohl in der Nanotechnologie insgesamt als auch in dem zahlenmäßig wichtigsten Teilbereich der Chemie. DiePosition Deutschlands stellt sich gerade hinsichtlich der besonderswerthaltigen Patente als sehr gut dar. In keinem der in der Patentanalyse betrachteten Lead-Märkte (Chemie, Automobilbau, Optik) ist ein gravierender Rückstand gegenüber den USA oder Japanzu verzeichnen.

• eine exakte Ableitung des „Nanotechnologieweltmarktes“ auf Basis der genannten Zahlen in öffentlich zugänglichen Studien gegenwärtigkaum möglich ist, da nur für einen Teil nanotechnologischer Produkte Marktzahlen verfügbar und die Auflistungen somit

Methodenmix hat sich bewährt

Bereits heute „Nanoprodukte“

Deutschland bei Patenten sehr gut aufgestellt

Vorsicht bei der Ableitung des „Nanotechnologie-weltmarktes“


unvollständig sind, die Marktprognosen sich zum Teil auf unterschiedliche Zeithorizonte beziehen, Doppelungen von Nanotechnologieprodukten in zwei oder mehreren Teilbereichen vorkommen (z. B. Anwendung von Nanogrundprodukten/-kompo-nenten in Endprodukten verschiedener Branchen) und Produkte ausunterschiedlichen Stufen der Wertschöpfungskette in die Betrachtungeinfließen (Grundprodukte, Zwischenprodukte, Endprodukte etc.).

• die Zurückhaltung von Investitionen der Venture-Capital-Branchein Start-up-Unternehmen sich derzeitig äußerst negativ auf Unternehmensgründungen im deutschen Nanotechnologie-Umfeld auswirkt. Die klassische Bankfinanzierung von Unternehmens-gründungen ist in den letzen Jahren zunehmend schwieriger geworden, da sich die deutsche Bankenlandschaft selbst in einerKrise befindet.

• Deutschland zur Zeit über eine sehr gute Ausgangsbasis für die wirtschaftliche Umsetzung der Nanotechnologie-Aktivitäten ver-fügt. Die Exzellenz in der Forschung spiegelt allerdings nicht invollem Umfang die wirtschaftliche Umsetzung wider. Hier sind dieUSA und Japan dem Standort Deutschland bisher überlegen.

• weltweit die Investitionen und staatlichen Förderungen im Bereich der Nanotechnologie erheblich zugenommen haben. Das ist auch aufdie prognostizierten, sehr hohen Marktvolumina zurückzuführen. Daher ist in Zukunft ein noch stärkerer internationaler Wettbewerbin Bezug auf die Nanotechnologie zu erwarten.

Neben den überaus notwendigen und regelmäßigen Erhebungen zum Marktpotenzial der Nanotechnologie wären folgende Arbeiten im Rahmen der Innovations- und Technikanalyse sehr empfehlenswert,damit ein möglichst großer Anteil des prognostizierten enormen Marktpotenzials der Nanotechnologie in Zukunftsmärkten vom Standort Deutschland nutzbar gemacht werden kann:

• Die Etablierung eines Nanotechnologie-Indikators, z. B. für die Beschäftigungsentwicklung in der Nanotechnologie, um eine messbare Bezugsgröße unter anderem für die Effektivität förderpolitischer Maßnahmen zu erhalten sowie ein „Benchmarking“mit äquivalenten Indikatoren anderer Technologiefelder, wie derBiotechnologie, oder mit vergleichbaren Kennzahlen im internationalen Umfeld (vgl. Kapitel 7.5.2 der Studie). Auf dieseWeise kann die zeitliche Entwicklung der wirtschaftlichen Bedeutung der Nanotechnologie verfolgt werden. Für weitere zukünftige Untersuchungen könnte auch eine Differenzierung der Nanotechnologieunternehmen in Produzenten, Anwender etc. sinnvoll sein.

• Der Aufbau einer internetbasierten Präsentationsplattform für deutsche Nanotechnologieunternehmen, um die Vermarktung von

VC und klassische Bankenfinanzierung

derzeit schwierig

Deutschland hat sehr gute

Ausgangsbasis

Der Wettbewerb wird schwieriger

Zukunftsmärkte nutzbar machen

Kapitel 8 257

Nanotechnologieprodukten im Ausland und den Ausbau der Geschäftstätigkeit in internationalen Wachstumsmärkten insbesondere in Asien zu erleichtern.

• Frühzeitige Untersuchungen möglicher Showstopper, wie z. B. die Toxizität bestimmter Nanomaterialien, um das Risiko von Fehlin-vestitionen bzw. Marktbarrieren durch mangelnde Verbraucher-akzeptanz zu minimieren.

259

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VDI-Nachrichten, Ausgabe vom 28. März (2003)

VDI-TZ-Experten-Workshop (2003)

Verbeek, A., Callaert, J.: „Linking Science to Technology - Bibliographic References in: Patents“, Vol. 9, Detailed analysis of the science technology in the field of Nanotechnology, 20,492 EUR, Office for Official Publications of the European Communities, Luxemburg (ftp://ftp.cordis.lu/pub/indicators/docs/ind_report_kul9.pdf (2002)

Wacker Silicones: News (www.wacker.com) (2003)

Wagner, V., Wechsler, D.: „Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizin und Pharmazie“, Zukünftige Technologien, Bd. 50, Düsseldorf (2004)

Waser, R.: „Nanoelectronics and Information Technology. AdvancedElectronic Materials and Novel Devices“, Weinheim (2003)

Wechsung, R., Fatatry, A. E., Götz, F., Illing, M. Lawes, R. A.,Tschulena, G., van de Weijer, F., Wicht, H., Zinner, H. (2002):„Market analysis for microsystems II – 2000-2005“, NEXUS Task Force Report (2002)


Werner, M., Mietke, S., Ilgner, J., Köhler, T.: „Nanotechnologie – Zukunftsperspektiven und Marktpotenziale“, in: Laborpraxis (2003)

Werner, M.: „Markets and Industry-Relevant Research Directions forNanomaterials and Their Applications“, in: IUMRS Facets, Vol. 2 (3) (2003)

Wollmann, H.: „Politikevaluierung, Evaluierungsforschung“, in: KleinesLexikon der Politik, Nohlen, D. (Hrsg.), München (2001)

Wurzer, A. J.: „Patentbewertung - Technologische und wirtschaftlicheAspekte“, Werkstattgespräch des Zentrum für Gewerblichen Rechtsschutz der Universität Düsseldorf, (http://www.gewrs. de/files/wg_2002_0415_patentbewertung.pdf) (2002)

Anhang

BMBF-Projekt "Das wirtschaftliche Potenzial der Nanotechnologie"

- Gesprächsleitfaden für die Experteninterviews -

• Wie würden Sie Ihre Organisationseinheit einordnen (z.B. Gesamtkonzern, Tochterunter-

nehmen, Start Up, Großunternehmen, KMU, Ausgründung, Abteilung/Bereich, Arbeits-

gruppe etc.)?

• Wann wurde diese Organisationseinheit gegründet? Wieviele Mitarbeiter hat Sie zur Zeit?

Wieviele Mitarbeiter hat das Unternehmen insgesamt?

• Wie viele Arbeitsplätze sind vom Einsatz der Nanotechnologie abhängig?

• Geben Sie bitte an, wie sich die folgenden Betriebskennzahlen in den vergangenen fünf

Jahren entwickelt haben: Umsatz, Export, F&E-Ausgaben.

• Seit wann befassen Sie sich mit Fragen der Nanotechnologie – Beobachtung, Entwicklung,

Nutzung, sonstiges?

• Für welche der folgenden Anwendungsfelder ist die Nanotechnologie heute für Ihr Unter-

nehmen von Bedeutung? (Anwendungsfelder nennen bzw. Liste vorlegen)

• Wo liegt der Schwerpunkt Ihrer Geschäftstätigkeit? (Anpassung der Antwortmöglichkeiten

nach der vorliegenden Brancheneinteilung)?

• In welchem Umfang betreibt Ihr Unternehmen F&E im Bereich der Nanotechnologie?

• Auf welchen Anwendungsfeldern liegen Ihre Forschungsanstrengungen?

• Auf welcher Stufe der Wertschöpfungskette sind Ihre Erzeugnisse angesiedelt? – Grund-

stoffe, Vorprodukt, Endprodukt, (Dienstleistung)?

• Wie verteilen sich Ihre Kunden geographisch?

• Welchen Umsatz erwirtschaftete Ihr Unternehmen im vergangen Jahr (2001) a) insgesamt,

b) mit von Nanotechnologie abhängigen selbst hergestellten Produkten (Erklärung notwen-

dig)?

• Welche Einsparungspotenziale (erläutern: z.B. Produktion, Transport, Energie etc.) sind

für Ihr Unternehmen zu erwarten?

• Welchen Anteil am Gesamtumsatz haben zugekaufte Produkte der Nanotechnologie?

1996/2001?

• Welche Anwendungsgebiete von Nanotechnologie betreffen Ihre selbst hergestellten Pro-

dukte? (Anpassung der Antwortmöglichkeiten nach der vorliegenden Brancheneinteilung.)

• Welche Anwendungsgebiete von Nanotechnologie betreffen Ihre zugekauften Produkte?

(Anpassung der Antwortmöglichkeiten nach der vorliegenden Brancheneinteilung.)

• Bestehen Hürden, die die erwünschte Produktion von nanotechnologischen Produkten be-

hindern? Wenn ja, welche wesentlichen Hürden wirkten und wirken sich hemmend auf die

Realisierung des erwünschten Einsatzes von Nanotechnologie aus?

• Wie beurteilen Sie den Stand Ihres Unternehmens in Bezug auf die Forschung und Umset-

zung von Nanotechnologie im internationalen Vergleich?

• Planen Sie, Ihre Aktivitäten in den nächsten fünf Jahren im Bereich Nanotechnologie zu

verstärken, zu reduzieren oder im gleichen Ausmaß wie bisher zu betreiben?

• Welche Anwendungsfelder werden in den nächsten fünf Jahren an Bedeutung zunehmen in

a) Forschung und b) Umsetzung?

• Welchen Gesamtumsatz erwarten Sie aus Umsätzen mit Produkten, in denen Nanotechno-

logie integriert ist 2002 ....Deutschland/international?

• Welchen Marktanteil erwarten Sie für 2006 auf dem Markt, auf dem Sie mit Ihren Produk-

ten vertreten sind Deutschland/international?

• Mit welcher Personalentwicklung rechnen Sie aufgrund der nanotechnologisch abhängigen

Produkte bis 2006?

• Welche Berufsbilder / Qualifikationen sind für die Tätigkeit im Kontext von Nanotechno-

logie in Ihrem Bereich relevant? Sind hier Änderungen notwendig? Wenn ja, welche?

• Welche Erwartungen haben Sie an die öffentliche Innovationsförderung?

• Welche Erwartungen haben Sie an die private Innovationsförderung (z.B. Venture Capi-

tal)?

• Wenn Sie an Ihre Erwartungen an den Einsatz von Nanotechnologie vor ca. 5 Jahren den-

ken, haben sich die Erwartungen aus heutiger Sicht bestätigt? (Liste)

Fragebogen Nummer 151 1/8

B e f r a g u n g z u m„ W i r t s c h a f t l i c h e n P o t e n z i a l d e r

N a n o t e c h n o l o g i e “

Der Fragebogen wurde ausgefüllt von _____________________________________________________________________

Abteilung _____________________________________________________________

Funktion _____________________________________________________________

Anschrift _____________________________________________________________

Telefon ___________________________________

E-Mail ___________________________________

Bitte senden Sie den Fragebogen bis spätestens 21. Februar 2003 zurück an: Hochschule für Bankwirtschaft, Dr. H. Sanders, Sonnemannstrasse 9-11, 60314 Frankfurt/Main, Tel: 069-154008 703; FAX: 069-154008 728

Für das Ausfüllen des Fragebogens benötigen Sie nach unserer Schätzung je nach dem

Engagement Ihres Unternehmens in der Nanotechnologie ca. 20 Minuten. Dieser Aufwand soll sich

für Sie lohnen! Deshalb bieten wir an, Ihnen die Ergebnisse unserer Untersuchung kostenfrei

zuzusenden.

Sollen wir Ihnen die Ergebnisse dieser Erhebung zusenden?

Ja Nein

Für diese Befragung wurde folgende Definition der Nanotechnologie zugrunde gelegt:

Als Nanotechnologie verstehen wir hier:

a) Alle Produkte, die mindestens eine funktionelle Komponente mit einer kontrollierten

geometrischen Abmessung unterhalb von 100 Nanometern in mindestens einer

Richtungsdimension besitzen, wodurch physikalische / chemische oder biologische Effekte

nutzbar werden, die oberhalb dieser kritischen Abmessung nicht auftreten.

Und

b) Analytisches und/oder verfahrenstechnisches Equipment, das für die kontrollierte Herstellung,

Positionierung oder Vermessung von unter a) genannten funktionellen Komponenten erforderlich

ist.

Die Daten werden vertraulich gemäß Bundesdatenschutzgesetz behandelt. Eine Weitergabe der individuellen Daten an Dritte erfolgt nicht.

Firmenstempel


I. Fragen zum gesamten Unternehmen

1. Wann wurde Ihr Unternehmen gegründet?

Gründungsjahr: _________

2. Ist Ihr Unternehmen wirtschaftlich eigenständig ? Ja Nein

Falls nein, wie groß ist der Anteil des größten verbundenen Unternehmens (Konzern, Holding etc.) an Ihrem Unternehmen?

kleiner 25 % 25 – 50 % 51 – 99% 100 %

3. Wo hat der größte Anteilseigner seinen Sitz?

D EU Ausland (ohne EU)

4. Sind Risikokapitalgeber an Ihrem Unternehmen beteiligt? Ja Nein

Falls ja, wie groß ist der Anteil?

unter 25 % 25 – 50 % 51 – 75% 76 - 100 %

5. Branche: Wo liegt der Schwerpunkt der Geschäftstätigkeit Ihres Unternehmens? (Einfachnennung)

Textil- und BekleidungsgewerbeHerstellung von industriellen Prozesssteuerungsanlagen

Chemische Industrie Herstellung von optischen Geräten

Gummi- und Kunststoffgewerbe, Herstellung Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen

Glas- und Keramikgewerbe Schienenfahrzeugbau

Metallerzeugung, -bearbeitung Luft- und Raumfahrzeugbau

Maschinenbau ohne Werkzeugmaschinen und Haushaltsgeräte

Herstellung von Elektrizitätsverteilungs- und Schalteinrichtungen

WerkzeugmaschinenbauHerstellung von nachrichtentechnischen Geräten

und Einrichtungen

Haushaltsgeräte Herstellung elektronischer Bauelemente

Herstellung von Büromaschinen, DV-Geräten und –einrichtungen (ohne Medizin-, Mess-,

Steuer- und Regelungstechnik, Optik)Softwarehäuser, DV-Dienste

Herstellung von medizintechnischen Geräten Fernmeldedienste

Herstellung von Mess-, Kontroll-, Navigations- u.ä. Instrumenten und Vorrichtungen

Wissenschaftliche Forschungseinrichtungenund Institute

Sonstige _____________________________Technische, physikalische und chemische

Untersuchung

6. Wie verteilen sich Ihre Kunden? (in Prozent des Umsatzes)

_____ % Deutschland ______ % Europa (ohne D) _____ % USA

_____ % Japan ______ % Asien (ohne J) _____ % Sonstige


7. Welchen Umsatz erwirtschaftete Ihr Unternehmen im Geschäftsjahr 2001?

bis 2 Mio. € 2 bis 10 Mio. € 10 bis 50 Mio. € über 50 Mio. €

Ihr Aufwand für Forschung und Entwicklung betrug ______ % des letzten Jahres-umsatzes.

8. Wieviele Mitarbeiter hat Ihr Unternehmen?

bis 20 21 bis 100 101 bis 250 251 bis 500

501 bis 1000 1001 bis 5000 5000 und mehr

II. Die Bedeutung von Nanotechnologie für Ihr(e) Unternehmen/ Unternehmenseinheit/ Stabsstelle (z.B. F+E)

9. Für wen beantworten Sie im folgenden den Fragebogen

gesamtes Unternehmen Unternehmenseinheit Stabsstelle (Strategie-/F+E)

10. Seit wann befassen Sie sich mit Fragen der Nanotechnologie? Vor 1990 1990 bis 1995 1995 bis 2000 Seit 2001

Beobachten der Szene

Eigene F+E-Arbeiten

Nutzung in Produkten

Andere ____________________

11. Welcher Umsatzanteil (in % des Umsatzes Ihres gesamten Unternehmens) entfällt auf Produkte, in denen Nanotechnologie eine funktionale Rolle spielt oder die mit Hilfe der Nanotechnologie hergestellt wurden?

1996 2001

Umsatz ________ % ________ %

12. In welcher Form beschäftigen Sie sich mit Nanotechnologie?

als Hersteller als Anwender von Nanotechnologie

Wenn als Anwender, welcher Anteil (in % des Umsatzes Ihres gesamten Unternehmens) entfällt auf von Ihnen bezogene Vorprodukte anderer Hersteller (Einkaufsvolumen), in denen Nanotechnologie eine funktionale Rolle spielt oder die mit Hilfe der Nanotechnologie hergestellt wurden?

1996 _________ % 2001 _________ %


13. Woher beziehen Sie Ihre zugekauften Nanotechnologieprodukte? (in % Einkaufsvolumen)

_____ % Deutschland ______ % Europa (ohne D) _____ % USA

_____ % Japan ______ % Asien (ohne J) _____ % Sonstige

14. Wieviele Mitarbeiter Ihres gesamten Unternehmens sind (direkt oder indirekt) von Nanotechnologie abhängig?

bis 5 6 bis 25 26 bis 100 101 bis 250 250 und mehr

15. Für welche der folgenden Anwendungsfelder sind Ihre nanotechnologischen Produkte heute von Bedeutung? (Mehrfachnennungen möglich)



Kosmetik


Chemie / Werkstoffe und Verfahrenstechnik



Maschinenbau

Messtechnik

Baugewerbe



andere, welche: _____________________________

16. Wie schätzen Sie insgesamt die Bedeutung der Nanotechnologie (NT) für Ihr Unternehmen ein?

trifft zu trifft nicht zu

1 2 3 4 5

Unser NT-Know-how ist heute ein entscheidender Wettbewerbsfaktor

NT verbessert unsere technologische Wettbewerbs-fähigkeit auf unseren angestammten Märkten

NT kann uns völlig neue Märkte erschließen

NT rundet unsere Technologiekompetenz ab, wird aber nicht zur Kernkompetenz ausgebaut werden

Die NT ist eine neben mehreren technologischen Optionen, die wir verfolgen

Die NT ist für uns ein neues Experimentierfeld


17. Wie beurteilen Sie den internationalen Stand in Bezug auf die Forschung und Umsetzung der Nanotechnologie in Ihrem Tätigkeitsbereich?

Bewerten Sie bitte die Regionen von 1 bis 5 nach dem Schulnotenprinzip hinsichtlich ihres aktuellen Entwicklungsstands.

Stand der Forschung Stand der kommerziellen Umsetzung

Deutschland

Europa (ohne D)

USA

Japan

Asien (ohne J)

Andere ______________________

18. Wo ist der Firmensitz Ihres stärksten Wettbewerbers hinsichtlich Ihrer nanotechnologischen Produkte / Anwendungsfelder?

Deutschland Europa (ohne D) USA

Japan Asien (ohne J) Sonstige

III. Ausblick auf die Zukunft

19. Planen Sie Ihre Aktivitäten bis 2006 im Bereich Nanotechnologie zu verstärken?

Erheblichverstärken

Verstärken gleichbleibend Erheblich

einschränkenVollkommenaufgeben

Weiß nicht

20. Rechnen Sie mit einer Steigerung Ihres Personaleinsatzes im Bereich Nanotechnologie bis 2006?

Ja Nein

Wenn ja, mit welcher

unter 10 % 10 – 20 %

21 – 50 % 51 – 75 %

76 – 100 % 101 – 200 %

über 200 %


21. Kreuzen Sie bitte die 3 für Ihre nanotechnologischen Produkte zukünftig wichtigsten Anwendungsfelder (in 2006) aus der nachfolgenden Liste an (linkes Kästchen) und benennen Sie für diese Felder eine Reihenfolge nach Wichtigkeit von 1 bis 3 (rechte Box).Als wichtig verstehen wir hier jene Anwendungsfelder, in denen Sie unter Nutzung der Nanotechnologie große wirtschaftliche Chancen für Ihr Unternehmen sehen.

Anwendungsfelder (analog Frage 15, hier jedoch in 2006)

Reihenfolge

[bitte Zahl (1 – 3) eintragen]



Kosmetik


Chemie/Werkstoffe und Verfahrenstechnik

Umwelt (inkl. Recycling)


Maschinenbau

Messtechnik

Baugewerbe



andere, welche: _________________________

22. Welche Funktionen sind bei diesen 3 Anwendungfeldern (gemäß vergebener Reihenfolge in Frage 21) für Ihre nanotechnologischen Produkte von Bedeutung? (Mehrfachnennungen für jedes Feld möglich)

Möglich Funktionen Feld 1 Feld 2 Feld 3

Analytik / Diagnose

Medizinische Therapie / Diagnose Oberflächenfunktionalisierung

Displays Energiewandlung

Fertigungsequipment Nano-biologische Funktionen

Datenverarbeitung und –speicherung Datenübertragung (Telematik)

MaterialseparationSensorik

AktorikMaterialdosierung

Optische Effekte Filterung von Fluiden oder Gasen

Schutz (gg. Korrosion, Schmutz etc.) Verbesserte Werkstoffeigenschaften

StrukturerzeugungDesign / Mode / Ästhetik

Andere, welche: ___________________

___________________

___________________

Auswahl der dreiwichtigsten Anwendungsfelder


23. Welche Technologien nutzen Sie zur Realisierung Ihrer nanotechnologischen Produkte in den von Ihnen unter Frage 21 angegebenen 3 Anwendungsfeldern? (Mehrfachnennungen für jedes Feld möglich)

Mögliche Technologien Feld 1 Feld 2 Feld 3

Self assembly




Separation / filtration methods

Sol-gel processing

Powder processing

Catalysis


Optical lithography


Nanoprint/-imprint

Microscopy

Metrology

Other Analytical Methods

Modelling and Simulation

Andere, welche: _____________________

_____________________

24. Welche auf Nanotechnologie basierenden Produkte / Prozesse sind in den von Ihnen in Frage 21 benannten Anwendungsfeldern bereits heute oder zukünftig von großer wirtschaftlicher Bedeutung? (Mehrfachnennungen möglich)

von wirtschaftlicher BedeutungProdukt/Prozess: Heute bis 2006 ab 2006

in Anwendungsfeld 1 _________________________

_________________________

_________________________

Produkt/Prozess:


_________________________

_________________________

Produkt/Prozess:


_________________________

_________________________

IV. Die folgenden Fragen (25-29) beziehen sich ausschließlich auf das von Ihnen mit Rangfolge 1 ausgewählte Anwendungsfeld aus Frage 21

25. Welche Schritte haben Sie bereits unternommen, um das Anwendungsfeld 1 mit Hilfe der Nanotechnologie nutzen zu können?

Tätigung von Sachinvestitionen

Kontaktaufnahme zu Kooperationspartnern

Know-how-Erwerb durch Kauf von Eigentumsrechten

Know-how-Erwerb durch Forschungs- und Kooperationsprojekte

Bereitstellung von Forschungspersonal

Aufbau eines internationalen Vertriebsnetzes


26. In welcher Phase befinden sich Ihre Arbeiten an dem Anwendungsfeld 1 zur Zeit?

Forschung Entwicklung Prototyp Produkt Patent

27. Wie schätzen Sie den weltweiten Absatzmarkt für das von Ihnen angegebene chancenreichste Produkt in 2006 ein?

Bitte benennen Sie dieses Produkt nochmals (vgl. Frage 24): _______________________

Die Größe des Weltmarktes schätze ich auf

weniger als 50 Mio. €

250 - 500 Mio. €

mehr als 1000 Mio. € und zwar

50 – 250 Mio. €

500 – 1000 Mio. €

___________ Mio. €

Den Anteil Deutschlands am Weltmarkt für dieses Produkt schätze ich 2006 auf

weniger als 1 % 1 – 10 % 11 – 25 % über 25 %

Den Anteil unseres Unternehmens am Weltmarkt für dieses Produkt schätze ich

2006 auf

weniger als 1 % 1 – 10 % 11 – 25 % über 25 %

28. Worauf basieren Ihre Markteinschätzungen? (Mehrfachnennungen möglich)

Eigene Marktrecherche

Kundenbefragungen

Marktstudien

Presseinformationen

Aussagen der Konkurrenz

Sonstige ____________________________

29. Welche wesentlichen Hürden sehen Sie bezüglich der Entwicklung des Anwendungs-feldes 1 und der Ausschöpfung des Marktpotentials? (Mehrfachnennung möglich)

unwichtig wichtig

1 2 3 4 5

Hohe Investitionskosten

Mangel an Finanzierungsquellen

Mangel an geeignetem Fachpersonal

Gesetzgebung / Regulierung

Fehlende Marktinformation(Erkennung kommerzieller Anwendungsfelder)

Fehlende technologische Informationen

Fehlende Fördermittel entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Mangelnde Verfügbarkeit kompetenter regionaler Kooperationspartner

Unterdurchschnittliches Markpotential in Deutschland

Sonstiges _________________________________

Bisher sind keine ernsthaften Probleme aufgetreten

Vielen Dank für Ihre Mitwirkung!

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