Elektronik muss in Wearables – integriert in der Kleidung oder getragen am Körper – flexibel unseren Bewegungen folgen können. Materialforschern gelang es jetzt, Leiterbahnen auf Folien aufzubringen, die sich um 200 Prozent dehnen lassen.
Dehnbare, leitfähige Materialien auf flexibler Folie
Kunststofftechnik Montanuniversität Leoben
Schlagworte wie Industrie 4.0, Künstliche Intelligenz, 5G-Kommunikation und Autonomes Fahren markieren den weltweiten Wettlauf um immer kleinere Transistor-Strukturen auf Halbleiterchips. Wir haben uns daran gewöhnt, Antworten auf Fragen zur künftigen Technologieentwicklung im Mikro- und immer häufiger im Nanokosmos zu finden. Da verblüfft es schon ein wenig, wenn jetzt Forscher von Erfolgen bei der Entwicklung von Elektronik-Materialien berichten, die sie im Mesokosmos, also dem uns Menschen zugänglichen Gegenstandsbereich mittlerer Dimensionen, erzielen konnten: Ein Team des Lehrstuhls für Chemie der Kunststoffe der Montanuniversität Leoben und des Erich-Schmid-Instituts für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ESI) beschreibt gemeinsam mit weiteren Partnern in einer ACS Publikation die Entwicklung einer auf komplexierten Silberverbindungen basierenden Tinte, die sich auf elastische Folien aufbringen lässt. Mit der Tinte konnte das Team leitfähige und zugleich dehnbare Leiterbahnen auf Folien per Siebdruck herstellen, berichtet Thomas Grießer, Professor an der Montanuni Leoben und demonstriert das Forschungsergebnis in einem Video: "Die Leiterbahnen sind bis zu 200 Prozent dehnbar – das ist beispiellos für solche Materialien."
Der Mesokosmos ist das Refugium der am Körper tragbaren smarten oder auch intelligenten Elektronik: "Wearable Electronics (WE)" oder "Wearable Computing", umgangssprachlich "Wearables". Wearable Technology, so die Autoren des Buchkapitels "Intelligent Wearable Electronics: A New Paradigm in Smart Electronics" steht für alle Geräte, "die direkt als Zubehör getragen, in die Kleidung integriert, in den Körper des Benutzers implantiert, lose an der Person befestigt oder sogar auf die Haut tätowiert werden können." Daten solchermaßen körpernah angebrachter Sensoren lassen sich über das Internet auswerten. Smartphones zählen die Springer Autoren zu den "Loosely Attached Devices". Mit der rasanten Zunahme des Ökosystems mobiler Apps in Verbindung mit Wearables wie Armbändern und Kopfbedeckungen seien Smartphones jedoch auch künftig ein integraler Bestandteil der Wearable Technology.
Es entwickelt sich ein gewaltiger Markt, der erst am Beginn seiner Entfaltung zu stehen scheint. So gibt das Marktforschungsunternehmen IDTechEx In einer Studie einen aktuellen Überblick über die Chancen tragbarer elektronischer Geräte – von Smartwatches über Virtual, Augmented und Mixed Reality, Hearables und intelligenter Kleidung bis hin zu sensorbestückten Hautpflastern und mehr. Demnach wird das Marktvolumen von knapp 80 Mrd. US-Dollar im Jahr 2020 schon 2025 rund 138 Mrd. US-Dollar erreichen.
Leitfähige Materialien für gedruckte Elektronik
Elektronik auf Polymersubstraten zeichnet abseits "klassischer" Mikroelektronik neue Wege auch insofern, als sie auf Flächen stattfinden kann, die größer sind als die im Handel erhältlichen Standardwafer. Im Buchkapitel "Conductive Materials for Printed Flexible Electronics" skizziert Colin Tong den technischen Stand und künftige Trends bei typischen leitfähigen Materialien für gedruckte flexible Elektronik und diskutiert unter anderem Perspektiven und zukünftige Entwicklungstrends leitfähiger Tinten.
Sensorpflaster auf der Haut
Wie die Materialforscher in Leoben interessiert sich Tong in diesem Zusammenhang auch für die Einbettung dehnbarer leitfähiger Materialien in dehnbare Substrate. Die Leobener Wissenschaftler werten ihren Entwicklungserfolg als Türöffner für eine einfache Integration elektronischer, multifunktioneller Sensorsysteme beispielsweise in Kleidung, auf dreidimensionalen Oberflächen von Maschinen oder auf menschlicher Haut. Eines ihrer Ziele, nämlich neue Methoden für die Herstellung metallischer Nanopartikel ohne Beisein toxischer Chemikalien in einer elastomeren Matrix zu entwickeln, haben sie erreichen können, indem sie die metallischen Nanopartikel durch Selbstreduktion eines in Lösung stabilen Silber-Komplexes herstellten. Auf Basis dieses Komplexes entstanden Pasten und Tinten, die sie auf großen Flächen mittels Siebdruck strukturiert aufbringen konnten. Doch dabei ließen es die Wissenschaftler nicht bewenden. In Zusammenarbeit mit Joanneum Research Weiz, AT&S und Human Research haben sie bereits ein Sensorpflaster für die Überwachung und Detektion von Herz- und Atmungsaktivität hergestellt.