Drucken leitfähiger Strukturen

BMWi INNO-KOM 49MF190035 | Laufzeit: 08.2019 – 07.2021 Martin Heise, Kristin Trommer, FILK Freiberg
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  • Funktionale Schichtsysteme

Ausgangssituation

Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie ermöglicht u. a. die Herstellung neuartiger flexibler Funktions­materialien mit integrierten elektronischen Komponenten wie Sensoren, Aktuatoren oder aktiv leuchtenden Elementen. Wachstums­märkte sind hier die Bereiche smart textiles, technische Produkte wie Fußboden­beläge mit Sensorik und die Medizin­technik (sensorische Erfassung verschiedener physiologischer und medizinischer Kennwerte realisierbar). Derartige elektronische Komponenten werden zumeist durch Additivierung von Polymer­massen mit Metall­mikro­partikeln erhalten. Die systeminhärente Problematik derart additivierter Dispersionen besteht darin, dass sie sehr teuer und im ausgehärteten Zustand spröde sind. Zwar werden die hergestellten bedruckten Flächen und Leiterbahnen als flexibel bezeichnet, gemeint ist damit allerdings lediglich die Biegbarkeit des Gesamt­verbundes.

Projektziel

Das Ziel des Forschungs­vorhabens war die Entwicklung flexibler, sensor­tauglicher, leitfähiger Strukturen und deren Integration in dehnbare Polymer­verbunde, indem elektrisch leitfähige Polymer­massen durch einen innovativen Digital­druck­prozess auf elastische Polymer­substrate appliziert werden sollten. Auf diese Weise sollte eine Kombination von flexiblen, teilweise elastischen, leit­fähigen Strukturen mit einem polymeren Flächen­material möglich werden. Leitfähig­keiten von bis zu 100 S/m sollten erreicht werden.

Lösungsweg

Um dies zu erreichen, wurden wässrige PU-Dispersionen mit geeigneten leit­fähigen Carbon­nano­materialien wie Carbon-Nanotubes (CNT) und Graphen additiviert. Im Additivierungs­bereich bis zu 10 Masse-% CNT oder durch Kombination von CNT und Graphen konnten Leitfähig­keiten bis zu 200 S/m realisiert werden. Durch gezielte Variation und Anpassung des Anteils von Dispergier- und Rheologie­additiven konnte das rheologische Eigenschafts­profil der Dispersionen modifiziert werden. Somit war es möglich, die leit­fähigen Dispersionen in einem Digital­druck­prozess durch Mikro­dispensing zu miniaturisierten leitfähigen Strukturen zu verarbeiten und ein homogenes Druck­bild der Leiter­strukturen zu erhalten. Struktur­größen kleiner 300 µm in der lateralen Ausdehnung und kleiner 100 µm in der Höhe konnten dargestellt werden. Die Leit­fähigkeit der Strukturen bleibt auch bei Dehnung und Knickung erhalten.

Die leitfähigen Strukturen wurden zu Gitter­strukturen auf polyurethan­basierten Substrat­folien verarbeitet, womit ein druck­sensitiver Folien­verbund aufgebaut werden konnte. Messungen zur Funktions­fähigkeit der Sensor­folien wurden mit einem eigens entwickelten Interface (auf Arduino-Komponenten basierend) durchgeführt. Durch Triggern der Sensor­messpunkte (Gitter­kreuzungs­punkte) konnten Mess­signale (Spannungs­änderungen) detektiert und die Druck­ausübung auf den Sensor­punkten nachvollzogen werden. Die mögliche laterale Auflösung der Sensor­matrices liegt dabei im Bereich von ≤ 2 mm bzw. 25 Messpunkten/cm².

Ergebnisse | Nutzen

Durch das Forschungs­vorhaben können elastische Verbund­materialien mit elektronischen Funktionen hergestellt werden, die dünn und beständig bezüglich Feuchte sowie Knick- und Dehnbelastungen sind. Eine Reihe von Anwendungs­gebieten, vor allem in der Medizin­technik, kann hierdurch erschlossen werden. Durch die Digital­druck­technik sind Sensor­felder in nahezu beliebiger Größe skalierbar.

   

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Danksagung

Das Forschungsvorhaben „Drucken leitfähiger Strukturen“, Reg.-Nr.: 49MF190035 wurde anteilig vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages innerhalb des Förder­programms „FuE-Förderung gemein­nütziger externer Industrie­forschungs­einrichtungen – Innovations­kompetenz (INNO-KOM) – Modul Markt­orientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projekt­träger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.

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