Ausgangssituation
In einer Welt, die zunehmend von vernetzten, flexiblen und intelligenten Technologien geprägt ist, spielt die Entwicklung von innovativen Materialien eine entscheidende Rolle. Besonders im Bereich der flexiblen Elektronik, Wearables und medizinischen Anwendungen stellen flexible, dehnbare und knickbare smarte Textilien weiterhin eine erhebliche Herausforderung hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und des Produktionsaufwandes dar. Eine Lösung liegt in der Anwendung neuartiger polymerbasierter Komponenten. Sie bieten völlig neue Möglichkeiten, um Funktionen direkt in Textilien oder medizinische Geräte zu integrieren.
Projektziel
An diesem Punkt setzte das Forschungsvorhaben an: Die Zielstellung lag in der Entwicklung dünner, flexibler Polymerverbunde, die durch Kombination von elektrisch leitfähigen Polymerschichten mit darauf applizierten LEDs und Sensoren zur Steuerung eine geregelte flächige Beleuchtung ermöglichen. Im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Schaltungen, die starre und aufwendige Verkabelungen erfordern, setzt dieses Forschungsprojekt auf flexible, leitfähige Polymerflächen, die ein flächiges Potenzialfeld bilden – also einen Bereich, in dem an jedem Punkt ein definiertes elektrisches Potenzial vorherrscht. Dieses Potenzialfeld ermöglicht es, eine Vielzahl an LEDs und Sensoren nahezu beliebig in der Fläche zu verteilen, ohne dass Kontaktierungen mit Leiterbahnen notwendig sind.Als konkretes Beispiel für die praktische Anwendung wurde die Behandlung der Neugeborenen-Gelbsucht mittels Fototherapie gewählt. Traditionell erfolgt diese Behandlung in einem Inkubator durch blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 455 nm, das den Körper des Babys bestrahlt. Durch die Entwicklung eines in dieser Wellenlänge leuchtenden Bodys, welcher auf der Haut getragen werden kann, sollte der Körperkontakt zwischen Mutter und Kind während der Therapie ermöglicht werden.
Abb.1: Prinzipieller Aufbau der Verbunde im Querschnitt sowie Funktionsweise des Potenzialfeldes über die leitfähige Polymerfläche hinweg.
Abb.2: Im Rahmen des Projektes hergestellter Demonstrator: Ein Baby-Body mit integriertem Polymer-Elektronikverbund zur Therapierung von Neugeborenengelbsucht.
Lösungsweg
Bei der elektrisch leitfähigen Polymerschicht handelt es sich um eine flexible Polyurethanfolie, in die Carbon-Nanotubes (CNT) als elektrisch leitfähige Additive eingearbeitet wurden. Für die Kontaktierung der Fläche wurden Polyurethan-Silber-Pasten entwickelt. Diese wurden im Druckverfahren als flexible Elektroden in einer Weise auf die PU-Folie appliziert, dass sie wahlweise eine oder mehrere Potenzialflächen aufspannen. Das Grundprinzip der Potenzialflächen besteht in einem Spannungsabfall über die Fläche hinweg, sobald eine Gleichspannung angelegt wird. Werden Elektronikkomponenten, wie blaue Miniatur-SMD-LEDs (Formfaktor 0805), Color-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren auf die Polymerfolie aufgebracht, greifen diese die nötige Betriebsspannung über die Fläche ab. Durch die Kommunikation eines Bluetooth-Moduls auf der Sensorplattform mit einem Mikrocontroller ist die aktive Regelung der Strahlung gewährleistet.
Um die Funktionsfähigkeit sowie den sicheren und effizienten Betrieb des Systems zu gewährleisten, wurden umfangreiche Simulations- und Modellierungsmodelle für die Auslegung der leitfähigen Flächen unter Berücksichtigung der zu verwendenden Elektronikkomponenten entwickelt. Hiermit konnten die nötigen Parameter, wie Foliendicke und spezifische Leitfähigkeit im Detail berechnet werden. Zusätzlich wurden das Design und die Anordnung der bis zu 180 LEDs auf der Fläche optimiert. Der entscheidende Entwicklungsschritt im Rahmen des Projektes konnte mit der Einführung von isolierenden Bereichen auf der leitfähigen Fläche erzielt werden. Diese isolierenden Bereiche wurden in der Praxis durch eine Laserstrukturierung der leitfähigen Fläche umgesetzt.
Ergebnisse | Nutzen
Im Projekt konnte ein funktionsfähiger Demonstrator eines Bodys zur Therapierung von Neugeborenengelbsucht entwickelt werden. Das entwickelte Verbundmaterial besteht aus einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Polymerschicht als Substrat und Energieversorgungsplattform. Darauf appliziert sind LEDs und eine Miniaturplatine mit einem integrierten Sensor- und Regelungssystem. Durch die Kommunikation eines Bluetooth-Moduls auf der Sensorplattform mit einem Mikrocontroller ist die aktive Regelung der Strahlung gewährleistet. Zum Körper hin abgeschlossen wird das System durch ein lichtdurchlässiges Abstandstextil. Beim körpernahen Tragen des Bodys stellen ca. 180 LEDs auf der polymeren Fläche die für die Bilirubin-Therapie erforderliche Bestrahlungsstärke sicher.
Was dieses Projekt besonders von bisherigen Anwendungen absetzt, ist die aktive Regelung der eingebetteten LEDs durch die Sensoren, die in die Polymermatrix integriert sind. Bisher konnten solche Komponenten nur passiv in das Potenzialfeld eingebunden werden, ohne eine gezielte Steuerung zu ermöglichen. Für die Datenübertragung kann entweder eine modulierte Wechselspannung genutzt oder auf herkömmliche Bluetooth-Verbindungen zurückgegriffen werden.
Diese Innovation der Integration von elektronischen Komponenten in flexible Materialien in Kombination mit einer aktiven, intelligenten Echtzeitregelung eröffnet völlig neue Anwendungsfelder auch über den medizinischen Bereich hinaus. Zu nennen sind hierbei Smart-Textiles, IoT und Wearables. Die Entwicklung dieser Technologie ist ein bedeutender Schritt in Richtung smarter, vernetzter und komfortabler Lösungen.
Dank
Das IGF-Vorhaben 01IF22822N der Forschungsvereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1-5, 09599 Freiberg“ wurde über die AiF und DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
