Erzeugung hochelastischer metallisierter Fasern als Grundbaustein für textilbasierte elektronische Komponenten durch kontinuierliche Laser- und elektrochemische Strukturierung von metallisierten Monofilamenten

Teilprojekt: Technologieentwicklung zur Erzeugung von metallisierten Monofilamenten auf der Basis von Spezialpolymeren – Lasertex
(Thüringen-GreenTec, Projekt-Nr. 2012 FE 9001., Verbund-Nr.: 2012 VF 0001)


Abstract

Textile Strukturen sind wegen ihrer Flexibilität und Belastbarkeit ideale Materialien für die Mikrosystemtechnik und als Basis für flexible Elektronik geeignet. Im Verbundprojekt wurde eine Technologie entwickelt, mit der elektronische Komponenten aus strukturierten Fäden hergestellt wurden. Um derartige Systeme am Faden aufzubauen, war es notwendig, strukturierte Fäden zu entwickeln, indem die Oberflächen der Fasern im Bereich von wenigen Mikrometern bis Nanometern strukturiert wurden. Im Vordergrund stand die Entwicklung eines laserstrukturierten Fadens als Basis für eine fadenbasierte Elektronik. Die erzeugten Fäden lassen sich textiltechnologisch verarbeiten, mittels Laser gezielt strukturieren und mittels Loten bzw. leitfähigen Klebern kontaktieren. Auf diese Weise können elektronische Bauteile auf Basis metallisierter textiler Monofilamente realisiert werden, was erfolgreich an einem Demonstrator nachgewiesen wurde.

Aufgabenstellung

Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf drei Themengebiete. Zunächst mussten verschiedene leitfähige Fadenmaterialien für die Funktionalisierung und die textile Einarbeitung realisiert werden. Im Anschluss daran wurde die Strukturierung der leitfähigen Oberfläche des Fadens untersucht und optimiert sowie die notwendige Anlagentechnik aufgebaut. Im letzten Schritt lag der Fokus auf der Funktionalisierung des strukturierten Fadens und der Verarbeitung in textilen Prozessen.

Lösungsweg

Zunächst wurden für die drei Themengebiete Arbeitsgruppen mit den Verbundpartnern gebildet, um das jeweilige Know-How optimal einzusetzen. Für die leitfähigen Fadenmaterialien wurden ein metallisiertes Monofilament und ein leitfähiges Multifilament hergestellt. Das Monofilament zeichnet sich durch den eingesetzten PVD-Prozess durch eine hohe Präzision und Gleichmäßigkeit der Metallschicht aus, um für die Laserstrukturierung optimal eingesetzt werden zu können. Das Multifilament sollte der Kontaktierung des strukturierten Fadens, der zuverlässigen Stromversorgung und der Verbesserung der Verarbeitbarkeit dienen und wurde daher mittels Faden- und Gestrickgalvanik umgesetzt. Von den Partnern wurden dazu spezielle Gestricke aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt und eine Anlagentechnik für deren Verarbeitung aufgebaut.
Im zweiten Schritt wurden die PVD-beschichteten Monofilamente durch die Partner im Bereich der Lasertechnik strukturiert und erste Handmodule hergestellt (Abb. 1). Eine kleine Versuchsanlage wurde dabei in einen Maschinenaufbau überführt, wodurch der Faden nun produzierbar wird. Die Laserstruktur wurde dabei immer weiter verbessert (Qualität und Größe) und an die Anwendungsmöglichkeiten angepasst.
Zuletzt wurden die strukturierten Fäden durch Beschichtung, Kontaktierung und textile Verarbeitung funktionalisiert und in einen Leuchtfaden überführt, um die Möglichkeiten darzustellen (Abb. 2).

laserstrukturierter Faden
Abb. 1: Laserstrukturierter Faden

Anwendung

Durch den Abschluss des Verbundprojektes ist es nun möglich, leitfähige Monofilamente zu strukturieren und je nach Struktur verschiedene Funktionalitäten zu erzeugen. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von gezielt eingestellten Widerständen, Leuchtfäden, Sensorfäden für Dehnung und Feuchtigkeit bis hin zu halbleitenden Bauelementen mit momentan zwei Pin-Anschlüssen. Mit der Weiterentwicklung der Struktur zu mehrpoligen Elementen sind z. B. auch Transistoren und ähnliche Bauelemente denkbar.
Im Projekt wurde auf dem Faden eine Doppelhelix erzeugt, welche mittels Elektrolumineszenspaste zu einem Leuchtfaden wurde.
 

Abb. 2a: Laserstrukturierter Faden mit Funktionsbeschichtung
Abb. 2b: Laserstrukturierter Faden mit Funktionsbeschichtung im Betrieb
Abb. 2: Laserstrukturierter Faden mit Funktionsbeschichtung, rechts: im Betrieb

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Kay Ullrich

 
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