ELTRO-Druck: Drucken von leitfähigen Sensor- und Elektronikstrukturen mittels Chromojet (INNO-KOM-Ost MF 110132)

Aufgabenstellung

Textile Materialien sind eine weit reichende Alternative zu bedruckten Folien. Dies belegen interessante und sehr konkrete Fragestellungen aus der textilbe- und verarbeitenden Industrie. Insbesondere die Flexibilität und Atmungsaktivität von Textilien ist als großer Vorteil gegenüber Glas, Kunststoff, Folien und dergleichen zu sehen. Die Kombination des leitfähigen Drucks mit textilen Substraten ergibt eine attraktive Nischentechnologie mit anwendungsspezifischen und einzigartigen Produkten auch für kleinste Losgrößen.
Für das Verdrucken leitfähiger Substanzen auf Textilien ist im Rahmen des Projektes eine neue Lösung entwickelt worden. Das Chromojet-Spritzdruckverfahren eignet sich für die Anforderungen nach hohen Auftragsmengen sowie individuell gestalteter Druckpasten.
Ziele des Forschungsvorhabens sind die Herstellung gedruckter leitfähiger Strukturen auf textile Trägermaterialien unter Nutzung der Chromojet-Spritzdrucktechnik (Abb. 1) sowie die Entwicklung dafür geeigneter Rezepturen für leitfähige Pasten. Damit wird die Möglichkeit zur Fertigung leitfähiger textiler Substrate mit konstanten Widerständen über die Breite und Länge des leitfähigen Drucks geschaffen.
Das Ergebnis des Projektes ist eine Technologie zur Erzeugung leitfähig bedruckter Textilstrukturen, welche durch folgende Eigenschaften charakterisiert sind:

  1. Definierte elektrische Leitfähigkeit in den bedruckten Bereichen
  2. Textile Eigenschaften wie Flexibilität, Drapierbarkeit und Atmungsaktivität.

Mit der Erreichung der Zielstellung werden gedruckte leitfähige Strukturen in verschiedenen Layouts hergestellt. Ein Beispiel dafür sind Interdigitalstrukturen. Sie fungieren als Sensoren, Bus- sowie Heizstrukturen oder als Grundlage für leuchtende Textilien. Diese lassen sich individuell in verschiedene Produkte integrieren und ermöglichen neue Lösungen für die Konfektion von Smart Textiles.
 

Chromojet-Laboranlage
Abb. 1: Chromojet-Laboranlage für Teppiche und Technische Textilien

Lösungsweg

Intrinsisch leitfähige Polymere, Silber in pastöser und pulvriger Form sowie weitere funktionelle Pigmente wurden  als Druckadditiv geprüft. Ein wesentliches Merkmal bei der Auswahl ist die theoretisch errechnete, geforderte Partikelgröße von max. 20 µm. Größere Partikel können zum Zusetzen der Düsen an der Chromojet-Spritzdrucktechnik führen. Für den Ansatz der Druckpasten sowie für die Vor- und Nachbehandlung wurden entsprechende Binder und Additive ausgewählt. Auf der Grundlage vorher festgelegter leitfähiger Substanzen und Bindersysteme wurden Polyestergewebe, Gewirke und Vliese als Trägermaterialien für den Druck der leitfähigen Strukturen untersucht. Durch die Vorbehandlung des Trägermaterials wurden Verunreinigungen und Präparationen entfernt bzw. entsprechende Hydrophilierungs- und Hydrophobierungsausrüstungen aufgebracht.
Die entwickelten leitfähigen Strukturen sind bezüglich aller notwendigen Eigenschaften, wie der Leitfähigkeit, dem erforderlichen Widerstand, der benötigten Leistung, dem Abstand der Elektrodenstrukturen, der Elektrodenabstände und Elektrodendicke definiert und berechnet worden. Diese definierten Eigenschaften sind die Basis für die erstellten Dessins und das digitale Layout für die Weiterverarbeitung an der Chromojet-Anlage.
Die entwickelten leitfähigen Pasten dienen als Grundlage für die gedruckten leitfähigen Strukturen (Abb. 2). Entsprechend des festgelegten Dessins erfolgt die Applizierung der Pasten auf die vorher ausgewählten textilen Materialien. Dabei wird die Konturenschärfe des Drucks, der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen sowie die für die Leitfähigkeit notwendige Schichtdicke berücksichtigt. Neben rheologischen und textilphysikalischen Untersuchungen sind ebenfalls die elektrischen Kennwerte untersucht worden.
Funktionsmuster für sensorische und aktuatorische Applikationen, im Speziellen ein taktiles Schaltelement und Heizsysteme (Abb. 3), sind realisiert worden. Für die gefahrenfreie Benutzung der Funktionsmuster sowie der gedruckten leitfähigen Strukturen sind isolierende Schichten mittels Kaschierung und Laminierung aufgebracht worden, somit bleibt der textile Charakter erhalten.

Abb. 2: Gedruckte leitfähige Interdigitalstruktur
Abb. 2: Gedruckte leitfähige Interdigitalstruktur
Abb. 3: Gedruckte textile Heizfläche
Abb. 3: Gedruckte textile Heizfläche

Anwendung

Zu den wichtigsten Zielmärkten der textilen und gedruckten Elektronik zählen die Automobil-industrie, die Mikrosystemtechnik, die Biomedizinische Technik, Heimtextilien, die Telekommunikation sowie die IT-Peripherie.
Neue Anwendungsfelder bilden beispielsweise textile Interdigitalstrukturen, welche die Grundlage für sensorische Applikationen sind. Vorteile solcher smarten Textilien sind ihre Flexibilität, ihre Drapierbarkeit und ihre kostengünstige Herstellung. Durch das geringe Gewicht der gedruckten leitfähigen Textilien können ebenfalls Energieeinsparungen zum Beispiel im Automobilbereich erzielt werden.
Vorgesehene Einsatzgebiete der entwickelten leitfähigen textilen Erzeugnisse sind:

  • Basis für leuchtende Oberflächen für Automobilindustrie und Polstermöbel
  • Basis für Tastaturen
  • Bestandteile von Reinraumkleidung
  • Sensoren und Schaltungen
  • Funktionalisierte Textilien für Sicherheitskräfte (Militär, Polizei etc.) und den Arbeitsschutz.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Katharina Gnewuch

 
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