Integrierte Schaltkreise auf Textil drucken

Entwickler haben erfolgreich waschbare, flexible und atmungsaktive elektronische Schaltkreise in Gewebe eingearbeitet, was neue Möglichkeiten bei smarten Textilien und Wearables eröffnet.

Dazu werden Schaltungen aus billigen, sicheren und umweltfreundlichen Tinten hergestellt und mittels herkömmlicher Tintenstrahl-Drucktechnik appliziert.

Mitarbeiter der Universität Cambridge haben dabei gemeinsam mit Kollegen in Italien und China gezeigt, wie sich Graphen – eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff – direkt auf Stoff drucken lässt, um so integrierte elektronische Schaltkreise herzustellen, die angenehm zu tragen sind und bis zu 20 Waschgänge in einer herkömmlichen Maschine überstehen.

Die neuen textilen elektronischen Geräte basieren auf kostengünstigen, nachhaltigen und skalierbaren Inkjet-Lösungen, deren Tinten auf Grundlage von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien mit Standardverfahren hergestellt werden. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Basierend auf früheren Arbeiten zur Formulierung von Graphen-Tinten für gedruckte Elektronik entwarf das Team Tinten mit niedrigem Siedepunkt, die direkt auf Polyestergewebe gedruckt wurden. Außerdem stellten sie fest, dass sie, wenn sie die Rauheit des Gewebes variierten, die die gedruckten Schaltungen besser funktionierten.

Die Anpassungsfähigkeit dieses Prozesses ermöglichte es den Wissenschaftlern, nicht nur einzelne Transistoren, sondern komplett gedruckte Integrierte Schaltungen (ICs) zu entwerfen, die aktive und passive Komponenten kombinieren.

Die meisten derzeit verfügbaren Electronic Wearables beruhen auf starren elektronischen Komponenten, die auf Kunststoff, Gummi oder Textilien montiert sind. Diese sind in vielen Fällen nur eingeschränkt hautverträglich. Sie können beim Waschen beschädigt werden und sind, da nicht atmungsaktiv, unangenehm zu tragen.

„Andere Tinten für gedruckte Elektronik enthalten meist giftige Lösemittel und eigenen sich nicht zum Tragen auf der nackten Haut. Dahingegen erweisen sich unsere Tinten als günstig, sicher und umweltfreundlich.

Sie können kombiniert werden, so dass sich elektronische Schaltungen herstellen lassen, indem man  einfach unterschiedliche zweidimensionale Materialien auf den Stoff druckt“, wie die leitende Autorin der Publikation Dr. Felice Torrisi vom Cambridge Graphene Center erläutert.

Mitautor Prof. Roman Sordan vom Politecnico di Milano ergänzt: „Digitaler Textildruck ist seit Jahrzehnten in der Lage, einfache Farbstoffe auf Textilien zu drucken, aber unser Ergebnis zeigt zum ersten Mal, dass mit dieser Technologie auch komplette integrierte elektronische Schaltungen auf Textilien gedruckt werden können."

„Auch wenn wir bisher sehr einfache ICs vorstellen, ist unser Prozess dennoch skalierbar und es gibt für die Entwicklung elektronischer Wearables grundsätzlich keine technischen Hindernisse, sowohl hinsichtlich ihrer Komplexität als auch ihrer Leistung."

„Die bedruckten Komponenten sind flexibel, waschbar und benötigen nur wenig Strom – eine wesentliche Anforderung für die Anwendungen von Wearables", meint Doktorand Tian Carey, Erstautor der Abhandlung.

Die Arbeit eröffnet eine Reihe von kommerzieller Anwendungen für zweidimensionale Materialtinten, die von Technologien zur individuellen Gesundheitsvorsorge über tragbare Stromerzeugung und -speicherung bis zu Militärbekleidung, Wearable Computing und Mode reichen.

„Mit der Wandlung von Textilfasern in funktionsfähige elektronische Komponenten eröffnen sich völlig neuen Anwendungsmöglichkeiten, angefangen bei Gesundheitsversorgung und Wellness bis hin zu IoT", meint Torrisi. „Dank der Nanotechnologie könnte unsere Kleidung künftig textilbasierte Elektronik wie Displays oder Sensoren enthalten und interaktiv werden."

Die Verwendung von Graphen und weiteren verwandten 2D-Materialtinten (GRM) zur Erzeugung elektronischer Komponenten und Geräte, die in Gewebe und innovative Textilien integriert werden, steht im Mittelpunkt aktueller technischer Fortschrittsbemühungen bei der Fertigung smarter Textilien.

Die Forschungsgruppen vom Cambridge Graphene Center und des Politecnico di Milano sind ebenfalls am so genannten „Graphene Flagship“ beteiligt, einem EU-finanzierten europaweiten Projekt, das sich mit der Nutzung von Graphen und GRM-Technologien für kommerzielle Anwendungen befasst.

Das Forschungsprojekt wurde durch Zuschüsse des Graphene Flagship, des Synergy Grant des Europäischen Forschungsrates, des Forschungsrates für Ingenieurwissenschaften und Physik, des Newton Trust, des internationalen Forschungsstipendium der nationalen Stiftung Naturwissenschaften Chinas und des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie in China unterstützt.

Die Technologie wird von Cambridge Enterprise, einer Ausgründung der Universität Cambridge verwertet.

Quelle: Die ursprünglich von der University of Cambridge zur Verfügung gestellten Materialien stehen unter Creative Commons License.