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Flexible Elektronik überwacht wichtige Parameter bei Menschen oder Systemen : Ausgabe 20/2015, 03.12.2015

Intelligente zweite Haut

Aus zahlreichen Forschungslabors kommt eine neue Welt mit flexibler, biegsamer und sogar streckbarer Elektronik, für die viele Applikationen infrage kommen. Die übliche, steife Platine wird mehr und mehr durch ein dünnes und robustes Band mit neuester Elektronik ersetzt.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Benjamin Leever, Ph.D.

Im Verlauf der letzten Jahre untersuchte ein Team aus Chemikern und Materialspezialisten aktuelle Militärapplikationen mit flexibler Elektronik in ungünstigen Umgebungen für Luftfahrzeuge, Explosivkörper und sogar für Kampftruppen. «Im Prinzip verwenden wir eine hybride Technologie, die herkömmliche Elektronik mit flexibler High-Performance-Elektronik und neuer 3D-Drucktechnik kombiniert», sagt Dr. Benjamin J. Leever vom Air Force Research Laboratory auf der Wright-Patterson Air Force Base.

«In einigen Fällen verwenden wir Tinten, die auf Metallen, Polymeren und organischen Materialien basieren, um das System elektronisch zusammenzufügen. Mit unserer Technologie können wir einen besonders dünnen Silizium-Schaltkreis, der nur wenige Hundert Nanometer dick ist, auf ein flexibles, biegsames oder sogar faltbares kunststoffähnliches Substratmaterial aufbringen.»

Flüssige Gallium-Mischungen als elektrisches Verbindungsmaterial

Damit eine Elektronik biegbar oder dehnbar ist, oder aber nach deren Herstellung in ihrer Konfiguration veränderbar ist, verwendete das Forscherteam flüssige Gallium-Mischungen als elektrisches Verbindungsmaterial. Leever: «Diese Mischungen oxidieren typischerweise in Minuten und sind damit unbrauchbar. Aber wir konnten die Effekte der Oxidation erheblich reduzieren, und zwar mit ionischen Zutaten, die auf die Wände der mikrovaskulären Kanäle innerhalb der flexiblen Substrate beschränkt sind.»

Das Resultat ist ein dünnes und faltbares Material, durch das eine Schaltung auch in sehr beengte Raumverhältnisse passt und sich auch auf komplexen und gewölbten Oberflächen anbringen lässt – sei es der Flügel eines Flugzeuges oder die Haut eines Menschen. Im Bereich der Luftfahrt kann das hybride und flexible System zum Beispiel an Flugzeugen Stress- und Belastungsbedingungen registrieren, wobei die Informationen mithilfe von Miniantennen an entsprechende Aufzeichnungssysteme weitergegeben werden.

Aber das gleiche Überwachungskonzept lässt sich zum Beispiel mit einem Biosensorsystem auf einen Piloten oder auch Patienten anwenden, um dessen Herzfrequenz, Hydratisierung, Schweissbildung, Temperatur und andere wichtige Parameter zu erfassen.

Extrem elastische und elektrisch leitende Faser

Durch eine ganz spezielle Ummantelung von dünnen Gummifasern mit Kohlenstoff-Nanoröhren entwickelten Forscher vom NanoTech Institute der University of Texas eine Kernmantelfaser, die sich wiederholt biegen, verdrehen und sogar bis auf das 15-Fache ihrer Länge strecken lässt, ohne die Leitfähigkeit zu verlieren. Derart elastische Leiter finden ihre bevorzugte Verwendung in Ladegeräten für dehnbare Leitungen, in elektronischen Sensoren, die man um Flugzeuge und Drohnen wickeln kann, in smarten Textilien und auch künstlichen Muskeln für Roboter und Prothesen. Die Nanoröhrenbeschichtung dient als Elektrode und die dünne Gummischicht ist das Dielektrikum. Bei einer Streckung von 950 Prozent zeigten diese Faser-Kondensatoren eine Kapazitätsänderung von 860 Prozent. Das Entwicklerteam demonstrierte die ummantelte Faser als Leitung für einen Schrittmacher. Es stellte sich heraus, dass sich die Spannung am Schrittmacher auch dann nicht änderte, als die Faser gestreckt, verdreht oder aufgerollt wurde. 

Infoservice


Air Force Research Laboratory
www.wpafb.af.mil/afrl

NanoTech Institute der University of Texas 
nanotech.utdallas.edu/



Flexible Elektronik findet viele Anwendungs­bereiche