Konstante Leitfähigkeit in dehnbaren E-Textilien

Im Foto ist eine dünne Kupferschicht auf einem Gewebe zu sehen. Die Metallbeschichtung überzieht das E-Textil nicht mit einer geschlossenen Oberfläche sondern dringt über die Fasern in das Garn ein und das Textil bleibt flexibel und auch bei Dehnen, Knautschen und Waschen leitfähig. (c) Universität Insbruck

By Hildegard Suntinger

An der Universität Innsbruck läuft das Forschungsprojekt Nanostretch. Ziel ist die Entwicklung dehnbarer elektronischer (E-) Textilien, sogenannter Stretchable Electronics. Die Forscher arbeiten daran, eine konstante Leitfähigkeit zu erreichen, die bei Textilien aufgrund der Dehnbarkeit schwer herzustellen ist. Ihr Ansatz ist neuartig und basiert auf einer Metallbeschichtung im nanoskaligen Bereich.

Die Erwartungen an Stretchable Electronics sind hoch. Der globale Markt soll bis 2017 auf sechshundert Millionen amerikanische Dollar wachsen. Das prognostiziert das auf neue Technologien spezialisierte britische Marktforschungsinstitut IDTechEx. Dehnbare elektronische Textilien (E-Textilien) finden breite Anwendung in den Sektoren Medizin, Sport, Sicherheit sowie Energie-Erzeugung und –Speicherung.

Dehnbare E-Textilien

Unter dehnbaren E-Textilien versteht man dehnbare Textilien mit integrierter Elektronik. Die Anforderung der Dehnbarkeit wird anhand eines T-Shirts nachvollziehbar. Dieses wird bei typischen Einsatzbedingungen gedehnt, geknautscht und gewaschen. Für ein T-Shirt aus E-Textil bedeutet dies, dass die Leitfähigkeit unter all diesen Bedingungen ausreichend erhalten bleiben muss.

Elektronische Systeme in E-Textilien werden mit miniaturisierten Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen wie Sensoren und Aktoren sowie deren Anschluss-Stellen etabliert. Die Integration der Elektronik erfolgt durch das Einweben, -stricken oder –sticken bzw. Aufdrucken der Bauteile. Wobei bisher speziell konzipierte leitfähige Tinten sowie dehnbare Drähte oder Garne eingesetzt wurden.

Die integrierten Sensoren können auf Körper- und Umgebungsimpulse reagieren. Beispiele für Impulse sind Feuchtigkeit, Temperatur, Druck oder Gas. Die Impulse werden in Form von Daten dokumentiert und/oder initiieren über Auktoren programmierte Aktionen. Ein auf Körper-Impulse reagierender Sensor kann zum Beispiel Aspekte wie Herzfrequenz, Körper-Erwärmung oder Gänsehaut aufzeichnen.

Dehnbare Leiterbahnen

Grundvoraussetzung für die Funktion von dehnbaren E-Textilien ist die Realisierung von dehnbaren Leiterbahnen. Bis jetzt ist die Entwicklung von E-Textilien, die auch im gedehnten Zustand noch ausreichend leitfähig sind, noch nicht gelungen, erklärt Dr. Tung Pham vom Institut für Textilphysik und Textilchemie an der Universität Innsbruck. Er arbeitet seit einem Jahr am Projekt Nanostretch, in dem er dehnbare leitende Textilien basierend auf nanostrukturierten Vorlagen entwickeln will. Projektpartner sind vier Wirtschaftsunternehmen: Texible GmbH, V-Trion GmbH, Grabher Günter Textilveredlungs GmbH und J. Zimmer Maschinenbau Gesellschaft m.b.H.

Herausforderung bei der Realisierung von dehnbaren leitfähigen Materialien ist es, eine Balance zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Flexibilität sowie Komfort des Textils herzustellen. Ein Kupferdraht oder eine dicke Beschichtung zum Beispiel würden das Textil steif und unkomfortabel machen.

Nanoskalige Metallkeime

Das Projekt basiert auf dem Vorhaben, mittels nanoskaligen Metallkeimen eine Kupfermetallschicht nicht auf das Gewebe aufzubringen, sondern in das Gewebe hinein; das heißt, die einzelnen Fasern zu erreichen, aus denen das Garn besteht. „Die Struktur des Garns ist von verschieden langen Fasern geprägt. Die Fasern haben einen Durchmesser von zehn bis zwanzig Mikrometer, dadurch sind diese flexibel und greifen ineinander“, erklärt Pham.

Stromlose Beschichtung

Die Beschichtung soll mit Kupfer-Metallkeimen und stromlos erfolgen. Normalerweise geschieht die Metallisierung von Oberflächen im Strombad, wie dies etwa bei Chrom der Fall ist, so Pham. Er will die Beschichtung über eine chemische Reaktion erreichen. Der Vorgang ist in einem flüssigen Metallsalzbad vorzustellen, in dem das Metall durch Reduktion auf das Gewebe aufgetragen wird. Die Leitfähigkeit wird durch die Bildung von leitfähigen Metallschichten in der Dimension von einigen hundert Nanometern realisiert.

Die Beweglichkeit der Fasern innerhalb des Garns ermöglicht auch in der Dehnung einen Kontakt. Dadurch bleiben die elektrisch leitenden Eigenschaften der elastischen Textilstruktur aufrecht.

Im Foto ist eine dünne Kupferschicht auf einem Gewebe zu sehen. Die Metallbeschichtung überzieht das E-Textil nicht mit einer geschlossenen Oberfläche sondern dringt über die Fasern in das Garn ein. Das Textil bleibt flexibel und auch bei Dehnen, Knautschen und Waschen leitfähig. (c) Universität Insbruck

Tintenstrahldruck

Die Methode ist sowohl für das flächendeckende Einbringen von Metallbeschichtungen anzuwenden, als auch für Stromlinien, die mittels nanostrukturierter Paste im Tintenstrahldruck eingebracht werden. Dazu ist ein Template erforderlich – eine Vorlage für einen Schaltkreis, der am Computer konzipiert wird.

In diesem Fall wird die leitfähige Metallschicht nicht flächendeckend eingebracht, sondern nach Vorlage. Also da, wo diese erforderlich ist. Dadurch bleibt das Textil noch flexibler und doch leitend. Zitat: „Die Stromlinien sollen so schmal und flach wie möglich sein. Wir wollen den Strom von a nach b transportieren, aber kein steifes Textil.”

Umweltfreundlich

Das Forschungsprojekt Nanostretch befindet sich im ersten Jahr und läuft noch bis 31.1.2021. Die Ergebnisse sollen ein grundsätzliches Verständnis für die Formationsmechanismen von Vorlagen für nanostrukturierte Metallkeime liefern. Darüberhinaus soll das Projekt zur Entwicklung einer umweltfreundlichen und ökonomischen Technologie führen, die es ermöglicht, technische Konzepte in definierte Anwendungen zu implementieren.

Ziel der neuen Technologie ist es, Fasern leitende Eigenschaften zu verleihen, die bei Dehnung ausreichend erhalten bleiben. Wesentliche Aspekte der Metallbeschichtung sind:

Ein möglichst geringer Anteil der leitenden Metallschicht in der Faser;
Eine nanoskalige Schicht, die leitfähig ist und doch eine hohe Faserflexibilität gewährleistet;