Vollständig integrierte Schaltkreise erfolgreich direkt auf Gewebe gedruckt

Forscher haben erfolgreich zweidimensionale Materialien wie Graphen (eine einzige Kohlenstoffschicht in einem hexagonalen Gitter) direkt auf Textilien gedruckt und so die Produktion tragbarer integrierter elektronischer Schaltkreise ermöglicht. Der angewandte Tintenstrahldruckprozess basiert auf Standardtechniken, was dazu beiträgt, die Fertigung dieser neuen gewebebasierten elektronischen Geräte nachhaltig, kostengünstig und skalierbar zu gestalten.

Perfektionierung des 2D-Materialdrucks

Die Forscher skizzieren in einem Paper, das in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, wie sie nicht toxische Tinte mit einem niedrigen Siedepunkt herstellten, die direkt auf Polyester-Textilmaterial gedruckt wurde. Dieser Prozess demonstrierte die Durchführbarkeit von gedruckten integrierten Wearable-Schaltkreisen, die bei Raumtemperatur und -druck funktionieren. Bedeutsamerweise waren die Forscher dazu in der Lage, mit diesem neuen Ansatz den konventionellen Prozess zu übertreffen, bei dem einzelne Transistoren hergestellt werden, da komplette integrierte elektronische Schaltkreise gedruckt werden konnten.

Das Team entdeckte, dass sich die Textilienrauhheit auf die elektrischen Eigenschaften der elektronischen Teile auswirkte und dass eine Glättung der Textilienoberfläche unter Verwendung einer sogenannten „Planarisierungsschicht“ bedeutete, dass die Leistung der „Printed Devices“ verbessert werden konnte.

Einer der zentralen Vorteile, den die Technik gegenüber Alternativen hat, ist ihre Vielseitigkeit. Die Mehrzahl der bestehenden elektronischen Wearable-Geräte wird aus relativ starren Komponenten hergestellt, die anschließend an tragbaren Materialien wie z. B. Textilien, Kunststoff oder Kautschuk befestigt werden. Diese sind jedoch oftmals unpraktisch, da sich der Tragekomfort in Grenzen hält und die Unterbringung des menschlichen Körpers eingeschränkt ist, die Textilien sind beispielsweise nicht atmungsaktiv. Sie können ebenso leicht während des Waschens beschädigt werden. Das Produkt des Teams kann bequem getragen werden und hält gleichzeitig bis zu 20 Waschdurchgängen in einer Standardmaschine stand.

Laut Dr. Felice Torrisi vom Cambridge Graphene Centre, dem maßgeblichen Autor des Papers, ist ein weiterer Vorteil von der Technik des Teams, dass EurekAlert „andere Tinte im Bereich der gedruckten Elektronik normalerweise toxischer Lösungsmittel bedarf und nicht zum Tragen geeignet ist, während unsere Tinte gleichermaßen kostengünstig, sicher und umweltfreundlich ist und zur Herstellung elektronischer Schaltkreise kombiniert werden kann, indem einfach verschiedene zweidimensionale Materialien auf das Gewebe gedruckt werden.“

Das Team machte von der Tatsache Gebrauch, dass Graphen und hexagonales Bornitrid atomar dünne 2D-Materialien sind und daher flexibel in Strukturen angeordnet werden können, die innovative Eigenschaften zeigen, welche über die Eigenschaften
ihrer einzelnen Bestandteile hinausgehen. Dies bedeutet, dass die leitenden, isolierenden und halbleitenden Eigenschaften von 2D-Materialien genutzt werden können, um die spezifische erforderliche Leistung zu erzielen.

Skalierbar hinsichtlich Komplexität und Leistung

Es gibt eine Vielzahl potenzieller kommerzieller Anwendungsmöglichkeiten für die Technologie, die von Wearable-Geräten zur Überwachung der persönlichen Gesundheit und des Wohlergehens bis hin zur Verbesserung der militärischen Leistungsfähigkeit reichen. Ein Gebiet, auf dem diese Entwicklungen vermutlich von Vorteil sein werden, ist das Internet der Dinge. Die Vorhersage von Dr. Torrisi lautet: „Dank Nanotechnologie könnte in Zukunft textilienbasierte Elektronik wie z. B. Displays oder Sensoren in unsere Kleidung integriert werden und diese interaktiv machen.“

Die Verwendung von Graphentinte und anderer entsprechender 2D-Materialtinte zur Herstellung elektronischer Komponenten und Geräte, die sich direkt in Gewebe integrieren lassen, bildet die Speerspitze von Maßnahmen zur Erreichung smarter Textilien. Smarte Textilien an sich können als Teil eines größeren Unterfangens gesehen werden, um die Grenze zwischen Technologie und Alltagsgegenständen zu verwischen, ein Vorgang der oftmals als „ubiquitäres Computing“ bezeichnet wird.

Die Autoren des Forschungs-Papers sind Teil des „Graphene Flagship“-Konsortiums, eine zehnjährige Forschungs- und Innovationsinitiative, die gemeinsam von der EU, von EU-Mitgliedsstaaten und von assoziierten Ländern gegründet worden ist. Sie wurde ins Leben gerufen, um Maßnahmen zur Ausschöpfung des Potenzials von Graphen und damit verbundener Technologien zu fördern, die zur Vermarktung von Anwendungen führen.

Weitere Informationen:
Graphene Flagship