Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer flexiblen elektrisch leitenden Kontaktierung für Smart Textiles durch Lasersinterung von Metalldispersionen

In diesem Forschungsvorhaben soll das Basiswissen für ein neues Kontaktierungsverfahren für textile Anwendungen auf Basis des Lasersinterns von Metalldispersionen geschaffen werden. Ziel ist es, eine zuverlässige Kontaktierung zwischen metallischen Leitern und gedruckten Leiterbahnen und leitfähigen Polymeren zu realisieren. Bislang war dies bei Belastungssituationen von Textilien wie häufige Biegewechselvorgänge, dynamische Zug-Druck-Belastungen, oft bei wechselnden Temperatur- und Feuchtigkeitszuständen, nicht möglich. Durch den Sinterprozess werden die isolierend wirkenden Stabilisatoren aus den Metalldispersionen inaktiviert und zerstört, wodurch sich die Metallpartikel berühren und den elektrischen Strom leiten. Die Lasersinterung von metallischen Dispersionen ermöglicht so die Herstellung dünner, flexibler und hochleitfähiger metallischer Kontaktierungsschichten und damit die Herstellung einer Vielzahl neuer Smart Textiles.

Entsprechend der Expertisen konzentriert sich das ITCF auf die Entwicklung und Applikation geeigneter Metalldispersionen und Tinten mit dem Inkjetdruck. Das ITV befasst sich mit seiner langjährigen Erfahrung mit Lasertechnologien und elektrischer Messtechnik mit der Lasersinterung der entwickelten Metalldispersionen/Tinten und der elektrischen Charakterisierung der Kontaktstellen. Nach Abschluss der Forschungsarbeiten existieren eine Reihe von verschiedenen Demonstratoren, die die Funktionsweise und Vorteile der neuen elektrischen Kontaktierung aufzeigen und die Funktionsweise demonstrieren.

Mittels eines solchen Kontaktierungsverfahrens können neue Produkte, die sich gedruckter Leiterbahnen oder elektrisch leitfähiger Polymere bedienen, für die Märkte in den Bereichen Automotive, Architektur und Innenausbau sowie in technischen Bereichen (z.B. Verbundwerkstoffe und Filtertechnik) und im Bereich intelligenter Bekleidung (z.B. gedruckte Elektrolumineszenz, „gedrucktes Licht“) erschlossen werden.

Die Lasersinterung von metallischen Dispersionen ermöglicht die Herstellung dünner, flexibler und hochleitfähiger metallischer Kontaktierungsschichten und damit die Herstellung einer Vielzahl neuer Smart Textiles. Damit adressiert das Forschungsvorhaben eine Aufgabe, deren Lösung bahnbrechende Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Produkte ermöglichen wird.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden elektrisch leitfähige Pasten und Tinten entwickelt, welche durch Lasersinterung in leitfähige Strukturen überführt werden konnten. Aus Metallpartikeln wurden metallische Druckpasten mit einem Metallanteil von bis zu 40% und durch reduktive Fällung Tinten mit einem Silberanteil von bis zu 25% entwickelt. Eine Kontaktierung durch Lasersinterung konnte durch Siebdruck, Inkjetdruck und Beschichtung mit Silbertinten/-pasten erreicht werden.

Hochleitfähige Strukturen lassen sich besonders leicht auf glatten und nicht strukturierten 2D-Oberflächen realisieren. Die ohmschen Widerstände entsprechender textiler Muster mit 3D-Struktur liegen oftmals um den Faktor 10 und mehr darüber. Laserbehandelte bedruckte Baumwolle zeigt im Vergleich zu Polyester eine wesentlich bessere elektrische Leitfähigkeit.

Die Lasersinterung war mit einem Faser-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm erfolgreich. Zur Realisierung einer hohen elektrischen Leitfähigkeit müssen die Silberpartikel gezielt geschmolzen werden, um nachfolgend netzwerkartig zu koaleszieren. Je nach vorhandener Schichtdicke des Silbers ist eine Leistung von 0,5-3 W und eine niedrige Scangeschwindigkeit erforderlich, um leitfähige Strukturen zu realisieren. Dabei steigt der erforderliche Energieeintrag mit zunehmender Schichtdicke des applizierten Silbers. Für die verschiedenen Applikationsverfahren wurden geeignete Verfahrensparameter identifiziert.

Ein gedruckter elektrischer Schalter mit einer aufgenähten elektrischen Leiterbahn wurde niederohmig kontaktiert und steht an den Forschungsstellen als Demonstrator zur Verfügung.