Materialforschung
Elektronik für die Westentasche
Am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW sucht Megan Cordill nach dem optimalen Material-Design für flexible Elektronik.
Die Outdoor-Jacke, die gleichzeitig Körperfunktionen und Außentemperatur misst, die elektronische Zeitung, die man zusammenfalten und in die Tasche stecken kann: Wenn es um das Anwendungspotenzial von Elektronik geht, ist der Fantasie keine Grenze gesetzt. Doch die Praxis dieser so genannten flexiblen Elektronik birgt ihre Tücken. Elektronik in funktioneller Kleidung darf die Bewegungsfreiheit nicht beeinträchtigen. Sie muss sich dehnen, drücken und verdrehen lassen, Hitze, Kälte und Feuchtigkeit aushalten, ohne ihre Form oder gar Funktionsfähigkeit einzubüßen. Und eine elektronische Zeitung, deren Display nach dem dritten Mal Falten voller Risse ist, wird am Markt wohl keinen reißenden Absatz finden.
Aus der Sicht der Materialforschung heißt das: Man braucht eine ausreichend biegsame Folie und muss die Elektronik auf dieser so anbringen, dass das Ergebnis mechanischen, thermischen sowie chemischen Belastungen langfristig standhält.
Das Problem der Haftung
"Das ist eine große Herausforderung, da wir es hier mit vielfältigen Anforderungen an unterschiedliche Materialien zu tun haben", sagt Megan Cordill vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI) der ÖAW in Leoben. So eignen sich Polymere als biegsames Folienmaterial sehr gut. Die Kombination mit den üblicherweise für Elektronik eingesetzten Metallen ist jedoch alles andere als friktionsfrei: So sind Kupfer oder Gold zwar gute und gerne verwendete Leiter, ihre Haftung auf Polymeren ist jedoch miserabel.
Im Rahmen eines vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekts geht Cordill der Haftung von Metallen auf Polymeren auf den Grund. Sie untersucht, was an der Grenzfläche zwischen Metall und Polymer unter den verschiedenen in der Praxis möglichen Belastungen im Detail geschieht und sucht Lösungen für das Problem der Haftung. "Wir experimentieren zum Beispiel mit in beiden Richtungen gut haftenden Zwischenschichten unterschiedlicher Dicke", erklärt Cordill.
Das optimale Material-Design
Um die Veränderungen in den Materialien möglichst genau charakterisieren zu können, führt die Materialwissenschaftlerin miniaturisierte In-situ-Zugversuche durch. Dabei werden wenige Mikrometer große Materialproben mit ebenso winzigen beweglichen Greifpinzetten umfasst und gedehnt. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick. Der Versuch wird mit einem Rasterelektronenmikroskop live mitverfolgt und aufgezeichnet.
Cordill: "Unser Ziel ist es, Richtlinien für ein geeignetes Material-Design für biegsame Elektroniksysteme zu entwickeln." Dazu analysiert die Materialwissenschaftlerin neben den an den Grenzflächen zwischen Metallen und Polymeren auftretenden mechanischen Veränderungen auch die chemischen. "Hier geht es darum, die Möglichkeiten der Materialien zur Selbstreparatur von Rissen auszuloten, die sich bei flexibler Elektronik im täglichen Gebrauch durch die wiederholte Verformung leicht bilden können", erläutert Cordill. Material, das sich selbst reparieren kann, würde die Lebensdauer flexibler Elektroniksysteme hier natürlich entscheidend verlängern.
Das Anwendungspotenzial flexibler Elektroniksysteme ist vielfältig und reicht von der Convenience Elektronik bis zur Medizin. Noch sind flexible Elektroniksysteme Nischenprodukte. Ob sie künftig den breiten Markt erobern können, hängt wesentlich von der Entwicklung geeigneter Material-Designs ab. Am ESI in Leoben wird intensiv daran geforscht.
Kontakt:
Dr. Megan Cordill
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Jahnstr. 12, 8700 Leoben
T +43 3842 804-323
megan.cordill@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/esi
Dezember 2011