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Flexible Elektronik: Dehnbare Schaltungen mit herkömmlichen Bauteilen

Flexible Elektronik

In den vergangenen Jahren präsentierten Forscher eine Vielzahl an verschiedenen Ansätzen, um eine flexible und dehnbare Elektronik zu realisieren. Begrenzt worden sei der praktische und breitere Einsatz vor allem dadurch, meinen Sang-Hoon Lee von der Korea University im südkoreanischen Seoul und seine Kollegen, dass sich kommerzielle elektronische Bauteile nur schwer direkt in diese Schaltungen integrieren lassen. Dieses Manko überwinden die Wissenschaftler nun mit einem einfachen und kostengünstigen Verfahren.

Als Trägermaterial für ihre flexiblen Schaltungen verwenden die Forscher eine elastische Silikonschicht, die von winzigen Hohlräumen durchsetzt ist. Auf dieses Substrat dampften sie Leiterbahnen aus Gold und Titan auf. Eine so entstandene Elektrode ließe sich nun um bis zu 80 Prozent dehnen, bevor sie den elektrischen Strom nicht mehr leitet, berichten Lee und sein Team. Zudem können solche mikroporösen Elektroden auch um bis zu 150 Grad gebogen werden, ohne die Leitfähigkeit dabei zu verlieren. Möglich sei das durch die komplexe Struktur des Trägermaterials: Zwar würden einige der metallbeschichteten Poren brechen, doch über die vielfältigen Verbindungen innerhalb einer Leiterbahn bliebe der Stromfluss gewährleistet. Selbst nach 20 000-fachem Dehnen um rund dreißig Grad, so die Autoren.

Flexible Elektronik mit konventionellen Leuchtdioden | Lee und seine Kollegen nutzen für ihre flexible Elektronik ein mikroporöses Trägermaterial aus einem elastischen Kunststoff. Das Bild zeigt beispielhaft eine elektronische Schaltung, in die zahlreiche Leuchtdioden eingelötet wurden. Diese leuchten, selbst wenn man den Stromkreis dehnt.

Um auch konventionelle elektronische Bauteile auf der Trägerschicht befestigen zu können, brachten Lee und seine Kollegen per Elektrolyse winzige "Anker" aus Nickel auf leitende Bereiche des Substrats auf. An diese Anker löteten sie in ihrem Experiment dann zu Demonstrationszwecken insgesamt 64 herkömmliche Leuchtdioden. Deren Helligkeit würde durch das Biegen und Dehnen des Trägermaterials nicht beeinflusst, berichten die Forscher.

Besondern eignen würden sich die neuen Elektroden für biomedizinische Anwendungen, etwa um ein Elektrokardiogramm durchzuführen. Da das Trägermaterial Polydimethylsiloxan als hautverträglich gilt, kann die Elektrode auch über längere Zeiträume von Patienten getragen werden. Das belegen auch Tests der Forscher, bei denen zehn Probanden die Elektroden für eine Woche auf der Haut behielten. Darüber hinaus stimmten die gemessenen Signale mit denen eines herkömmlichen Elektrokardiogramms überein.

Auch ließen sich die Elektroden problemlos in Gewebe implantieren, wie Versuche an Mäusen zeigten. Selbst nach zwei Monaten schien das Gewebe am Rücken der Tiere nicht durch die Biosensoren gereizt. Mit ihrem Verfahren ebenfalls herstellbare Mikroelektroden würden sich zudem eignen, die Gehirnaktivität zu messen. Das sei zum Beispiel für Gehirn-Computer-Schnittstellen interessant.

Durch ihre flexible Bauart passen sich die Biosensoren den Bewegungen des Körpers oder des Gewebes in allen Fällen an, während sie dicht an der Haut oder den Organen anliegen, so Lee und sein Team. Zudem könnten ihnen Körperflüssigkeiten, etwa Schweiß, nichts anhaben. Mit diesen Eigenschaften sei ihre Technik in vielen biomedizinischen aber auch in anderen Bereichen einsetzbar.

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  • Quellen
Nature Communications, 10.1038/ncomms1980, 2012

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