Dehnbare Elektronik kein Wunschtraum mehr
EU-finanzierte Forscher aus Frankreich und den USA, die das Ablösen von Aufklebern von Fenstern untersuchen, haben einen neuen Weg gefunden, um die Herstellung dehnbarer Elektronik unter Kontrolle zu bringen. Die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Ergebnisse werden Auswirkungen auf die Entwicklung elektronischer Geräte - eingebettet beispielsweise in OP-Handschuhe -, flexibler Displays und elektronischen Papiers haben. Die Resultate sind ein Ergebnis des MECHPLANT-Projekts (The role of mechanical instabilities in leaf development), das mit Mitteln in Höhe von 1,3 Mio. EUR innerhalb des Themenbereichs "Neue und aufkommende wissenschaftliche und technologische Entwicklungen" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) gefördert wurde. Die MECHPLANT-Partner erforschten die Formenbildung bei der Blattentwicklung, um das Zusammenspiel zwischen genetischen Eigenschaften von Pflanzen und mechanischen Instabilitäten besser zu verstehen. In der aktuellen Studie analysierte das Team, wie auf Glas angebrachte Aufkleber Falten bekommen, Blasen werfen und sich schichtweise ablösen. Man sieht zum Beispiel oft, dass sich zwischen einem Aufkleber und einem Autofenster Luftblasen bilden; das wird normalerweise durch die wärmebedingte Ausdehnung des Aufklebers verursacht. Andererseits bewirkt eine Kompression der Oberfläche, dass der Aufkleber oder die Schicht gebogen wird, bis er bzw. sie sich von der Oberfläche abhebt und Blasen bildet. "Das ist eine völlig alltägliche Sache, die wohl jeder kennt, aber wenn man sie auf eine andere Art betrachtet, entdeckt man etwas ganz Neues", so Pedro Reis, Mitglied des Forscherteams, vom Massachusetts Institute of Technology in den USA. Nach Angaben der Autoren wurden schon erhebliche Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie Beulen, Falten und Delaminationen (Ablösungen) dünner Schichten am besten vermieden werden können. In neueren Studien wurden jedoch gerade diese Eigenschaften unter Kompression zur Entwicklung flexibler elektronischer Geräte ausgenutzt. "Eine große technologische Herausforderung, die die Entwicklung derartiger Geräte einschränkt, ist die Anforderung, dass das Substrat biegbar sein muss, ohne die elektrischen Leitungen zu beschädigen, die die Schaltung bilden", erklären die Forscher. "Ein möglicher Weg zur Lösung dieser schwierigen Aufgabe ist der Einsatz eines Polymersubstrats, das zunächst gedehnt wird und auf das dann die Drähte entsprechend dem Schaltplan aufgebracht werden", so die Studie. Wenn dann das Substrat entlastet werde, wölbten sich die relativ steifen Drähte auf, was zu "instabiler Faltenbildung" und in der Folge zur Bildung von Delaminationsblasen führe. Die Blasen erleichterten dann die Verformbarkeit des Substrats, da die Leitungen eher verbogen als gedehnt werden könnten. Die Forscher dehnten und komprimierten Oberflächen mit auf diesen angebrachten dünnen Schichten und vermaßen die Dimensionen der entstehenden Blasen. Sie klebten eine dünne Polypropylenfolien auf ein weiches Substrat, das entweder dünn (ausgedehnt vor dem Aufkleben) oder dick (ungedehnt) war. Die dünnen und dicken Substrate wurden dann zusammengedrückt. Zuerst erschien eine einzelne Blase; nach weiterer Kompression tauchte eine Reihe von nahezu identischen Blasen auf. Die Abmessungen der ersten Blase und die nachfolgende Entstehung mehrerer Blasen wurden dann charakterisiert. Die Ergebnisse ermöglichten es den Wissenschaftlern, ein Modell für die Bildung, Größe und Entwicklung der Delaminationsblasen aufzustellen. Die Blasengröße, so stellen sie fest, hängt von der Elastizität der Schicht, des Substrats und der Stärke der Haftung zwischen diesen ab. Das neue Modell sagt erfolgreich die Größe der Blasen voraus, die unter bestimmten Bedingungen ausgebildet werden. "Delaminationsblasen haben eine charakteristische Größe, die sie auch einzunehmen versuchen", erläutert Dominic Vella vom französischen Nationalen Forschungszentrum (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS). "Wir haben diese Größe charakterisiert, sodass sie im Prinzip folgerichtig aus den Parametern eines gegebenen Systems ermittelt werden kann." Die gewollte Schaffung von Flächen mit abgelösten Schichten könne die Gestaltung flexibler Geräte wesentlich vereinfachen, stellt das Team fest, da sich die an einer Oberfläche angebrachten Drähte mit dem Material bewegen könnten, ohne zu brechen. Wenn die Drähte bereits von der Oberfläche getrennt seien, begründet das Team, führe das Hin- und Herbiegen des Materials nicht zum Bruch. Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass ultradünne und hochfeste Schichten wie etwa Graphenschichten "der ideale Werkstoff für Anwendungen biegbarer Schaltungen in kleinen Größenordnungen mittels Delaminationsstrukturen" sein könnten. Frühere Arbeiten hatten eher auf komplexe Mikroproduktionsverfahren gesetzt, um Delaminationsblasen erscheinen zu lassen. Das neue Modell bietet den Ingenieuren die Möglichkeit, die Delamination genauer unter Kontrolle zu bekommen, und könnte die Entwicklung dehnbarer Elektronik mithilfe der Blasenbildung des Materials erheblich erleichtern.
Länder
Frankreich, Vereinigte Staaten