»Intelligente« Textilien Wissenschaftler beschichten Fasern mit organischen Halbleitern

Die Forscher haben schon eine Faser von 500 µm auf 5 mm zum Leuchten gebracht. Die OLEDs funktionieren auch noch, wenn die Faser gebogen wurde.
Die Forscher haben schon eine Faser von 500 µm auf 5 mm zum Leuchten gebracht. Die OLEDs funktionieren auch noch, wenn die Faser gebogen wurde.

Das Problem bei »intelligenten« Textilien war bisher, dass sich die organischen Halbleiter nicht reproduzierbar auf dreidimensionale Strukturen wie Fasern aufbringen ließen. Wissenschaftler der TU Darmstadt haben eine Maschine entwickelt, die elektronisch aktive Materialien auf Fäden aufdampfen kann.

Das Einweben von elektronischen Bauteilen in die Kleidung scheint aus ingenieurstechnischer Sicht einen wichtigen Schritt vorangekommen. Materialwissenschaftler der TU Darmstadt konnten organische Halbleiterbauelemente auf Glasfasern aufdampfen. Doch der Weg hin zu »intelligenten« Textilien ist noch weit.

»Wir haben uns organischen Leuchtdioden gewidmet, sogenannten OLEDs, weil sie die höchsten Anforderungen an die Substrate haben«, berichtet Tobias Könyves-Toth, der im Rahmen des Verbundprojektes LUMOLED die Idee für die Rotationsbeschichtung hatte.  »Es ist uns nun erstmals gelungen, funktionstüchtige OLEDs auf einen Faden aufzubringen und ihn zum Leuchten zu bringen. Das Aufbringen anderer Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren oder Solarzellen, hat andere Probleme, ist bei der Beschichtung aber im Vergleich weniger aufwendig.«

Ein Problem bei der Faserbeschichtung ist, dass sie unter Vakuumbedingungen stattfinden muss, denn OLEDs sind gegen Sauerstoff und Wasser hochempfindlich. »Wir haben mit der Rotationsbeschichtung eine Möglichkeit gefunden, die Faser im Vakuum so zu drehen, dass sie völlig gleichmäßig beschichtet wird und wir sie anschließend ohne Luftkontakt aus dem Vakuum heraus bekommen«, erläutert Könyves-Toth. Die Bauteile werden auf den Faden aufgebracht, indem die Materialien im Vakuum erhitzt werden, bis sie verdampfen. Wie bei auf dem Herd erhitztem Wasser, aus dem Wasserdampf aufsteigt und auf der Fensterscheibe kondensiert, kondensieren die Materialien auf der Faser. Insgesamt sieben Schichten müssen auf die Faser aufgetragen werden, von denen einzelne die Dicke von gerade einmal ein paar Atomen besitzen. »Insgesamt sind die auf die Faser aufgetragenen Schichten etwa 200 nm dick – das heißt, Feinstaubpartikel sind 50 Mal größer als die Schichtdicke der OLEDs.«

Und hier tut sich ein weiteres Hindernis auf: Textilfäden haben eine raue Oberfläche. Die elektronischen Bauteile funktionieren jedoch nur auf glatten Oberflächen – schon winzige Kratzer von mehr als ein paar Nanometern Tiefe können zu Defekten wie Kurzschlüssen führen.

Noch mangelt es an Langlebigkeit

»Für unsere ersten Versuche haben wir deswegen Glasfasern verwendet, denn sie haben eine sehr glatte Oberfläche «, berichtet Könyves-Toth. Aber Glasfasern sind spröde und eignen sich nicht zum Weben von Textilien. Daher unternehmen die Darmstädter nun auch Versuche mit von Polymeren ummantelten Glasfasern. Ziel ist es, für Textilien verwendete Polymerfasern mit organischen Halbleiterbauteilen zu bestücken.
Angefangen hat Könyves-Toth mit einer Faser von 1 mm Dicke. Jetzt ist man ein gutes Stück weiter: »Wir haben schon eine Faser von 500 µm auf 5 mm zum Leuchten gebracht«, freut sich Könyves-Toth. »Und sogar wenn die Faser gebogen wurde, funktionierten die OLEDs noch.«

Wenn die Versuche auch schon einen großen Erfolg darstellen – der Weg hin zu intelligenten Textilien ist noch weit. Denn die elektrische Funktionstüchtigkeit ist nicht von langer Dauer. Noch gibt es nämlich keine Lösung für eine Schutzschicht, die die organischen Halbleitermoleküle vor Sauerstoff und Feuchtigkeit schützen könnten. Erste Ansätze hierfür existieren bereits, aber bis das Verfahren zur Marktreife gelangt, wird noch einige Zeit ins Land gehen. Und auch die bislang verwendeten Fasern sind noch zu spröde und zu dick, um sie in Textilien verweben zu können. Auch halten die die leuchtenden Fasern die mechanische Beanspruchung beim Verweben der Fäden und beim Tragen der Kleidung noch nicht aus.