Dehnbare Leiterplatte bringt Stoffe zum Leuchten

Das Fraunhofer IZM hat einen dehnbaren Schaltungsträger entwickelt, der sich in Stoffe einweben lässt. Mit einem interaktiv leuchtenden Kleid, in das die Forscher, LED, Sensoren und einen Mikrocontroller einwebten, demonstrierten sie ihre Entwicklung.

Die Grundlage des durch LEDs leuchtenden Kleids ist eine dehnbare Leiterplatte, die das Fraunhofer IZM zusammen mit der TU Berlin im europäischen Projekt STELLA (STretchable ELectronics for Large Area Applications) entwickelt hat. Das Substrat der Leiterplatte bildet eine dehnbare Folie aus thermoplastischem Polyurethan (TPU). Dieser Kunststoff ist in der Textilindustrie schon lange im Einsatz, beispielsweise als atmungsaktive Membran in Regenschutzkleidung.

Auf das Substrat laminieren die Forscher eine 18 bis 35 µm dünne Kupferfolie, die sie mit gängigen Belichtungs- und Ätztechniken strukturieren. Um auch bei den nicht dehnbaren Kupferbahnen eine Elastizität zu erzeugen, strukturieren die Wissenschaftler die Leiterbahnen in Meanderform. Damit erreichen sie eine Elastizität der Kupferbahnen von bis zu 300 Prozent.

Beim Bestücken einer solchen dehnbaren Leiterplatte ist der Übergang vom dehnbaren Substrat zu den starren Komponenten der kritische Punkt. Um die Stabilität der Leiterplatte zu gewährleisten, müssen die Forscher an diesen Stellen die Elastizität unterdrücken. Dazu strukturieren sie so genannte Zugsperren um die Komponenten herum in das Kupfer.

Eine Zielsetzung der Forscher war es, bei der gesamten Herstellung möglichst auf Standardverfahren zurückzugreifen, d.h. für die Bestückung und anschließende Verkapselung verwenden sie gängige Materialien und Verfahren wie z.B. Niedertemperaturlote, leitfähige Klebeverbindungen, Dispensen oder Spritzguss.

Die auf diese Weise hergestellte dehnbare Leiterplatte lässt sich in einem Standardverfahren, dem Thermopressen, bei etwa 190 °C auf Textilien übertragen. Die dehnbare TPU-Folie dient dabei einerseits als Schaltungsträger, andererseits auch als Fixierung der Elektronik auf dem Textil. Nach dem Transferprozess bleiben die textilen Eigenschaften wie Reißbeständigkeit und Biegestabilität des Stoffes erhalten; die Elektronik »verschwindet« nahezu unsichtbar im Stoff.

Aus Bewegungen werden Lichteffekte

Die außergewöhnlichen Eigenschaften des leuchtenden Stoffes inspirierte Designstudenten aus Berlin dazu, zusammen mit dem Fraunhofer-Institut ein interaktiv leuchtendes Kleid zu entwerfen. Sie integrierten neben den LEDs, die den Stoff zum Leuchten bringen auch Beschleunigungssensoren und einen Mikrocontroller in das Kleidungsstück. Die Sensoren erfassen dabei die Bewegungen der Trägerin, der Mikrocontroller verarbeitet diese Daten zu einem dynamischen Lichtmuster und steuert die LEDs an. 

Doch die Anwendungsmöglichkeiten der dehnbaren Leiterplatte beschränkt sich nicht nur auf die Mode: Überall dort, wo Sensoren nah am Körper getragen werden müssen um beispielsweise Vitalparameter zu überwachen, sind dehnbare Leiterplatten einsetzbar: Sie passen sich der Form und Dynamik des Körpers an und können so angenehm getragen werden. Zu den neuen Produktideen der Forscher im Rahmen des STELLA-Projekts zählen z.B. T-Shirts zur Atmungsüberwachung oder ein intelligenter Wundverband, der mit integrierten Sensoren Sekrete detektiert oder erkennt, ob der Verband zu eng sitzt.