Vom Klebeband zur dehnbaren Elektronik

Ein Team von Wissenschaftlern des MIT ließ sich von abblätterndem Klebeband auf glatten Oberflächen inspirieren und entwickelte daraus ein neues Konzept zur Herstellung dehnbarer elektronischer Schaltungen.

An dehnbare Elektronik hatte Mathematiker Pedro Reis zuerst sicher nicht gedacht, als er tagtäglich den aus Klebebändern gebastelten »MIT«-Schriftzug betrachtete, der an der Glastür seines Labors am Massachusetts Institute of Technology prangte. Doch irgendwann trieb ihn seine wissenschaftliche Neugier dazu, den Blasen und Verwerfungen auf den Grund zu gehen, die sich im Klebeband bildeten, während es sich im Laufe der Zeit langsam von der Oberfläche der Glasscheibe ablöste. »Es ist etwas vollkommen Alltägliches, etwas, das jeder kennt, doch wenn man es aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, erhält man plötzlich ganz neue Erkenntnisse«, so Reis zu seinem Forscherdrang.

Den Effekt, den Reis in seinem wissenschaftlichen Artikel beschreibt, nennt er »Delaminierung« – das Ablösen einer klebenden Folie, z.B. Klebeband, von glatten Oberflächen wie z.B. Glas. Die von ihm beobachteten Blasen und Verwerfungen entstehen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der zwei Medien, wenn beide beispielsweise durch Sonnenlicht erwärmt werden. Ein weiterer Auslöser für die Delaminierung, so fand Rise heraus, ist das Stauchen der Oberfläche.

Mit Glas geht das natürlich nicht, doch wenn das Klebeband auf einem flexiblen Trägermaterial haftet, beobachtete Reis dieselben Verwerfungen wie an der von Sonnenlicht erwärmten Glasscheibe. Bei flexiblen Trägermaterialien erkannte der Forscher außerdem, dass es ein Limit der Belastung dieses Verbundwerkstoffs gibt: Die Klebefolie macht die Stauchung des Trägermaterials nur bis zu einem gewissen Beanspruchungsgrad mit. Wird dieser überschritten, springt sie an bestimmten Stellen von der Oberfläche ab und bildet kleine Blasen und bogenartige Strukturen.

Das Forscherteam um Pedro Reis erzeugte diese Blasen experimentell, in dem die Wissenschaftler Trägermaterialien kontrolliert dehnten und stauchten und die so entstehenden Blasen untersuchten. Aus diesen Daten entwickelten sie eine Formel, die die Bildung, Größe und Entwicklung solcher Blasen beschreibt.


Von diesem, aus Klebestreifen bestehendem MIT-Schriftzug lies sich Pedro Reis zu seiner Arbeit über Delaminierungseffekte inspirieren.

Das Team fand heraus, dass die Größe der Blasen von der Elastizität der Klebefolie, dem Substrat sowie der Stärke des Klebers, der die beiden Materialien verbindet, abhängt. Ihr Modell ist dabei in der Lage, die Größe der entstehenden Blasen unter speziellen Bedingungen exakt vorherzusagen.

Von den Blasen zur dehnbarer Schaltung

Nun sind diese Delaminierungs-Effekte ja etwas, was bei der Verbindungstechnik eigentlich vermieden werden sollte, doch die Forscher erkannten den Nutzen ihrer Entdeckung für die Entwicklung von dehnbaren elektronischen Schaltungen: Auf die selbe Art, wie Klebefolien sich auf flexible Oberflächen aufbringen lassen und durch kontrolliertes Ablösen alle Bewegungen des Trägermaterials mitmachen, ließen sich laut Rise auch Drähte einer Schaltung auf flexible Träger aufbringen. Es entstünde eine flexible und dehnbare Schaltung, die sogar Dreh- und Torsionsbewegungen mitmacht und unbeschadet übersteht. Als Trägermaterialien der Schaltung empfehlen die Wissenschaftler in ihrer Veröffentlichung hochfeste und flexible Materialien wie z.B. Grafen. 

An dehnbaren Schaltungen wird schon seit über zehn Jahren geforscht. Einige Entwicklungen fanden bereits Verwendung in elektronischem Papier oder flexiblen Displays, doch ein Durchbruch auf dem Massenmarkt scheint noch weit entfernt. Die Entdeckung der MIT-Forscher könnte der Entwicklung serienreifer dehnbarer Schaltungen einen neuen Impuls geben.