Forschungsschwerpunkt

Dehnbare Elektronik findet in unterschiedlichen Themenfeldern zunehmend an Bedeutung. Anwendung findet sie beispielsweise in Wearables wie Smartwatches und -rings, Fitness-Trackern oder intelligenter Kleidung. Diese Produkte können komfortabel am Körper getragen werden, ohne dabei die Bewegungsfreiheit einzuschränken. So können sie nahtlos in den Alltag integriert werden. Als dehnbare Solarzellen und Batterien können sie zur Energieerzeugung und -speicherung genutzt werden.

Stretchable Electronics können dazu beitragen, Fortschritte in der medizinischen Diagnostik und Therapie zu machen. Die Integration in medizinischen Geräten und Implantaten ermöglicht präzisere und personalisierte Diagnosen und Therapien. Dehnbare Sensoren und elektronische Implantate können beispielsweise bei der Überwachung von chronischen Krankheiten, der Rehabilitation von Verletzungen oder der Verabreichung von Medikamenten eine entscheidende Rolle spielen. Stretchable electronics könnten u. a. dazu beitragen, neuroprothetische Systeme für die Neuromodulation der Wirbelsäule aufzubauen und so die Beweglichkeit nach einer Querschnittslähmung aufgrund einer Rückenmarksverletzung (SCI) wiederherstellen. Ebenso können sie zur Überwachung des Blasenvolumens genutzt werden, die bei Patienten mit SCI durch eine Gewebedeformation auftreten und so die Lebensqualität verbessern.

Bei der Entwicklung von humanoiden Robotern und weichen Robotiksystemen spielt dehnbare Elektronik eine Schlüsselrolle. Durch die Integration von elektronischer Haut mit dehnbaren Druck- und Temperatursensoren können Roboter eine verbesserte Tastsensibilität und Beweglichkeit erreichen, was zu sichereren und effizienteren Interaktionen mit Menschen führt oder es ermöglicht fragile Dinge wie z.B. Eier oder Tomaten automatisiert zu handhaben. Diese Technologie hat das Potenzial in der Robotik, der Prothetik und der Mensch-Maschine-Interaktion revolutionäre Fortschritte zu erzielen.

Die Dehnbarkeit von Elektronik wird durch die verwendeten Substrat- und Leitermaterialien sowie angepasste Designregeln ermöglicht. Das Fraunhofer IZM besitzt in diesen Bereichen eine breit aufgestellte Expertise. Als Substrate haben sich Thermoplastische Polyurethane (TPU) und Silikone bewährt. Bei der Technologiewahl für die elektrischen Leiter gibt es auch diverse Möglichkeiten mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Am Fraunhofer IZM entwickelt und bereits industriell verfügbar wird konventionelle Kupferfolie genutzt, welche in std. Leiterplattenprozessen fotolithografisch in Mäanderform strukturiert wird (SCBs = Stretchable Circuit Board). Darüber hinaus werden elektrisch leitfähige Textilien zum Aufbau von Textile Printed Circuit Board (TexPCBs) verwendet oder leitfähige Pasten auf Basis von Silber, Kohlenstoff mittels Drucktechnologie appliziert. Ein relativ neuer Weg ist der Einsatz von Flüssigmetalllegierungen z.B. Gallium-Indium-Zinn-Legierungen die strukturiert auf dehnbaren Substraten enormes Potenzial für extrem Dehnbare System bieten.

Die dehnbare Elektronik muss robust genug sein, um den Belastungen des täglichen Gebrauchs standzuhalten. Daher liegt neben der Entwicklung ein weiterer Schwerpunkt des Fraunhofer IZMs auf der Zuverlässigkeitsprüfung und Analytik. Dabei kommen sowohl konventionelle als auch anwendungsbezogene und maßgeschneiderte Prüfverfahren zum Einsatz.