Forschung

INNO-KOM 49MF200091

Abstract
Um die zunehmenden Anforderungen an gedruckte, elektronische Produkte, wie Flexibilität, Atmungsaktivität und bekleidungsphysiologische Eigenschaften z. B. für Sensoren im Sport- und Freizeitbereich oder Antennen zur Datenübertragung erfüllen zu können, sind textile Lösungen gefragt. Ergebnis des Projektes ElsaTT ist eine Technologie zur Herstellung von elektrisch hoch leitfähigen, gedruckten Strukturen direkt auf Textilien mittels Thermotransferdruck ohne den Umweg über Zwischensubstrate, wie Folien. Die Herausforderung im Projekt war, hochleitfähige Thermotransferbänder auf Basis von Aluminium, im Druckprozess flächig und durchgängig leitfähig auf die textilen Substrate zu übertragen. Die im Projekt erzeugten Strukturen sind für RFID-Anwendungen mit kurzer Reichweite, u. a. das Auslesen von Daten oder elektronische Zutrittskontrollen geeignet. Für den Aufbau von Sensornetzwerken muss die Güte der Antennen noch deutlich verbessert werden.

Aufgabenstellung
Ziel des Projektes war es, die für den elektrisch leitfähigen Thermotransferdruck auf Textilien maßgeblichen Einflussfaktoren zu erforschen und so anzupassen, dass die Adaption dieses kostengünstigen Verfahrens für die Herstellung elektronischer Textilen möglich wird. Zur Validierung der Umsetzbarkeit auf textilen Basismaterialien werden ausgewählte textile Untergründe (z. B. gewebte Etiketten) auf die Bedruckbarkeit mit elektrisch hoch leitfähigen Strukturen im Thermotransferdruck bewertet. Für die textilen Substrate ist eine geeignete Vorbehandlung notwendig, um den Auftrag und die Haftung der gedruckten Strukturen zu errei-chen. Dafür ist vor allem eine möglichst ebene und haftfähige Textiloberfläche zu erzeugen. Diese Oberfläche kann zur Haftungsoptimierung auch mikrostrukturiert werden. Weiterhin ist untersucht worden, ob eine Schutzschicht auf die leitfähig gedruckten Strukturen aufgetragen werden muss, um die notwendige mechani-sche Beständigkeit des Aufbaus für den späteren Verwendungszweck zu erreichen. Zudem sind die elektri-schen Eigenschaften der gedruckten Strukturen sowie deren Verhalten unter textiltypischen Belastungen untersucht worden.

Lösungsweg
Durch ihre Eigenschaften wie Verformbarkeit und Atmungsaktivität sind Textilien prädestiniert, um in flexible elektronische Systeme integriert zu werden. Die bisher eingesetzten Verfahren zur Erzeugung von hoch-leitfähigen, gedruckten Strukturen auf textilen Flächengebilden, wie beispielsweise der Sieb- oder Chromojet-druck, erfordern nasschemische Pastenformulierungen mit kostenintensiven, leitfähigen Partikeln. Dies sowie notwendige Schablonen, Maschinenumbauten oder Zusatzaggregate sorgen dafür, dass herkömmliche Ver-fahren nur bedingt für eine industrielle Umsetzung geeignet sind. Im Projekt ist daher die Technologie des Thermotransferdrucks elektrisch hoch leitfähiger Strukturen auf textile Substrate übertragen worden, um geeignete Strukturen für die dauerhafte Kontaktierung von SMD-Bauteilen selbst mit Losgröße 1 wirtschaftlich umsetzen zu können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drucktechniken sind keine aufwendigen nasschemischen Pastenformulierungen mit leitfähigen Partikeln notwendig.

Ergebnis und Anwendungen
In der Projektarbeit sind verschiedene textile Substrate ausgewählt und untersucht worden. Dabei erweist sich eine Vliesstruktur für die im Anforderungsprofil definierten Parameter als besonders geeignet. Es sind verschiedene Untersuchungen zur Vorbehandlung durchgeführt worden, um eine optimale Haftung nachfol-gender Schichten zu gewährleisten. Dazu sind einfache und auf die Prüfungen zur Bewertung der Vorbehand-lung zugeschnittene Druckstrukturen (Layout Teststruktur) entwickelt worden. Diese Teststrukturen sind auf unterschiedlich vorbehandelte Substrate gedruckt und hinsichtlich ihrer Haftung und der Durchgängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit untersucht worden. Weiterhin sind geeignete Druckparameter für den Thermotrans-ferdruck hochleitfähiger, elektronischer Strukturen für RFID-Anwendungen erarbeitet worden. Für die Entwick-lung des Demonstrators ist ein Layout einer geeigneten Antennenstruktur entwickelt worden. Diese Anten-nenstruktur ist mittels Thermotransferdruck auf ein speziell vorbehandeltes textiles Vliesmaterial kontinuierlich aufgedruckt worden, vgl. Abb. 1. Auf den somit erzeugten elektronischen Strukturen sind im Anschluss elektronische Bauteile in SMD-Technologie (Surface Mount Device - Oberflächenmontage) aufgebracht und mittels Löten kontaktiert worden. Eine mittels Kaschiertechnologie aufgebrachte Schutzschicht gewährleistet die Gebrauchseigenschaften der erzeugten Strukturen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, können von Sensoren gesammelte Werte mittels RFID Technik an ein Lesegerät übermittelt werden.

Abb. 1: Leitfähiger Thermotransferdruck auf Vliesmaterial

Abb. 2: Funktionsmuster am Modell mit RFID Leseeinheit

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens 49MF200091 “Elsa TT“, die als Zuwendung aus dem Bundeshaushalt erfolgte.