Haute Couture aus dem Labor für Experimentalphysik

Flachste Drucksensoren, die sich auch zu sensiblen Textilien verarbeiten lassen, wurden jetzt von einem Team österreichischer PhysikerInnen entwickelt. Der Aufbau eines genügend großen elektrischen Spannungsfeldes in Polymerschäumen stellte dabei den Durchbruch für den Erfolg dar. So gelang es, flächige Transistoren in Reaktion auf Druck zu schalten. Anwendungen, die sich aus diesem Projekt des Wissenschaftsfonds FWF ergeben können, sind z. B. flächige Mikrofone, Drucksensoren für Hautersatz oder eben interaktive Kleidung.

Flach ist das neue Chic in der Elektroindustrie. Die omnipräsenten Flachbildschirme geben davon Zeugnis. Möglich geworden sind solche Anwendungen durch flächige Transistoren (TFT). Seit einiger Zeit sind auch flächige Drucksensoren bekannt. Diese so genannten Ferroelektrete sind elektrisch geladene Polymerschäume, die in Reaktion auf Druck ein elektrisches Signal erzeugen. Bisher war es noch nicht gelungen, dieses Signal zur Schaltung flächiger Transistoren zu nutzen. Genau das aber schaffte jetzt ein österreichisch-amerikanisches Team. Ein Durchbruch bei der Entwicklung flächiger drucksensibler Schalter, die auf Grund ihrer Sensibilität und geringer Herstellungskosten viele Anwendungsmöglichkeiten haben.


ELEKTRO-SANDWICH

"Es kommt auf die richtige Schichtung der Komponenten an", erklärt der Projektleiter Prof. Siegfried Bauer vom Institut für Experimentalphysik der Johannes Kepler Universität Linz. "Wir haben auf einem Trägermaterial aus Polymid einen Propylen-Schaum über einem TFT aufgebracht. Diese TFTs sind ja aus den Flachbildschirmen bekannt." Der polymere Propylen-Schaum ist der eigentliche Sensor. Bei Druck nähern sich die unterschiedlich geladenen Seiten der einzelnen Hohlräume im Schaum an und erzeugen ein elektrisches Signal. Dazu Prof. Bauer: "Das Tolle an dieser Kombination ist, dass die Schaltung des Transistors vorübergehend ist. Lässt der Druck auf die Propylen-Schicht nach, kehrt die Schaltung des Transistors in seine Ausgangslage zurück. Bisher hatte man in ähnlichen Versuchen nur permanente Schaltungen geschafft, in denen der Transistor nicht in seine Ausgangslage zurückkehrte. Das ist für einen Drucksensor natürlich ungeeignet. Dieser würde ja selbst bei Nachlassen des Drucks noch ein Signal abgeben."


FUNKTIONELLE FORSCHUNG

Der praktische Nutzen dieser Arbeiten des Teams um Prof. Bauer und seiner Kollegen an der Princeton University in den USA ergeben sich aus zwei Tatsachen: Zum einen ist die Drucksensibilität hoch und bei verschiedenen Druckstärken gegeben, zum anderen sind die verwendeten Materialien billig.

Dazu Prof. Bauer: "Die Druckempfindlichkeit des Sensors reichte in unseren Messungen von wenigen Pascal bis zu einem Megapascal. Das ist immerhin ein Unterschied von sechs Größenordnungen. Dabei wurde eine Spannung bis zu 100 V gemessen. Mehr als genug, um die Transistoren zu schalten. Tatsächlich ergaben unsere Berechnungen, dass die Spannungen bis zu 340 V betragen, diese aber auf Grund des Widerstandes in den Messapparaturen nicht direkt gemessen werden können." Aus dieser Empfindlichkeit ergibt sich z. B. die Möglichkeit der Verwendung als Mikrofon. Denn eine Lautstärke von 100 db entspricht ca. einem Druck von 2 Pascal. Tatsächlich konnte das Team von Prof. Bauer anhand des Prototyps eines flächigen Mikrofons eine lineare Beziehung zwischen Lautstärke (bzw. Luftdruck) und erzeugter Spannung demonstrieren.

Die günstigen Produktionskosten der verwendeten Materialien sind ein weiterer Grund für die praktische Verwendbarkeit der neuen Entwicklung aus diesem Projekt des FWF. So wird das für die Polymerschäume verwendete Propylen heutzutage sowohl im Haushalt als auch in der Verpackungs- und Automobilindustrie verwendet - ohne dass die Eigenschaft als Ferroelektret genutzt wird. Auch die Preise für TFTs fallen ständig, und werden diese beiden Komponenten auf einen flexiblen Untergrund aufgebracht, dann steht der Verwendung als Drucksensor in künstlichem Hautersatz oder als Textil nicht mehr viel im Wege. Fashionista beware: Designed by FWF on a catwalk near you.

Veröffentlichung: Flexible ferroelectret field-effect transistor for large-area sensor skins and microphones. Graz et al., Applied Physics Letters 89, 073501 (2006)

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Siegfried Bauer
Institut für Experimentalphysik
Johannes Kepler Universität Linz
Altenberger Straße 69
A-4040 Linz
T +43 / 650 6168 527
sbauer(at)jku.at

Der Wissenschaftsfonds FWF
Mag. Stefan Bernhardt

Redaktion & Aussendung
PR&D - Public Relations for Research & Development
Campus Vienna Biocenter 2
A-1030 Wien
T +43 / 1 / 505 70 44
contact(at)prd.at