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Aug 07, 2023

Curvy-Elektronik kommt der Massenproduktion einen Schritt näher, inspiriert von Bonbonpapier

Stellen Sie sich einen Baseball mit einem gebogenen Sensor auf der Lederhaut vor, der den Werfern jedes Detail ihrer Leistung mitteilen könnte. Stellen Sie sich eine Kontaktlinse vor, in die ein flexibler Mikrochip eingebettet ist, der lesen kann

Stellen Sie sich einen Baseball mit einem gebogenen Sensor auf der Lederhaut vor, der den Werfern jedes Detail ihrer Leistung mitteilen könnte. Stellen Sie sich eine Kontaktlinse vor, in die ein flexibler Mikrochip eingebettet ist, der den Glukosespiegel im Auge ablesen kann, sodass sich Diabetiker nicht in die Finger stechen müssen.

Dies sind nur einige der Anwendungen, die Ingenieure für gebogene, flexible Elektronik träumen. Doch bislang gab es keine praktikable Methode zur Massenproduktion. Das könnte sich dank eines aktuellen Artikels in Science Advances ändern, der eine elegante Methode beschreibt, traditionell zweidimensionale Elektronik, die in Massenproduktion auf flachen, planaren Platten hergestellt wird, um gekrümmte Oberflächen zu wickeln.

„Das ist, als würde man eine Süßigkeit einpacken“, sagt Co-Autor Xue Feng, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Tsinghua-Universität in Peking, China. Die Hülle sei eine zweidimensionale Ebene, erklärt er, sie könne sich jedoch verformen, um eine runde Süßigkeit zu umarmen.

Heutzutage sind die meisten tragbaren Elektronikgeräte – zum Beispiel die Prozessorchips in einer Apple Watch – in flache Siliziumwafer eingebettet (siehe Tragbare Technologie trifft Tattoo-Kunst, um beides zu revolutionieren). Das Gehäuse der Uhr ist flach. Zu Beginn dieser jüngsten Arbeit versuchte Co-Autor Ying Chen, Elektroingenieur am Institut für flexible Elektroniktechnologie der Tsinghua-Universität in Zhejiang, Siliziumchips zu biegen und zu biegen, um eine gekrümmte Oberfläche zu umhüllen. „Aber Silizium ist spröde und steif und lässt sich nur schwer verformen“, sagt sie. „Es ist leicht zu brechen.“

Chen begann nach alternativen Lösungen zu suchen und stieß auf eine Mathematikarbeit aus dem Jahr 2009. Darin wurden theoretische Lösungen dafür vorgestellt, wie man einen runden Gegenstand am effizientesten in ein flaches Blatt einwickeln und dabei Falten vermeiden kann, die Material verschwenden würden. Basierend auf den Gleichungen in dieser Arbeit verwendeten Chen und Feng geometrische Modelle, um die effizienteste Form für ein 2D-Blatt zu entwerfen, das sich leicht um eine Kurve wickeln lässt. Anstelle eines Rechtecks, wie ein Stück Papier, das um einen Ballon gewickelt wird, fanden sie heraus, dass die effizienteste Form einer gepressten Blume mit Blütenblättern ähnelt, die sich um ein gebogenes Objekt schließen kann. Anstelle von sprödem Silizium verwendeten sie dehnbares Elastomer, halbleitende Materialien und Metalle.

Die nächste Frage war, wie man die Blütenblätter physisch um ein gebogenes Objekt wickeln kann, sodass sie bei Tausenden identischer Objekte, die auf einer Produktionslinie hergestellt werden, genau in die gleiche Position fallen. „Ausrichtung ist wichtig“, sagt Chen, weil sie letztendlich die Funktion des Produkts beeinflussen kann.

Zuerst bog sie die Blütenblätter vorsichtig von Hand auf runde Objekte, zog dann eine Schutzfolie ab und härtete die Elektronik mithilfe von UV-Licht auf der gekrümmten Oberfläche aus. Um den Prozess zu automatisieren, entwickelten sie und Feng eine sanfte Presse, bei der das blütenblattförmige Blatt und das runde Objekt beide in ein dünnes Röhrchen mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter und der Breite eines Reagenzglases gelegt werden. Anschließend bläst sich im Schlauch ein Ballon auf, der sanften und gleichmäßigen Druck auf die Blütenblätter ausübt, sodass diese sich um das gebogene Objekt legen.

Blütenblätter umwickeln diese Kugel viel effizienter als ein rechteckiges Blatt. Bildnachweis: Xingye Chen, Xue Feng, Ying Chen

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung gekrümmter Sensoren „besteht darin, sie tatsächlich auf das Objekt anzuwenden, das uns wichtig ist“, sagt Tyler Ray, Professor für Maschinenbau an der University of Hawaiʻi in Mānoa. Diese Autoren hätten eine „clevere, elegante Methode“ entwickelt, um Sensoren mithilfe traditioneller 2D-Methoden herzustellen und sie dann an dreidimensionale Objekte zu kleben, sagt er. Ray weist jedoch darauf hin, dass es auch andere Möglichkeiten gibt, diese Aufgabe zu erfüllen – beispielsweise die Verwendung von 3D-Druckverfahren anstelle des hier vorgeschlagenen Transferdrucks. Das Schöne an dieser Methode sei jedoch, betont er, dass sie auf gut verstandenen und gut kontrollierten Herstellungstechniken beruht, während der 3D-Druck zeitintensiver und pro Einheit teurer wäre.

Der biomedizinische Ingenieur Philipp Gutruf hält den skalierbaren Ansatz und die Designrichtlinien, die in diesem Artikel bereitgestellt werden, für eine wertvolle Ergänzung der Literatur. Er hat den allgemeinen Ansatz, 2D-Vorlagen um 3D-Objekte zu wickeln, in anderen Veröffentlichungen gesehen – zum Beispiel das Einwickeln des Herzens in ein drahtloses Gerät zur Steuerung und Überwachung bei Mäusen. Aber der skalierbare Ansatz ist hier neu und die Designrichtlinien für sphärische Formen könnten sehr nützlich sein, bemerkt Gutruf, der an der University of Arizona in Tucson arbeitet. Ob diese Arbeit auf andere komplexe Formen anwendbar ist, wie sie für biomedizinische Geräte erforderlich sind, bleibt abzuwarten.

Der nächste Schritt besteht darin, das Konzept durch Massenproduktion für die Industrie zu testen, sagt Feng. Er stellt sich ultradünne, gebogene Sensoren in Smartphones und Kameras vor. Seine Gruppe arbeitet derzeit an gebogenen Sensoren in Kontaktlinsen zur Blutzuckermessung bei Diabetikern. Sie hoffen, die Ergebnisse später in diesem Jahr mitteilen zu können.

Laut Feng bietet diese neueste Arbeit vorerst „eine einfache und robuste Methode, um gebogene Späne auf jede Oberfläche zu übertragen“.

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