Faszination Technik Elektronische Schalter aus smarter Folie

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie dünne, leichte Folien zu einer neuen Generation von energieeffizienten Transistoren werden.

Was der Wasserhahn für Wasser ist, sind Transistoren für Strom – so werden diese elektronischen Bauteile oft erklärt: Man stelle sich Strom wie Wasser vor, das mit dem Druck der elektrischen Spannung aus der Leitung schießt. Mit Transistoren kann man den Strom ein- und ausschalten oder auch regulieren, wie viel davon fließen soll. Allein in einem einzigen Smartphone sind viele Milliarden davon verbaut. Transistoren können aber auch groß und teuer werden, wenn es um hohe Spannungen und Frequenzen geht. Sie bestehen heute aus verschiedenen Schichten von Halbleitermaterialien wie Silizium oder auch Germanium.
Saarbrücker Forscher haben Transistoren aus Silikonfolie entwickelt und damit Neuland beschritten.
„Wir ersetzen dabei die Halbleiterkomponenten durch sogenannte dielektrische Elastomere“, sagt Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme an der Universität des Saarlandes, der hieran zusammen mit John Heppe von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Saar (htw saar) forscht. 

Wenn wir die elektrische Spannung ändern, können wir die Folie ansteuern, sie stufenlos heben und senken, klopfen oder auch mit beliebiger Frequenz und Schwingung vibrieren lassen.

Paul Motzki

Smarte Folien statt Silizium

Die beiden Arbeitsgruppen sind darauf spezialisiert, aus haarfeinen Folien Antriebe zu machen, die ohne zusätzliche Sensoren auskommen. Die Folien sind beidseitig mit einer elektrisch leitfähigen, dehnbaren Elektrodenschicht beschichtet. Legen die Forscher hier eine elektrische Spannung an, wirken elektrostatische Kräfte und die beiden Elektrodenschichten ziehen sich an: Die Folie drückt sich noch flacher zusammen und dehnt sich in der Fläche aus. „Wenn wir die elektrische Spannung ändern, können wir die Folie ansteuern, sie stufenlos heben und senken, klopfen oder auch mit beliebiger Frequenz und Schwingung vibrieren lassen“, erläutert Paul Motzki.
Die Folien fungieren als ihr eigener Sensor, weil jede kleinste Bewegung der Folie einem bestimmten Messwert der elektrischen Kapazität entspricht. An diesen Messwerten können die Forscher zum einen erkennen, wie sich die Folie gerade verformt und zum anderen auch genau vorgeben, wie sie sich verformen soll – und wie schnell.Seit Jahren entwickeln Motzki und sein Team die smarten Folien so weiter, dass sie immer schneller und empfindlicher reagieren. So entstehen energieeffiziente Minimotoren, die Bewegungs-Choreografien absolvieren oder auch kräftig bestimmte Positionen halten. Sie bauen mit ihnen verschiedenste Prototypen, ob als fühlbare zweite Haut in Kleidungsstücken, als virtuelle Tasten, die auf Displays an die Fingerspitzen drücken, als Pumpen und Ventile oder sogar ultraleichte Lautsprecher. Energie verbrauchen die Folienmotoren nur, wenn sie in Aktion treten, nicht, wenn sie eine bestimmte Stellung halten.

Elastische Folien als Wasserhahn für Strom – Antrieb und Sensor zugleich

Jetzt sollen die smarten Folien als elektronische Schalter den Stromhahn auf- und zudrehen, um in Zukunft als energieeffiziente Transistoren zum Einsatz kommen zu können. Hierfür bekommen sie eine neue Beschichtung. Bisher bestand die elektrisch leitfähige Schicht aus Ruß, sogenanntem Carbon Black, also einer Form von Kohlenstoff. Fließt Strom durch diese Rußschicht, ist der elektrische Widerstand, der den Strom bremst, viel zu hoch für effiziente Transistoren. Das Team von John Heppe ist spezialisiert auf dünne Beschichtungen. Statt Ruß soll eine Schicht aus gut leitendem Metall im Folienschalter dafür sorgen, dass sich Strom ultraschnell an- und abschalten lässt. Das Problem: Die Folie muss sich dafür stark dehnen können, um zu funktionieren. Mit zwei starren aufgedruckten Metallschichten wäre das schwierig. Die Lösung liegt darin, die Metallschicht eben nicht starr aufzudrucken. „Wir nutzen eine spezielle Beschichtungsmethode: das sogenannte Sputter-Verfahren“, erklärt John Heppe. Der Clou dabei: Die Forscher dehnen die Folie erst und bringen dann als leitfähige Schicht einen Hauch Metall auf: mit zehn Nanometern ist diese Schicht über tausendmal dünner als ein Haar. Anschließend dehnen sie die Folie noch ein Stück weiter. „Das lässt sich gut mit einem Luftballon vergleichen, auf den ein Kreis gemalt wurde: Wird er weiter aufgeblasen, reißt die Schicht an vielen Stellen auf“, beschreibt Heppe den Effekt. 

Folientransistoren können in Zukunft zum Schalten hoher Spannungen im Kilovolt-Bereich bei höheren Frequenzen zum Einsatz kommen – wofür heute große und teils teure Transistor-Bauteile nötig sind. Die Gesamtsysteme werden kleiner, effizienter und günstiger.

Paul Motzki

Entlasten die Forscher die Folie, schließen sich diese Risse und Strom fließt. Dehnen sie die Folie, zeigen sich die Risse in der Elektrode und der Strom reißt ab: Auf und Zu – der Folienschalter kann schalten. Zieht die Metallschicht auf dem Elastomer sich zusammen und schlägt sogar Falten, setzt sie dem Strom nur geringen Widerstand entgegen. Viel Strom kann durch den Folienschalter fließen. „Der Widerstand liegt bei gerade mal 50 bis 100 Ohm auf einer Fläche von etwa einem Quadratzentimeter. Auch eine Hochspannungsschaltung für sehr schnelle Schaltzyklen wie für Ventile oder Pumpen ist hier möglich. Wir können von sehr niedrigen Widerständen umschalten zu sehr hohen“, sagt John Heppe. In allen Stellungen zwischen den Extremen „Alle Risse offen“ und „Alle Risse geschlossen“ lässt sich die Strommenge dosieren wie bei einem Wasserhahn. Solche Elektroden lassen sich auf der Folie im Abstand weniger Mikrometer „aufsputtern“.
„Folientransistoren können in Zukunft zum Schalten hoher Spannungen im Kilovolt-Bereich bei höheren Frequenzen zum Einsatz kommen – wofür heute große und teils teure Transistor-Bauteile nötig sind. Die Gesamtsysteme werden kleiner, effizienter und günstiger“, sagt Paul Motzki. Ziel der Forschungsteams sind leichte und biegsame Folienplatinen für Hochspannung. Herkömmliche Transistoren werden bislang auf flachen, starren Leiterplatinen verlötet, damit elektrische Geräte die richtigen Befehle bekommen. Mit der neuen Technologie könnten Transistoren direkt in biegsame Antriebsfolien integriert werden. „Mit solch neuartigen Platinen ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten, etwa in der Medizintechnik. Minimotoren mit Sensoreigenschaft wären gleich in der Folienplatine mit integriert“, sagt Paul Motzki.