Innovationsfäden: Kostengünstigere Methode zur Herstellung gewebter Displays und intelligenter Stoffe

Von der University of Cambridge, 21. April 2023

Forscher haben eine kostengünstige Methode zur Herstellung intelligenter Textilien entwickelt, die LEDs, Sensoren, Energiegewinnung und -speicherung unter Verwendung herkömmlicher Industriewebstühle umfasst. Die Technik überwindet Einschränkungen in Funktionalität, Abmessungen und Formen, indem sie elektronische, optoelektronische, sensorische und Energiefaserkomponenten mit herkömmlichen Fasern verwebt. Dies ermöglicht die Herstellung intelligenter Textilien ohne Größen- oder Formbeschränkungen und bietet in verschiedenen Bereichen eine Alternative zu größerer Elektronik. Durch die Zusammenarbeit mit Textilherstellern produzierte das Team Testpflaster aus intelligenten Textilien mit Potenzial für eine Vergrößerung in Größe und Volumen. Weitere Optimierungen sind erforderlich, doch die Forscher glauben, dass dieser Ansatz große, flexible Displays und Monitore erschwinglicher und umweltfreundlicher machen könnte.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Cambridge hat eine kostengünstige und umweltfreundliche Methode zur Herstellung intelligenter Textilien mithilfe industrieller Webstühle entwickelt. Diese Technik ermöglicht die Herstellung flexibler, langlebiger intelligenter Stoffe ohne Größen- oder Formbeschränkungen und bietet potenzielle Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Forscher haben intelligente Textilien der nächsten Generation entwickelt – mit LEDs, Sensoren, Energiegewinnung und -speicherung –, die kostengünstig in jeder Form und Größe mit denselben Maschinen hergestellt werden können, mit denen auch die Kleidung hergestellt wird, die wir jeden Tag tragen.

Das internationale Team unter der Leitung der Universität Cambridge hat zuvor gezeigt, dass gewebte Displays in großen Größen hergestellt werden können, diese früheren Beispiele wurden jedoch mit speziellen manuellen Laborgeräten hergestellt. Andere intelligente Textilien können in speziellen mikroelektronischen Fertigungsanlagen hergestellt werden, diese sind jedoch sehr teuer und produzieren große Mengen Abfall.

However, the team found that flexible displays and smart fabrics can be made much more cheaply, and more sustainably, by weaving electronic, optoelectronic, sensing and energy fiber components on the same industrial looms used to make conventional textiles. Their results, reported in the journal Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances zeigt, wie intelligente Textilien eine Alternative zu größerer Elektronik in Branchen wie Automobil, Elektronik, Mode und Bau sein könnten.

Trotz der jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung intelligenter Textilien sind ihre Funktionalität, Abmessungen und Formen durch aktuelle Herstellungsverfahren eingeschränkt.

Forscher haben intelligente Textilien der nächsten Generation entwickelt – mit LEDs, Sensoren, Energiegewinnung und -speicherung –, die kostengünstig in jeder Form und Größe mit denselben Maschinen hergestellt werden können, mit denen auch die Kleidung hergestellt wird, die wir jeden Tag tragen. Bildnachweis: Sanghyo Lee

„Wir könnten diese Textilien in spezialisierten Mikroelektronikanlagen herstellen, aber dafür sind Investitionen in Milliardenhöhe erforderlich“, sagte Dr. Sanghyo Lee vom Department of Engineering in Cambridge, der Erstautor der Studie. „Darüber hinaus ist die Herstellung intelligenter Textilien auf diese Weise stark eingeschränkt, da alles auf denselben starren Wafern hergestellt werden muss, die auch für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden. Die maximale Größe, die wir erreichen können, liegt also bei etwa 30 Zentimetern Durchmesser.“

„Intelligente Textilien waren auch durch ihre mangelnde Praktikabilität eingeschränkt“, sagte Dr. Luigi Occhipinti, ebenfalls von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, der die Forschung mitleitete. „Man denkt an die Art von Biegen, Dehnen und Falten, denen normale Stoffe standhalten müssen, und es war eine Herausforderung, die gleiche Haltbarkeit in intelligente Textilien zu integrieren.“

Letztes Jahr zeigten dieselben Forscher, dass die Fasern, die in intelligenten Textilien verwendet werden, mit Materialien beschichtet würden, die einer Dehnung standhalten, und dass sie mit herkömmlichen Webprozessen kompatibel sein könnten. Mit dieser Technik stellten sie ein 46-Zoll-Demonstratordisplay aus gewebtem Material her.

Forscher haben intelligente Textilien der nächsten Generation entwickelt – mit LEDs, Sensoren, Energiegewinnung und -speicherung –, die kostengünstig in jeder Form und Größe mit denselben Maschinen hergestellt werden können, mit denen auch die Kleidung hergestellt wird, die wir jeden Tag tragen. Bildnachweis: Sanghyo Lee

Jetzt haben die Forscher gezeigt, dass intelligente Textilien mithilfe automatisierter Prozesse hergestellt werden können, ohne dass ihre Größe oder Form Einschränkungen unterliegt. Mehrere Arten von Fasergeräten, darunter Energiespeicher, Leuchtdioden und Transistoren, wurden hergestellt, eingekapselt und mit konventionellen Fasern, entweder synthetischen oder natürlichen, gemischt, um durch automatisiertes Weben intelligente Textilien herzustellen. Die Fasergeräte wurden durch ein automatisiertes Laserschweißverfahren mit elektrisch leitfähigem Klebstoff miteinander verbunden.

Alle Prozesse wurden optimiert, um Schäden an den elektronischen Komponenten zu minimieren, was wiederum die intelligenten Textilien langlebig genug machte, um der Dehnung einer industriellen Webmaschine standzuhalten. Die Verkapselungsmethode wurde entwickelt, um die Funktionalität der Faservorrichtungen zu berücksichtigen, und die mechanische Kraft und die thermische Energie wurden systematisch untersucht, um das automatisierte Weben bzw. die laserbasierte Verbindung zu erreichen.

Das Forschungsteam konnte in Zusammenarbeit mit Textilherstellern Testpflaster aus intelligenten Textilien mit einer Größe von etwa 50 x 50 Zentimetern herstellen, die jedoch auf größere Abmessungen skaliert und in großen Mengen hergestellt werden können.

„Diese Unternehmen verfügen über gut etablierte Produktionslinien mit Faserextrudern mit hohem Durchsatz und großen Webmaschinen, die einen Quadratmeter Textilien automatisch weben können“, sagte Lee. „Wenn wir also die intelligenten Fasern in den Prozess einbringen, entsteht im Grunde ein elektronisches System, das genauso hergestellt wird, wie andere Textilien hergestellt werden.“

Die Forscher sagen, dass es möglich sein könnte, große, flexible Displays und Monitore auf industriellen Webstühlen statt in spezialisierten Elektronikfertigungsanlagen herzustellen, was ihre Herstellung deutlich kostengünstiger machen würde. Allerdings ist eine weitere Optimierung des Prozesses erforderlich.

„Die Flexibilität dieser Textilien ist absolut erstaunlich“, sagte Occhipinti. „Nicht nur im Hinblick auf ihre mechanische Flexibilität, sondern auch auf die Flexibilität des Ansatzes und den Einsatz nachhaltiger und umweltfreundlicher Elektronikfertigungsplattformen, die zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen und echte Anwendungen intelligenter Textilien in Gebäuden, Autoinnenräumen und Kleidung ermöglichen.“ . Unser Ansatz ist in dieser Hinsicht einzigartig.“

Referenz: „Wirklich formfaktorfreie, industriell skalierbare Systemintegration für elektronische Textilarchitekturen mit multifunktionalen Fasergeräten“ von Sanghyo Lee, Hyung Woo Choi, Cátia Lopes Figueiredo, Dong-Wook Shin, Francesc Mañosa Moncunill, Kay Ullrich, Stefano Sinopoli, Petar Jovancic, Jiajie Yang, Hanleem Lee, Martin Eisenreich, Umberto Emanuele, Salvatore Nicotera, Angelo Santos, Rui Igreja, Alessio Marrani, Roberto Momentè, João Gomes, Sung-Min Jung, Soo Deok Han, Sang Yun Bang, Shijie Zhan, William Harden -Chaters, Yo-Han Suh, Xiang-Bing Fan, Tae Hoon Lee, Jeong-Wan Jo, Yoonwoo Kim, Antonino Costantino, Virginia Garcia Candel, Nelson Durães, Sebastian Meyer, Chul-Hong Kim, Marcel Lucassen, Ahmed Nejim, David Jiménez, Martijn Springer, Young-Woo Lee, Geon-Hyoung An, Youngjin Choi, Jung Inn Sohn, SeungNam Cha, Manish Chhowalla, Gehan AJ Amaratunga, Luigi G. Occhipinti, Pedro Barquinha, Elvira Fortunato, Rodrigo Martins und Jong Min Kim, 21. April 2023, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adf4049

Die Forschung wurde teilweise von der Europäischen Union und UK Research and Innovation unterstützt.