Ein Nanocomposite für eine elektronische Haut

11.12.2009: Das "Journal of Applied Physics" des amerikanischen "Institute of Physics" führt derzeit bei den Forschungshöhepunkten (Research Highlights) auf seiner Homepage eine Forschungsarbeit auf, die mit Beteiligung der Fachhochschule Jena entstanden ist: Das Projekt "Flexible active-matrix cells with selectively poled bifunctional polymer-ceramic nanocomposite for pressure and temperature sensing skin" wurde von der Forschungsgruppe um Prof. Dr. Bernd Ploss, FH Jena, gemeinsam mit Forschungsgruppen der University of Cambridge, der Johannes Kepler Universität Linz, des Joanneum Research Weiz und der Princeton University erarbeitet.

Dr. Bernd Ploss, Professor für Physikalische Messtechnik im Fachbereich SciTec, berichtet hierzu: "Die menschliche Haut ist ein empfindlicher Sensor sowohl für Druck als auch für Temperatur. Es gibt breite Anstrengungen, ähnliche Sensoren für die Elektronik zu entwickeln, und viele Werkzeuge sind bereits allgemeint bekannt. So erzeugen piezoelektrische Materialien elektrische Signale bei Druckänderungen. Oder nehmen Sie Pyroelektrika: diese sind für Temperaturänderungen empfindlich."

Ungünstigerweise gehören fast alle Materialien aus einer dieser Gruppen auch zu der anderen, wodurch es schwierig ist, zwischen Druck- und Temperaturänderungen zu unterscheiden. Das internationale Wissenschaftlerteam hat gemeinsam an einem Nanocomposite geforscht, das zwischen diesen beiden Einflüssen unterscheiden kann.

Prof. Ploss beschreibt das Material wie folgt: "Charakteristisches Merkmal dieses bifunktionalen Materials sind Nanopartikel aus Bleititanat, die in ein ferroelektrisches Polymer eingebettet sind. Die elektrische Polarisation beider Bestandteile kann unabhängig eingestellt werden. So lässt sich die Polarisation des Polymers durch eine Wechselspannung auf unterschiedliche Weise relativ zur Polarisation der Keramik ausrichten. Sind die Polarisationen parallel eingestellt, heben sich die piezoelektrischen Koeffizienten des Polymers und der Keramikpartikel auf, und die pyroelectrische Antwort wird vergrößert. Sind sie antiparallel, dann zeigt das Material nur eine piezoelektrische Antwort."

Durch die Auswahl der Phasenlage der letzten Wechselspannungsperiode, die an verschiedene Stellen des Compositfilms angelegt wurde, haben die Forscher Bereiche definiert, die entweder nur für Druck oder nur für Temperatur empfindlich sind. Die so präparierten Filme wurden auf einer flexiblen Folie montiert, die Transistoren aus Silizium oder organische Transistoren enthält. Erste Ergebnisse zeigen ein lineares Antwortverhalten der druck- bzw. temperaturempfindlichen Bereiche mit sehr geringer Querempfindlichkeit für die jeweils andere Größe.