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Printelektronik: Erstmalig druckbare Magnetoelektronik entwickelt

Neue Anwendungen – gedruckte elektronische Schaltkreise für aktive intelligente Verpackungen, Postkarten, Bücher und Werbematerialien, die mit der Umgebung kommunizieren können
 

Das Forscherteam (v.l.):  Prof. Dr. Oliver G. Schmidt (Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz), Daniil Karnaushenko (Doktorand an der TU Chemnitz, mit dem ersten Demonstrator eines auf eine Postkarte gedruckten Magnetsensors, integriert in einen Schaltkreis mit einer Leuchtdiode, die durch ein äußeres Magnetfeld angesteuert wird), Dr. Denys Makarov (Leiter der Gruppe „Magnetic Nanomembranes“ im IFW Dresden), Foto: IFW Dresden

Die Palette der druckbaren elektronischen Bauteile wächst um eine weitere wichtige Komponente. Denn Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Technischen Universität Chemnitz haben die ersten druckbaren Sensoren entwickelt, die auf dem Riesenmagnetowiderstand beruhen. Gemeint sind Magnetfeldsensoren, die als druckbare Schalter in Mikrosysteme integriert werden können und ein kontaktloses Interface zur Steuerung elektronischer Schaltkreise ermöglichen.

Elektronische Bauteile, die mit einfachen Druckverfahren direkt auf verschiedene Unterlagen aufgebracht werden können, haben in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Druckbare Schaltungen mit Widerständen, Transistoren und Dioden gibt es bereits. Sie können kostengünstig hergestellt werden und funktionieren auch auf flexiblen Unterlagen wie Papier oder Folie.

Forscher aus Dresden und Chemnitz haben nun ein weiteres wichtiges Bauteil druckfähig gemacht: magnetische Sensoren, die auf dem Riesenmagneto­widerstand beruhen. Dieser sogenannte GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) bewirkt, dass geringe Änderungen eines äußeren Magnetfeldes starke Änderungen beim elektrischen Widerstand zur Folge haben. Praktisch wird das genutzt beim kontaktlosen Schalten oder beim Lesen magnetisch gespeicherter Informationen, wie sie für Festplatten in Computern vorliegen.

Herkömmliche GMR-Sensoren bestehen aus Schichtstapeln ferromagnetischer und nicht-magnetischer Metalle (z.B. Kobalt und Kupfer), die auf feste Siliziumsubstrate aufgebracht werden. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz, und sein Team haben diese Schichten vom Substrat abgelöst und daraus eine magnetische Tinte entwickelt, die bei Raumtemperatur einen Riesenmagnetowiderstand aufweist, der ausreicht, um damit funktionierende Sensoren auf flexiblen Substraten wie Papier oder Polymeren herzustellen. Eine erste Funktionsprobe für einen gedruckten GMR-Sensor liefert ein Magnetschalter, der in den elektronischen Schaltkreis einer Postkarte aufgedruckt und integriert ist. Die darin enthaltene Leuchtdiode wird von einem Magneten angesteuert, der den Widerstand des gedruckten Magnetsensors ändert und damit auch den Stromfluss beeinflusst. Zur Anwendung kommen Rolle-Rolle-Verfahren (Digitaldruck, Flexodruck, Siebdruck und Sprühbeschichtungsprozesse).

Damit haben die Forscher gezeigt, dass die gedruckten Magnetfeldsensoren in andere, bereits bestehende druckbare elektronische Bauelemente integriert werden können, um magnetische Felder zu detektieren und auf sie zu reagieren.Dadurch werden neue Anwendungen für gedruckte elektronische Schaltkreise möglich: aktive intelligente Verpackungen etwa oder Postkarten, Bücher und Werbematerialien, die mit der Umgebung kommunizieren können. Die druckbaren Magnetsensoren können in komplexen Schaltkreisen als kontaktlose Schalter agieren. Kombiniert mit einem RFID-Transponder (Radiofrequenz-Identifikation) und einer druckbaren Antenne könnten integrierte Funktionalitäten wie zum Beispiel der Datenaustausch durch externe Magnetfelder gesteuert werden. „Unser erster Demonstrator eines auf eine Postkarte gedruckten Magnetschalters bringt die Vision einer integrierten durchgängig druckbaren Elektronik der Wirklichkeit ein großes Stück näher“, berichtet Dr. Denys Makarov, der die Gruppe „Magnetic Nanomembranes“ im IFW Dresden leitet.

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