Kiri-Origami-Technik Dehnbare Elektronik aus leistungsstarken, nicht dehnbaren Materialien

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Dehn- und faltbare Elektronik bietet viele Einsatzmöglichkeiten. Japanische Forscher kombinieren die Kiri-Origami-Technik, um flexible Elektronik mit starren Komponenten zu entwickeln. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für tragbare Elektronik, in der Robotik und bei bioelektronischen Systemen.

Dehnbare Elektronik findet vielfältige Anwendung, beispielsweise in tragbaren Sensoren und gebogenen oder faltbaren Displays. Bisher sind die elektronischen Eigenschaften dehnbarer Materialien im Vergleich zu starren, nicht dehnbaren Materialien unterlegen.

In einer neuen Studie haben Forscher eine Technik entwickelt, die Kiri-Origami-Strukturen nutzt. Diese Kombination der Vorteile von Origami (falten) und Kirigami (schneiden) ermöglicht es, dehnbare Geräte aus leistungsstarken, nicht dehnbaren Materialien zu entwickeln.

Prinzip und Struktur der Kiri-Origami-Technik

Die Technik kombiniert das Falten und Schneiden gezielt: Faltlinien erzeugen steife, klappbare Segmente, während Schnittmuster, wie beispielsweise Schlitze oder Hexagonnetze, gezielte Dehnung und großflächige mechanische Flexibilität erlauben.

Mit Kiri-Origami werden starr bestückte elektronische Subsysteme aus Chips oder LEDs so in eine Folie eingebettet, dass diese per Zug verformt oder gedehnt werden kann, ohne elektrische Unterbrechungen oder mechanische Überlastung der Bauteile hervorzurufen.

Umsetzung aus Entwicklerperspektive

Das Substrat besteht meist aus flexiblen Polymeren (Polyimid), auf die Leiterzüge aus hochwertigen, aber nicht-dehnbaren Materialien wie Kupfer oder Gold in unterschiedlichen Mustern aufgebracht werden. Starre elektronische Bauteile wie Chips, Sensor-ICs, LEDs oder miniaturisierte Antennen werden auf den Panels platziert, die durch Falt- und Schnittmuster mechanisch, jedoch nicht elektrisch voneinander entkoppelt sind.

Beim Dehnen oder Verformen öffnen sich die kirigami-typischen Schlitze, sodass sich die gesamte Struktur ausbreitet. Durch ausgeklügelte Layouts bleibt die elektrische Verbindung zu den steifen Komponenten stabil. Die Herstellung kann durch konventionelle Microfabrication/PCB-Prozesse wie der Photolithografie, Laserstrukturierung sowie neue Methoden wie Heißprägen oder Rollenpressen auf Polymerfolien umgesetzt werden.

Die Zuverlässigkeit ist speziell ausgelegt: Der mechanische Stress wird im flexiblen Substrat und den Schnittbereichen aufgenommen, während empfindliche starre Komponenten insgesamt wenig beansprucht werden.

Relevante Anwendungen und Potenziale

Zielanwendungen sind dehnbare Displays, Wearables, Sensorarrays, elektronische Haut oder Roboterschnittstellen, bei denen hohe elektrische Leistungsfähigkeit trotz mechanischer Flexibilität gefordert wird. Auch bioelektronische Systeme, etwa flexible 3D-Mikroelektrodenarrays für medizinische Sensorik, profitieren von dieser Technik, da sie komplexe, stabile und biokompatible Implantatstrukturen erlaubt.

Kiri-Origami-Muster erlauben hochauflösende 3D-Formen oder Flächen mit vielen Einzelbauteilen, ohne dass Verdrahtungsaufwand oder Signalverluste zwischen den Komponenten steigen.

Technische Herausforderungen

• Entwicklung optimaler Schnitt- und Faltmuster für spezifische Anwendungen (z.B. Belastung, Dehnwinkel oderDauerbelastung).

• Zuverlässige Integration starrer Komponenten (Bestückungsprozess, Schutz vor Delamination oder Mikrorissen).

• Beherrschung der elektrischen Kontaktierung auf deformierbaren Strukturen und im Falt-/Streckbetrieb.

Das Kiri-Origami-Verfahren eröffnet der Elektronikwelt völlig neue Konstruktionsfreiheiten, um klassische Limitationen starrer oder rein flexibler Elektronik zu überwinden und erweiterbare, dehnbare Systeme auf einem hohen technischen Niveau zu realisieren. Diese Entwicklung ebnet den Weg für Anwendungen in Elektronik, Gesundheitswesen und Robotik. (heh)

Forschung

Leistungsfähige und dehnbare Mikro-Elektronik für Wearables und Implantate

Vias aus Flüssigmetall-Tröpchen

Neuartiger Ansatz für flexible Leiterbahnen

(ID:50539358)