Nylon als Baustein für Hochleistungskondensatoren

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Transparentes Nylon könnte in Zukunft einen wichtigen Baustein für die Entwicklung transparenter elektronischer Schaltungen darstellen.
Transparentes Nylon könnte in Zukunft einen wichtigen Baustein für die Entwicklung transparenter elektronischer Schaltungen darstellen. (Bild: MPI-P)

Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymer­forschung haben extrem glatte und transparente Nylon­dünnschichten hergestellt, die für Elektronik in Kleidungsstücken eingesetzt werden können. Damit ebnen sie den Weg zu multifunktionalem Gewebe.

Da sich die Elektronik-Industrie heutzutage immer mehr in Richtung tragbarer Geräte sowie elektronischer (E-)Textilien verlagert, könnten in Zukunft elektronische Materialien wie Ferroelektrika in unsere Kleidung integriert werden.

Nylon, eine Familie synthetischer Polymere, wurde erstmals in den 1920er Jahren für Damenstrümpfe eingeführt und gehört heute zu den am häufigsten verwendeten synthetischen Fasern in Textilien. Es besteht aus einer langen Kette von sich wiederholenden molekularen Einheiten, d. h. Polymeren, wobei jede sich wiederholende Einheit eine bestimmte Anordnung von Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff sowie Kohlenstoffatomen enthält.

Neben der Verwendung in Textilien wurde gezeigt, dass einige Nylons auch sogenannte ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass positive und negative elektrische Ladungen getrennt werden können und dieser Zustand aufrechterhalten werden kann. Ferroelektrische Materialien werden beispielsweise in Sensoren, Aktuatoren, Speichern und Geräten zur Energiegewinnung eingesetzt.

Der Vorteil beim Einsatz solcher Polymere besteht darin, dass sie mit geeigneten Lösungsmitteln verflüssigt und somit in gelöstem Zustand kostengünstig zu flexiblen Dünnschichten verarbeitet werden können, die sich für elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Transistoren und Dioden eignen. Dies macht ferroelektrische Polymere zu einer geeigneten Wahl für die Integration in Textilien.

Durchbruch: Herstellung extrem glatter Nylonschichten gelungen

Obwohl Nylonpolymere im Laufe der Jahre bedeutende kommerzielle Anwendungen in Geweben und Fasern gefunden haben, wurde sie bisher in elektronischen Geräten nur selten eingesetzt, da es unmöglich war, hochwertige dünne Schichten aus ferroelektrischem Nylon durch Lösungsverarbeitung herzustellen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben nun in Zusammenarbeit mit Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universität Lodz dieses vierzig Jahre alte Problem gelöst und ein Verfahren zur Herstellung ferroelektrischer Nylon-Dünnschichtkondensatoren entwickelt, indem sie Nylon in einer Mischung aus Trifluoressigsäure und Aceton aufgelöst und im Vakuum wieder verfestigt haben.

Sie konnten dünne Nylonschichten herstellen, die typischerweise nur wenige 100 Nanometer dick sind. „Mit dieser Methode haben wir extrem glatte Dünnschichten hergestellt. Dies ist sehr wichtig, da es den elektrischen Durchbruch von beispielsweise Kondensatoren und somit die Zerstörung elektronischer Schaltungen verhindert. Gleichzeitig sind die dünnen Filme aufgrund der Glätte transparent, was transparente elektronische Geräte ermöglicht“, sagt Dr. Kamal Asadi, Gruppenleiter am MPI-P.

Stabile Prototypen

Mit ihrem neu entwickelten Verfahren konnte die Gruppe um Kamal Asadi Hochleistungs-Nylonkondensatoren herstellen. Die Wissenschaftler unterzogen die Prototypen ausgedehnten Spannungszyklen und bewiesen die Stabilität des ferroelektrischen Nylons bei Millionen von Auf- und Entladevorgängen.

Die dünnen Nylonschichten könnten in Zukunft zu einem wichtigen Bestandteil für den Einsatz in der flexiblen Elektronik werden und Anwendung in biegsamen elektronischen Geräten oder für Elektronik in Kleidungsstücken finden. Diese neuen Erkenntnisse ebnen den Weg zu multifunktionalem Gewebe, das sowohl als Stoff für Kleidung dient als auch gleichzeitig aus unserer Körperbewegung Strom erzeugen kann.

Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten Zeitschrift Science Advances veröffentlicht:
S. Anwar et al: Solution-processed transparent ferroelectric nylon thin films Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.aav3489)

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