Elektronik in der Faser

Singapur (Singapur) - Armbänder messen den Herzschlag, piezoelektrische Fasern erzeugen Strom: Viele Forschungsgruppen arbeiten an elektronischen Modulen, die sich mehr oder weniger elegant in Stoffe und damit in Kleidung integrieren lassen. Doch direkt in eine Faser eingelagerte Halbleiter zeigen sich bisher oft brüchig und zu instabil. Eine ausgeklügelte Lösung dieses Problems fanden nun Forschende in Singapur. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, gelang ihnen die Produktion von defektfreien Fasern aus den Halbleitern Silizium oder Germanium. Mit diesen Fasern fertigten sie bereits eine Mütze, die auf Lichtreize reagierte und diese in elektronische Signale umwandelte.

Für die Fertigung der stabilen, optoelektronischen Faser nutzten Zhixun Wang von der Nanyang Technological University in Singapur mehrere Prozessschritte. Zuerst umhüllten sie einen Kern aus Silizium in einen gläsernen Mantel Silikatglas. Diesen Rohling heizten sie auf bis zu 1200 Grad Celsius auf. Aus der nun zähflüssigen Substanz konnten sie extrem feine, nur rund 50 Mikrometer dicke Siliziumfasern ziehen. Der gläserne Mantel schützte dabei die Siliziumfaser vor Schäden und ließ sich zum Abschluss mit ätzender Flusssäure entfernen. Der gleiche Prozess funktionierte auch mit dem Halbleiter Germanium. Dazu war allerdings ein Glasmantel aus Aluminiumsilikat nötig.

Diese flexible Halbleiterfasern lagerten die Forschenden danach mit je zwei filigranen Metalldrähten in eine Kunststoffhülle aus Polycarbonat. Wieder heizten sie diese Struktur bis zu Zähflüssigkeit auf und zogen abermals eine dünne Faser, in der nun sowohl die Halbleiter-Fasern als auch die beiden Metalldrähte enthalten waren. Nach dem Abkühlen ließen sich mehrere hundert Meter dieser optoelektronischen Fasern ohne jede Beschädigung aufrollen. Erste Messungen zeigten, dass diese Fasern einfallendes Laserlicht in elektrische Strompulse umwandeln konnte.

Zur Demonstration der optoelektronischen Eigenschaften verwoben Zhixun Wang und seine Kolleginnen und Kollegen die Fasern in eine Mütze und ein flexibles Armband. Mit der Mütze konnten Farbwechsel einer Ampel von rot auf grün erkannt werden. Das optische Signal wurde in der Faser in elektrische Pulse umgewandelt und von einer kontaktierten Elektronik verarbeitet werden. Im Armband erkannten die Faser Änderungen in einem reflektierten Lichtsignal, die auf der pulsierenden Bewegung einer Blutbahn beruhten. Mit dieser so genannten Photoplethysmographie kann über Lichtpulse auf die Herzfrequenz geschlossen werden.

Mit ihrer Studie konnten die Forschenden zeigen, dass sich optoelektronische, stabile und zugleich flexible Fasern von hoher Qualität produzieren lassen. Erste Anwendungen belegten, dass die Halbleiter-Fasern als empfindliche Lichtsensoren geeignet sind. In Zukunft ist es nicht ausgeschlossen, dass sich auch komplexere elektronische Module wie beispielsweise Transistoren in die Halbleiter-Fasern integrieren lassen. Damit wären leichte, widerstandsfähige elektronische Textilien mit weiteren Funktionen über einen Lichtsensor hinaus vorstellbar.