26.09.2024 Forschungsteam entwickelt innovative Methode zur Messung der Leitfähigkeit von smarten Textilien

Doktorand Alexander Jäckel untersucht im Labor mit elektromagnetischen Strahlen Struktur und elektrische Eigenschaften von Textilien.

Ein Forschungsteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), der Philipps-Universität Marburg und der Brown University in den USA hat eine neue Methode entwickelt, um die elektrische Leitfähigkeit von dünnen Schichten auf intelligenten Textilien präzise zu messen. Das Verfahren nutzt Terahertz-Strahlung, um Beschichtungen berührungslos zu analysieren und Materialfehler schnell zu identifizieren. Die Ergebnisse der Forschung wurden im Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht.

In einer zunehmend vernetzten Welt gewinnen intelligente Textilien, die beispielsweise in der Medizintechnik oder in Kleidung als Sensoren oder Energiequellen integriert werden können, an Bedeutung. Forschende am Leibniz-IPHT entwickeln solche innovativen Textilien, darunter energiewandelnde Solargewebe, thermoelektrische Generatoren, optische und thermische Sensoren sowie kühlende Materialien.  Damit diese Textilien zuverlässig funktionieren, müssen sie mit leitfähigen Materialien beschichtet sein. Eine besondere Herausforderung besteht darin, diese hauchdünnen Beschichtungen gleichmäßig auf das flexible und unebene Textilgewebe aufzubringen – mit einer Dicke von nur wenigen Dutzend Nanometern haben sie etwa ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares. Nur so können die innovativen Funktionalitäten gewährleistet werden.

Um den Beschichtungsprozess zu optimieren, kooperiert das Leibniz-IPHT mit Forschenden der Philipps-Universität Marburg. Diese nutzen eine neue Terahertz-basierte Methode, um die Leitfähigkeit dieser hauchdünnen Schichten präzise, berührungslos und ortsaufgelöst zu messen. Dadurch lassen sich empfindliche Materialien, wie sie in der Textiltechnologie zum Einsatz kommen, analysieren, ohne sie zu beschädigen. „Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung“ erläutert Alexander Jäckel, Doktorand an der Philipps Universität Marburg, der die Messungen durchgeführt hat. Ihre Wechselwirkung mit den Materialien liefert wertvolle Informationen über deren Struktur und elektrische Eigenschaften.

Neue Einblicke in die Materialqualität von smarten Textilien 

Dr. Jonathan Plentz präsentiert ein Solargewebe – eine textile Solarzelle, die am Leibniz-IPHT mit zwei leitfähigen Schichten versehen wurde, wie sie in der aktuellen Studie untersucht werden.

Die Methode gibt uns einen detaillierten Einblick in die Qualität der Beschichtungen auf Textilien, die als smarte Kleidung in Bereichen wie der Gesundheitsüberwachung, der Energiewandlung oder Sicherheitsausrüstung eingesetzt werden können. Das hilft, die Produktion solcher Textilien zu optimieren“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Dr. Jonathan Plentz vom Leibniz-IPHT. Mithilfe der Terahertz-Messungen können Defekte in den leitfähigen Schichten frühzeitig erkannt werden, bevor sie die Funktion der Textilien beeinträchtigen.

Die Forschungsteams testeten die Methode an zwei Materialien: Silber und Indiumzinnoxid (ITO). Beide werden häufig als leitfähige und transparente Beschichtungen auf Textilien verwendet werden. Mithilfe der Terahertz-Technologie konnten sie die Leitfähigkeit der Schichten genau kartieren und dabei fehlerhafte Stellen identifizieren, die mit konventionellen Methoden nur schwer zu erkennen sind.

Innovativer Ansatz für neue Anwendungen

Die gewonnenen Erkenntnisse könnten die Entwicklung langlebigerer und zuverlässigerer Smart Textiles vorantreiben.  Besonders in der Medizintechnik und im Bereich der schützenden Kleidung könnten große Fortschritte erzielt werden. Auch andere Branchen wie die Automobilindustrie oder der Bereich der Wearables könnten von dieser Technologie profitieren. Die Methode ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Qualitätskontrolle bei der Entwicklung von Sensoren und flexiblen Schaltkreisen auf Textilien. 

Die Forschenden planen, die Technologie weiterzuentwickeln, um sie für industrielle Echtzeit-Qualitätskontrollen von intelligenten Textilien einzusetzen.

Originalveröffentlichung: Jäckel, A., Hupfer, M.L., Castro-Camus, E. et al. Terahertz conductivity mapping of thin films on smart textiles. Sci Rep 14, 22029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-73113-4