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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrisch leitende Strukturen aus Textil, und insbesondere derartige leitende Strukturen, die durch einen Ätzvorgang aus leitendem Textil herausgearbeitet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrisch leitende Strukturen werden gemäß dem Stand der Technik in vielfältiger Weise genutzt. Beispielsweise werden aus Leiterplattenmaterial leitende Strukturen geätzt, um daraus strom- bzw. signalleitende elektrische Verbindungen zu erzeugen. Außerdem werden leitende Strukturen als kapazitive Sensoren verwendet. Dabei werden auf Leiterplatten oder anderen Materialien flächige elektrisch leitende Strukturen erzeugt, die eine erste Kondensatorplatte darstellen. In einer ersten Art von kapazitiven Sensoren wird der Sensor als offener Kondensator betrieben. Durch Annäherung eines Objekts, z. B. eines Fingers, ist eine zweite Kondensatorplatte vorhanden. Die Änderung der Kapazität des Sensors kann mittels elektronischen Schaltungen gemessen werden. Da sich mit dem Abstand zwischen der ersten Kondensatorplatte und dem Objekt die Kapazität des Sensors ändert kann somit bestimmt werden, ob sich ein Objekt dem Sensor angenähert hat oder nicht, und wie weit es sich angenähert hat. In einer zweiten Art von kapazitiven Sensoren ist neben der ersten Kondensatorplatte eine zweite Kondensatorplatte vorhanden, und zwischen den beiden Kondensatorplatten befindet sich ein komprimierbares Dielektrikum. Wird auf diese Sensoranordnung ein mechanischer Druck ausgeübt, so wird das Dielektrikum komprimiert und die beiden Kondensatorplatten nähern sich an. Da sich dabei die Kapazität des Sensors erhöht ist durch die Anordnung ein kapazitiver Drucksensor realisiert.
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Elektrisch leitende Strukturen werden gemäß dem Stand der Technik aus beschichtetem Plattenmaterial (Leiterplatten) oder beschichteten flexiblen Folien (Flexfolien) hergestellt. Bei Plattenmaterial ist ein Nachteil, dass die leitenden Strukturen nicht oder kaum mechanisch flexibel sind. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung von leitenden Strukturen in Kleidung oder Einlegesohlen von Nachteil, da hier flexible, biegsame bzw. elastische Komponenten verwendet werden müssen. Bei der Verwendung von beschichteten Folien ist zwar eine vergleichsweise hohe Flexibilität gegeben, allerdings kann es bei häufigem Biegen des Materials zu einem Bruch der Metallbeschichtung und dadurch dem Verlust der elektrischen Leitfähigkeit kommen. Insbesondere führen kleine Biegeradien oder Falten sehr schnell zum Bruch der Metallbeschichtung. Auch dies ist in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise den vorgenannten Kleidungen oder Einlegesohlen, von großem Nachteil.
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Eine weitere Realisierungsmöglichkeit von leitenden Strukturen gemäß dem Stand der Technik ist das Einnähen von Silberfäden in Textil. Dies ist jedoch ein aufwendiges und damit kostenintensives Verfahren. Eine weitere Realisierungsmöglichkeit ist das Herausschneiden der gewünschten Strukturen aus leitendem Textil. Hier besteht ein großer Nachteil darin, dass das sich dabei ergebende Textil kein flächiges, durchgehend zusammenhängendes Textil mehr ist, und dadurch bei der Weiterverarbeitung schwer zu handhaben ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn feine Strukturen, beispielsweise dünne Signalleitungen, aus dem Textil herausgeschnitten werden sollen oder eine größere Anzahl von textilen Einzelstrukturen durch nicht-textile Signalleitungen (z. B. Drähte) angebunden werden sollen. Eine weitere Realisierungsmöglichkeit ist das partielle Galvanisieren von textilem Grundmaterial (z. B. Baumwolle oder Polyester), wobei das textile Gewebe mittels Siebdruckverfahren partiell eine Vorbehandlung erfährt und anschließend durch Galvanisierung an diesen Stellen metallisch beschichtet wird. Der Nachteil dabei ist, dass besonders feine Strukturen, insbesondere mit einer räumlichen Auflösung kleiner 1.0 mm, nicht realisiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte mechanisch flexible und gleichzeitig haltbare leitende Strukturen zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Herstellung verbesserter mechanisch flexibler und gleichzeitig haltbarer leitender Strukturen zur Verfügung zu stellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen leitenden Strukturen können beispielsweise in Druckmesssohlen verwendet werden, wo sie die Kondensatorflächen von kapazitiven Drucksensoren sowie deren Verbindungsleitungen zu einer Auswerteelektronik bilden können. Die erfindungsgemäßen leitenden Strukturen können außerdem in Kleidung verwendet werden, um beispielsweise als Strom- oder Signalleitungen zwischen Bedienelementen bzw. Sensoren und elektronischen, in die Kleidung integrierten oder an die Kleidung angeschlossenen Vorrichtungen verwendet zu werden.
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Gemäß der Erfindung löst die Aufgabe ein Textil, das nur an bestimmten Stellen elektrisch leitfähig ist. Die partielle Leitfähigkeit wird gemäß der Erfindung mittels Ätzen erreicht. Dabei wird das Metall, das in dem Textil enthalten ist, an den Stellen weggeätzt, an denen keine elektrische Leitfähigkeit gewünscht ist.
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Gemäß der Erfindung wird als Textil beispielsweise ein Polyestergewebe, Baumwollgewebe oder ein anderes Gewebe verwendet, das einseitig oder beidseitig flächig mit leitendem Material beschichtet ist, beispielsweise Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer anderen Metalllegierung.
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Alternativ wird gemäß der Erfindung ein Gewebe verwendet, das nicht flächig beschichtet ist, sondern bei dem die einzelnen Fasern (beispielsweise Polyester-Fasern) des Gewebes beschichtet sind. Diese gemäß dem Stand der Technik bekannte Gewebeart wird dadurch erreicht, dass die Fasern bereits vor der Verwebung beschichtet werden und eine homogene elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die homogene Leitfähigkeit bedeutet, dass das Textil in allen Raumrichtungen in gleicher Weise elektrisch leitend ist.
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Alternativ wird gemäß der Erfindung ein Gewebe verwendet, das aus nicht-leitenden Fasern und aus elektrisch leitenden Fasern gewoben ist. Die nicht-leitenden Fasern sorgen dabei für die Formgebung des Textils, was insbesondere an den Stellen wichtig ist, an denen die leitenden Fasern vollständig weggeätzt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das verwendete Gewebe an den Stellen, die leitende Strukturen darstellen sollen, mit Tinte versehen. Dabei wird gemäß der Erfindung eine Tinte verwendet, die das darunter liegende leitende Gewebe vor Ätzflüssigkeit schützt. Anschließend wird das Gewebe in einem Ätzbad, beispielsweise einer Sprühätzanlage, geätzt, wobei die leitende Beschichtung an den nicht bedruckten Stellen weggeätzt wird und nur die gewünschten Stellen als leitende Strukturen verbleiben.
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Das Auftragen der Tinte kann vorteilhafterweise mittels eines Tintenstrahldruckers geschehen, da dies eine robuste Lösung mit hoher Genauigkeit des Tintenauftrags darstellt. Besonders kostengünstig wird diese Lösung dadurch, wenn umgebaute Standard-Büro-Tintenstrahldrucker verwendet werden, die um eine mechanische Zuführungsvorrichtung für Textilien erweitert sind und die den Einsatz von an den Ätzvorgang angepassten Spezialtinten erlauben.
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Die Tinte kann alternativ über ein Siebdruckverfahren oder ein anderes bekanntes Verfahren aufgebracht werden.
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Vor dem Bedrucken des Textils ist es vorteilhaft, das Textil mit einem Aktivator zu benetzen, der die Haftfähigkeit der Tinte auf den metallisierten Textilfasern erhöht.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Tinte vor dem Ätzvorgang mittels Temperatureinfluss in das Gewebe eingebrannt wird. Dies erhöht die Qualität des nach dem Ätzen verbleibenden leitenden Materials und verbessert die räumliche Abgrenzung von leitenden und nicht-leitenden Bereichen im Textil, also die Trennschärfe der Strukturen. Dies ist insbesondere dadurch der Fall, weil bei besserem Schutz der gewünschten leitenden Strukturen mittels Tinte ein intensiverer Ätzvorgang durchgeführt werden kann.
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Es ist vorteilhaft, die Tinte beidseitig auf das Textil aufzubringen. Dies erhöht ebenfalls die Trennschärfe der Strukturen.
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Gemäß der Erfindung kann die Rückseite des Textils zusätzlich zur einseitigen oder beidseitigen Tinte mit einer aufgeklebten Folie oder einer anderen aufgeklebten oder aufgesprühten Beschichtung abgedeckt werden. Auch dies erhöht die Trennschärfe der Strukturen. Die Rückseitige Abdeckung kann vor oder nach dem Bedrucken des Textils erfolgen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Kontaktierung der durch den erfindungsgemäßen Ätzvorgang erzeugten Strukturen. Dazu ist es vorteilhaft, das Textil von der aufgetragenen Tinte freizustellen. Gemäß der Erfindung geschieht dies dadurch, indem das Textil nach dem Ätzvorgang in ein Spülmittelbad oder in Natronlauge gelegt bzw. damit benetzt wird, um die Tinte anzulösen. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist das mechanische Entfernen der Tinte mittels Stahlwolle oder mittels Schleifpapier.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein elektrisch leitendes Textil 100 im Ausgangszustand, und
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2 ein elektrisch leitendes Textil 100 nach dem Ätzvorgang.
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In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das leitende Textil vor dem Ätzen mit einer Aktivatorflüssigkeit vorbehandelt, die an die Oberfläche des Textils angepasst ist. Nach der Vorbehandlung wird das Textil mit einer Tinte bedruckt, die an die chemischen Eigenschaften des Textils und der Aktivatorflüssigkeit angepasst ist. Um die Abdeckung mit Tinte zu verbessern, wird die Bedruckung mehrfach durchgeführt. Um das Einsickern von Tinte in die Unterlage unter dem zu bedruckenden Textil zu reduzieren und dadurch den Verbleib von Tinte in dem Textil zu erhöhen, wird eine Unterlage aus hydrophobem Material, beispielsweise eine Silikonfolie, verwendet. Beim Einbrennen der Tinte in das Textil sind die Einbrenndauer und die Einbrenntemperatur von entscheidender Bedeutung, damit die Tinte das Ätzbad möglichst lange und unbeschadet übersteht. Grundsätzlich ist die Widerstandskraft der Tinte mit höherer Einbrenndauer und höherer Einbrenntemperatur besser. Da jedoch aufgrund des Zeitbedarfs bei der Herstellung übermäßig hohe Einbrenndauern und Einbrenntemperaturen nachteilig sind, werden diese beiden Prozessparameter gemäß der Erfindung an die Intensität des Ätzvorgangs angepasst.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Textil mit elektrisch leitenden Strukturen als Drucksensor-Matrix in einer Druckmesssohle verwendet. 1 zeigt ein elektrisch leitendes Textil 100 im Ausgangszustand. Das Textil 100 wird beim Bedrucken mit Geometrien 200 flächig bedruckt, die als Kondensatorflächen für kapazitive Sensoren dienen. Ein besonderer Vorteil ist, dass die Kondensatorflächen als beliebige Geometrien ausgebildet werden können, beispielsweise als rechteckige, ovale, oder anders geformte Strukturen. Außerdem beinhaltet das Druckbild Anschlusskontakte 202, mittels denen die Kondensatorflächen an eine elektronische Auswertevorrichtung angeschlossen werden können, bevorzugt direkt an in geometrisch ähnlicher Weise ausgeprägten Kontaktpunkten einer Flexplatine, die mit einer Auswerteelektronik bestückt ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Anbindung mittels eines in z-Richtung leitenden Klebebandes. Des Weiteren umfasst das Druckbild Zuleitungen 201, mit denen die Kondensatorflächen und die Anschlusskontakte elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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2 zeigt das Textil 100 nach dem Ätzvorgang. Während das Textil 100 noch in seiner gesamten Fläche vorhanden ist, ist es nur noch in den Bereichen mit Bezugszeichen 200, 201 und 202 elektrisch leitend. In dieser Form wird das Textil als eine von mehreren Schichten einer Druckmesssohle als Drucksensor-Matrix verwendet.
