-
Stand der Technik
-
Elektrisch leitfähige Leiterbahnen werden in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen benötigt. Die Leiterbahnen können dabei unterschiedlich hergestellt werden. Beispielsweise ist aus
DE 10 2006 061 435 A1 ein Verfahren zum Aufbringen von Metallen auf Trägermaterialien durch Erzeugen eines Plasmastrahls bekannt. Das Verfahren ist ein chemie- und maskenfreies Verfahren, mit dem die Metalle in strukturierten Schichten auf das Trägermaterial aufgebracht werden können.
-
Die bekannten metallischen Leiterbahnen können je nach Abmessung biegempfindlich bzw. anfällig für mechanische Belastungen sein.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es kann daher ein Bedarf bestehen, eine elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn, entsprechende flexible Materialien und entsprechende Herstellungsverfahren bereitzustellen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig einen hohen Grad an Flexibilität und Stabilität der Leiterbahn gewährleisten.
-
Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn vorgestellt. Die Leiterbahn weist ein elektrisch leitfähiges Material und ein Fasermaterial auf. Das Fasermaterial ist dabei in das elektrisch leitfähige Material integriert.
-
Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, eine Leiterbahn bereitzustellen, die faserverstärkt ist und dadurch zusätzlich zu ihrer Leitfähigkeit auch flexibel und stabil ist. Die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn kann zum Beispiel mit Hilfe des oben beschriebenen Plasmastrahlverfahrens hergestellt werden, indem zusätzlich zu den mittels des Plasmastrahls aufgebrachten metallischen Materialien auch gleichzeitig Fasermaterial an der gleichen Stelle aufgebracht wird. Das Aufbringen der Fasermaterialien findet derart statt, dass diese in die Leiterbahn eingelagert werden. Das elektrisch leitfähige Material kann dabei homogen in der Leiterbahn verteilt sein, während das Fasermaterial das leitfähige Material durchzieht und nicht homogen verteilt ist.
-
Die Integration des Fasermaterials erhöht die Stabilität und Festigkeit der elektrisch leitfähigen Leiterbahn. Die mit dem Fasermaterial versehene Leiterbahn kann belastbarer und stabiler bei mechanischer Beanspruchung oder Temperaturänderung sein. Die elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahnen können zum Beispiel auf flexible Materialien, wie zum Beispiel Textilien, aufgebracht werden. Sie können sich der flexiblen Materialoberfläche anpassen und sich gegebenenfalls mit ihr bewegen. Alternativ können die elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahnen auch auf starre Oberflächen, wie beispielsweise Kunststoffe oder Keramik, aufgebracht werden. Diese Eigenschaft der Flexibilität kann sich in Form einer verbesserten Unempfindlichkeit beim Biegen als auch einer Verbesserung bzgl. der Dehnbarkeit der Leiterbahn ausdrücken. Insbesondere wenn zwei Substrate mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wie Kunststoff und Keramik durch eine auf der Oberfläche befindlichen Leiterbahn überbrückt werden sollen, kann die flexible Leiterbahn das thermische Mismatch kompensieren.
-
Das in der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn enthaltene leitfähige Material kann zum Beispiel ein Metall wie Kupfer oder Zinn sein. Das leitfähige Material kann vor dem Aufsprühen mittels eines Plasmastrahls in Form eines Pulvers bzw. in Form von kleinen Kügelchen vorliegen. Die Pulverelemente bzw. die Kugeln des elektrisch leitfähigen Materials können vor dem Auftragen, beispielsweise mittels einer Plasmastrahlpistole, einen Durchmesser von ca. 10 µm bis ca. 60 µm haben.
-
Das Fasermaterial kann elektrisch leitfähiges oder isolierendes Material sein. Es kann mehrere einzelne Fasern aufweisen. Eine Faser weist dabei eine Längsachse auf, die der Richtung der größten Ausdehnung der Faser entspricht. Die Fasern können zum Beispiel ein im Verhältnis zu ihrer Länge dünnes und flexibles Gebilde darstellen. Das Fasermaterial bzw. die einzelnen Fasern sind biegsam und elastisch. Zum Beispiel können das Fasermaterial bzw. die einzelnen Fasern faden- bzw. schnurförmig ausgeführt sein oder als längliche Flocken (Flakes) vorliegen. Die Länge einer Längsachse der einzelnen Fasern kann zum Beispiel zwischen 0,1 und 5 mm liegen. Die durchschnittliche Länge der Längsachse ist dabei größer als der durchschnittliche Durchmesser der Kugeln des elektrisch leitfähigen Materials.
-
In der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn ist das Fasermaterial in das elektrisch leitfähige Material integriert. Das heißt, das Fasermaterial ist vom elektrisch leitfähigen Material umgeben bzw. ist in das elektrisch leitfähige Material eingelagert. Zum Beispiel kann beim Herstellungsverfahren der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn das elektrisch leitfähige Material derart erhitzt werden, dass das Pulver bzw. die einzelnen Kugeln schmelzen, das Fasermaterial jedoch seine Form behält. Das ist beispielsweise bei Glasfasern der Fall. Auf diese Weise umhüllt das elektrisch leitfähige Material das Fasermaterial.
-
Die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn kann zum Beispiel zur Signalleitung, zur Stromleitung oder für Heizzwecke verwendet werden.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Fasermaterial mindestens ein Material aus der folgenden Gruppe auf: Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Nanotubes. Das Fasermaterial kann ferner aus Kombinationen dieser Materialien bestehen.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein flexibles Material mit einer oben beschriebenen elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn vorgestellt.
-
Das flexible Material kann ein Material sein, welches sich unter geringer Kraftausübung verformen lässt. Beispielsweise kann das flexible Material eine Textilie, Leder, Pappe, Papier, Kunststoff oder eine Kombination dieser Materialien, wie zum Beispiel eine flexible Leiterplatte, sein. Eine Textilie kann dabei zum Beispiel ein Verbund von Fasern bzw. Garn sein. Das flexible Material kann ferner zum Beispiel ein isolierendes Material sein.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das flexible Material eine Textilie, in die die Leiterbahn eingewoben ist. Alternativ kann die elektrisch leitfähig flexible Leiterbahn an einer Oberfläche des flexiblen Materials, also der Textilie, aufgespritzt sein. In beiden Fällen passt sich die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn der Krümmung und Biegung des flexiblen Materials an.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn auf das flexible Material mittels des oben dargestellten Plasmastrahlverfahrens aufgespritzt. Das flexible Material kann hierbei als Substratmaterial oder Trägermaterial bezeichnet werden. Beim Aufspritzen der elektrisch leitfähigen Leiterbahn mittels des Plasmastrahlverfahrens wird das Substratmaterial und insbesondere die Oberfläche des Substratmaterials nur minimal erwärmt. Es ist daher möglich, die flexible Leiterbahn aufzubringen, ohne dass das flexible Material beschädigt wird. Damit können auch feinstrukturierte Materialien, wie zum Beispiel Papier, Pappe oder Textilien als Substrat verwendet werden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das flexible Material eine Energiequelle wie zum Beispiel eine Batterie oder einen Akku auf. Die Energiequelle kann dabei am flexiblen Material angeordnet sein oder in Verbindung mit dem flexiblen Material stehen. Die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn ist mit der Energiequelle elektrisch verbunden. Diese Verbindung kann auch durch übliche Kontaktierverfahren wie Bonden, Löten, Schweißen hergestellt werden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das flexible Material eine elektronische Steuereinheit auf. Die elektronische Steuereinheit kann an dem flexiblen Material angeordnet sein oder damit in Verbindung stehen.
-
Die elektronische Steuereinheit kann ferner einzelne Computerchips aufweisen, die geeignet sind, angeschlossene Elemente zu steuern bzw. zu regeln. Die Leiterbahn ist dabei mit der Steuereinheit elektrisch verbunden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn als Sensorelement, wie zum Beispiel als Temperatur-, als Widerstands- oder als Kapazitätssensor ausgeführt. Hierzu kann die elektrisch leitfähige Leiterbahn mittels der Energiequelle mit Strom versorgt werden bzw. mit einer Spannung beaufschlagt werden und die ermittelten Signale können von der elektronischen Steuereinheit ausgelesen, ausgewertet und weitergeleitet werden. Alternativ kann die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn als Heizelement ausgeführt sein. Hierzu kann die Leiterbahn zum Beispiel mäanderförmig mit einer möglichst großen Oberfläche auf das flexible Material aufgebracht sein und einen hohen Wärmeverlust aufweisen. Das Heizelement kann von der Energiequelle zum Beispiel mit Strom versorgt werden. Als weitere Alternative kann die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn als Stromleitungselement ausgeführt sein, welches die Energiequelle mit weiteren Funktionselementen verbindet. Eine weitere Alternative ist die Ausführung der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn als Signalleitungselement, welches Signale der elektronischen Steuerungseinheit an weitere Funktionselemente weitergibt.
-
Beispiele für eine elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn, die in ein flexibles Material integriert oder aufgespritzt ist, können zum Beispiel Sitze in einem Fahrzeug sein. Die Sitze können ein flexibles Material, wie zum Beispiel eine Textilie oder ein Leder aufweisen, in welches eine elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn integriert ist. Die Leiterbahn kann dabei zum Beispiel als Temperatursensor oder als Heizung fungieren. Ferner kann eine flexible elektrisch leitfähige Leiterbahn in ein Lenkrad, beispielsweise in das Leder des Lenkrads, integriert sein und als Lenkradheizung fungieren. Des Weiteren ist die Integration von elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahnen in das Material von Fußmatten möglich, so dass die Fußmatten mittels der Leiterbahn beheizbar sind.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Aufspritzen von elektrisch leitfähigem Material auf einen ersten Bereich eines Substrats mittels eines Plasmastrahlverfahrens; gleichzeitiges Aufspritzen eines Fasermaterials auf den ersten Bereich des Substrats.
-
Das elektrisch leitfähige Material kann dabei beispielsweise in Form eines Metallpulvers vorliegen, welches mit Hilfe des Plasmastrahls auf die Oberfläche des Substrats hin beschleunigt wird. Gleichzeitig wird Fasermaterial, welches in Form von Flocken oder Fasern vorliegt, auf die gleiche Stelle, den gleichen Bereich oder die gleiche Position auf der Substratoberfläche hin beschleunigt. Das Substrat kann dabei ein flexibles Material sein.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Fasermaterial dem elektrisch leitfähigen Material vor dem Aufspritzen beigefügt. Das heißt, das elektrisch leitfähige Material kann innerhalb einer Plasmastrahlpistole mit dem Fasermaterial kombiniert bzw. vermischt werden und gemeinsam auf die Oberfläche des Substrats hin beschleunigt werden. Anders ausgedrückt wird das Fasermaterial und das elektrisch leitfähige Material aus der gleichen Quelle auf ein Substrat aufgespritzt.
-
Alternativ wird das Fasermaterial erst auf dem Substrat mit dem elektrisch leitfähigen Material kombiniert. Anders ausgedrückt werden das Fasermaterial und das elektrisch leitfähige Material aus unterschiedlichen Quellen auf die Oberfläche des Substrats hin beschleunigt und treffen dort beispielsweise gleichzeitig auf.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen flexiblen Materials vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines flexiblen Materials und Einweben der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn in das flexible Material oder Aufspritzen der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn mittels eines Plasmastrahlverfahrens auf das flexible Material.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines flexiblen Materials mit einer elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn und den Prozess der Herstellung dieser Elemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
-
2 zeigt einen Querschnitt durch ein flexibles Material, auf welches eine elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn aufgespritzt wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
-
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
-
In 1 ist perspektivisch flexibles Material 7, welches zum Beispiel eine Textilie, Leder, Kunststoff, Pappe oder Papier sein kann, mit einer darauf aufgespritzten elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn 1 dargestellt. Die elektrisch leitfähige flexible Leiterbahn 1 weist ein elektrisch leitfähiges Material 3 und Fasermaterial 5 auf, welches in das leitfähige Material integriert ist. Die flexible Leiterbahn 1 ist mit einer Energiequelle 15, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Akku, verbunden. Alternativ kann die Energiequelle 15 als Anschluss an eine Netzquelle bzw. an einen Elektromotor eines Fahrzeugs ausgeführt sein. Ferner ist die flexible Leiterbahn 1 mit einer elektronischen Steuereinheit 17 verbunden. Die Energiequelle 15 und die elektronische Steuereinheit 17 sind im Ausführungsbeispiel am Rand des flexiblen Materials 7 angeordnet.
-
Im Ausführungsbeispiel in 1 wird das elektrisch leitfähige Material 3 und das Fasermaterial 5 auf das flexible Material 7 mit Hilfe eines Plasmastrahls aufgesprüht bzw. aufgespritzt. Der Plasmastrahl wird innerhalb einer Plasmapistole 9 erzeugt und beschleunigt das elektrisch leitfähige Material 3 zusammen mit dem Fasermaterial 5 in Richtung der Oberfläche des flexiblen Materials 7. Dabei wird das elektrisch leitfähige Material 3, welches zum Beispiel in einer ersten Kammer 11 der Plasmapistole 9 in Form von Pulver vorliegt, über eine Schmelztemperatur hinaus erhitzt. Das Fasermaterial 5, welches zum Beispiel in einer zweiten Kammer 13 der Plasmapistole 9 angeordnet ist, weist beispielsweise eine höhere Schmelztemperatur als das elektrisch leitfähige Material 3 auf. Beim Auftreffen auf die Oberfläche des flexiblen Materials 7 wird das Fasermaterial 5 von dem erstarrten elektrisch leitfähigen Material 3, welches wieder abgekühlt ist, umgeben und in dieses integriert. Das elektrisch leitfähige Material 3 und das Fasermaterial 5 werden im Ausführungsbeispiel in 1 innerhalb der Plasmapistole 9 kombiniert bzw. vermischt. Beispielsweise können die Fasermaterialen 5 ins Plasmapulver bzw. Plasmaausgangsmaterial eingebracht werden, so dass nur ein Spritzvorgang notwendig ist.
-
Im Ausführungsbeispiel in 2 werden das elektrisch leitfähige Material 3 und das Fasermaterial 5 aus unterschiedlichen Quellen, jedoch gleichzeitig an der gleichen Stelle des flexiblen Materials 7 aufgespritzt. In 2 ist ein Querschnitt durch das flexible Material 7 mit der elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahn 1 dargestellt. Das elektrisch leitfähige Material 3 wird wie in 1 mittels einer Plasmapistole 9 auf die Oberfläche des flexiblen Materials 7 aufgespritzt. Gleichzeitig wird aus einer weiteren Quelle, nämlich einer Faseraufspritzvorrichtung 19, das Fasermaterial 5 an die gleiche Stelle der Oberfläche des flexiblen Materials 7 aufgespritzt.
-
Sowohl die Variante in 1 als auch die Variante in 2 führen dazu, dass während der Plasmabeschichtung Fasermaterialien 5 so in die Leiterbahn 1 eingebracht werden, dass die Fasermaterialien 5 in die Leiterbahn 1 eingelagert sind. Hierdurch wird eine stabile und flexible Leiterbahn 1 auf dem flexiblen Material 7 hergestellt. Diese ist widerstandsfähiger gegenüber Beanspruchungen und Belastungen als gewöhnliche metallische Leiterbahnen. Das elektrisch leitfähige Material 3 und das Fasermaterial 5 können sich dabei während des Aufspritzprozesses bzw. beim Auftreffen auf der Oberfläche des flexiblen Materials 7 miteinander zu einer Leiterbahn 1 verbinden.
-
Als Fasermaterial 5 können zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Nanotubes verwendet werden. Die Fasern, wie zum Beispiel Glasfasern, stabilisieren im Glasfaserverbund die Leiterbahn 1. Eine derartige Leiterbahn ist auf flexiblen Strukturen, wie zum Beispiel Textilien, wesentlich stabiler bezüglich einer mechanischen Belastung, wie zum Beispiel einer Biegung. Die Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Leiterbahn könnte vergleichbar mit glasfaserverstärkten Kunststoffen sein. Die mit dem Fasermaterial 4 dotierten elektrisch leitfähigen flexiblen Leiterbahnen 1 können entsprechend zu Heizzwecken, zur Stromleitung oder zur Signalleitung verwendet werden. Ferner können sie dazu dienen, Sensoren in Textilien zu kontaktieren oder Heizelemente in Textilien einzubringen.
-
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006061435 A1 [0001]
