DE102015007157A1 - Flächige elektrische Kontaktierung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine flächige elektrische Kontaktierung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, das zur niederohmigen elektrischen Kontaktierung von elektrischen Schaltungen und Verbrauchern dient. Die Erfindung zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass sie für flache und flexible elektrische Schaltungen und Verbraucher, die auf flexiblen Materialien wie Folien und Textilien basieren, geeignet ist. Die flächige elektrische Kontaktierung entsteht durch die Kombination eines thermoplastischen Vlieses mit einer hochleitfähigen Druckpaste und/oder -tinte, wobei eine leicht schmelzende und gleichzeitig hoch leitfähige, zuschneidbare und bezüglich ihrer Leitfähigkeit strukturierbare Klebverbindung ausgebildet wird. Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind das Kontaktieren von textilen Heizmodulen, von flexiblen und textilen Komponenten in Smarten Textilien, von Solarzellen aus Solarfolien zu Solarmodulen, von Leuchtextilien, von Elektroden zur Erfassung von bioelektrischen Signalen vom menschlichen Körper und zur Stimulation von Muskeln und Nerven für medizinische und sportliche Applikationen sowie die Fertigung von textilen Elektroden und die Ausbildung der stromeinspeisenden Kontaktelektroden bei flexiblen und textilen Heizapplikationen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine flächige elektrische Kontaktierung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, das zur niederohmigen elektrischen Kontaktierung von elektrischen Schaltungen und Verbrauchern dient. Die Erfindung zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass sie für flache und flexible elektrische Schaltungen und Verbraucher, die auf flexiblen Materialien wie Folien und Textilien basieren, geeignet ist. Die flächige elektrische Kontaktierung entsteht durch die Kombination eines thermoplastischen Textils (z. B. Vlies, Gewebe, Gestrick, Gewirke), das unterhalb des zu kontaktierenden Substrates schmilzt und mit leitfähigen Fasern und/oder einer hochleitfähigen Druckpaste und/oder -tinte eine leicht schmelzende und gleichzeitig hoch leitfähige, zuschneidbare und bezüglich ihrer Leitfähigkeit strukturierbare Klebverbindung ausgebildet. Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind
    • 1) die Kontaktierung von textilen Heizmodulen (wie Sitzheizungen im Fahrzeug, beheizte Kleidung, mobile Pflanzenheizungen, Heizdecken für Pferde und andere Tiere,
    • 2) die Kontaktierung von flexiblen und textilen Komponenten in Smarten Textilien,
    • 3) die Kontaktierung und Verbindung von Solarzellen z. B. aus Solarfolien zu Solarmodulen,
    • 4) die Kontaktierung und der Aufbau von Leuchtextilien wie großflächigen elektrolumineszierenden Leuchttextilien,
    • 5) die Kontaktierung von Elektroden zur Erfassung von bioelektrischen Signalen vom menschlichen Körper und zur Stimulation von Muskeln und Nerven für medizinische und sportliche Applikationen,
    • 6) die Ausbildung der sogenannten stromeinspeisenden Kontaktelektroden bei flexiblen und textilen Heizapplikationen,
    • 7) die Fertigung von textilen Elektroden und Sensoren und
    • 8) die Kontaktierung von Sensoren und elektrischen Bauelementen mit und in Textilien.
  • Thermoplastische elektrisch leitfähige Klebstoffe in Form von Schmelzklebern sind beispielsweise aus den WO 2003045584 A1 , US 6 433 055 B1 , JP 59084962 A und EP 1 607 457 A3 bekannt. Hierbei handelt es sich um schmelzbare Polymersysteme mit eingebetteten leitfähigen Partikeln. Diese leitfähigen Schmelzklebstoffe weisen isotrope oder anisotrope elektrische Leitungseigenschaften auf und können zur Herstellung leitfähiger Klebverbindungen mit Hilfe geeigneter Werkzeuge, beispielsweise Klebepistolen, aufgetragen und unter Wärmeeinwirkung fixiert werden.
  • In den DE 10 2011 004 501 A1 und DE 103 08 060 B3 werden Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte beschrieben, bei denen die Anschlusskontakte durch eine Schmelzklebefolie bzw. vorher aufgebrachte Schmelzkleberschicht unter Wärmeeinwirkung hindurchgedrückt und somit miteinander in Kontakt gebracht werden. Bei dem in der DE 10 2008 050 000 A1 angegebene Verfahren zum gleichzeitigen mechanischen und elektrischen Verbinden von zwei Teilen werden die leitenden Teile im Bereich ihrer Verbindungsstellen unter Ausbildung eines elektrischen Kontaktes gegeneinander gepresst und im diese umgebenden Bereich mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffes, beispielsweise eines thermoplastischen Klebstoffes, in ihrer Lage fixiert.
  • Aus der DE 10 2004 014 214 B3 ist ein Verfahren zum Verbinden eines Chips und eines Substrates bekannt, bei den ein Haftmittel mit leitfähigen Partikeln zwischen Chip und Substrat bereitgestellt und diese Anordnung nachfolgend derart mit Druck beaufschlagt wird, dass sich im Bereich zwischen den Anschlussflächen eine lokale Verdichtung des Haftmittels einstellt und die leitfähigen Partikel an den Anschlussflächen haften. Danach erfolgt eine Aushärtung des Haftmittels ohne weitere Druckausübung. Dem Stand der Technik entsprechend sind die dabei hergestellten elektrisch leitfähigen Klebverbindungen lokal begrenzt oder wie im Falle der DE 10 2004 014 214 B3 bei der Kontaktierung elektronischer Bauelemente punktförmig ausgeführt.
  • Desweiteren erfordert die Herstellung elektrischer Kontakte unter Verwendung elektrisch anisotrop leitfähiger Schmelzkleber, wie im Falle der EP 1 607 457 A3 , Schichtdicken des Klebesystems, die unterhalb des durchschnittlichen Durchmessers der leitfähigen Partikel liegen, um überhaupt eine leitfähige Klebverbindung herzustellen. Im angeführten Beispiel handelt es sich um den Dickenbereich zwischen 25 und 100 μm. Die Herstellung der leitfähigen Klebverbindung erfordert deshalb die Aufwendung einer entsprechend hohen Anpresskraft, wodurch empfindliche Materialien insbesondere bei der Herstellung großflächiger Verbindungen beschädigt werden können. Bei nachgiebigen Materialien wie Textilien wird die Herstellung einer leitfähigen Klebverbindung hierdurch erheblich erschwert oder gänzlich verhindert.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine flächige elektrische Kontaktierung und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Lösungen vermeiden. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine flächige elektrische Kontaktierung mit der Merkmalskombination nach den Ansprüchen 1 bis 4 sowie ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 5 bis 10, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der leitfähigen Klebeverbindung durch die Kombination eines thermoplastischen Textils (z. B. Vlies, Gewebe, Gestrick, Gewirke), wie sie beim Laminieren von Textilien eingesetzt werden, mit einer hochleitfähigen Druckpaste und/oder -tinte, wie sie für den Druck von hochleitfähigen Strukturen auf Folien und Textilien eingesetzt wird und/oder mit leitfähigen Fasern. Dadurch entsteht ein leicht schmelzendes und gleichzeitig hoch leitfähiges, zuschneidbares als auch bezüglich seiner Leitfähigkeit strukturierbares Material, das sich durch seine Eigenschaften sowohl als Schmelzklebetextil zum Laminieren von textilen und folieförmigen Substraten eignet als auch nach dem Aufschmelzen im Laminat eine hochleitfähige Kontaktschicht zwischen den zu laminierenden Schichten ausbildet. Mit dem leitfähigen Klebetextil können durch Ein- bzw. Aufkaschieren von elektrischen Kabelanschlüsse in Form von Litzen, leitfähigen Bändern und Folien direkt an flexible und/oder textile Schaltungen und/oder Verbraucher wie beispielhaft textile Heizungen realisiert werden. Da das leitfähige Klebetextil frei zugeschnitten werden kann, eignet es sich auch zur Kontaktierung von Schaltungen oder elektrischen Geräten, die auf flexiblen Substraten wie Folien und/oder Textilien basieren, wie beispielhaft die Verbindung und elektrische Kontaktierung von Foliesolarzellen zu einem größeren Solarmodul, der Verbindung von elektrolumineszierenden flexiblen Leuchtmodulen zu einer Art Display. Da die leitfähige Komponente im Druck auf die thermoplastischen Vliese appliziert werden, lassen sich auch elektronische Komponenten mit mehreren elektrischen Anschlüssen über diese auf flexible elektronische Schaltungen zuverlässig, effizient und kostengünstig kontaktieren.
  • Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung besteht darin, dass die flächige elektrische Kontaktierung auf der Grundlage der leitfähigen thermoplastischen Textilien (z. B. eines Vlieses), neben der elektrischen Kontaktierung zur dauerhaften Verbindung der Bestandteile sowie zu deren mechanischer Stabilität beiträgt und sich insbesondere für elektrische Erzeugnisse wie textile Heizungen, Elektroden, Lichtquellen, Solarzellen und Batterien eignet, die in Laminier- und Kaschierprozessen erzeugt und/oder auf die Deck- und Schutzschichten in dieser Weise aufgebracht werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Zunächst wird ein niedrigschmelzendes thermoplastisches Textil so ausgewählt, dass die Schmelztemperatur unter der Komponente mit der niedrigsten Schmelztemperatur des zu kontaktierenden leitfähig strukturierten Substrates liegt. In den meisten Fällen eignet sich ein Schmelzklebetextil (Klebeweb). Wenn das niedrigschmelzende thermoplastische Klebeweb bereits schwerschmelzende leitfähige Fasern und/oder Drähte enthält, dann können diese direkt eingesetzt werden. Im anderen Fall wird auf das ausgewählte thermoplastische Textil eine leitfähige Präparation aufgebracht. Im einfachsten Ausführungsfall verwendet man ein Schmelzklebevlies und bedruck dieses im Siebdruck mit einer hochleitfähigen Silberleitpaste. Das so erzeugte leitfähige Schmelzklebevlies 3 kann auf die Größe der gewünschten elektrischen Kontaktfläche zugeschnitten werden. Danach wird der gewünschte Sandwichaufbau für den elektrischen Kontakt auf dem Substrat 1 und 2 aufgebaut. Wird das eigentliche Produkt, z. B. eine textile Heizung, durch Laminieren bzw. Kaschieren hergestellt, wird der Sandwichaubau in diesen Schichtaufbau (z. B. zwischen Ober und Untermaterial) integriert.
  • Für den Aufbau einer textilen Heizung wird auf das leitfähige Substrat 1 und 2 zuerst das zugeschnittene leitfähige Schmelzklebevlies 3 aufgelegt. Darauf folgt ein hochleitfähiges Kontaktband 4 (flache metallische Litze, Gewebe- bzw. textiles Band mit eingearbeiteten Drähten und/oder hochleitfähigen metalisierten Garnen und/oder Stahlfasergarnen und/oder Metallfolie). Das hochleitfähige Kontaktband wird mit einem weiteren leitfähigen Klebevlies abgedeckt. Optional kann darauf noch eine zweite hochleitfähige Schicht 5, z. B. eine Kupferfolie, zur besseren Verteilung der Stromdichte aufgebracht werden, die erneut mit einem Klebevlies 3 abgedeckt wird. Der Sandwichaufbau wird nach oben mit dem Oberstoff 6 abgedeckt. Im Fall einer kaschierten textilen Heizung wird der bereits eingesetzte Oberstoff verwendet. Anschließend durchläuft das aufgebaute Sandwich eine Kaschieranlage, die typischerweise aus Heiz- und Kühlfeld besteht. Die Kontaktstelle kann aber auch manuell thermisch z. B. mit einem Bügeleisen und einer kalten Metalplatte laminiert werden.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird gezeigt, wie man über eine vergleichbare elektrische Kontaktverbindung eine energieumwandelnde elektrische Komponente, z. B. einen Kondensator, eine elektrolumineszierende Lichtquelle, eine Batterie, eine Solarzelle ausbilden, einen Sensor/Aktuator darstellen oder einen elektrochromen Effekt erzeugen kann. Im Weiteren soll dies am Aufbau einer vollständig elektrolumineszierenden Fläche beschrieben werden. In diesem Fall wird wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel wieder ein Sandwichaufbau gelegt, der anschließend kaschiert wird. Man beginnt in diesem Fall mit einem transluzenten Unterstoff, gefolgt von einem leitfähigen Klebevlies mit geringer Flächenmasse, einem dünnen transparenten leitfähigen Gewebe (z. B. hochfeines Gewebe aus metallisierten Monofilamenten), gefolgt von einem Klebevlies, das mit elektrolumineszierenden Pigmenten, also der Funktionsschicht, ausgerüstet ist. Darauf folgen wieder das dünne transparente leitfähige Gewebe als zweite Elektrode und ein leitfähiges Klebevlies zur Kontaktierung. Der Sandwichaufbau wird abschließend mit einem transluzenten Oberstoff abgedeckt. Es ist darauf zu achten, dass das untere dünne transparente leitfähige Gewebe auf einer Seite und das obere dünne transparente leitfähige Gewebe an der anderen Seite zur Kontaktierung über den Sandwich herausstehen oder zur Kontaktierung ein hochleitfähiges Band jeweils zwischen leitfähigem Klebevlies und transluzentem hochleitfähigen Gewebe so eingefügt werden, dass zwischen den beiden hochleitfähigen Gewebeschichten kein Kurzschluss entsteht. Zusätzlich können zur elektrischen Isolation des elektrolumieszierenden Textils noch Isolationsfolien zusammen mit Unter- und Oberstoff zum Einsatz gelangen.
  • Im dritten Ausführungsbeispiel wird eine Elektrode für den Einsatz in der Medizin und/oder Sport beschrieben. Beim Einsatz von Elektroden am Körper kommt es darauf an, dass die Elektroden sich an den Körper anschmiegen und mit Elektrolyt versorgt werden. Deshalb wählt man in diesem Fall für die Kontaktierung der Elektrode einen Sandwichaufbau aus einem elastischen Band, einem Schmelzklebevlies, einer mit Elektrolyt befüllbaren Folie, einem erfindungsgemäßen leitfähigen Schmelzklebevlies, dem hochleitfähigen Zuleitungband, einem weiteren erfindungsgemäßen leitfähigen Schmelzklebevlies und einem leitfähigen textilen Elektrodenmaterial (z. B. einer textilen Fläche aus Shieldex® und/oder ELITEX®-Garnen, die mit einer den elektrischen Kontakt zur Haut verbessernden Ausrüstung versehen ist), wie beispielsweise in „Erforschung anodisierter versilberter Garne mit permanentem ionenleitfähigen Nanofilm zur Behandlung neuronaler Lähmungen – MedKontakt" im Tagungsband des 3. BMBF-Symposium „Medi WING – Nano- und Werkstoffforschung für pharmazeutische und medizinische Anwendungen, 2.–3. Juli 2014 Nürnberg Messe, Seite 112–113 beschrieben. Das Sandwich wird wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen entsprechend laminiert und die befüllbare Folienzelle mit Luft oder einem Elektrolyten gefüllt. Wird die befüllbare Folie mit Elektrolyt gefüllt, dann ist die Foliezelle zweckmäßigerweise auf der der textilen Elektrode zugewandten Seite fein perforiert, so dass der Elektrolyt die textile Elektrode benetzen kann. In einem vierten Ausführungsbeispiel wird die Kontaktierung von zwei einander überlappenden Foliesolarzellen mit unterer und oberer Kontaktfläche zu einem Solarmodul beschrieben. In diesem Fall besteht das Sandwich aus den sich an den Kontaktflächen überlappenden Solarfolien, zwischen die ein erfindungsgemäßes leitfähiges Schmelklebesvlies gelegt wird. Der erhaltene Verbund wird wie in allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen anschließend laminiert.
  • In einem fünften Anwendungsbeispiel wird ein elektronischer Schaltkreis mit SMD-Kontakten (SMD = Surface Mounted Device) auf eine flexible Schaltung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrisch kontaktiert, in dem ein Sandwich aus flexibler Leiterplatine und einem Schmelzklebevlies, das im Abstand der SMD-Anschlüsse erfindungsgemäß leitfähig im Siebdruck mit hochleitfähiger Silberdruckpaste bedruckt worden ist und dem entsprechenden Bauelement aufgebaut wird. Das Sandwich wird anschließend in einer Laminierpresse, für textile Anwendungen auch als Bügelpresse bezeichnet, laminiert.
  • Hierbei zeigt:
  • 1 die schematische Darstellung des Sandwichaufbaus einer erfindungsgemäß aufgebauten elektrischen Kontaktierung einer textilen Heizung mit einer Zuleitung (z. B. flachen Litze, hochleitfähigem Band oder Metallfolie) mit dem nichtleitfähigen Bereich 1 der textilen Heizfläche, dem leitfähigen Bereich der textilen Heizfläche 2, dem leitfähigen thermoplastischen Textil gemäß der Erfindung 3, der flachen Litze oder dem leitfähigen Zuleitungsband 4, einer optionalen Metallfolie zur Verbesserung der Stromverteilung 5 und dem Oberstoff 6.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    isolierender Bereich des elektrischen Funktionselementes
    2
    elektrisch leitfähiger Bereich des Funktionselementes
    3
    leitfähiges thermoplastisches Textil
    4
    hochleitfähiges Band, Litze, Garn oder zweites an das erste zu kontaktierendes elektrisches Funktionselement
    5
    Metallfolie (optional)
    6
    Oberstoff
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Erforschung anodisierter versilberter Garne mit permanentem ionenleitfähigen Nanofilm zur Behandlung neuronaler Lähmungen – MedKontakt” im Tagungsband des 3. BMBF-Symposium „Medi WING – Nano- und Werkstoffforschung für pharmazeutische und medizinische Anwendungen, 2.–3. Juli 2014 Nürnberg Messe, Seite 112–113 [0013]

Claims (10)

  1. Elektrisch leitfähige Klebverbindung dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Schicht- bzw. Sandwichaufbau mit mindestens einer aus einem leitfähigen thermoplastischen unter dem zu kontaktierenden Substrat schmelzenden Textil (z. B. Vlies, Gewebe, Gestrick, Gewirke), wobei das thermoplastische Textil bei thermischen Prozessen wie Laminier- und Kaschierprozessen aufschmilzt, mit flexiblen Substraten ideal vernetzt und die leitfähige Komponente des Textils durchgängige leitfähige Bereiche mit extrem geringen Übergangswiderständen, die auf die Fläche bezogen nur wenige mOhm·cm2 betragen, bilden.
  2. Elektrisch leitfähige Klebverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese durch den zuvor beschriebenen Sandwichaufbau als Kontaktierung zweier im Inneren des Schichtaufbaus einander gegenüberliegender flexibler leitfähiger Schichten dienen, die eine energieumwandelnde elektrische Komponente wie einen Kondensator, eine elektrolumineszierende Lichtquelle, eine Batterie, eine Solarzelle ausbilden und/oder einen Sensor/Aktuator darstellen und/oder einen elektrochromen Effekt erzeugen können.
  3. Elektrisch leitfähige Klebverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Komponente des niedrigschmelzenden thermoplastischen Textiles aus leitfähigen Faser und/oder einer leitfähigen Präparation und/oder einem leitfähigen Druck, Tinte oder Paste besteht.
  4. Elektrisch leitfähige Klebverbindung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese durch das eingesetzte thermoplastische Trägermaterial im Fall der Ausbildung eines Hotspots bereits bei Temperaturen, die weit unter dem Schmelzpunkt von Metallen liegen, aufschmilzt und den elektrischen Kontakt unterbricht und so die Brandgefahr, die von defekten elektrischen Kontakten ausgeht, verringert.
  5. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem sandwichförmigen Aufbau erzeugt wird, wobei mindestens eine der Lagen aus einem leitfähig ausgerüsteten, niedrigschmelzenden, thermoplastischen Textil besteht.
  6. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem thermischen Prozess (z. B. über einen Kaschier bzw. Laminierprozess) aus dem sandwichförmigen Aufbau erzeugt wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sandwichaufbau durch hochleitfähige Schichten wie Metallfolien, leitfähige textile Flächen, die sich mit dem niedrigschmelzenden, thermoplastischen Textil abwechseln, erweitert werden können, was deutlich zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit und Verringerung hoher lokaler Stromdichten beiträgt.
  8. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über die zusätzlichen einlaminierten hochleitfähigen Schichten der punktuell über die im Sandwichaufbau befindliche Zuleitung eingetragene Strom auf die gesamte Fläche der elektrischen Kontaktverbindung so verteilt werden kann, dass es selbst bei hohen Strömen, wie diese bei großflächigen Niedervoltheiztextilien auftreten, zu keiner Temperaturerhöhung der elektrischen Kontaktierung gegenüber der übrigen Fläche der zu kontaktierenden flexiblen elektrischen Komponente wie z. B. einer textilen Heizung kommt.
  9. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese durch den zuvor beschriebenen Sandwichaufbau als Längsgebilde an zwei Seiten eines leitfähigen flexiblen Substrates als Einspeiseelektrode in eine flexible Heizung oder andere leistungsintensive Anwendungen dient.
  10. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Modifizierung des zuvor beschriebenen Sandwichaufbau sowohl zur Kontaktierung von textilen Elektroden, Sensoren, anderen textilen Bauelementen oder elektronischen Bauteilen zum Beispiel für den Einsatz in der Medizin und/oder im Sport als auch zur Herstellung der textilen Elektroden dienen.
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