LEITFÄHIGES TEXTILES GARN, FADEN ODER LITZE

Abstract

 Die Erfindung betrifft leitfähige textile Garne, Fäden oder Litzen zur textiltechnologischen Strukturerzeugung, insbesondere für elektronische Textilien mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelementen, wobei das Garn, der Faden oder die Litze um ihren Kern eine elektrisch isolierende Umhüllung oder Beschichtung aufweist. Erfindungsgemäß besitzt die Umhüllung oder Beschichtung thermisch aufschmelzbare Eigenschaften und ist unter Beibehaltung ihrer Hochohmigkeit mit einer homogenen Dotierung aus leitfähigen Mikropartikeln versehen, wobei durch lokale, zeitgesteuerte Temperatur- und Druckeinwirkung auf die Umhüllung oder Beschichtung ein punktueller, elektrisch leitfähiger Zugang zum Kern ausbildbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze zur textiltechnologischen Strukturerzeugung, insbesondere für elektronische oder mit elektronischen Komponenten versehene Textilien mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelementen, wobei das Garn, der Faden oder die Litze um ihren Kern eine elektrisch isolierende Umhüllung oder Beschichtung aufweist, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Schaltungsträger mit einer Vielzahl leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen zur Bildung einer komplexen textilen Struktur sowie ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen zur Weiterverarbeitung zu Textilstrukturen.

[0003] Aus der WO 18176121 A1 ist ein Kontaktsensorelement vorbekannt, welches ein Material geringer Dichte auf der Basis leitfähiger Mikropartikel enthält.

[0004] Diese leitfähigen Mikropartikel besitzen eine erste Leitfähigkeit, wenn kein Komprimierungsvorgang stattfindet.

[0005] Die Leitfähigkeit ändert sich, wenn eine Komprimierung vorgenommen wird.

[0006] Gemäß der Patentfamilie nach WO 22044913 A1 gehören beschichtete Teilchen zum Stand der Technik, wobei die leitfähigen Teilchen mit einer isolierenden Schicht überzogen sind.

[0007] Diese isolierende Schicht kann durch Thermokompressionsbonden aufgeschmolzen werden. Hierdurch wird eine metallische Oberfläche des entsprechenden leitfähigen Teilchens freigelegt, um so eine elektrische Leitfähigkeit des gesamten Gebildes oder der Schicht zu erreichen.

[0008] Die US 8679621 B offenbart einen elektrischen Leiter, der im Fall einer Beschädigung geheilt werden kann. Diesbezüglich ist eine leitfähige Flüssigkeit im Leiter eingebettet. Wenn durch einen Riss oder eine sonstige mechanische Schädigung ein Freisetzen der leitfähigen Partikel erfolgt, können diese die Gesamtleitfähigkeit wieder weitgehend herstellen.

[0009] Bekannt ist aus der US 4624798 A eine leitfähige Mikropartikelmasse, die in eine Matrix aus elektrisch nicht leitfähigen Materialien eingebettet ist. Beim Zusammendrücken eines derartigen gummiartigen Materials berühren sich die leitfähigen Partikel und der Verbundwerkstoff wird zu einem elektrischen Leiter.

[0010] Textile elektronische Schaltungen auf der Basis leitfähiger Fasern sind bereits bekannt. Schaltungen auf der Basis von flexiblen, folienbasierten Schaltungsträgern werden zum Schutz gegen Umwelteinflüsse, insbesondere zum Schutz gegen Eindringen von Feuchtigkeit mit Isolationslacken überzogen.

[0011] Derartige Beschichtungen lassen sich vom Grundsatz her auch auf flächige textile Schaltungsträger übertragen. Allerdings geht die Atmungsaktivität und die Nachgiebigkeit des eigentlichen Schaltungsträgers und damit der Vorteil gegenüber klassischen Flexsubstraten verloren. Gemäß dem bisherigen Stand der Technik erfordert die Kontaktierung elektronischer Bauelemente passiver oder aktiver Art eine Entfernung der Isolation der im Textil integrierten Leiterbahnen. Zur Kontaktierung müssen darüber hinaus Hilfsmittel wie Lötpasten oder Leitkleber aufgebracht werden, was insgesamt in Arbeitsaufwand und damit die Kosten bei der Herstellung derartiger Schaltungsträger bzw. deren Anwendungen erhöht.

[0012] Darüber hinaus kommt es an den abisolierten Stellen zu Korrosionserscheinungen, welche bei einer Langzeitbetrachtung die gewünschten elektrischen Eigenschaften verschlechtern oder in Frage stellen.

[0013] Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, weiterentwickelte textile Garne, Fäden oder Litzen zur textiltechnologischen Strukturerzeugung anzugeben, mit deren Hilfe in kostensenkender und einfacher Weise auch komplexe Schaltungsträger realisiert werden können und wobei die schaltungstechnisch notwendige Verbindung einzelner Leiterbahnen innerhalb der Struktur bzw. die Kontaktierung zu Bestücktungsbauelementen ohne Abisolierungsmaßnahmen erfolgen kann, wobei die geschaffenen elektrischen Kontakte oder Verbindungen langzeitstabil erhalten bleiben.

[0014] Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, durch einen Schaltungsträger mit einer Vielzahl leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen gemäß der vorliegenden Erfindung sowie durch ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen zur Weiterverarbeitung zu Textilstrukturen.

[0015] Es wird demnach von einem leitfähigen textilen Garn, Faden oder Litze zur textiltechnologischen Strukturerzeugung ausgegangen.

[0016] Diese textilen Garne, Fäden oder Litzen sollen insbesondere für elektronische Textilien mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelementen Anwendung finden, das heißt in sogenannten Smart Textiles eingesetzt werden oder einsetzbar sein. Leitfähige Fäden sind beispielsweise unter dem Markennamen Elitex der Anmelderin vorbekannt.

[0017] Unter aktiven Bauelementen werden beispielsweise Schaltkreise, lichtemittierende Dioden, Transistoren oder sonstige optoelektronische Bauteile verstanden.

[0018] Passive Bauelemente sind beispielsweise Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten aber auch Steckverbinder, Schalter, Taster oder dergleichen Mittel.

[0019] Das erfindungsgemäße leitfähige textile Garn, Faden oder die Litze weist eine um den Kern ausgebildete elektrisch isolierende Umhüllung oder Beschichtung auf.

[0020] Erfindungsgemäß ist nun die Umhüllung oder Beschichtung thermisch aufschmelzbar und unter Beibehaltung ihrer Hochohmigkeit mit einer homogenen Dotierung aus leitfähigen Mikropartikeln versehen.

[0021] Durch lokale, zeitgeführte Temperatur- und Druckeinwirkung auf die Umhüllung oder Beschichtung kann nun ein punktueller, elektrisch leitfähiger Zugang zum Kern ausgebildet werden.

[0022] Beispielsweise kann durch eine derartige Maßnahme an einer Kreuzung zweier Fäden eine dauerhafte elektrische und mechanische Verbindung erzielt werden, ohne dass es im Vorfeld notwendig ist, am Knoten- oder Verbindungspunkt die Isolationsumhüllung mechanisch oder mit anderen geeigneten Methoden zu entfernen.

[0023] Es kommt also eine mit leitfähigen Mikropartikeln dotierte Beschichtung für die leitfähigen Fadenmaterialien zum Einsatz, wobei die Beschichtung nach thermischer Druckbelastung aufschmilzt und somit einen Kontakt zwischen leitfähigen Fäden oder Garnen bzw. Litzen untereinander bzw. zu den vorerwähnten Bauteilen herstellt.

[0024] Für die elektrische Kontaktierung ist eine geringe Konzentration leitfähiger Mikropartikeln von lediglich etwa 60 Partikeln/mm² ausreichend, was je nach ausgewählten metallischen Mikropartikeln einer Partikelkonzentration von 1-5 Masse-% entspricht.

[0025] Bei vorteilhaften geringen Partikelkonzentrationen und der Verwendung möglichst runder Partikel liegen diese in der Beschichtung, ohne sich gegenseitig zu berühren.

[0026] Elektrische Flächenwiderstände von im vorgenannten Konzentrationsbereich vorliegenden leitfähigen Partikeln in der Beschichtung liegen damit im Gigaohm-Bereich.

[0027] Die Schichtdicke der Umhüllung liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 300 µm. Zusätzlich zu der Schutzwirkung der Umhüllung aufgrund der Basismaterialien auf insbesondere Polymerbasis können im Umhüllungsmaterial noch Korrosionsinhibitoren vorhanden bzw. eingebettet sein.

[0028] Grundsätzlich kommen für die Beschichtung Basispolymere wie thermoplastisches, thermisch verarbeitbares oder thermisch verletzbares Polyurethan oder Copolyester zum Einsatz. Diese Basispolymere werden mit leitfähigen Mikropartikeln, zum Beispiel runden, silberbeschichteten Aluminiumpartikeln versetzt.

[0029] Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Schaltungsträger mit einer Vielzahl leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen, die in der vorstehend beschriebenen Art weitergebildet wurden, wobei diese in eine komplexe Textilstruktur, insbesondere in sogenanntes Smart Textiles eingearbeitet sind.

[0030] An Kreuzungen von Leiterbahnen bzw. an Kontaktstellen zu elektronischen Bauelementen werden dann mittels eines zeitgesteuerten Druck-/Temperatur-Prozesses Kontaktstellen im Schaltungsträger ausgebildet.

[0031] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen zur Weiterverarbeitung zu Textilstrukturen geht von folgenden Schritten aus.

[0032] Zunächst werden an sich bekannter Weise leitfähige textile Fäden, Garne oder Litzen bereitgestellt.

[0033] Danach erfolgt ein Fertigen einer Fadenbeschichtungsmasse mit einem Basispolymer, welches mit leitfähigen Mikropartikeln beladen ist.

[0034] Die Beladung liegt im Bereich von 1 bis 5 Masse-%. Die Mikropartikel-Beladung wird zur gleichmäßigen Verteilung im Basispolymer homogenisiert.

[0035] Die Fadenbeschichtungsmasse wird dann zum Beschichten oder Umhüllen der betreffenden leitfähigen textilen Fäden, Garne oder Litzen verwendet, derart, dass die isolierende Wirkung der Umhüllung erhalten bleibt.

[0036] Zur Qualitätssicherung erfolgt eine Prüfung des entsprechend ausgerüsteten Fadens auf Defektstellen des Kerns oder der Umhüllung mit anschließender Freigabe des derart gewonnenen Vorproduktes zum Aufbau textiler Schaltungs- oder Verdrahtungsträger.

[0037] Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles sowie einer Figur näher erläutert werden.

[0038] Hierbei zeigen

Fig. 1a

eine Prinzip-Querschnittsdarstellung durch einen textilverarbeitbaren elektrischen Leiter mit einer Umhüllung, welche leitfähige Partikel aufweist und die eine Isolationswirkung besitzt sowie

Fig. 1b

eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 1a, wobei jedoch ein elektrischer Kontakt zum leitfähigen Kern hergestellt wurde, wobei die Kontaktierung durch einen Druck-Temperatur-Behandlungsprozess erreicht wird in dessen Folge die leitfähigen Mikropartikel einander berühren und die leitfähige Verbindung herstellen, ohne dass es jedoch zu einem unmittelbaren Kontakt zwischen dem Leiterkern und dem äußeren Kontakt kommt oder kommen muss.

[0039] Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird von einem leitfähigen textilen Garn, Faden oder einer Litze 1 ausgegangen, welche den Kern des mit einer Isolationsumhüllung 2 versehenen Garns oder Fadens 1 darstellt.

[0040] Die Isolationsumhüllung 2 besteht aus einem Basispolymer und weist eine homogene Dotierung aus leitfähigen Mikropartikel 3 auf.

[0041] Die Dotierung der Beschichtungsmasse mit leitfähigen Mikropartikel 3 erfolgt homogen mit einer möglichen Gleichverteilung der Mikropartikel 3, so dass die Hochohmigkeit und Isolationswirkung der Umhüllung vom Grundsatz her erhalten bleibt.

[0042] Der Flächenwiderstand der Umhüllung im Zustand gemäß Figur 1a liegt im Bereich ≥ 1 Megaohm.

[0043] Die Abmessungen der Mikropartikel 3 liegen im Bereich von 5-60 µm, wobei flächenmäßig eine Anzahl von 10-20 Partikeln je 0,25 mm² vorgesehen ist.

[0044] Damit liegen etwa 1-5 Masse-% leitfähiger Partikel in der Umhüllung vor.

[0045] Ist nun die Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Garn 1 bzw. dem leitfähigen Kern zu einem Außenkontakt 4 erforderlich, erfolgt lokal begrenzt ein Druck-Temperatur-Zeitbehandlungsprozess, symbolisiert durch die Pfeildarstellung und die Kürzel p und T.

[0046] Mit Vollzug dieser Druck-Temperatur-Behandlung kommt es zu einer Erhöhung der Anzahl der Mikropartikel 3 im Kontaktierungs- oder Verbindungsbereich, mit der Folge, dass die leitfähigen Mikropartikel 3 Strombahnen und damit eine Verbindung zwischen dem Außenkontakt 4 und dem Garn 1 herstellen.

[0047] Die verbleibende Isolationsumhüllung 2 außerhalb des Kontaktierungsbereiches behält ihre Hochohmigkeit und damit ihre isolierende Wirkung bei.

[0048] Wird das erfindungsgemäß leitfähige textile Garn oder Faden textiltechnologisch verarbeitet und kommt eine Umhüllung mit leitfähigen Mikropartikeln derart zum Einsatz, dass die Umhüllung anisotrope leitfähige Eigenschaften aufweist, kann eine textile Struktur ohne irgendwelche Kurzschlüsse erzeugt werden.

[0049] Erst durch Einwirkung eines Druckes im Bereich von z.B. 1-2 bar bei gleichzeitiger Temperatureinwirkung im Bereich von z.B. 110-170° auf die Umhüllung bilden sich die elektrischen Kontakte zwischen dem Außenkontakt 4 und dem leitfähigen Kern des Garns 1 aus oder aber zwischen zwei Fäden an einer Fadenkreuzung.

[0050] Der Außenkontakt 4 steht beispielsweise auch für ein Anschlussbein oder eine Anschlussfläche eines elektronischen Bauelementes.

Ansprüche

1. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze zur textiltechnologischen Strukturerzeugung, insbesondere für elektronische Textilien mit aktiven und/oder passiven elektronischen Bauelementen, wobei das Garn, der Faden oder die Litze um ihren Kern (1) eine elektrisch isolierende Umhüllung (2) oder Beschichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung oder Beschichtung (2) thermisch aufschmelzbar ist und unter Beibehaltung ihrer Hochohmigkeit eine homogene Dotierung aus leitfähigen Mikropartikeln (3) aufweist, wobei durch lokale zeitgesteuerte Temperatur- und Druckeinwirkung auf die Umhüllung oder Beschichtung (2) ein punktueller, elektrisch leitfähiger Zugang zum Kern (1) ausbildbar ist.

2. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flächenwiderstand der Umhüllung oder Beschichtung (2) im Bereich von ≥ 1 Megaohm liegt.

3. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mikropartikel (3) Abmessungen im Bereich von 5-60 µm aufweisen, wobei eine Anzahl von 10-20 Partikeln je 0,25 mm² vorgesehen ist.

4. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke der Umhüllung oder Beschichtung im Bereich von 100-300 µm liegt.

5. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung oder Beschichtung (2) 1-5 Masse-% leitfähige Mikropartikel (3) enthält.

6. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung oder Beschichtung (2) des Kerns (1) Korrosionsinhibitoren enthält.

7. Leitfähiges textiles Garn, Faden oder Litze nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Umhüllung oder Beschichtung (2) polymerbasiert ist.

8. Schaltungsträger mit einer Vielzahl leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in komplexe Textilstrukturen eingearbeitet ist.

9. Schaltungsträger nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
an Kreuzungen von Leiterbahnen mittels eines zeitgesteuerten Druck-Temperatur-Behandlungsprozesses Kontaktstellen zum jeweiligen Fadenkern ausgebildet sind.

10. Verfahren zur Herstellung leitfähiger textiler Garne, Fäden oder Litzen zur Weiterverarbeitung zu Textilstrukturen mit folgenden Schritten:

- Bereitstellung des leitfähigen textilen Ausgangsfadens, Garns oder Litze;

- Fertigen einer Fadenbeschichtungsmasse mit einem Basispolymer, welches mit leitfähigen Mikropartikeln im Bereich von 1-5 Masse-% versetzt bzw. beladen ist sowie Homogenisieren der Mikropartikelverteilung im Basispolymer;

- Beschichten oder Umhüllen des leitfähigen textilen Fadens, Garns oder Litze mit der Fadenbeschichtungsmasse derart, dass die isolierende Wirkung der Umhüllung oder Beschichtung erhalten bleibt;

- Prüfung des Fadens, des Garns oder der Litze auf Defektstellen des Kerns oder der Umhüllung bzw. Beschichtung; und

- Freigabe des gewonnenen Vorproduktes zum Aufbau textiler Schaltungs- oder Verdrahtungsträger.

Zeichnung