Neue Polymermischung schafft hochempfindlichen Hitzesensor
Polymergele mit einstellbarem ionischem Seebeck-Koeffizienten für hochempfindliche gedruckte Thermopiles
Wissenschaftler des Labors für Organische Elektronik haben einen hochempfindlichen Hitzesensor entwickelt, der flexibel, transparent und bedruckbar ist. Die Ergebnisse haben Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum - von der Wundheilung über die elektronische Haut bis hin zu intelligenten Gebäuden.
Forschungsmitarbeiterin Dan Zhao mit dem druckbaren, ultra-sensitiven Sensor.
Peter Holgersson
Der hochempfindliche Wärmesensor basiert auf der Tatsache, dass bestimmte Materialien thermoelektrisch sind. Die Elektronen in einem thermoelektrischen Material bewegen sich von der kalten Seite zur warmen Seite, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten und eine Spannungsdifferenz entstehen. In diesem vorliegenden Projekt haben die Forscher jedoch ein thermoelektrisches Material entwickelt, das Ionen als Ladungsträger anstelle von Elektronen verwendet, und der Effekt ist hundertmal größer.
Ein thermoelektrisches Material, das Elektronen verwendet, kann 100 μV/K (Mikrovolt pro Kelvin) entwickeln, das mit 10 mV/K aus dem neuen Material verglichen werden soll. Das Signal ist also 100 mal stärker, und eine kleine Temperaturdifferenz ergibt ein starkes Signal.
Die Ergebnisse der Forschung, die von Wissenschaftlern des Labors für Organische Elektronik der Universität Linköping, der Technischen Universität Chalmers, der Hochschule der Medien Stuttgart und der Universität Kentucky durchgeführt wurden, wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Dan Zhao, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Linköping und eine von drei Hauptautoren des Artikels, hat das neue Material entdeckt, einen Elektrolyten, der aus einem Gel aus mehreren ionischen Polymeren besteht. Einige der Komponenten sind Polymere vom p-Typ, bei denen positiv geladene Ionen den Strom führen. Solche Polymere sind aus früheren Arbeiten bekannt. Sie hat aber auch ein hochleitfähiges Polymergel vom n-Typ gefunden, in dem negativ geladene Ionen den Strom führen. Bislang sind nur sehr wenige solcher Materialien verfügbar.
Mit Hilfe früherer Ergebnisse aus der Arbeit mit Elektrolyten für die gedruckte Elektronik haben die Forscher nun das weltweit erste gedruckte thermoelektrische Modul entwickelt, das Ionen als Ladungsträger nutzt. Das Modul besteht aus miteinander verbundenen n- und p-Beinen, wobei die Anzahl der Beinverbindungen bestimmt, wie stark ein Signal erzeugt wird. Aus dem Siebdruck haben die Wissenschaftler einen hochempfindlichen Hitzesensor hergestellt, der auf den verschiedenen und komplementären Polymeren basiert. Der Wärmesensor hat die Fähigkeit, eine winzige Temperaturdifferenz in ein starkes Signal umzuwandeln: Ein Modul mit 36 angeschlossenen Füßen liefert 0,333 V für eine Temperaturdifferenz von 1 K.
"Das Material ist transparent, weich und flexibel und kann in einem hochsensiblen Produkt verwendet werden, das bedruckt und so auf großen Flächen verwendet werden kann. Anwendungen finden sich in der Wundheilung, wo ein Verband, der den Verlauf des Heilungsprozesses zeigt, verwendet wird, und bei der elektronischen Haut", sagt Dan Zhao.
Eine weitere mögliche Anwendung ist der Temperaturaustausch in intelligenten Gebäuden.
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