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NEWS - AUSBILDUNG

Sensoren und Schalter aus Holz - die gr��ne Elektronik der Zukunft?



Bern (29.08.2022) -

Aus Holz lassen sich nachhaltige elektronische Elemente herstellen. Dabei hilft ein neuartiges Verfahren, das mit einem Laser elektrisch leitende Bahnen in Furniere eingraviert.

Jahr fr Jahr fallen riesige Mengen von biologisch nicht abbaubarem Elektronikschrott an. Wre es nicht sinnvoll, elektronische Elemente zumindest teilweise aus einem natrlichen Rohstoff wie Holz herzustellen? Doch das ist nicht so einfach: Zum einen ist Holz von Natur aus nicht leitfhig, zum anderen hat es eine ungleichmssige Struktur, was die grosstechnische Produktion erschwert.

Ein Forschungsteam des Instituts fr Baustoffe der ETH Zrich und der Empa hat nun eine Methode entwickelt, um die Oberflche des Holzes durch Graphitisierung auf einfache Weise elektrisch leitfhig zu machen und so beispielsweise Holz-Touch-Panels und Sensoren herzustellen. Der Trick: Die Vorbehandlung des Holzes mit einer eisenhaltigen Tinte. Fr das Projekt unter Leitung von Ingo Burgert und Guido Panzarasa setzten die Forschenden Frdergelder des Schweizerischen Nationalfonds ein.

Tinte aus dem Mittelalter

Die neue Methode basiert auf einem bereits bekannten Verfahren, der sogenannten laserinduzierten Graphitisierung, um leitfhige Bahnen auf Holz zu erzeugen: Hierzu graviert ein Laser feine Linien in dnne Holzplatten, auch Furniere genannt, ein - dabei erhitzt die Energie des Laserstrahls das Holz so, dass sich der darin enthaltene Kohlenstoff in leitfhiges Graphit umwandelt. Die so erzeugten Leiterbahnen sind jedoch unregelmssig breit und tief, zudem besteht Brandgefahr durch berhitzung. Oft ist auch eine mehrfache Nachbearbeitung mit dem Laser ntig. "Je nach Baumart und Zuwachs des Baumes hat Holz eine unterschiedliche und variierende Dichte", sagt der Erstautor der Studie, Christopher Dreimol. "Dies kann zu einer sehr unregelmssigen Graphitisierung fhren."

Das Forschungsteam hatte deshalb die Idee, Eisen als Katalysator zu verwenden - dies ermglicht einen schonenderen Prozess und fhrt zu einer deutlich homogeneren Oberflche. Auf der Suche nach einem biologisch basierten Katalysator-Material stiess Dreimol auf eine Mischung aus Eisensalz und einem pflanzlichen Gerbstoff - die sogenannte Eisengallustinte, die schon im Mittelalter bekannt war. Dreimol pinselte die Tinte in einer dnnen Schicht auf verschiedene Holzfurniere und behandelte sie anschliessend mit dem Laser.

Es zeigte sich, dass die Tintenschicht den gewnschten Effekt hatte. Die in nur einem Durchgang eingravierten Bahnen hatten eine gleichmssigere Struktur und Leitfhigkeit, unabhngig von Strukturunterschieden und Holzart. "Durch die Tinte geschieht die Umwandlung von Holz in Graphit so schnell, dass das Holz weniger beschdigt wird und keine Brandgefahr besteht", so Dreimol. Ausserdem ist der Abtrag von Holz sehr viel geringer - die Bahnen sind nur wenige Mikrometer tief und knnen dadurch in dnnstes Furnier eingraviert werden.

Leuchtendes Holz fr Displays

Als Praxistest hat das Team mit dieser Methode probeweise elektronische Elemente aus weniger als einem halben Millimeter dicken Fichten-, Kirsch- und Buchenfurnieren hergestellt. Zum Beispiel biegbare Dehnungssensoren: Diese knnten laut Dreimol - optisch unauffllig integriert - tragende Holzbauteile im Bauwesen berwachen. Die Forschenden konnten das hauchdnne Holz auch durch eine elektrolumineszierende Schicht zum Leuchten bringen. Trotz der Maserung des Furniers stellte sich eine homogene Beleuchtung ein. Dieser Ansatz knnte etwa als Hintergrundbeleuchtung von Displays oder fr Werbeanzeigen und Steuerpulte zur Anwendung kommen. Fr Stromzufuhr in Form einer Batterie und Steuerung setzten die Forschenden herkmmliche Kabel und elektronische Bauteile ein. Letztere knnten in Zukunft aber ebenfalls teilweise durch das leitfhige Holz ersetzt werden.Als nchstes steht nun die Verfeinerung und Weiterentwicklung der Methode fr die grosstechnische Nutzung an: "Dass wir jetzt relativ grosse Flchen in einer akzeptablen Zeit bearbeiten knnen, ist der erste Schritt zur Industrialisierung von elektronischen Elementen aus Holz", so Dreimol.

C. H. Dreimol et al.: Sustainable wood electronics by iron-catalyzed laser-induced graphitization for large-scale applications. Nature Communications (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31283-7

Der Text dieser News und weitere Informationen stehen auf der Webseite des Schweizerischen Nationalfonds zur Verfgung.


Institut fr Baustoffe, ETH Zrich,
Christopher Dreimol


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