CompASS
Kompetenzzentrum

Hochschule Niederrhein. Dein Weg.

Flexible Elektronik

Das Kompetenzzentrum fokussiert sich thematisch auf die Entwicklung flexibler organischer und nanostrukturbasierter Elektronik. Die Entwicklung und Fortschritte in flexibler Elektronik erfordern eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von Fachleuten aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaft, Elektronik, Mechatronik und Informatik, um innovative Lösungen zu schaffen und die vielfältigen Anforderungen dieser aufstrebenden Technologie zu erfüllen.

Materialien für flexible Elektronik umfassen oft biegsame Substrate wie Polyimid oder PET, leitfähige Polymere wie PEDOT:PSS sowie leitfähige Tinten und Pasten und nanostrukturierte Materialien wie leuchtende Quantenpunkte.

Die Herstellung flexibler Elektronik erfolgt oft durch Drucktechniken wie Tintenstrahldruck oder Roll-to-Roll-Verfahren, oder Dünnschichtverfahren wie Tauch- und Schleuderbeschichtungen, die es ermöglichen, elektronische Bauelemente direkt auf flexiblen Substraten herzustellen.

Bauelemente in flexibler Elektronik können biegsame Transistoren, leitfähige Tinten, dehnbare Sensoren und flexible Displays umfassen, die speziell entwickelt sind, um sich an verschiedene Formen anzupassen.

Die Analyse flexibler Elektronik erfolgt durch Methoden wie verschiedenste Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren, um die Zusammensetzung und Struktur der flexiblen Materialien zu untersuchen und die Qualität der hergestellten Bauelemente zu bewerten.

Hexagone mit verschiedenen Bildern und Themenbereichen zum Kompetenzzentrum

Flexible Elektronik und Wearables

Flexible Elektronik und Wearables repräsentieren innovative Technologien, die die Grenzen traditioneller Elektronik aufbrechen. Flexible Elektronik nutzt biegsame Materialien wie Polyimid und ermöglicht die Herstellung von elektronischen Bauteilen auf flexiblen Substraten. Diese Technologie ermöglicht die Entwicklung von Wearables, intelligenten Geräten, die in Kleidung oder am Körper getragen werden können.

Wearables integrieren flexible Elektronik, um vielfältige Funktionen zu bieten, von Fitness-Trackern über intelligente Uhren bis hin zu biomedizinischen Sensoren. Durch ihre Anpassungsfähigkeit an die Körperform bieten Wearables nicht nur Komfort, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Überwachung von Gesundheitsparametern, die Verfolgung von Aktivitäten und die Interaktion mit digitalen Informationen. Die Kombination von flexibler Elektronik und Wearables verspricht somit eine spannende Zukunft für tragbare Technologien, die nahtlos in unseren Alltag integriert werden können.


Die interdisziplinären Forschungsarbeiten mit dem Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik finden Sie unter: Smart Textiles

Nanostruktur-basierte Lichtemitter

Nanostrukturierte Materialien haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, insbesondere im Bereich der Lichtemitter. Diese hochentwickelten Materialien bieten die Möglichkeit, Bauelemente zu schaffen, die nicht nur äußerst effizient, sondern auch äußerst vielseitig sind.

Die Grundlage für diese Lichtemitter bilden Nanostrukturen. Kolloidale, halbleitende Quantenpunkte (engl. Quantum Dots, QDs) werden beispielsweise in QD-LEDs als Leuchtmedium verwendet (bekannt aus QLED-TVs oder -Monitore), da ihre Emissionsfarbe durch die Größe der Partikel präzise eingestellt werden kann. Diese winzigen Strukturen ermöglichen nicht nur eine präzise Steuerung der optischen Eigenschaften, sondern eröffnen auch die Möglichkeit, Bauelemente herzustellen, die entweder flächig oder in Form einzelner Garne verwendet werden können. Diese Flexibilität eröffnet neue Horizonte für die Integration von Lichtemittern in unterschiedlichste Anwendungen.

Die Bauelemente auf Nanostruktur-Basis können sowohl mit Wechselstrom (AC) als auch mit Gleichstrom (DC) betrieben werden, was ihre Anpassungsfähigkeit und Anwendungen weiter erhöht, sei es in der Beleuchtungstechnik, der Architektur oder im Automotive-Bereich.

Textile Batterien
Das steigende Interesse an Smart Textiles führt zur Notwendigkeit von lokaler, textil-basierter Stromversorgung. Dabei sollte diese flexibel und kompakt sein, sodass keine Einschränkung in der Haptik der Textilien entsteht. Es gibt zwei Ansätze textile Batterien zu realisieren: zum einen in einem Schichtaufbau, bei dem textile Elektroden verwendet werden oder zum anderen können leitfähige Garne mit einem gel-artigen Elektrolyt beschichtet werden. Beide Varianten konnten bereits erfolgreich an der Hochschule Niederrhein realisiert werden, indem Gel-Elektrolyte auf Basis von Gelatine verwendet wurden.

Besonders wenn textile Batterien in der Nähe des Körpers eingesetzt werden sollen, ist es wichtig, nicht-toxische und umweltfreundliche Materialien zu verwenden. Wir konnten einen Prototypen einer textil-basierten Batterie mit einem biologisch abbaubaren Gel-Elektrolyt entwickeln. Durch Einbringen eines textilen Separators kann die Batterie geknickt werden, ohne einen Kurzschluss zu erzeugen.

Abschlussarbeiten

Suchen Sie eine Abschlussarbeit, Praxisphase oder Projektarbeit? Dann schauen Sie gerne in unseren Moodle Raum nach ausgeschriebenen Themen.

Stand der Arbeitsgruppe im Future Work Lab
Tag der Smart City: Flexible Elektronik und Smart Textiles in den urbanen Alltag integrieren

Unsere Arbeitsgruppe hat am 31. August 2024 mit großer Freude am Tag der Smart City in der Krefelder Innenstadt teilgenommen und nutzte diese…

„Freiraum“: Nachwuchs-Ingenieur:innen erlernen neue Fähigkeiten in Teamarbeit

Im Projekt „Freiraum“ arbeiten Studierende modulübergreifend an interdisziplinären Projekten, um optimal auf das spätere Berufsleben vorbereitet zu…

Gruppenbild
Erfolgreiche Teilnahme unserer Arbeitsgruppe an der LOPEC 2024 in München

Unsere Arbeitsgruppe hat mit großer Freude an der LOPEC 2024 teilgenommen und betrachtet die Veranstaltung als vollen Erfolg. Die LOPEC…

Stand auf Engineering Day
Engineering Day 2024: Team Flexible Elektronik stellt sich vor

Das Team Flexible Elektronik aus dem Fachbereich Elektrotechnik und Informatik an der Hochschule Niederrhein hat an den diesjährigen Engineering Days…

Prof. Dr. Nannen bei Vortrag
Vorstellung der zukunftsweisenden Forschungsergebnisse auf der Medica 2023 in Düsseldorf

Das CompASS-Team der Hochschule Niederrhein war kürzlich zu Gast auf der Medica 2023 Messe in Düsseldorf, einer der größten medizinischen Fachmessen…

Mitarbeiter vor Poster
Erfolgreiche Teilnahme und Vorstellung der Forschungsergebnisse auf der BMT 2023 in Duisburg

Die jährlich abgehaltene BMT-Konferenz der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, die vom 26. bis 28.09.2023 in Duisburg, Deutschland,…

Leiterin des Kompetenzzentrums

Prof. Dr.-Ing. Ekaterina Nannen

Ekaterina Nannen promovierte an der Universität Duisburg-Essen in Elektrotechnik im Jahr 2012. Dabei beschäftigte Sie sich mit der Realisierung von anorganischen ZnO-Nanokristall-LEDs in der Gruppe von Prof. Bacher. Anschließend leitete Sie 6 Jahre lang die gemeinsame Forschungsgruppe "Solid State Lighting" von OSRAM GmbH und der Universität Duisburg-Essen, bis sie 2018 als Professorin für Elektrotechnik und Elektronik an die Hochschule Niederrhein berufen wurde. Ihre Forschungsinteressen umfassen die Anwendung von Nanostrukturen in elektronischen Bauelemente für flexible, organische und textile Elektronik.

Prof. Dr.-Ing. Ekaterina Nannen
Elektrotechnik, Elektronik

Doktorandinnen und Doktoranden

Sandra Gellner, M.Sc.
Julia Demmer, M. Eng.
Projekt "Textile Electronics"
Lars Gierschner

Mitarbeitende

Dipl.-Ing. Rainer Kufferath
Hochfrequenztechnik, Elektrotechnik, Optische Technologien
Dipl.-Ing. Friedhelm Penski
Digitaltechnik Mikrosystemtechnik Messtechnik Grundgebiete der Elektrotechnik

Aktuelle Projekte

Abgeschlossene Projekte

Textile Electronics

Entwicklung eines neuen Masterschwerpunkts

Förderung: Stifterverband NRW,
Laufzeit:10/20 - 09/23
Kontakt: Julia Demmer

Um mit der Digitalisierung und Entwicklung der Modebranche mithalten zu können entwickelt die Hochschule Niederrhein (HSNR) eine neue, fachübergreifende Vertiefungsrichtung für Masterstudiengänge: Textile Electronics. Für die neue Vertiefungsrichtung werden die wichtigsten Kompetenzen aus den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik sowie Textil- und Bekleidungstechnik kombiniert. Ziel ist es Spezialisten im Bereich Smart Textiles für die Industrie der Zukunft auszubilden und sie auf die Hürden der Branche vorzubereiten.

iFoot

FlexSensor

Verbesserung der einrichtungsübergreifenden Versorgung im Bereich des diabetischen Fußsyndroms durch eHealth

Förderung: EU EFRE / Land NRW,
Projektlaufzeit: 01/2019 – 12/2021
Kontakt: Lars Gierschner

Im Rahmen des Projektes iFoot soll die einrichtungsübergreifende Versorgung im Bereich des diabetischen Fußsyndroms (DFS) durch eHealth verbessert werden. Innerhalb des Vorhabens erfolgt die Entwicklung eines mit Sensorik ausgestatteten intelligenten Verbandes sowie einer auf eHealth-Standards gründenden cloudbasierten Softwarelösung über die alle am Heilungsprozess Beteiligten in optimaler Weise Informationen austauschen können. Mit iFoot wird ein optimierter Ansatz für die medizinisch-pflegerische Versorgung des DFS implementiert, welcher die individuellen Bedürfnisse bei der Behandlung berücksichtigt und den Patientinnen und Patienten eine aktive Rolle im Heilungsverlauf ermöglicht.

Smart Electronic Textiles

Vorbereitung des gemeinsamen, interdisziplinären Master-Wahlpflichtfachs „Smart Electronic Textiles“

Förderung: Stifterverband NRW
Laufzeit: 01/20 – 12/20
Kontakt: Sandra Gellner

Prof. Dr. Ekaterina Nannen vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik und Prof. Dr. Anne Schwarz-Pfeiffer vom Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik erhalten für ihr gemeinsames Projekt „Smart Electronic Textiles“ ein Tandem-Fellowship in Höhe von 100.000 Euro. Die zwei Professorinnen konzipieren ein Master-Modul, in dem Studierende beider Fachbereiche smarte elektronische Textilien entwickeln. Die Studierende erarbeiten digitale Lehrinhalte in einem Blended-Reality-Praktikum, bei dem E-Learning und Präsenzveranstaltungen miteinander kombiniert werden. Dabei kommt die Augmented-Reality-Technologie (erweiterte Realität) zum Einsatz, um ortsunabhängig, interaktiv und in interdisziplinären Teams zu arbeiten. Die Ergebnisse der Studierenden sollen in Videoblogeinträgen veröffentlicht werden.

TFOBT

EFRE Poster Ente

Faseroptischer Betauungssensor mit Temperaturmessung

Kontakt: Rainer Kufferath

Dem Stand der Technik entsprechende, resistiv oder kapazitiv arbeitende Sensorlösungen zur elektronischen Messung von Feuchte, Betauung und Temperatur sind für Anwendungen in explosionsgefährdeten und stark elektromagnetisch belasteten Bereichen aufgrund ihrer Elektronik problematisch. 

Der von den Antragstellern patentierte Sensor löst diese Probleme durch die rein optische Erkennung von Betauung auf der optischen Oberfläche eines kleinen Sensorkopfes bei gleichzeitiger optischer Bestimmung der Temperatur an der optisch aktiven Oberfläche. Der Sensorkopf weist keine elektrischen oder metallenen Komponenten auf. Die sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit, die Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung und die problemlose Reinigung, die Einsatzmöglichkeit in explosionsgefährdeten und elektromagnetisch belasteten Bereichen, sowie die erwartete kostengünstige Fertigung unterstreichen die Funktionalität der Erfindung. 

Ziel dieses Projektes ist es, die zu verwendenden optischen Werkstoffe, die Konstruktion des Sensorkopfes als auch die erforderlich Hard- und Software bis zum Prototypen zu entwickeln und die Leistungsfähigkeit in einem Feldversuch zu validieren.

www.efre.nrw.de

Labore für flexible Elektronik und Nanotechnologie

Nanotechnologie - Dünnschichtpräperation
  • Schleuderbeschichtung
  • Tauchbeschichtung
  • Gold-Sputtern
  • Glovebox (Inertgas- Anlage)
Mikroskopie

Mit Hilfe von speziellen Mikroskopen können wir die Strukturen und Materialien unserer Bauelmente in unterschiedlichen Größenskalen untersuchen:

  • Stereolupen (mit Digitalkamera)
  • Auflichtmikroskope
  • Fluoreszenz-Mikroskop
  • Konfokale 3D-Farb-Laserscanning-Mikroskope
Charakterisierung von Optoelektronik
  • Strom-Spannungs-Quelle, 100fA, 210V, 3A DC/10,5A gepulst
  • Photodiode + Powermeter
  • Spektroradiometer, Kontrast 100,000:1, Wellenlängen von 380 – 780 nm,
  • AC/ DC Netzgerät, 350V/ 10A, 999Hz, 1000VA
  • Einheitliche PC-Ansteuerung
Charakterisierung von Batterien
  • Potentiostat
  • Galvanostat
  • ZRA für Lade- und Entladekurven
  • Cyclovoltammetrie
  • elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), ±100mA, ±21V, 10µHz – 250kHz
Werkstatt

Für Platinen und kleine Gehäuse

  • Platinenfräse
  • Lötplatz
  • 3D Drucker
Charakterisierung von Sensorik
  • Spitzenmessplatz
  • Druckmesstand
Herstellung von flexibler Elektronik

Unsere Labore verfügen u.a. über hochmoderne Drucktechnologien, mit denen wir leitfähige Tinten und organische Halbleiter präzise auf flexible Substrate aufbringen können, um komplexe Schaltungen und Bauteile zu realisieren. Folgende Geräte verwenden wir zur Herstellung flexibler Elektronik:

  • Dispersionsdrucker Voltera V-One
  • Bonding

S. Gellner, A. Schwarz-Pfeiffer and E. Nannen, “Textile-Based Battery Using a Biodegradable Gel-Electrolyte”, Proceedings 68, 1, 17 (2021).
https://doi.org/10.3390/proceedings2021068017

E. Nannen, J. Frohleiks and S. Gellner, “Light‐Emitting Electrochemical Cells Based on Color‐Tunable Inorganic Colloidal Quantum Dots”, Adv. Funct. Mater. 30, 33, 1907349 (2020).
https://doi.org/10.1002/adfm.201907349

J. Frohleiks, S. Wepfer, G. Bacher and E. Nannen, “Realization of Red Iridium-Based Ionic Transition Metal Complex Light-Emitting Electrochemical Cells (iTMC-LECs) by Interface-Induced Color Shift”, ACS Applied Materials & Interfaces 11, 25, 22612 - 22620 (2019).
https://doi.org/10.1021/acsami.9b07019

J. Frohleiks, S. Gellner, S. Wepfer, G. Bacher and E. Nannen, “Design and Realization of White Quantum Dot Light-Emitting Electrochemical Cell Hybrid Devices”, ACS Appl. Mater. & Interfaces 10, 42637 (2018).
https://doi.org/10.1021/acsami.8b15100

J. Frohleiks, F. Wefers, S. Wepfer, A.-R. Hong, H. S. Jang and E. Nannen, “CuInS2 –based Quantum Dot Light-Emitting Electrochemical Cells (QLECs)“, Adv. Mater. Technol. vol. 2, 11, 1700154 (2017).
https://doi.org/10.1002/admt.201700154

M. Di Marcantonio, J. E. Namanga, N. Gerlitzki, F. Vollkommer, A.-V. Mudring, G. Bacher and E. Nannen, “Green-Yellow Emitting Hybrid Light Emitting Electrochemical Cell“, J. Mater. Chem. C, vol. 5, 12062 (2017).
https://doi.org/10.1039/C7TC02976D

S. Wepfer, J. Frohleiks, A.-R. Hong, H. S. Jang, G. Bacher and E. Nannen, “Solution-processed CuInS2 – based white QD-LEDs with mixed active layer architecture“, ACS Appl. Mater. & Interfaces 9, 11224 (2017).
https://doi.org/10.1021/acsami.6b15660

S. Daumann, D. Andrzejewski, M. Di Marcantonio, U. Hagemann, S. Wepfer, F. Vollkommer, G. Bacher, M. Epple, and E. Nannen, “Water-free synthesis of ZnO quantum dots for application as electron injection layer in light-emitting electrochemical cells“, J. Mater. Chem. C, vol. 5, 2344 (2017).
https://doi.org/10.1039/C6TC05571K

J. Frohleiks, S. Wepfer, Y. Kelestemur, V. H. Demir, G. Bacher and E. Nannen, “Quantum Dot / Light Emitting Electrochemical Cell Hybrid Device and Mechanism of its Operation“, ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8(37), 24692 (2016).
https://doi.org/10.1021/acsami.6b06833

E. Neshataeva, T. Kuemmell, G. Bacher, “Light emitting devices based on direct band gap semiconductor nanoparticles”. (invited book chapter) In: “Inorganic Nanoparticles - New Frontiers of Research: Synthesis, Applications and Perspectives”, book edited by Dr. Altavilla, CRC Press, ISBN: 97814398176122011 (2011).

E. Neshataeva, T. Kümmell, G. Bacher, A. Ebbers, “All-inorganic light emitting device based on ZnO nanoparticles”. Appl. Phys. Lett. vol. 94(9), 091115 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3093675