Flexibel und durchsichtig: Piezo-Folie als autarker Regensensor

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  • quelle: wissenschaft-aktuell.de


    Winzige Pyramiden auf der Folienoberfläche steigern die Stromausbeute über den Piezo-Effekt


    Ohne Batterie oder elektrischen Anschluss kann eine neue Sensorfolie als Wind- und Regendetektor dienen. Möglich wurde dies mit einem piezoelektrischen Polymer, der mechanische Druckreize in elektrischen Strom umwandelte. Wie die südkoreanischen Entwickler in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ berichten, ließ sich die Stromausbeute durch Mikrostrukturen auf der Folienoberfläche im Vergleich zu früheren Ansätzen deutlich steigern. Da diese Folie sowohl flexibel als auch durchsichtig war, ließe sie sich elegant an unterschiedlichsten Orten etwa auf der Windschutzscheibe eines Autos einsetzen.


    Als Ziel setzte sich die Arbeitsgruppe um Ju-Hyuck Lee von der Sungkyunkwan University in Suwon einen Drucksensor, der zuverlässig über einen möglichst langen Zeitraum funktionierte und sich zugleich günstig fertigen ließ. Daher wählten sie ein piezoelektrisches Polymer, Polyvinylidenfluorid, das man in dünnen, transparenten Schichten auf eine leitfähige Unterlage auftragen konnte. Mit einem mikrostrukturierten Stempel aus Siliziumdioxid prägten sie zahlreiche winzige Pyramiden mit Kantenlängen von nur zehn millionstel Metern in diesen Piezokunststoff.


    Dank dieser Struktur reichten geringe Drücke von etwa einem zehntel bar aus, um über den piezoelektrischen Effekt Spannungen von drei Volt bei gut einem Mikroampere Stromstärke zu erreichen. Das entspricht etwa dem mechanischen Druck, den eine Tafel Schokolade auf eine Unterlage ausübt. Höhere Drücke führten zu höheren Ausgangsspannungen und Stromstärken von bis zu vier Mikroampere. Piezo-Folien ohne Pyramiden-Struktur erreichten dagegen nur ein Fünftel dieser Stromausbeute.


    Weitere Versuche belegten, dass schon wenige aus nur 14 Zentimeter Höhe einfallende Wassertropfen genügten, um mit der Folie messbare Strompulse zu erzeugen. Diese hohe Empfindlichkeit konnten Ju-Hyuck Lee sogar für die Messung von leichten Winden nutzen. So detektierte die Piezo-Folie zuverlässig selbst einen leisen Windhauch mit nur knapp einer Windstärke (Beaufort-Skala). Mit zunehmender Windstärke stieg auch die Stromausbeute fast linear an. Zum Aufladen von Laptops oder Smartphones reicht der erzeugte Strom jedoch nicht aus. So taugt diese Piezo-Folie nicht für mobile Mini-Kraftwerke. Doch genügt die elektrische Leistung, um die Messdaten schnurlos an einen nahe gelegenen Empfänger senden zu können.


    In den vergangenen Jahren wurden bereits zahlreiche autarke Drucksensoren entwickelt, die über den piezoelektrischen Effekt selbst Strom erzeugen können. Doch nutzten diese meist Nanodrähte aus Zinkoxid oder Galliumnitrid, die erst aufwendig gefertigt und in ein Sensormodul integriert werden müssen. Die Piezo-Folie mit eingeprägter Mikrostruktur dagegen ließe sich über ein Druckverfahren einfacher und im großen Maßstab herstellen. So ist es nicht ausgeschlossen, dass aus den Energie autarke Piezo-Folien schon bald marktreife Regen- und Windsensoren entwickelt werden.

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