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Patent Searching and Data


Title:
FIBER, ELECTRONIC CIRCUIT AND TEXTILE PRODUCT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/037577
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a fiber, especially for a textile fabric, comprising a fiber core (12). According to the invention, at least one electronic component having one or more semiconductor layers (16, 18, 20) is provided on a fiber core (12).

Inventors:
ROJAHN MARTIN (DE)
RAKHLIN MICHAIL (DE)
SCHUBERT MARKUS (DE)
WERNER JUERGEN (DE)
PLANCK HEINRICH (DE)
HORTER HANSJUERGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/012652
Publication Date:
May 10, 2002
Filing Date:
October 31, 2001
Export Citation:
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Assignee:
UNIV STUTTGART (DE)
INST TEXTIL & FASERFORSCHUNG (DE)
ROJAHN MARTIN (DE)
RAKHLIN MICHAIL (DE)
SCHUBERT MARKUS (DE)
WERNER JUERGEN (DE)
PLANCK HENRICH (DE)
HORTER HANSJUERGEN (DE)
International Classes:
D04H3/045; G02B6/02; G02B6/036; G02B6/28; G02B6/34; G02B6/42; H01L31/0352; H01L33/20; H01L33/24; (IPC1-7): H01L31/0352; G02B6/16; H01L29/06; H01L33/00
Foreign References:
EP1033762A22000-09-06
DE3302934A11984-08-02
US3984256A1976-10-05
US4913744A1990-04-03
US4970386A1990-11-13
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 006, no. 091 (E-109), 28. Mai 1982 (1982-05-28) & JP 57 026477 A (SOMA TAKENORI), 12. Februar 1982 (1982-02-12)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 272 (E-284), 13. Dezember 1984 (1984-12-13) & JP 59 143377 A (TOYO BOSEKI KK;OTHERS: 01), 16. August 1984 (1984-08-16)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 009, no. 169 (E-328), 13. Juli 1985 (1985-07-13) & JP 60 042876 A (MASAHISA MUROKI), 7. März 1985 (1985-03-07)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 015, no. 334 (E-1104), 26. August 1991 (1991-08-26) & JP 03 126267 A (FUJI ELECTRIC CO LTD), 29. Mai 1991 (1991-05-29)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 010, no. 179 (E-414), 24. Juni 1986 (1986-06-24) & JP 61 029179 A (OKI ELECTRIC IND CO LTD), 10. Februar 1986 (1986-02-10)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 272 (E-284), 13. Dezember 1984 (1984-12-13) & JP 59 144177 A (SUWA SEIKOSHA KK), 18. August 1984 (1984-08-18)
Attorney, Agent or Firm:
Gahlert, Stefan (Weller & Partner Postfach 105462 Stuttgart, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Faser mit einem Faserkern (12 ; 62), auf dem mindestens eine Halbleiterschicht (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c), aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Halb leiterschicht (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c) Teil eines elek tronischen Bauelements ist.
2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde stens zwei Halbleiterschichten (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c) mindestens eine gemeinsame Funktionsfläche aufweisen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.
3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c) auf ei nem Faserkern (12 ; 62) aufgenommen sind.
4. Faser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschichten (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c) in einer zu einer Längsrichtung (13) des Faserkerns (12 ; 62) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.
5. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschichten (16a, 16b, 18a, 18b, 20a, 20b) entlang einer Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) hintereinander oder entlang eines Längenab schnitts der Faser nebeneinander angeordnet sind.
6. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich net durch mindestens eine Funktionsschicht (14,22,24 ; 68), die nicht aus einem Halbleiter besteht.
7. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens eine der Halbleiterschichten (16,18,20 ; 70a, 70b, 70c) oder Funktionsschicht (en) (14, 22,24 ; 68) als den Faserkern (12 ; 62) mit annähernd gleichförmiger Schichtstärke umschließende Mantelschicht ausgeführt ist.
8. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente in ei ner zur Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.
9. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß wenigstens zwei der Halbleiterschichten (16, 18,20 ; 70a, 70b, 70c) oder Funktionsschicht (en) we nigstens ein elektronisches Bauelement bilden, das eine Um wandlung von Strahlungsenergie, insbesondere optischer Energie, in elektrische Energie oder von elektrischer Ener gie in Strahlungsenergie erlaubt, das als Sensor oder Elek trode zur Erfassung oder Abgabe von elektrischen oder elek trochemischen Signalen ausgebildet ist, oder das zur Verar beitung von elektrischen Signalen ausgebildet ist.
10. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente in ei ner zur Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) senkrechten Richtung übereinander angeordnet sind.
11. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere elektronische Bauelemente (28a, 28b) entlang der Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) hintereinander oder entlang eines Längenabschnittes der Fa ser nebeneinander angeordnet sind.
12. Faser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Längsrichtung (13) des Faserkerns (12) mehrere elektro nische Bauelemente (28a, 28b) derart verschaltet sind, daß eine Kontaktschicht (22a) eines Bauelements (28a) elek trisch leitend mit einer Kontaktschicht (14b) eines benach barten Bauelements (28b) verbunden ist.
13. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Faserkern (64) ein Lichtleiter (62) oder ein elektrischer Leiter ist.
14. Faser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Lichtleiter (62) wenigstens ein Koppelelement (68) vorgese hen ist, durch das Licht aus dem Lichtleiter (62) auskop pelbar oder in diesen einkoppelbar ist.
15. Faserkombination mit mindestens zwei Fasern (86,86a), ins besondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche die je weils mindestens eine Halbleiterschicht aufweisen, wobei mindestens eine Kontaktstelle (84) zwischen den Fasern (86, 86a) Teil eines elektronischen Bauelements (86) ist.
16. Elektronische Schaltung mit wenigstens einer Faser (10 ; 50 ; 60 ; 80,80a ; 100,100a, lOOb, 100c) oder Faserkombination (82 ; 102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die min destens ein elektronisches Bauelement (28a, b ; 86) aufweist, die als Teil einer Solarzelle, einer optischen Anzeige, ei nes Sensors oder einer Elektrode für optische, elektrische oder elektrochemische Signale ausgebildet ist.
17. Elektronische Schaltung mit einer Mehrzahl von Fasern oder Faserkombinationen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die vorzugsweise an Faserenden oder Kreuzungspunkten (86) der Fasern (10 ; 50 ; 60 ; 80,80a) elektrisch miteinander ver schaltet sind.
18. Textiles Produkt, insbesondere Gewebe, Gelege, Gestrick, Geflecht, Gewirk, mit wenigstens einer Faser (10 ; 50 ; 60 ; 80,80a), Faserkombination oder elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
19. Textiles Produkt nach Anspruch 18, das als eine räumlich ausgedehnte Struktur aufweist, insbesondere Abstandsgewebe, Abstandsgewirk, 3DFormgestrick, 3DGeflecht, 3DGewirk, 3DGewebe.
Description:
Faser, elektronische Schaltung und textiles Produkt Die Erfindung betrifft eine Faser mit einem Faserkern, auf dem eine, vorzugsweise mindestens zwei, Halbleiterschichten aufge- nommen sind, sowie ein textiles Produkt.

Eine Faser der vorstehend genannten Art ist aus der US-A-5 838 868 bekannt. Hierbei ist auf einen zylindrischen Glasfaserkern wenigstens eine Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer direkten Bandlücke, wie etwa CdS, CdTe, GaAs aufgebracht. Außen ist eine Glasummantelung aufgebracht, wobei die Brechungsindi- zes der Schichten so aufeinander abgestimmt sind, daß die Glas- faser als Lichtleiter verwenbar ist. Durch die Halbleiter- schicht werden spezielle Übertragungseigenschaften für Lichtsi- gnale in einem ausgewählten Wellenlängenbereich erzielt.

Eine derartige Glasfaser ist jedoch lediglich auf spezielle An- wendungsbereiche bei Lichtverstärkern oder Laseranwendungen be- schränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faser mit neuen Eigenschaften anzugeben, die einen vielfältigen Einsatz der Faser, auch über den Bereich der Textilbranche hinaus, ermögli- chen.

Diese Aufgabe wird bei einer Faser gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens eine Halbleiterschicht Teil eines elektronischen Bauelements ist.

Der Faserkern dient somit als Träger für eine oder mehrere Halbleiterschichten, die im Gegensatz zum Stand der Technik nunmehr nicht lediglich zur selektiven Beeinflussung eines durch den Faserkern geleiteten Lichtsignals dienen, sondern die Teil eines elektronischen Bauelements sind oder selbst ggf. zu- sammen mit weiteren Schichten ein elektronisches Bauelement bilden.

Hierbei soll der Begriff"elektronisches Bauelement"in seiner breitestmöglichen Bedeutung verstanden werden, wobei dies etwa als ein Bauteil mit mindestens einer Halbleiterschicht, i. d. R. mit mindestens zwei Halbleiterschichten zu verstehen ist, das eine definierte Strom/Spannungskennlinie aufweist. Ferner kann zur Abgrenzung des Begriffs"elektronisches Bauelement"heran- gezogen werden, daß mindestens zwei Schichten des elektroni- schen Bauelements, also zumindest eine Halbleiterschicht und ggf. eine weitere, nicht aus einem Halbleitermaterail bestehen- de Funktionsschicht, eine gemeinsame Funktionsfläche aufweisen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.

Sofern mindestens zwei Halbleiterschichten vorgesehen sind, wird es sich bei der gemeinsamen Funktionsschicht meist um eine Grenzschicht handeln, in der sich eine spezielle elektronische Eigenschaft ergibt, wie sie an Grenzschichten von unterschied- lich dotierten Halbleitern etwa mit p-oder n-Dotierungen be- kannt ist.

In einem einfachen Fall könnte es sich also beispielsweise um eine Sperrschicht (pn-Übergang, pin-Übergang usw.) handeln. Der Begriff"elektronisches Bauelement"soll alle bekannten und vorstellbaren Bauformen umfassen, wozu nicht nur etwa Dioden, Transistoren, Thyristoren, IC-s usw. gehören, sondern auch sol- che Bauteile mit wenigstens einer Halbleiterschicht gehören, mit denen Strahlungssignale in elektrische Signale umgesetzt werden (z. B. Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, photovoltaische Elemente) oder elektrische Signale in Strah- lungssignale umgesetzt werden (z. B. LED's). Auch sollen Senso- ren und Elektroden zur Aufnahme bzw. Abgabe von elektrischen, elektrochemischen, thermischen oder sonstigen Signalen darunter verstanden werden. Denkbar ist also auch eine Anwendung der elektronischen Bauelemente für medizinische und biologische Zwecke, so z. B. als Mikroelektroden bei Retina-Implantaten oder als dreidimensionale Netzstruktur zur großflächigen Kontaktie- rung von Elektrolyten, etwa mit der Möglichkeit einer dreidi- mensionalen Einlagerung bzw. Kontaktierung von Zellen.

Anders als bekannte elektronische Bauelemente, die stets eine planare Struktur aufweisen, sind die erfindungsgemäßen elektro- nischen Bauelemente jedoch auf Fasern ausgebildet, wodurch ein vollkommen neues Anwendungsspektrum für elektronische Bauele- mente erschlossen wird. Die in der Regel biegsamen Fasern las- sen sich nämlich z. B. zu verschiedenartigsten textilen Produk- ten weiterverarbeiten, die Eigenschaften aufweisen, die anson- sten elektronischen Schaltungen auf festen planaren Trägern vorbehalten sind. Unter einem textilen Produkt wird hier im üb- rigen jedes Produkt verstanden, welches ganz oder teilweise aus den erfindungsgemäßen Fasern besteht, also insbesondere durch Weben, Flechten oder andere in der Textiltechnik bekannte Ver- fahren hergestellte Stoffe.

Unter dem Begriff"Faser"sollen im Rahmen dieser Anmeldung nicht nur im Querschnitt zylindrische, längliche Strukturen, sondern auch im Querschnitt elliptische, ovale, quadratische oder anders geformte Strukturen verstanden werden, sofern deren Querschnitt in Breite und Höhe (bzw. deren größter Durchmesser) erheblich kleiner (wenigstens eine Größenordnung) als deren Länge ist. Auch solche Fasern, die in der Textiltechnik etwa durch Splitting erzeugt werden können, also z. B. halbkreisför- mige Strukturen sind darunter zu verstehen. Folien sollen je- doch nicht mehr von diesem Begriff umfaßt werden, da diese nur eine erheblich geringere Dicke als Länge und Breite aufweisen.

Die Fasern können endlos sein. Es kann sich jedoch auch um Kurzfasern mit einer Länge von bis zu wenigen Zentimetern oder Millimetern handeln, sofern deren Querschnitt entsprechend kleinere Abmessungen aufweist.

Aufgrund der üblicherweise nur geringen Dicke der Halbleiter- schichten bleiben die Fasern meist auch dann biegsam, wenn sehr viele Schichten übereinander auf dem Faserkern aufgebracht sind. Die mechanischen Eigenschaften wie Biegsamkeit und Reiß- festigkeit sowie der Gesamtdurchmesser der Fasern, der vorzugs- weise in der Größenordnung zwischen 1 um und 10 mm liegt, wer- den daher in der Regel vor allem vom Faserkern bestimmt.

Als Faserkern kommt hierbei jede Art biegsamen Faserstoffs in Betracht, insbesondere Chemie-oder Glasfasern. Ebenfalls als Faserkern geeignet sind feine Metalldrähte, wohingegen pflanz- liche oder tierische Fasern aufgrund ihrer unregelmäßigen Ober- flächenbeschaffenheit weniger geeignet sind oder zumindest einer speziellen Vorbehandlung bedürfen, um eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen. Die Fasern können einen Faserkern aufweisen, der elektrisch leitend sein kann oder elektrisch leitend beschichtet sein kann. Auch ein elektrisch nichtleitender Faserkern ist denkbar. Dieser könnte z. B. aus Glas oder Kunststoff oder ggf. Keramik bestehen. Es kann sich auch um einen optisch leitenden Faserkern, z. B. aus Glas oder Kunststoff handeln.

Die Halbleiterschichten können prinzipiell aus allen auch in der planaren Halbleitertechnologie bekannten Halbleitern, also insbesondere aus kristallinen oder amorphen anorganischen Halb- leitern oder auch aus organischen Halbleitern bestehen.

Im einfachsten Falle wird auf einen elektrisch isolierenden Fa- serkern eine einzige Halbleiterschicht aufgebracht, die ggf. noch von einer Schutzschicht überzogen sein kann. Diese Halb- leiterschicht kann z. B. einen Photowiderstand bilden, so daß sich derartige Fasern beispielsweise in Kleidungsstücken ein- setzen lassen, in denen bestimmte Funktionen in Abhängigkeit von der Helligkeit gesteuert werden sollen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Halbleiterschichten in einer zu einer Längsrichtung des Faser- kerns senkrechten Richtung übereinander angeordnet.

Auf diese Weise lassen sich prinzipiell sämtliche elektronische oder optoelektronische Halbleiterbauelemente auf den Faserkern aufbauen, wie sie von der planaren Halbleitertechnologie her bekannt sind. Die übereinander angeordneten Halbleiterschichten können funktionell einem einzigen elektronischen Bauelement oder auch mehreren unterschiedlichen elektronischen Bauelemen- ten zugeordnet sein.

Alternativ oder auch zusätzlich hierzu können mehrere Halblei- terschichten entlang einer Längsrichtung des Faserkerns neben- einander oder hintereinander angeordnet sein. Auch überlappende Strukturen sind dabei denkbar.

Es ist somit nicht erforderlich, daß sich die einzelnen Halb- leiterschichten jeweils über die gesamte Faserlänge hinweg er- strecken. Vielmehr lassen sich dadurch Bauelemente realisieren, deren Halbleiterschichten nicht übereinander, sondern nebenein- ander bzw. hintereinander oder ganz oder zum Teil überlappend angeordnet sind.

Vorzugsweise trägt der Faserkern eine oder mehrere Funktions- schichten, die nicht aus einem Halbleiter bestehen.

Bei diesen Funktionsschichten kann es sich beispielsweise um Schichten aus Metallen, Dielektrika oder Kunststoffen handeln, etwa zur Verwendung als Kontaktschichten, Isolations-oder Pas- sivierungsschichten bzw. zur Verkapselung der Faser. Diese Funktionsschichten können unmittelbar auf dem Faserkern, zwi- schen Halbleiterschichten oder auch auf der am weitesten außen liegenden Halbleiterschicht aufgebracht sein.

Bei einigen Anwendungen der neuen Faser, z. B. bei dem oben er- wähnten Photowiderstand, ist es für die Funktion nicht wesent- lich, daß die Halbleiterschichten und ggf. die Funktionsschich- ten mit gleichmäßiger Schichtstärke aufgebracht sind, also etwa symmetrisch bezüglich einer Längsachse des Faserkerns, sofern dieser zylindrisch sein sollte.

Bei der überwiegenden Zahl der Anwendungen wird es allerdings bevorzugt sein, wenn die wenigstens eine Halbleiterschicht und ggf. die eine oder mehrere Funktionsschichten als koaxial zu einer Längsrichtung des Faserkerns angeordnete Mantelschichten ausgeführt sind.

Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die erfindungsgemäße Faser aufgrund der zylindrischen Symmetrie gut vorhersagbare Eigenschaften aufweist, da die Dicken der Halbleiterschichten und der Funktionsschichten über den gesamten Umfang der Faser hinweg konstant sind.

Wird durch die übereinander oder nebeneinander angeordneten Schichten beispielsweise eine Photodiode gebildet, so kann die Faser als photovoltaisches Element verwendet werden, mit dem sich Strom aus einfallendem Licht erzeugen läßt. Wenn derartige Fasern zu einem Stoff verwoben, gestrickt, gewirkt, geflochten werden oder in ein Gelege oder Vlies eingebracht werden, so lassen sich damit auch unregelmäßig geformte Körper überziehen.

Auf diese Weise können bislang nicht nutzbare Flächen zur pho- tovoltaischen Stromerzeugung erschlossen werden. Die Stoffe sind auch für Kleidungsstücke verwendbar, die dann ohne externe Energiezufuhr mit speziellen elektrischen Eigenschaften verse- hen werden können.

Handelt es sich bei dem elektronisches Bauelement hingegen um eine lichtemittierende Diode, so lassen sich damit textile Ge- bilde, z. B. Gewebe, herstellen, die bei Anlegen einer Spannung Licht abgeben, ohne daß hierzu auf komplizierte Weise Licht in Glasfasern eingekoppelt werden muß. Auch die Realisierung von optischen Anzeigen ist auf diese Weise denkbar.

Es sind aber auch kompliziertere elektronische Bauelemente mög- lich, insbesondere alle Arten von Transistoren, die in an sich bekannter Weise zu komplexeren Funktionsgruppen wie Speicher- zellen, Logikschaltungen, Oszillatorschaltungen oder Verstär- kerschaltungen zusammengeschaltet werden können. Auch lassen sich grundsätzlich alle Arten von Transistortypen realisieren, z. B. Transistoren in MOS-Technik oder Sperrschicht- Transistoren.

Hierbei können mehrere elektronische Bauelemente in einer zur Längsrichtung des Faserkerns senkrechten Richtung übereinander angeordnet sein.

Auf diese Weise können trotz der relativ geringen Trägerfläche vergleichsweise komplexe Schaltungsstrukturen realisiert wer- den.

Zusätzlich oder alternativ hierzu können mehrere elektronische Bauelemente entlang der Längsrichtung des Faserkerns hinterein- ander oder entlang eines Faserabschnittes nebeneinander ange- ordnet sein. Es sind also Strukturen denkbar, die sich entlang eines bestimmten Längenabschnittes der Faser über verschiedene Umfangsabschnitte, z. B. Kreissektorabschnitte oder Ellipsenab- schnitte, erstrecken oder auch Strukturen, die sich hinterein- ander in Längsrichtung jeweils über verschiedene Längenab- schnitte erstrecken. Auch Kombinationen sind natürlich möglich.

Dadurch lassen sich Halbleiterschaltungen realisieren, deren Bauelemente wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht sind. Über dieser ersten Ebene können auch noch weitere Ebenen von Halb- leiterbauelementen angeordnet sein, so daß sich zweidimensiona- le oder ggf. dreidimensionale Schaltungsstrukturen verwirkli- chen lassen.

Zusätzlich ist es bei dieser Weiterbildung bevorzugt, wenn ent- lang der Längsrichtung des Faserkerns mehrere elektronische Bauelemente derart verschaltet sind, daß eine Kontaktschicht eines Halbleiterbauelements elektrisch leitend mit einer Kon- taktschicht eines benachbarten Halbleiterbauelements verbunden ist.

In einem einfachen Falle kann es sich dabei z. B. um mehrere Photodioden handeln, die entlang des Faserkerns in Serie ge- schaltet sind, so daß sich deren Einzelspannungen addieren. Die Verbindung zwischen den benachbarten Photodioden kann z. B. da- durch erfolgen, daß eine außen liegende Kontaktschicht einer Photodiode so weit entlang der Längsrichtung des Faserkerns über diese hinaus reicht, daß sie eine innen liegende Kontakt- schicht überdeckt, die ihrerseits aus einer benachbarten Photo- diode hinaus reicht. Falls mehrere Fasern mit derart in Serie geschalteten Photodioden parallel verschaltet werden, so läßt sich dadurch eine photovoltaische Spannungsquelle aufbauen, die eine hohe Ausgangsspannung, aber einen relativ geringen Innen- widerstand aufweist. Zudem läßt sich durch eine Serienschaltung der Photodioden die Ausfallsicherheit erhöhen, da ein Kurz- schluß in einer Faser nur die sich am Ort des Kurzschlusses be- findende Photodiode betrifft, die Faser ansonsten jedoch weiter funktionsfähig bleibt.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Faserkern ein Lichtleiter.

Auf diese Weise ist es möglich, optoelektronische Schaltungen, die bei der optischen Nachrichtenübertragung z. B. als Detekto- ren verwendet werden, anstatt auf einem unabhängigen Träger un- mittelbar auf dem Lichtleiter aufzubringen.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist an dem Licht- leiter wenigstens ein Koppelelement vorgesehen, durch das Licht aus dem Lichtleiter auskoppelbar oder in diesen einkoppelbar ist.

Eine angrenzende Schicht, auf die das ausgekoppelte Licht ge- führt wird, kann entweder entlang der Längsrichtung des Licht- leiters oder auch senkrecht hierzu an das Auskoppelelement an- grenzen. Dadurch ist es möglich, ein oder mehrere elektronische Bauelemente, die auf dem Lichtleiter aufgebracht sind, an die im Lichtleiter geführten Signale anzukoppeln, so daß sich auf diese Weise beispielsweise ein Detektor mit zugehöriger Aus- wertelektronik unmittelbar auf dem Lichtleiter ausbilden läßt.

Während bei den vorstehend erläuterten Varianten der Erfindung auf einer Faser sich jeweils zumindest ein elektronisches Bau- element befindet, kann auch durch Zusammenfügen von mindest- nestens zwei Fasern ein elektronisches Bauelement erzeugt wer- den. Hierzu weisen mindestens zwei Fasern eine Halbleiter- schicht auf, die mindestens eine Kontaktstelle besitzen, die Teil des elektronischen Bauelements ist.

Die Kontaktstelle wirkt also somit als Funktionsschicht, also z. B. als pn-Übergang. So läßt sich beispielsweise eine großflä- chige Anzeige aufbauen, wenn die Kreuzungspunkte eines Netzes aus derartigen Fasern etwa als LED's zur Emittierung von Licht ausgebildet und angesteuert werden.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens zwei Fasern vorzugsweise an Faserenden oder Kreuzungspunkten der Fasern elektrisch miteinander verschaltet.

Auf diese Weise läßt sich die räumliche Begrenzung auf zwei Di- mensionen, nämlich entlang der Längsrichtung des Faserkerns und senkrecht hierzu, zumindest teilweise aufheben. So können bei- spielsweise eine Vielzahl von Fasern in der Art einer Netz- struktur zueinander angeordnet und an den Berührpunkten elek- trisch leitend miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Schaltungsstrukturen aufbauen, wie sie an sich aus der planaren Halbleitertechnologie her bekannt sind. Aufgrund der Biegsamkeit der Fasern bleibt jedoch auch die Netzstruktur insgesamt biegsam, wodurch sich neue Anwen- dungsmöglichkeiten erschließen. So ist beispielsweise die Er- zeugung von größeren Faserverbunden möglich, um etwa eine rela- tiv leistungsfähige und ausfallsichere Spannungsversorgung in Form eines"Solarnetzes"zu erzeugen.

Auch können gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung in Form von Abstandsgewirken oder Abstandsgeweben sowie reinen 3- D-Textilstrukturen noch komplexere und ausgedehntere dreidimen- sionale Schaltungsstrukturen erreicht werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach- stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung. Darin zeigen : Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem ersten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Faser in einer per- spektivischen Darstellung ; Fig. 2 eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Faserkerns in einem PECVD-Prozeß in einer stark vereinfachten Darstellung ; Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Faser in einem Axial- schnitt ; und Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für die Faser aus Fig. 3 ; Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem dritten Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Faser in einem Axial- schnitt ; Fig. 6 einen Faserverbund aus einer Mehrzahl von Fasern, die an ihren Kreuzungspunkten jeweils eine gemeinsa- me Funktionsfläche haben und Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines elektronischen Bauteils, das gemäß Fig. 6 zwei Fasern aufweist, die an einem Kreuzungspunkt eine Funktionsfläche haben.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen, nicht maßstäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Faser, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die Faser 10 weist einen Faserkern 12 mit einer Längsrichtung 13 auf, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen dünnen Kupferdraht mit einem Durchmesser von 50 um handelt. Der Kupferdraht ist mit einer dünnen Lackschicht überzogen, der den darunterliegenden Draht vor Oxidation schützt.

Auf den Faserkern 12 ist umfangsseitig eine Rückkontaktschicht 14 aufgebracht, die den Faserkern 12 über seine gesamte Länge hinweg überzieht. Die Rückkontaktschicht 14 umgibt umfangssei- tig eine n-dotierte Halbleiterschicht 16, die aus amorphem, mit Phosphor-Atomen dotiertem Silizium besteht. Die n-dotierte Halbleiterschicht 16 überdeckt eine intrinsische Halbleiter- schicht 18 aus undotiertem amorphem Silizium. Nach außen schließt sich daran eine p-dotierte Halbleiterschicht 20 an, die aus amorphem, mit Bor-Atomen dotiertem Silizium besteht.

Die p-dotierte Halbleiterschicht 20 ist umfangsseitig von einer Frontkontaktschicht 22 umgeben, die aus einem elektrisch lei- tenden, optisch transparenten Oxid (TCO, transparent conductive oxide) besteht. Darüber ist schließlich eine Schutzschicht 24 aus einem optisch transparenten Kunststoff aufgebracht, die die Faser 10 vor mechanischen Beschädigungen schützt.

Um die Rückkontaktschicht 14 kontaktieren zu können, reicht der Faserkern 12 mit der darauf aufgebrachten Rückkontaktschicht 14 so weit über die übrigen Schichten hinaus, daß auf der Rückkon- taktschicht 14 Platz für einen Kontaktsockel 25 verbleibt. Die Kontaktierung der Frontkontaktschicht 22 erfolgt über einen Kontaktring 26, welcher durch die Schutzschicht 24 hindurch bis auf die Frontkontaktschicht 22 herabreicht.

Die drei Schichten 16,18 und 20 bilden gemeinsam eine pin- Photodiode, die z. B. als photovoltaisches Element zur Stromer- zeugung genutzt werden kann. Auf die Faser 10 auftreffendes Licht, welches in Fig. 1 durch die Pfeile 27 angedeutet ist, gelangt durch die optisch transparente Schutzschicht 24, die darunterliegende, ebenfalls optisch transparente Frontkontakt- schicht 22 und die p-dotierte Halbleiterschicht 20 bis in die intrinsische Halbleiterschicht 18. Dort erzeugt das Licht auf- grund des Photoeffekts Elektron-Loch-Paare, die zu einer an dem Kontaktsockel 25 und dem Kontaktring 24 abgreifbaren elektri- schen Spannung führt. Die pin-Photodiode kann aber ebenso zur Erzeugung von Licht aus elektrischer Energie dienen, indem an den Kontaktsockel 25 und den Kontaktring 26 eine elektrische Spannung angelegt wird. In der intrinsischen Halbleiterschicht 18 entstehen dann durch Rekombination von Elekron-Loch-Paaren Lichtquanten, die durch die transparente Frontkontaktschicht 22 und die Schutzschicht 24 hindurch nach außen gelangen.

Umgekehrt läßt sich eine solche oder ähnlich augebaute Struktur auch zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aus elek- trischer Energie realisieren. Dies ist lediglich schematisch durch die Pfeile 27'angedeutet, die emittierte Strahlung an- deuten sollen.

Ferner sei darauf hingewiesen, daß die hier beschriebene Funk- tion nicht auf Licht im sichtbaren Bereich eingeschränkt ist, sondern bei beliebiger elektromagnetischer Strahlung auch um IR-Bereich, UV-Bereich oder anderen Wellenlängenbereichen vor- teilhaft realisiert werden kann, sofern eine Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie oder umgekehrt durch die Halbleiterschicht (en) und ggf. weiteren Funktionsschichten möglich ist.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern sind grundsätzlich alle herkömmlichen Standardverfahren geeignet, mit denen dünne Schichten auf planaren Trägern abgeschieden werden können. Da bei den erfindungsgemäßen Fasern die Abscheidung jedoch nicht nur in einer Raumrichtung, sondern in allen Raumrichtungen er- folgen muß, sollte das gewählte Verfahren eine räumlich ver- gleichsweise homogene Abscheidung, d. h. auch eine Abscheidung von der Seite und von unten her, ermöglichen.

Die in Fig. 1 gezeigte Faser, deren Beschichtung annähernd zylindersymmetrisch ist, wurde unter Verwendung eines PECVD- Prozesses (PECVD = plasma enhanced chemical vapor deposition) hergestellt. Eine zur Durchführung dieses Prozesses geeignete, an sich bekannte Vorrichtung ist schematisch in Fig. 2 in einer stark vereinfachten Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Prozeßkammer 30 auf, in der mit Hilfe einer Vakuumpumpe 32 ein Vakuum erzeugbar ist. In die Prozeßkammer 30 kann über eine Schleuse 34 ein zu beschichtender Gegenstand eingebracht und auf einem Teller 36 befestigt werden. Über einen regelbaren Gaszulauf 37 können außerdem Prozeßgase in die Prozeßkammer 30 eingelassen werden. In der Prozeßkammer 30 sind Elektroden 38 und 40 angeordnet, die bei Anlegen einer Hochfrequenzspannung aus den eingelassenen Prozeßgasen ein Plasma erzeugen, welches den auf dem Teller 36 befestigten Gegenstand umgibt und aus dem heraus sich Atome auf dem Gegenstand abscheiden.

Zu Beginn der Herstellung wurde zunächst der lackierte, als Faserkern dienende Kupferdraht 12 gereinigt, dann mit einer dünnen Silberschicht 14 überzogen und nach einem weiteren Rei- nigungsschritt in die Prozeßkammer 30 der PECVD-Vorrichtung eingebracht. Falls anstelle eines Kupferdrahtes z. B. ein Sil- berdraht verwendet werden soll, so kann auf das Aufbringen ei- ner zusätzlichen Frontkontaktschicht 14 verzichtet werden, da sich auf gereinigten Silberoberflächen unmittelbar Halbleiter abscheiden lassen.

Obwohl der Kupferdraht 12 unmittelbar auf den Teller 36 aufge- legt wurde, ließen sich trotz der dann eher ungleichmäßigen Ab- scheidung auf dem Kupferdraht 12 funktionsfähige Photodioden herstellen. Die Endabschnitte zu beiden Seiten des Kupferdrah- tes wurden abgedeckt, damit diese nicht beschichtet wurden und somit später mit dem Kontaktsockel 25 versehen werden konnten.

Die Homogenität und Genauigkeit der Abscheidung kann allerdings verbessert werden, wenn der Kupferdraht 12 in einer Höhe über dem Teller 36 aufgehängt bzw. eingespannt wird, in der sich üb- licherweise die Oberseite planarer Substrate für herkömmliche Bauelemente befinden. Eine weitere Verbesserung der Abschei- dungshomogenität ist erreichbar, wenn der Kupferdraht 12 wäh- rend des Abscheidungsprozesses um seine Längsrichtung gedreht wird.

Anschließend wurde über den Gaseinlaß 37 Silan (SiH4) und Phos- phin (PH4) in die Prozeßkammer 30 eingeführt, um die n-dotierte amorphe Siliziumschicht 16 auf dem mit Silber beschichteten Fa- serkern 12 abzuscheiden. In einem zweiten Prozeßschritt wurde ausschließlich Silan in die Prozeßkammer 30 eingeführt, um die intrinsische Siliziumschicht 18 auf die darunterliegende n- t dotierte Schicht 16 aufzubringen. Dann wurde in einem dritten Prozeßschritt die p-dotierte amorphe Siliziumschicht 18 aufge- bracht, indem in die Prozeßkammer 30 Silan und Diboran (B2H6) eingeführt wurde. Um Verunreinigungen beim Abscheiden zu ver- meiden, kann auch eine Vorrichtung mit zwei oder mehreren Pro- zeßkammern verwendet werden, die über eine Schleuse miteinander verbunden sind. Bei jedem Prozeßschritt wird die Faser 10 dann über die Schleuse in eine andere Prozeßkammer verbracht.

Auf die äußere p-dotierte Halbleiterschicht 18 wurde anschlie- ßend die Frontkontaktschicht 20 durch Aufsputtern eines TCO- Materials aufgebracht. Danach erfolgte das Aufbringen des Kon- taktrings 26, indem die Faser 10 entsprechend maskiert und dann einem Metalldampf-Nebel ausgesetzt wurde. Anschließend wurde die Faser 10 mit der Schutzschicht 24 versehen, indem nunmehr das Kontaktelement 26 abgedeckt und ein transparenter Kunst- stoff auf der Frontkontaktschicht 22 abgeschieden wurde.

Für die Herstellung von Endlosfasern ist das soeben erläuterte Verfahren derart abzuwandeln, daß der Faserkern in einem End- losverfahren durch eine Abscheidungsvorrichtung geführt wird.

Derartige Endlosverfahren kommen zur Zeit bereits bei der Her- stellung herkömmlicher planarer Solarzellen zur Anwendung. Die beiden Elektroden 38,40 können dann z. B. durch Ringelektroden ersetzt sein, durch die der Endlosfaserkern hindurchgeführt wird.

Falls als Halbleiter nicht Silizium oder ein anderer anorgani- scher Stoff, sondern ein organisches Material verwendet werden soll, so lassen sich die Halbleiterschichten auf vergleichswei- se einfache Art in einem Tauchverfahren auf den-ggf. endlosen -Faserkern aufbringen.

Fig. 3 zeigt in einer axial geschnittenen, ebenfalls nicht maß- stäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer anderen er- findungsgemäßen Faser 50, bei der mehrere Photodioden in Serie hintereinandergeschaltet sind. Anders als in Fig. 1 sind bei der Faser 50 die auf dem Faserkern 12 aufgebrachten Schichten nicht durchgehend über die gesamte Länge des Faserkerns 12, sondern lediglich abschnittsweise auf den Faserkern 12 aufge- bracht.

Daher sind in dem in Fig. 3 gezeigten Ausschnitt zwei Rückkon- taktschichten 14a und 14b erkennbar, die in Richtung der Faser- längsrichtung 13 voneinander beabstandet sind. Die beiden Rück- kontaktschichten 14a und 14b werden jeweils von einer p- dotierten Halbleiterschicht 16a bzw. 16b, einer intrinsischen Halbleiterschicht 18a bzw. 18b und einer n-dotierten Halblei- terschicht 20a bzw. 20b umfangsseitig umschlossen. Auf die bei- den außenliegenden n-dotierten Halbleiterschichten 20a und 20b sind außerdem jeweils Frontkontaktschichten 22a und 22b aufge- bracht. Dadurch entstehen zwei einzelne Photodioden 28a und 28b, die in Richtung der Faserlängsrichtung 13 auf dem Faser- kern 12 hintereinander angeordnet sind.

Die Frontkontaktschicht 22a der Photodiode 28a ragt in Richtung der Längsrichtung 13 über die Seitenflächen der Halbleiter- schichten 16a, 18a und 20a hinaus, und zwar so weit, daß die Rückkontaktschicht 14 der benachbarten Photodiode 28b teilweise überdeckt und kontaktiert wird. Die beiden Photodioden 28a und 28b sind auf diese Weise in Serie geschaltet, wie dies in dem in Fig. 4 gezeigten vereinfachten Ersatzschaltbild erkennbar ist. Die Spannung, die zwischen der Rückkontaktschicht 14a an einem Ende der Faser 10 und der Frontkontaktschicht 22b am ge- genüberliegenden Ende der Faser 10 abgegriffen werden kann, entspricht somit der Summe der Einzelspannungen, die von den dazwischenliegenden Photodioden bei Lichteinfall 28a und 28b erzeugt werden.

Es versteht sich, daß die in Fig. 3 gezeigte Anordnung peri- odisch in nur durch den Innenwiderstand begrenzter Anzahl in Längsrichtung 13 fortgesetzt werden kann.

In Abwandlung von der Ausführung gemäß Fig. 3 versteht es sich, daß natürlich auch einzelne Halbleiter-oder Funktionsschichten entlang der Längsachse nebeneinander über einen bestimmten Be- reich angeordnet sein können, um beispielsweise mit darüber an- geordneten zumindest teilweise überlappenden Bereichen eine räumliche Struktur zu bilden (nicht dargestellt).

Fig. 5 zeigt in einer axial geschnittenen, ebenfalls nicht maß- stäblichen Darstellung einen Ausschnitt aus einer anderen er- findungsgemäßen Faser 60. Der Faserkern der Faser 60 besteht aus einem Lichtleiter 62, der einen Kern 64 und einen Mantel 66 aufweist. Der Mantel 66 hat einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern 64, so daß in den Lichtleiter 62 eingekoppeltes Licht sich überwiegend im Kern 64 ausbreitet, wie dies durch die Pfeile 67 angedeutet ist.

Der Mantel 66 des Lichtleiters 62 trägt entlang eines Ab- schnitts ein Koppelelement 68 in Form einer mantelförmigen Schicht, die aus einem Glas oder einem Halbleiter mit dem glei- chen oder einem höheren Brechungsindex als der Mantel 66 be- steht. Auf dem Koppelelement 68 sind weitere Schichten aufge- bracht, von denen exemplarisch nur die Schichten 70a, 70b und 70c in Fig. 5 dargestellt sind. Bei diesen Schichten handelt es sich um Halbleiterschichten und ggf. auch um Funktionsschichten aus anderen Materialien handeln, die gemeinsam ein elektroni- sches Bauelement beispielsweise einen Sensor bilden, der mit einem Verstärkerelement gekoppelt sein kann. Beim Betrieb koppelt das Koppelelement 68 einen (kleinen) Teil des im Lichtleiter 62 geführten Lichts 67 aus und in das darü- berliegende elektronische Bauelement ein. Die Menge des durch das Koppelelement 68 ausgekoppelten Lichts hängt dabei insbe- sondere vom Brechungsindex des Koppelelements 68 sowie von des- sen Länge in Richtung der Längsrichtung 13 ab. Das elektroni- sche Bauelement erzeugt elektrische Signale, die in an sich herkömmlicher Weise ausgewertet werden können. Weitere zur Aus- wertung erforderlichen Halbleiterbauelemente können z. B. neben dem Koppelelement 68 auf dem Lichtleiter 62 aufgebracht sein.

Das Koppelelement 68 bildet somit, zusammen mit den darüber liegenden Schichten, einen Sensor zur Detektion von im Licht- leiter 62 geführten Licht 67.

Grundsätzlich möglich ist allerdings auch, als elektronisches Bauelement durch ein lichterzeugendes optoelektronisches Bau- element zu verwenden, um davon erzeugtes Licht mit Hilfe des Koppelelements 68 in den Lichtleiter 62 einzukoppeln.

Fig. 6 und 7 zeigen rein schematisch einen Faserverbund 82, der aus einer Mehrzahl von sich kreuzenden Fasern 80,80a besteht, die an Kreuzungspunkten 84 eine gemeinsame Grenzfläche bilden.

Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß die Funktion eines elektronischen Bauelements 86 erst in Zusammenwirken mit dieser Grenzfläche erzielt wird. Bei dem so gebildeten Bauelement 86 könnte es sich beispielsweise um ein lichtemittierendes Element handeln, das Licht emittiert, wenn beide Fasern 80,80a mit ei- ner Spannung U+ bzw. U-verbunden sind. Zur Ansteuerung sind die Querfasern über Schalter 87,88,89 mit U+ verbunden, wäh- rend die Längsfasern über Schalter 90,91,92,93,94 mit U- verbunden sind. Bei geschlossenen Schaltern wird an dem betref- fenden Kreuzungspunkt 84 Licht emittiert, wie in Kombination mit den beiden geschlossenen Schaltern 87,90 am Kreuzungspunkt 84 durch die Strahlung 27 angedeutet ist. Auf diese Weise kann eine großflächige Anzeige realisiert werden, deren Punkte ein- zeln adressierbar sind.