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Die
Erfindung betrifft eine neuartige, partikelgefüllte Beschichtung und/oder
Oberfläche.
Außerdem
betrifft die Erfindung eine Weiterentwicklung plasmagetriebener
Beschichtungen und schließlich betrifft
die Erfindung Verwendungen der neuartigen Beschichtungen
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In
den verschiedensten technischen Anwendungen kommen partikelgefüllte Beschichtungen oder
Oberflächen
zum Einsatz, beispielsweise um gezielt optische Eigenschaften, Barrierewirkung, elektrische
und/oder sensorische Eigenschaften einzustellen. Bisher ist die
einzige Möglichkeit
derartige Beschichtungen aufzubringen, die Auftragung einer Beschichtungslösung, die
neben den Partikeln auch eine Binderphase enthält. Dieser Binder dient entweder
zur Einbettung der verwendeten Partikel oder stellt zumindest eine
feste Verbindung zwischen den Partikeln untereinander und dem Substrat
her. Vereinzelt kann auch eine zweistufige Auftragung, entweder
erst Partikel- dann Binderlösung
(eine Art Partikelverguss) oder erst Binder- dann Partikellösung (vgl.
Streuselkuchen) sinnvoll sein.
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In
jedem Fall muss aber eine nasschemische Prozessierung erfolgen. Über Gasphasenabscheidung
wie Verdampfen, Sputtern oder CVD-Verfahren können derartige Schichten bislang
nicht abgeschieden werden. Die Auftragung der partikelgefüllten Beschichtung
aus der Flüssigphase
ist aber für
viele Anwendungen nicht ohne Weiteres anwendbar.
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Aufgrund
von Benetzungsproblemen, besonders bei sehr kleinen oder komplex
geformten Oberflächen,
ist eine gleichmäßige Beschichtung
manchmal bei nasschemischen Verfahren unmöglich. Hinzu kommt das Problem,
dass derartige Beschichtungen in der Regel auf Sol-Gel-Materialien
basieren und zu deren Schichtaushärtung eine bestimmte Mindesttemperatur
(i. d. R. deutlich über
100°C) erforderlich ist.
Viele Substratmaterialien wie Kunststoffe oder organische Halbleiter überstehen
einen solchen Härtungsschritt
nicht ohne Beschädigung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beschichtung mit Partikel
zu schaffen, die auf komplex geformten Oberflächen zu einer gleichmäßigen Beschichtung
führt.
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Lösung der
Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine
auf komplexen Oberflächen
homogene Beschichtung, die partikelgefüllt ist, wobei die Beschichtung über ein
Verfahren herstellbar ist, bei dem in einen Plasmastrahl Partikel eingespritzt
werden. Außerdem
ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur plasmaunterstützten Beschichtung,
bei dem Partikel in einen austretenden Plasmastrahl eingebracht
werden. Schließlich
ist Gegenstand der Erfindung die Anwendung einer partikelgefüllten und
gleichmäßigen Beschichtung.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens werden die Partikel in den Plasmastrahl durch Einspritzen
einer fein verdüsten
Partikellösung
in die bereits aus dem Kopf ausgetretene Plasmaflamme eingebracht.
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Nach
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens werden die Partikel in der Precursorlösung dispergiert
und fein verdüst
nach dem Austritt der Plasmaflamme aus dem Düsenkopf in diese eingespritzt.
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Seit
wenigen Jahren existieren Verfahren zur Herstellung von hybridpolymeren
Oberflächen
und Beschichtungen mittels Atmosphärendruckplamapolymerisation.
Dabei wird ein in die Gasphase überführtes Precursormolekül (z. B.
HMDSO) in eine atmospärische
Plasmaflamme eingeblasen. Durch Fragmentierung und Aktivierung entsteht
ein hochreaktiver Schichtbaustein, der, am zu beschichtenden Substrat
angekommen, zu einer Beschichtung aufwächst. Der Einbau von Feststoffpartikeln
in derartig hergestellte Beschichtungen ist nicht möglich, da
die Precursoren gasförmig
vorliegen.
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In
Laborversuchen der Fa. Plasmatreat (Steinhagen) hat sich herausgestellt,
dass prinzipiell auch eine Beschichtung aufgetrgen werden kann, wenn
der Precursor nicht gasförmig
innerhalb des Düsenkopfes
in die Plasmaflamme eingebracht wird, sondern auch, wenn dieser
in fein verdüster
Form, nach dem Austreten der Plasmaflamme aus dem Düsenkopf
in diese eingespritzt wird.
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Es
wird vorgeschlagen, zur Einbringung von Partikeln in eine ADP-Beschichtung
dieses Verfahren zu nutzen. Dies könnte auf folgenden Wegen erfolgen:
- a) Die unter Binderphase erfolgt über einen
vergasten Precursor und der Partikelzusatz durch das Einspritzen
einer fein verdüsten
Partikellösung
in die bereits aus dem Kopf ausgetretene Plasmaflamme.
- b) Die Partikel werden in der Precursorlösung dispergiert und fein verdüst nach
dem Austritt der Plasmaflamme aus dem Düsenkopf in diese eingespritzt.
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Auf
diese Weise können
Beschichtungen aufgetragen werden, die mit Partikeln gefüllt sind.
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Mit
dem Verfahren können
beispielsweise temperaturempfindliche Kunststoffe mit einer partikelgefüllten Beschichtung
beschichtet werden.
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Folgende
Anwendungen oder Produkte profitieren in besonderem Maße von der
Möglichkeit, partikelgefüllte Beschichtungen
mit dem Verfahren nach der Erfindung unter Nutzung der ADP-Technologie aufzubringen.
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Bereich Optik
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Hier
können
neue Licht-Filtermaterialien hergestellt werden. Die in der Schicht
enthaltenen Partikel blenden beispielsweise durch Absorption oder Streuung
bestimmte Teile des Spektrums aus. Die Streueigenschaften einer
derartigen Beschichtung können
beispielsweise auch für
die Erhöhung
der Lichtauskopplung aus lighting devices (Lampen) verwendet werden.
Von Vorteil ist auch die Tatsache, dass die optischen Eigenschaften
der Beschichtung, wie z. B. der Brechungsindex des Bindermaterials, durch
eine sinnvolle Auswahl oder Kombination der Precursoren (z. B. Kombination
von Silizium- oder Aluminiumprecursoren) gesteuert werden kann.
So können
ungewünschte
Reflexionen beim Eintritt des Lichts in die Beschichtung minimiert
werden.
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Ein
anderes mögliches
Anwendungsgebiet ist die Einbringung von Leucht- oder Konverterstoffen.
Auf diese Weise kann durch die Aufbringung einer plasmapolymeren
partikelgefüllten
Beschichtung eine Wanderschicht aufgetragen werden, die beispielsweise
in einer LED UV-Licht in blaues Licht oder Blau-Licht in Grün-Licht wandelt. Durch die
Zugabe weiterer Partikel könnte
sogar unerwünscht austretende
restliche UV-Strahlung
zurückgehalten werden.
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Bereich Sensorik
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Viele
Sensoren basieren auf feinsten Metalloxid-Partikeln. Diese könnten durch
das beschriebene Verfahren in eine Beschichtung eingebaut werden.
Unter Berücksichtigung
bestimmter Prozessparameter ist sogar die Herstellung einer porösen Beschichtung
denkbar, welche die Partikel offen zugänglich in sich trägt. Aufgrund
der Möglichkeit
selbst feinste Geometrie mittels ADP beschichten zu können, bietet
sich auch die Beschichtung von Heizdraht-Sensoren an. Dies könnte sich
in einer Verringerung des Signal-Rauschverhältnisses niederschlagen. Insgesamt
können
diese Beschichtungen im Sensorik-Bereich,
eine Steigerung der Selektivität bewirken.
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Katalytische Oberflächen
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Ähnliche Überlegungen
wie im Bereich „Sensorik” treffen
auf den Bereich „Katalytische
Oberflächen” übertragen
werden. Durch den Einbau von Metalloxiden, z. B. Vanadiumpentoxid,
TiO2 oder Al2O3 in hochporöse
Oberflächen
mittels ADP-Technologie können Dünnschichtkatalysatoren
aller Art, z. B. für DeNOx
oder CO2-Konversion hergestellt werden. Auch eine Beschichtung von
Kunststoffen bietet sich an. So können durch den Einbau von TiO2
in eine ADP-Beschichtung UV-selbstreinigende
Beschichtungen für
Brillengläser
hergestellt werden.
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Membrantechnik/Filter- oder Trenntechnik
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Diese Überlegungen
treffen auch auf Membranfilter zu. Da der Plasmastrahl in der Regel
keine thermische Schädigung
von Kunststoffen bewirkt, können
auch poröse
Filtermembranen beschichtet werden. Eine Einbringung von Feststoffpartikeln wäre beispielsweise
sinnvoll, wenn eine Verbesserung der Selektivität gewünscht wird. Auch die Anti-Fouling
Neigung von Membranen könnte
durch die Aufbringung einer partikelbeladenen Beschichtung verbessert
werden.
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Antibakterielle Oberflächen
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Doch
auch die Beschichtung von Oberflächen,
die gute Nährböden für Biofilme
bieten, ist mittels ADP möglich.
So können
beispielsweise die Innenflächen
von Abwasserkunststoffrohren beschichtet werden um das Aufwachsen
von Bakterienfilmen zu verringern.
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Insgesamt
kommen alle Oberflächen
in Frage, die durch Zusätze
von Ag oder TiO2 in einer Beschichtung antibakteriell ausgestattet
werden sollen, insbesondere Kunststoffe im medizinischen oder sanitären Bereich.
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Barrierewirkung
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In
dem aktuellen vom BMBF geförderten
Verbundprojekt „Protect-Select” wird die
Eignung von ADP-Polymeren bzgl. Eignung für den Leiterplattenschutz und
Ersatz für
den Leiterplattenschutzlack geprüft
und optimiert. Durch die Einbringung von geeigneten Partikeln (z.
B. kleinste Schichtsilikatplättchen) in
die. Beschichtung mittels des beschriebenen Verfahrens könnte eine
weitere Steigerung der Barrierewirkung der Schicht bewirkt werden,
so dass diese Beschichtungen auch für die Verkapselung von OLEDs
ausreichend wären.
Auch der Einbau von Gettermaterialien mittels des beschriebenen
Verfahrens ist denkbar.
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Hydrophobie/Rauhigkeit
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Durch
den Einbau von Partikeln in eine Schicht mittels des beschriebenen
Verfahrens wird es möglich,
die Rauhigkeit der Beschichtung zu steuern. So können gezielt hydrophobe oder
hydrophile Eigenschaften eingestellt werden. Auch in optischen Anwendungen
können
diese definierten Rauhigkeiten Anwendung finden.
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Mechanische Eigenschaften
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Werden
Hartstoffpartikel verwendet, z. B. Aluminium- oder Zirkonoxid, so
können
die mechanischen oder tribologischen Eigenschaften der Beschichtung
verändert
werden. So könnten
bspw. verschleißfeste
Oberflächen
auf verschiedenste Substrate aufgebracht werden. Auf der anderen
Seite könnten
durch den Einbau von polymerähnlichen Partikeln
die Gleiteigenschaften verbessert werden.
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Elektrische oder dielektrische Eigenschaften
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Erfolgt
die Abscheidung einer Beschichtung mit besonders hohem Füllgrad,
so ist es möglich
leitende oder halbleitende Materialien abzuscheiden. In Frage kommen
würden
beispielsweise transparente Elektrodenschichten mit ITO oder ATO-Partikeln. Auch die
Aufbringung von ESD-Beschichtungen wäre möglich.
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Auch
die Abscheidung von Speichermaterialien wird möglich. Hierfür würde man
beispielsweise magnetische oder elektrisch polarisierbare Partikel
in die Beschichtung einbauen. Durch letztere Partikel könnte man
auch FET-Funktionsschichten, also Transistormaterialien mit halbleitenden
Eigenschaften, erzeugen.
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Bei
Verwendung von Partikelmaterialien, die erhöhte dielektrische Eigenschaften
besitzen, können
Beschichtungen erzeugt werden, die dem Substrat zu einer verbesserten
elektrischen Isolationswirkung, einer verbesserten elektrischen
Durchschlagsfestigkeit oder Erosionsbeständigkeit verhelfen.
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Energiegewinnung/Speicherung
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Für den Energiesektor
bietet die neue Abscheidungstechnologie partikelgefüllter Beschichtungen
besondere Vorteile. Durch die geringe erreichbare Schichtdicke und
die homogene Partikelverteilung in der Beschichtung werden Effizienzsteigerungen
in photovoltaischen Anlagen (z. B. Grätzelzellen) oder Brennstoffzellen
möglich.
Eine weitere Anwendung sind Energiespeicherschichten für Folienkondensatoren
oder Folienbatterien.
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Markenschutz
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Durch
den Einbau von Partikeln mit bestimmter Größe und die Kombination von
verschiedenen Brechungsindizes der Materialien in der Beschichtung
werden charakteristische lichtoptische Effekte möglich (vgl. Interferenzstrukturen
in der Natur). Diese könnten
zum Markenschutz verwendet werden. Auch die lokale Beschichtung
von Geldscheinen zur Erkennung von Falschgeld bietet sich an.
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Prozesskontrolle
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Auch
in der Fertigung, in der klassische ADP-Beschichtungen ohne Partikelfüllung zum
Einsatz kommen, ist das partikelgefüllte Aufbringungsverfahren
sinnvoll, da beispielsweise durch den Einbau fluoreszierender Partikel
ein Markierung und damit eine Prozesskontrolle möglich wird. Die Schichtdicke
und Gleichmäßigkeit
der aufgebrachten Beschichtung kann ermittelt werden.
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Die
Erfindung betrifft eine neuartige, partikelgefüllte Beschichtung und/oder
Oberfläche.
Außerdem
betrifft die Erfindung eine Weiterentwicklung plasmagetriebener
Beschichtungen und schließlich betrifft
die Erfindung Verwendungen der neuartigen Beschichtungen. Die Beschichtung
kann trotz der Füllung
mit Partikel ganz gleichmäßig und
homogen auch auf komplexen Oberflächen, auf denen mittels nasschemischer
Beschichtung keine gleichmäßige Beschichtung
möglich
ist, homogen aufgetragen werden.