DE102009037846A1

DE102009037846A1 - Partikelgefüllte Beschichtungen, Verfahren zur Herstellung und Verwendungen dazu

Info

Publication number: DE102009037846A1
Application number: DE102009037846A
Authority: DE
Inventors: Florian Eder
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-02-24
Also published as: WO2011020851A1; EP2467508A1

Abstract

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.

Description

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
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.
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.
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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beschichtung mit Partikel zu schaffen, die auf komplex geformten Oberflächen zu einer gleichmäßigen Beschichtung führt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Auf diese Weise können Beschichtungen aufgetragen werden, die mit Partikeln gefüllt sind.
Mit dem Verfahren können beispielsweise temperaturempfindliche Kunststoffe mit einer partikelgefüllten Beschichtung beschichtet werden.
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.
Bereich Optik
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.
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.
Bereich Sensorik
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.
Katalytische Oberflächen
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.
Membrantechnik/Filter- oder Trenntechnik
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.
Antibakterielle Oberflächen
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.
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.
Barrierewirkung
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.
Hydrophobie/Rauhigkeit
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.
Mechanische Eigenschaften
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.
Elektrische oder dielektrische Eigenschaften
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.
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.
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.
Energiegewinnung/Speicherung
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.
Markenschutz
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.
Prozesskontrolle
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.
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.

Claims

Beschichtung, die auf komplexen Oberflächen homogen ist, wobei die Beschichtung partikelgefüllt ist und über ein Verfahren herstellbar ist, bei dem in eine Plasmaflamme Partikel eingespritzt werden.
Verfahren zur plasmaunterstützten Beschichtung, bei dem Partikel in einen austretenden Plasmaflamme eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Partikelzusatz durch das Einspritzen einer fein verdüsten Partikellösung in die bereits ausgetretene Plasmaflamme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Partikel in der Precursorlösung dispergiert und fein verdüst nach dem Austritt der Plasmaflamme in die Plasmaflamme eingespritzt werden.
Verwendung einer partikelgefüllten und gleichmäßigen Beschichtung als Licht-Filtermaterial, als Filtermaterial und zur Steigerung der Selektivität in der Sensorik, als katalytische Oberfläche und/oder zur Markierung.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Beschichtung von porösen Oberflächen wie Filtermembranen, zur Vermeidung von Bio- und/oder Bakterienfilmen, zur Einstellung von Rauhigkeiten einer Oberfläche und/oder zu Änderung der tribologischen Eigenschaften einer Beschichtung.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Steigerung der versiegelnden Eigenschaften eines Schutzlackes, zum Einbau von Gettermaterialien, zum Einbau leitfähiger, magnetischer und/oder elektrisch polarisierbarer Partikel, Einbau von Sicherheitsmerkmalen und/oder fluoreszierender Partikel zur Prozesskontrolle.