DE102013113169A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Partikelschichten und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur elektrostatischen Abscheidung von Partikeln auf einem Substrat (8) umfassend mindestens ein elektrostatisches Transportfeld zwischen einem Aerosolgenerator (2) zur Emittierung eines elektrostatisch geladenen Aerosols oder Aerosolgemisches (7) und dem Substrat (8), dadurch gekennzeichnet, dass im Transportfeld mindestens ein Strömungshindernis (3) angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht weiterhin die Herstellung von großflächigen homogenen Beschichtungen mit einstellbarer Schichtdicke und hoher Abscheiderate insbesondere mit empfindlichen oder biofunktionalisierten Partikeln.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der Vorrichtung (1) zur Abscheidung von biochemischen oder chemisch aktiven Partikeln auf funktionalisierte oder nicht funktionalisierte Oberflächen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und deren Verwendung zur Herstellung von Partikelschichten.
• Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Beschichtungstechnologie angesiedelt. Für die Beschichtung von Substraten mit Partikeln sind bereits mehrere Verfahren bekannt. Sie unterscheiden sich u.a. in der Art des Partikeltransports, der Partikelart und der Substrate.
• Für das Aufbringen von Partikeln auf Gegenstände werden in der Regel elektrostatische Sprüheinrichtungen eingesetzt. Diese häufig in Pistolenform ausgeführten Sprüheinrichtungen (z.B. DE 10 2006 019 643 B4 , DE 0000 20 201 338 U1 ) laden die Partikel triboelektrisch oder durch eine Koronaentladung bzw. Ionenaufladung auf. Auf die Aufladung folgt die Partikelablagerung, die bereits durch elektrische Felder unterstützt wird. Diese Felder verlaufen zwischen der Sprühvorrichtung und dem Substrat. Funktionsbedingt ist die Elektrode in der Sprühvorrichtung nadelförmig ausgebildet. Dieses sich verjüngende elektrische Feld entspricht damit weitestgehend dem Feld zwischen einer Nadelspitze und einer großen Fläche und ist dementsprechend inhomogen.
• In DE 03 101 488 A1 wird eine Vorrichtung zur Fließbettbeschichtung von Werkstücken beschrieben. Diese Vorrichtung bedient sich eines elektrisch leitendenden Gitters zur Steuerung der Aerosolwolke mit einem Abscheidefeld. Vorhandene Sprühsysteme besitzen in der Regel eine inhomogene Feldgeometrie (vgl. DE 069 529 497 T2 ).
• Die genannten Sprüheinrichtungen sind außerdem für hohe Pulverdurchsatzraten ausgelegt. Zum Erreichen der Schichthomogenität und einer präzisen Schichtdicke im µm-Bereich müssen jedoch geringe Mengen (10–20 mg pro Minute) abgeschieden werden. Ein geringer Pulverdurchsatz ist für das Einstellen der Schichtdicke sehr wichtig. Die Sprühpistolen sind für die Beschichtung wesentlich größerer Flächen bei vielfach höherem Pulverdurchsatz (50–500 g/min), ausgelegt. Regulierende Maßnahmen durch die Änderung der Feldeigenschaften oder der Beschichtungsdauer haben bei einem großen Pulverdurchsatz eine wesentlich größere Streuung der Schichtdicke (geringere Möglichkeit der Einstellung der Schichtdicke) zur Folge als bei der hier beschriebenen geringen Mengen.
• Weiterhin verwenden herkömmliche Pulverbeschichtungsanlagen Druckluft als Trägerfluid an. Der darin enthaltene Sauerstoff kann mit manchen Beschichtungssubstanzen reagieren und deren Eigenschaften verändern. Auch heiße Verfahren wie Flamm- oder Plasmaspritzen erfordern hohe Temperaturen, welche die eingesetzten Partikel zerstören können. Bei Partikeln mit biochemischen Eigenschaften würden auch die gängigen Verfahren zur Erzeugung von Schichten im Nanometerbereich (Pulsed Laser Depostion, Sputtern, Aufdampfen, Atomic Layer Deposition) diese in ihrer Eigenschaft zerstören. Zudem lassen sich dabei keine porösen Schichten erzeugen.
• Ein anderes Verfahren, wie sie Löffler et al. in „Biomolecule arrays using functional combinatorial particle patterning on microchips, Advanced Functional Materials, 22 (2012) 2503, einsetzen, besteht darin, ein Sieb mit Maschenweiten zwischen 10–25 µm als Elektrode und zum Aussieben von Agglomeraten einzubringen, wodurch das Sieb nach relativ kurzer Zeit verstopft und gereinigt werden muss. Neben dem Reinigungsaufwand und dem damit verbundenen Partikelverlust hat dies auch einen stark schwankenden Aerosoldurchsatz zur Folge. Die beschichtete Fläche ist mit 20 × 20 mm sehr klein und kann nicht vergrößert werden. Insbesondere ist bei diesem Verfahren die Schicht weder homogen noch reproduzierbar herstellbar; auch die Schichtdicke ist nicht kontrollierbar. Die schlechte Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit sind auch darauf zurückzuführen, dass die Aerosolparameter stark schwanken. Der eingesetzte Aerosolgenerator dispergiert die Partikel in Abhängigkeit von der Gesamtpartikelmenge im Reservoir. Das bedeutet, dass am Anfang deutlich mehr Partikel dispergiert werden als am Ende. Der Aerosolstrom wird zusätzlich gepulst, dies führt zu weiteren unkontrollierbaren Aerosoleigenschaften und somit zu inhomogenen Schichten. Zudem besteht bei diesem Aufbau ein großer Partikelverlust in die Abluft. Außerdem ist die zu beschichtende Fläche auf 25 × 25 mm² begrenzt und kann nicht vergrößert werden. Löffler et al. behandeln ausschließlich die Kombination von Aminosäurepartikel und einem CMOS Mikrochip als Substrat. Glas und Polypropylen-Folien können nicht homogen beschichtet werden.
• Ein weiteres Verfahren beschreiben Akedo et al. „Aerosol deposition of ceramic thick films at room temperature: densification mechanism of ceramic layers, APL 90 (2007) 152901" um eine Beschichtung mit Aerosol bei Raumtemperatur herzustellen. Die Beschichtung findet bei hoher Partikelgeschwindigkeit und Unterdruck statt. Dabei werden die Partikel beim Auftreffen auf dem Substrat zertrümmert. Auch da werden keine elektrischen Felder eingesetzt und poröse Schichten sind nicht herstellbar. Über Reproduzierbarkeit und Beschichtungsfläche werden keine Aussagen gemacht.
• Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe darin eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen so zu gestalten, dass die Einschränkungen und Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
• Eine weitere Aufgabe liegt in der Verwendung der Vorrichtung für die Abscheidung von biochemischen oder chemisch aktiven Partikeln auf Oberflächen.
• Mit der vorliegenden Erfindung soll es insbesondere möglich sein, homogene, poröse und reproduzierbare Beschichtungen mit Einstellung der Schichtdicke herzustellen.
• Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und schonende Alternative zu herkömmlichen Verfahren darstellen, ohne auf hohe Abscheidungsraten verzichten zu müssen.
• Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung zur Herstellung von Beschichtungen durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 8 und hinsichtlich der Verwendung der Vorrichtung durch den Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur elektrostatischen Abscheidung von Partikeln auf einem Substrat mit mindestens einem elektrostatischen Abscheidefeld zwischen einem Aerosolgenerator zur Emittierung eines elektrostatisch geladenen Aerosols oder Aerosolgemisches und dem Substrat. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung umfasst mindestens ein Strömungshinderns zwischen dem Aerosolgenerator und dem Abscheidefeld.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Anordnung, umfassend einen Aerosolgenerator, eine Abscheideelektrode, auf der das Substrat zum Aerosolgenerator hin angebracht ist, ein Strömungshindernis, umfassend eine erste Elektrode und/oder ein Objekt, eine zweite Elektrode zwischen dem Aerosolgenerator und der Abscheideelektrode sowie eine Hochspannungsquelle, die elektrisch mit der Abscheideelektrode und der zweiten Elektrode und ggf. der ersten verbunden ist. Dabei wird zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ein inhomogenes elektrostatisches Transportfeld und zwischen der zweiten Elektrode und der Abscheideelektrode ein stark homogenes elektrostatisches Abscheidefeld erzeugt. Das Transportfeld und das Abscheidefeld weisen eine gemeinsame Feldrichtung auf.
• Insbesondere werden als Substrat Glas, Membranen wie z. B. PVDF, PTFE, Substrate mit chemisch funktionalisierten Oberflächen (z.B.: NH₂-funktionalisiert, Polymerschichten auf Glas, Biotin/Streptavidin funktionalisiert), elektrische Leiter (z.B. Gold, Graphit, ITO), Halbleiter (Silizium), Polymere (z.B. Leiterplatten, PMMA), Mikrostrukturen, Tiefenfilter oder Naturstoffe (z.B. Zellulose) eingesetzt. Die Leitfähigkeit der Substratoberflächen ist dabei unbedeutend. Für den Fall, dass ein elektrisch leitendes Substrat beschichtet wird, wird die Substratoberfläche auf dasselbe Potenzial gesetzt wie das der Abscheideelektrode. Die Oberflächentopologie spielt ebenfalls keine Rolle, da strukturierte, unebene und/oder glatte Oberflächen beschichtet werden.
• Ein Aerosol ist eine Suspension von festen oder flüssigen Partikeln in einem Trägerfluid. Die Verwendung eines Aerosolgenerators ermöglicht die Beladung des Trägerfluidstroms mit Partikeln und dispergiert die Partikel mittels einer sich drehenden Bürste anschließend im Trägerfluidstrom. Der Dispersionsvorgang verläuft für die Partikel schonend, d.h. bei Raumtemperatur und Luftdruck mit einer geringen mechanischen Belastung. Weiterhin werden keine Zusatzstoffe zur Vermeidung von Agglomeraten benötigt. Die Strömungsgeschwindigkeit und die Dichte der Partikel pro Volumen sind einstellbar. Die Beladung des Trägerfluidstroms mit Partikeln ist gering (ca. 1 mg/l). Die geringe Beladung bei einer gleichzeitig hohen Dosierkonstanz ist eine wichtige Eingangsgröße für das eigentliche Beschichtungssystem und ermöglicht eine einstellbare Schichtdicke und Homogenität der Beschichtung auf der gesamten Oberfläche. Am Ausgang des Aerosolgenerators befindet sich vorzugsweise ein Schlauch, in dem die geladenen Partikel aus dem Aerosolgenerator herausgeleitet werden.
• Vorzugsweise bestehen die Partikel aus Keramik (wie z. B. TiO₂), Polymer (wie Z. B. Polyethylenpartikel, funktionalisierte Polymer-Beads), Metall, aus bioaktiven oder biochemischen Stoffen (mit eingebetteten Peptiden, Aminosäuren, Biotin Partikel), oder aus einer Kombination dieser Materialien. Die Partikel sind vorzugsweise leitend. Vorzugsweise wird die Beschichtung mit mehreren Partikelarten gleichzeitig durchgeführt. Die Partikelgröße beträgt bevorzugt zwischen 200 µm und 20 nm.
• Die Hochspannungsquelle ist vorzugsweise ein Hochspannungsgenerator oder ein Hochspannungsnetzteil. Sie dient der Erzeugung einer Hochspannung, d.h. im Rahmen dieser Erfindung einer Spannung in Höhe von 5 kV bis 100 kV. Unter Transportfeld wird ein elektrostatisches Feld verstanden, das das geladene Aerosol vom Aerosolgenerator weg transportiert. Abscheidefeld definiert ebenfalls ein elektrostatisches Feld, das die geladenen Partikel in Richtung der Abscheideelektrode und des Substrats transportiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist modular aufgebaut, sodass die Strömung und die elektrischen Felder separat geschaltet und modifiziert werden. Dies ermöglicht eine an die jeweilige Anwendung angepasste Modifikation des Aerosolstroms.
• Vorzugsweise sind die erste und zweite Elektrode sowie die Abscheideelektrode mit dem Substrat in einem evakuierbaren Volumen angeordnet, an das die Aerosolquelle mündet. Die Beschichtung findet somit in einem strömungsoptimierten und in einem Gehäuse abgeschlossenen Volumen statt. Dieses abgeschlossene Volumen hat dabei mehrere Funktionen: es schützt zum einen die Strömung vor äußeren Einflüssen und verhindert eine Störung des stationären Zustands der Strömung durch von außen einwirkende Feld- und Strömungskräfte. Zum anderen ermöglicht das Volumen durch seine Geometrie eine Führung der Strömung, sodass der Verlust an Partikeln weiter minimiert wird. Insbesondere vergrößert sich der Querschnitt des Volumens vom Aerosoleinlass bis zum Ort der Partikelabscheidung kontinuierlich. Die sich aufweitende Kontur des Volumens gefolgt von einer Verjüngung leitet die Strömung somit zum Ort der Beschichtung. Außerdem isoliert das Gehäuse vor Störeinflüsse von äußeren Feldern, sodass das Gleichgewicht der Felder nicht gestört wird. Zudem dient das Volumen als Schutz vor austretenden Partikeln. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Mikro- und Nanopartikel dürfen diese nicht aus dem Volumen in die Produktionsumgebung entweichen. Das Gehäuse schützt die Schicht vor Verunreinigungen von außen. Als Trägerfluid eignet sich vorzugsweise Druckluft. Der darin enthaltene Sauerstoff wird bevorzugt mit Beschichtungssubstanzen, chemisch aktivierten Substraten oder Partikeln reagieren und deren Eigenschaften verändern. Durch die Verwendung des abgeschlossenen Aerosolgenerators und der Beschichtungskammer mittels des evakuierbaren Volumens, werden insbesondere für den ganzen Beschichtungsprozess Inertgase als Trägerfluide wie Argon, Stickstoff, Helium eingesetzt. Zu diesem Zweck, wird am Volumen eine Pumpe angebracht, welche das eingeleitete Trägerfluid absaugt. Die am Auslass der Beschichtungskammer angeschlossene Pumpe zieht kontinuierlich das Trägerfluid und nicht abgeschiedene Partikel ab. Sie ist neben dem Eingangsdruck des Aerosols für die Druck- bzw. die Geschwindigkeitsverhältnisse des Trägerfluids während des Beschichtungsprozesses im Volumen verantwortlich und hat somit entscheidenden Einfluss. Dadurch ergibt sich eine Kontrolle der Strömungsumgebung durch Abpumpen mit gleichem Volumenstrom wie in der Kammer. Durch Filterung der Abluft ist eine Partikelrückgewinnung möglich.
• In einer alternativen Ausgestaltung ist eine verschiebbare Komponente vorgesehen. Diese Komponente umfasst eine starre Anordnung enthaltend eine zweite Elektrode und eine Abscheideelektrode, auf die das Substrat aufgesetzt ist. Durch diese ist das Substrat kontinuierlich während des Beschichtungsprozesses relativ zur ersten Elektrode und zum Aerosolgenerator verfahrbar, wobei sich mit dem Substrat die zweite Elektrode und die hinter dem Substrat liegende Abscheideelektrode mit dem Abscheidefeld bewegt. Das Substrat und die dahinterliegende Elektrode verändern ihre Position relativ zueinander nicht. Dadurch ist das Abscheidefeld während der Beschichtung homogen, da der Abstand konstant bleibt, aber die beschichtete Fläche wird vorzugsweise beliebig vergrößert werden. Die Partikeldichteverteilung im Freistrahl und im Transportfeld ist nicht homogen. Die verschiedenen Feldgeometrien und die eingebauten Strömungswiderstände lassen einen gezielten Einfluss auf die Dichteverteilung der sich im Flug befindlichen Partikel zu. Durch einen geeigneten Verfahrweg des Substrates mittels der in zwei Richtungen (vertikal und senkrecht zum Transportfeld) verschiebbare Komponente oder Verfahreinheit ist dennoch eine homogene Abscheidung gewährleistet. Dabei werden durch die Verfahreinheit die Partikelablagerungen derart nebeneinander angeordnet, dass die resultierende Schicht homogen wird. Die resultierende Schichtdicke und deren Welligkeit bzw. Homogenität lassen sich über die Verfahrparameter beeinflussen. Es werden vorzugsweise auch Schichtdickengradienten hergestellt. Die Welligkeit lässt sich neben der geometrischen Anordnung der Partikelablagerungen zusätzlich über die Partikeldichteverteilung des Aerosols steuern. Zudem lassen sich durch den Einsatz der Verfahreinheit auch größere Substrate beschichten. Der Beschichtungsprozess ist dadurch flexibel auf unterschiedliche Substratgeometrien anwendbar.
• In einer weiteren Ausführung wird die verschiebbaren Komponente bzw. der Beschichtungsflächen nach einem bestimmten Muster im Volumen verfahren, sodass die Beschichtung lokal erfolgt und somit die Menge der eingesetzten Partikel reduziert wird.
• Weiterhin weist das Objekt als Strömungshindernis aerodynamische Eigenschaften auf. Es ist kugel-, tropfen-, kegel- oder nadelförmig, oder umfasst ein Sieb oder eine Prallplatte. Die Strömung des Aerosols (Freistrahl) ist vor dem Strömungshindernis sei es die erste Elektrode oder ein Objekt oder beides laminar (Reynolds-Zahl Re < 2300). Durch das Ablösen der Strömung hinter dem Hindernis werden Turbulenzen erzeugt. Diese führen zu einer Verbreiterung oder Aufweitung des Aerosolstromes. Es kommt zu einer gleichmäßigeren Beschichtung. Das in die Strömung eingebrachte Strömungshindernis führt neben der Erzeugung von Turbulenzen dazu, dass sich eventuell im Strahl befindliche Agglomerate abgefangen oder zertrümmert werden. Dieser Effekt wird durch das sich aufweitende elektrische Transportfeld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und der mit dem Strömungshindernis verbundenen Partikelwolken-Aufweitung zusätzlich unterstützt. Durch die Beschleunigung der Partikel entlang der Feldlinien wird ein Abscheiden der Partikel an der Wand auf ein Minimum reduziert. Das Transportfeld ermöglicht somit eine hohe Abscheideeffizienz und die Partikel werde trotz den durch das Strömungshindernis erzeugten Turbulenzen wieder in Richtung Substrat beschleunigt.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erste und/oder die zweite Elektrode eine Gitterelektrode oder eine spitzförmige Elektrode wie z. B. Nadeln. Die Gitterelektroden haben insbesondere eine Maschenweite von 0,1 mm bis 10 cm, vorzugsweise von 1 mm bis 10 mm. Die Maschenweite beeinflusst die Homogenität des Feldes und die Partikelmenge, die durch die Gitterelektrode durchfliegen. Je kleiner die Maschenweite, desto homogener das Feld, aber umso weniger Partikel durchfliegen die Gitterelektrode, weil diese von den Partikeln entsprechend benetzt wird.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrostatischen Abscheidung von Partikelschichten auf einem Substrat, wobei ein elektrostatisch geladenes Aerosol oder Aerosolgemisch durch ein elektrostatisches Abscheidefeld geleitet wird und dabei um mindestens ein Strömungshindernis umgelenkt wird. Die Prozesstemperaturen liegen auf dem Niveau der Raumtemperatur, Kühlen oder Erwärmen des Systems oder einzelner Komponenten sind aber optional vorgesehen.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Anordnung umfassend ein Aerosolgenerator, ein Strömungshindernis, umfassend eine erste Elektrode und/oder ein Objekt, eine zweite Elektrode und eine Abscheideelektrode in der genannten Reihenfolge sowie einer Hochspannungsquelle bereitgestellt.
• In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Substrat vorzugsweise flächig auf die Abscheideelektrode zum Aerosolgenerator hin gerichtet angebracht oder die Abscheideelektrode selbst dient als Substrat. Die Partikel werden direkt auf der Substratoberfläche abgeschieden. Anschließend werden ein elektrostatisches Transportfeld zwischen der ersten und der zweiten Elektrode sowie ein Abscheidefeld zwischen der zweiten Elektrode und der Abscheideelektrode mittels einervorgenannten Hochspannungsquelle erzeugt. Dabei weisen das Transportfeld und das Abscheidefeld die gleiche Feldrichtung auf.
• In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein geladenes Aerosol oder Aerosolgemisch mittels eines Aerosolgenerators erzeugt und wird durch und/oder um die erste Elektrode in das elektrostatische Transportfeld geleitet. Vorzugsweise dient zur Aufladung der Partikel ein triboelektrisches Aufladesystem oder diese wird über eine Koronaentladung realisiert. Falsch aufgeladene Partikel (z.B. positiv geladen statt negativ) erreichen den Ablagerungsort nicht, dank des Transports der Partikel zum Ort der Abscheidung in dem elektrischen Transportfeld.
• Im dem Transportfeld wird das geladene Aerosol oder Aerosolgemisch um und/oder durch das Strömungshindernis und um und/oder durch die zweite Elektrode in das Abscheidefeld weitergeleitet. Anschließend wird von dort das geladene Aerosol oder Aerosolgemisch auf das auf der Abscheideelektrode angebrachte Substrat geleitet, wobei jenes beschichtet wird. Schließlich wird das beschichtete Substrat von der Abscheideelektrode entnommen. Die erzeugten Schichten sind porös, weisen eine hohe Homogenität auf. Die Reproduzierbarkeit der Schichtdicke beträgt mehr als 90 % bei unterschiedlichen Schichten und die Inhomogenität der Schichtdicke in derselben Schicht weniger als 5 %. Deren Schichtdicke wird über die Verfahrgeschwindigkeit der verschiebbaren Komponente oder die Beschichtungsdauer eingestellt. Die erzeugten Schichten lassen sich durch eine entsprechende Nachbehandlung (z.B. Tempern, Lasersintern) in ihren Eigenschaften verändern und einstellen.
• Das erfindergemäße Verfahren ermöglicht es, Partikelbeschichtungen mit einstellbarer Schichtdicke insbesondere von 0,01 µm bis 10 mm, bevorzugt von 0,1 µm bis 1000 µm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 500 µm. Eine homogene Beschichtung bei hohem Abscheidungsgrad wird auf Flächen insbesondere bis 800 cm², bevorzugt bis 1000 cm² gewährleistet.
• Insbesondere wird das eintretende geladene Aerosol aus dem Aerosolgenerator durch eine erste grobmaschige Gitterelektrode geleitet. Der gerichtete Aerosolstrom wird durch die auftretenden Turbulenzen am Strömungshindernis ausgeweitet. Die geladenen Partikel folgen elektrostatisch getrieben den elektrischen Feldlinien. Das sich in Richtung zweite Elektrode aufweitende elektrische Transportfeld, zwischen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode verhindert ein Absetzen der Partikel an der Gehäusewand und eine damit einhergehende niedrigere Abscheideeffizienz. Das Transportfeld führt die Partikel dem nachgeordneten homogenen elektrischen Abscheidefeld, dessen Feldlinien senkrecht zur Beschichtungsoberfläche verlaufen, zu. Durch die mit der Komponente mitbewegte zweite Elektrode ist der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und der Abscheideelektrode genau eingestellt und bleibt während dem Beschichtungsprozess konstant. Im diesem sich ausbildenden homogenen elektrischen Abscheidefeld werden die Partikel in Richtung des Substrats beschleunigt und dort abgeschieden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird während dem Beschichtungsprozess das Substrat, die dahinterliegende Abscheideelektrode und die zweite Elektrode, die gegeneinander fixiert als Komponente auf einer Verfahreinheit montiert werden, kontinuierlich verfahren. Dies führt zu einer homogenen Abscheidung der Partikel auf der gesamten Fläche des Substrats.
• Insbesondere wird die zu beschichtende Fläche vergrößert und zeitliche und räumliche Inhomogenität ausgeglichen, was zu einer gleichmäßigeren Schicht führt. Dabei ist es möglich lokal unterschiedliche Schichtdicken aufzubringen. Der Abstand zwischen der zweiten Elektrode und der Abscheideelektrode wird vorzugsweise durch ein starres und isolierendes Verbindungselement genau eingestellt.
• Die Erfindung umfasst neben einer Vorrichtung und einem Verfahren zur elektrostatischen Abscheidung von Partikeln auf einem Substrat mit allen oder einem Teil der vorgenannten Merkmale auch eine Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens vorzugsweise zur Abscheidung von biochemischen oder chemisch aktiven Partikeln auf funktionalisierte oder nicht funktionalisierte Oberflächen im Bereich der biochemischen Prozesse, die spezifische Aufforderungen an beschichtete bzw. modifizierte Oberflächen haben wie die Katalyse oder die Peptidsynthese.
• Die vorliegende Erfindung findet weiterhin insbesondere Verwendung zur Beschichtung von funktionalisierten Oberflächen mit aminosäurehaltigen Partikeln zur Herstellung von Peptiden im Arrayformat.
• Eine weitere Verwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung organischen Solarzellen (z. B. mit TiO₂ oder Beschichtungen mit in kleinen Mengen vorhandenen Nanopartikeln).
• Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, verschiedenste Substrate mit hoher Abscheiderate großflächig mit unterschiedlichen Partikeln sehr homogen und bei einstellbarer Schichtdicke zu beschichten. Zudem ist es möglich, mittels einer Maske, die auf das Substrat platziert wird, auch kleine Flächen im Nano- oder Mikrometerbereich zu beschichten.
• Besonders vorteilhaft ist die Eignung des schonenden Beschichtungsprozess für empfindliche oder funktionalisierte Partikel bei Raumtemperatur und insbesondere durch den schützenden abgeschlossenen Aufbau. Dies ermöglicht auch den Einsatz von alternativen Gasen. Mit Hilfe der Pumpe werden die teuren und seltenen Partikel wiedergewonnen.
• Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch die zweidimensionale Verfahreinheit und den Einsatz eines Strömungshindernisses, das lokale Turbulenzen erzeugt, eine hohe Homogenität der Schicht auf dem Substrat zu erreichen.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 2 einen beispielhaften Verfahrweg der verschiebbaren Komponente,
• 3 lichtmikroskopische Aufnahmen von einer Beschichtung von aminofuntionalisierten Polymerbeads mit einer Partikelgrößeverteilung zwischen 20 und 40 µm auf ein Glassubstrat
• 4 lichtmikroskopische Aufnahmen Partikelschichten erzeugt mit einem Freistrahl (links), einer eingebauten Gitterelektrode als Strömungshindernis(mitte) und mit einer in den Freistrahl eingebrachte Kugel (rechts),
• 5 eine schematische Darstellung von Auswirkungen von Spitzenspannungsspitzen durch inhomogene Felder auf die Beschichtung, sowie
• 6 ein Diagramm der Schichtdicke S [µm] vs der Beschichtungsdauer t [min].
• In 1 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit dem Strömungshindernis 3 umfassend eine erste Elektrode 20 und ein kugelförmiges Objekt 5 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens, eine zweite Elektrode 21, die zwischen einem Aerosolgenerator 2 und einer Abscheideelektrode 22 angeordnet sind. Die Abscheideelektrode 22 und die beiden Elektroden 20, 21 sind an eine Hochspannungsquelle 9 angeschlossen. Mittels der Hochspannungsquelle 9 wird zwischen der ersten Elektrode 20 und der zweiten Elektrode 21 ein Transportfeld 200 und zwischen der zweiten Elektrode 21 und der Abscheideelektrode 22 ein Abscheidefeld 220 erzeugt. Auf der Abscheideelektrode 22 ist ein Substrat 8 angebracht, das zur Seite des Aerosolgenerators 2 hin gerichtet ist. Das geladene Aerosol 7 wird in das Volumen 10 eingeführt und anschließend mittels der Pumpe 4 wieder abgeleitet. Die zweite Elektrode 21 und die Abscheideelektrode 22 mit dem Substrat 8 sind fix miteinander zu einer verschiebbaren Komponente 6 verbunden.
• 2 zeigt rechts die Wirkung des Verfahrwegs der verschiebbaren Komponente 6 auf die Beschichtung des Substrats 8. Dabei wird die verschiebbare Komponente 6 derart in zwei Richtungen x und y verfahren, dass durch Überlagerung eine homogene Dicke der Partikelschicht erzielt wird. Links ist die Beschichtung ohne Verfahren der verschiebbaren Komponente 6 zwischen den Punkten A und B dargestellt und rechts die Überlagerungskurven auf dem Substrat nach Verfahren der verschiebbaren Komponente 6 zwischen den Punkten C und D. Eine dünnere Partikelschicht lässt sich durch Einstellen einer höheren Verfahrgeschwindigkeit erreichen, da dadurch die Beschichtungszeit verringert wird.
• 3 stellt Bilder dar von einer Beschichtung von aminofuntionalisierten Polymerbeads mit einer Partikelgrößeverteilung zwischen 20 und 40 µm auf einem Glassubstrat mit von links nach rechts immer größeren Zoomfaktoren.
• 4. zeigt die homogenisierenden Maßnahmen des Strömungshindernisses. Das linke Bild zeigt eine Schicht welche durch direktes Ausrichten des Aerosolfreistrahls ohne elektrische Felder auf die Substratoberfläche erzeugt wurde. Die entstandene Schicht ist sehr unregelmäßig und besitzt viele Agglomerate. Das mittlere Bild zeigt die Auswirkung einer in den Freistrahl eingebrachte Gitterelektrode als Strömungshindernis (vgl. erste Elektrode 20 in 1.). Das rechte Bild zeigt den positiven Effekt eines in den Freistrahl eingebrachten kugelförmigen Strömungshindernisses (vgl. Objekt 5 in 1.). Die Kombination einer Gitterelektrode und eines zusätzlichen Objekts als Strömungshindernis hat demzufolge die optimalste Wirkung auf die Homogenität der Schicht.
• Wie wichtig ein homogenes Abscheidefeld ist in 5 zu erkennen. Unebenheiten in der Abscheideelektrode resultieren in nicht gleichmäßig verlaufenden Feldlinien und haben eine inhomogene Abscheidung zur Folge. Entsprechend der Feldstärkeninhomogenität, die von der Distanz zwischen den beiden Elektroden abhängt, findet starke (gestreifte Zonen) oder schwache Belegung (leere Zonen) auf dem Substrat 8 statt, wie es auf 5a) zu sehen ist. 5b) zeigt den Querschnitt des Substrats 8, das auf der Abscheideelektrode 22 angebracht ist. Schematisch dargestellt ist die Inhomogenität der Oberfläche der Abscheideelektrode 22 die zur den Belegungsunterschieden in der Beschichtung führen.
• Die erzeugten Schichten wurden mit einem konfokalen Lasermikroskop untersucht. Aus den daraus abgeleiteten Daten lassen sich die Schichtdicke und die Rauigkeit der Schicht ermitteln. Mit dieser Messmethode konnte der Einfluss der Beschichtungsdauer auf die Schichtdicke ermittelt werde, wie es 6 darstellt. Die Beschichtungsdauer ist nicht die einzige Möglichkeit Einfluss auf die Schichtdicke zu nehmen. Über eine gezielte Beladung des Aerosols im Aerosolgenerator lässt sich ebenfalls die Schichtdicke beeinflussen.
• Ausführungsbeispiel 1: Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von aminofunktionalisierten Polymerbeads auf einem mit Gold beschichteten Glasträger
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der beanspruchten Vorrichtung wurden mit 10 % Aminosäuren versetzte Polymerpartikel auf ein Glassubstrat beschichtet. Die Schichten von aminofuntionalisierten Polymerbeads mit einer Partikelgrößeverteilung zwischen 20 und 40 µm wurden auf einem mit Gold beschichteten Glasträger abgeschieden, da Glas aufgrund seiner chemischen Beständigkeit für Anwendungen in der Biotechnologie und medizinischen Diagnostik besonders gut geeignet ist (siehe 3). Das Verfahren erfolgte bei Raumtemperatur und einem Druck von 2 bar. Die Substratfläche betrug 2·3 cm². Die Aufladung der Partikel wurde mittels einer Koronaentladung realisiert. Die Abscheideelektrode wurde auf ein Potential von –100 kV gebracht. Die Geschwindigkeit der Verfahreinheit betrug in x-Richtung 10 mm/s und in y-Richtung 0,2 mm/s. Die Bürste im Aerosolgenerator zur Dispersion der geladenen Partikel im Aerosolgenerator wurde mit 800 Umdrehungen pro Minute bewegt. Die Geschwindigkeit bei welcher die Partikel der Bürste zugeführt werden, betrug 20 mm/h. Der Schlauch, in dem die geladenen Partikel aus dem Aerosolgenerator herausgeleitet werden, ist aus Polyurethan.
• Ausführungsbeispiel 2: Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von TiO₂ auf einem mit Gold beschichteten Glasträger
• In diesem Ausführungsbeispiel wurden TiO₂-Partikel mit einem Größen-Median von 21 nm sowie 5 µm große Partikel auf einem mit Gold beschichteten Glasträger abgeschieden. Das Verfahren erfolgte bei Raumtemperatur und einem Druck von 1,4 bar. Die Substratfläche betrug 2·3 cm². Die Aufladung der Partikel wurde mittels einer Koronaentladung realisiert. Die Abscheideelektrode wurde auf ein Potential von –100 kV gebracht. Der Abstand zwischen dem Schlauchende, aus dem die geladenen Partikel austreten, und der zweiten Elektrode betrug 25 mm und zwischen der Abscheideelektrode und dem Substrat 5 mm. Die Geschwindigkeit der Verfahreinheit betrug in x-Richtung 30 mm/s und in y-Richtung 0,2 mm/s.
• Ausführungsbeispiel 3: Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von Polyethylenpartikeln auf einem mit Gold beschichteten Glasträger
• In diesem Ausführungsbeispiel wurden Polyethylenpartikel mit einer Partikelgröße zwischen 53 und 75 µm auf einem mit Gold beschichteten Glasträger abgeschieden. Das Verfahren erfolgte bei Raumtemperatur und einem Druck von 2 bar. Die Substratfläche betrug 2·3 cm². Die Aufladung der Partikel wurde mittels einer Koronaentladung realisiert. Die Abscheideelektrode wurde auf ein Potential von –100 kV gebracht. Der Abstand zwischen dem Schlauchende und der zweiten Elektrode betrug 25 mm und zwischen der Abscheideelektrode und dem Substrat 5 mm. Die Geschwindigkeit der Verfahreinheit betrug in x-Richtung 30 mm/s und in y-Richtung 0,2 mm/s.
• Ausführungsbeispiel 4: Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung von Polymerpartikeln auf nicht-leitende Substraten
• Weiterhin wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung von Glassubstraten mit durch Luftstrahlmühle hergestellte Polymerpartikel ohne Silica bei Raumtemperatur eingesetzt. Der Druck betrug 2 bar. Die Aufladung der Partikel erfolgte triboelektrisch. Der Abstand zwischen der Abscheideelektrode und dem Substrat betrug 5 mm. Die Verfahreinheit wurde bewegt mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s in x-Richtung und von 10 m/s. Die Fläche des Glassubstrats betrug 50·30 mm². Als Strömungshindernis wurde ein engmaschiges Sieb eingesetzt, dessen Maschenweite 1·1 mm² betrug. Der Abstand zwischen dem Sieb und dem Schlauchende betrug 1 mm, der Abstand des Siebes zum Substrat 5 mm. Der Schlauch ist aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
• Ausführungsbeispiel 5: Verfahren zur Abscheidung von Polymerpartikeln auf Papier.
• Das Ausführungsbeispiel 5 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 5 nur darin, dass an Stelle der ersten Elektrode aus Kupfer ein engmaschiges Sieb eingesetzt wurde, das eine Maschenweite von 1·1 mm² aufwies. Der Abstand zwischen dem Sieb und dem Schlauchende betrug 1 mm und der zwischen dem Sieb und dem Substrat 5 mm.
• Ausführungsbeispiel 6: Verfahren zur Abscheidung von Polymerpartikeln auf ein Tiefenfilter.
• Das Ausführungsbeispiel 6 unterscheidet sich vom vorherigen Ausführungsbeispiel nur darin, dass das Substrat ein hydrophiler Tiefenfilter aus Zellulosemischester mit einer Porengröße von 0,025 µm.
• Ausführungsbeispiel 7:Verfahren zur Beschichtung von einem mit Aminogruppen funktionalisiertem ITO-Glas mit Polyethylenglycolmethylmethacrylat-Partikel (PEGMA).
• In diesem Ausführungsbeispiel wurden auf einem mit Aminogruppen funktionalisierten ITO-Glas mit einer Fläche von 40·40 mm² PEGMA-Partikel abgeschieden. Die Verfahreinheit wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/s in x-Richtung und 10 mm/s in y-Richtung bewegt. Der Abstand vom Schlauch zum ITO-Substrat betrug 3 cm. Die Beschichtung erfolgte unter einem Druck von 1,2 bar.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

10

Volumen

2

Aerosolgenerator

20

erste Elektrode

200

Transportfeld

21

zweite Elektrode

22

Abscheideelektrode

220

Abscheidefeld

3

Strömungshindernis

4

Pumpe

5

Objekt

6

verschiebbare Komponente

7

geladenes Aerosol

8

Substrat

9

Hochspannungsquelle

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102006019643 B4 [0003]
• DE 000020201338 U1 [0003]
• DE 03101488 A1 [0004]
• DE 069529497 T2 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Löffler et al. in „Biomolecule arrays using functional combinatorial particle patterning on microchips, Advanced Functional Materials, 22 (2012) 2503 [0007]
• Akedo et al. „Aerosol deposition of ceramic thick films at room temperature: densification mechanism of ceramic layers, APL 90 (2007) 152901“ [0008]

Claims (9)

1. Vorrichtung (1) zur elektrostatischen Abscheidung von Partikeln auf einem Substrat (8) umfassend mindestens ein elektrostatisches Abscheidefeld (220) zwischen einem Aerosolgenerator (2) zur Emittierung eines elektrostatisch geladenen Aerosols oder Aerosolgemisches (7) und dem Substrat (8), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungshindernis (3) zwischen dem Aerosolgenerator (2) und dem elektrostatischen Abscheidefeld (220) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 umfassend eine Anordnung, umfassend mindestens, a) eine Abscheideelektrode (22), auf der das Substrat (8) zum Aerosolgenerator (2) hin gerichtet positioniert ist, b) eine erste Elektrode (20) und eine zweite Elektrode (21) zwischen dem Aerosolgenerator (2) und der Abscheideelektrode (22), wobei die erste Elektrode (20) und die zweite Elektrode (21) ein elektrostatisches Transportfeld (200) sowie die zweite Elektrode (21) und die Abscheideelektrode (22) das elektrostatische Abscheidefeld (220) aufspannt, wobei das Transportfeld (200) und das Abscheidefeld (220) eine gemeinsame Feldrichtung aufweisen, c) ein Strömungshindernis (3), wobei das Strömungshindernis (3) eine erste Elektrode (20) und/oder ein Objekt (5) umfasst und d) eine Hochspannungsquelle (9) mit Anschlüssen zu der Abscheideelektrode (22) und den Elektroden (20, 21).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) sowie die Abscheideelektrode (22) mit dem Substrat (8) in einem evakuierbaren Volumen (10) angeordnet sind, an das die Aerosolquelle (2) ausmündet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine verschiebbare Komponente (6) vorgesehen ist, in der die zweite Elektrode (21) und die Abscheideelektrode (22) mit dem elektrostatischen Abscheidefeld (220) fix eingebunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aerosolgenerator (2), das Strömungshindernis (3) und die zweite Elektrode (21) fix in der Anordnung oder zueinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Elektrode (21) eine Gitterelektrode umfasst.
7. Verfahren zur elektrostatischen Abscheidung von Partikelschichten auf einem Substrat (8) mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein elektrostatisch geladenes Aerosol oder Aerosolgemisch (7) durch ein elektrostatisches Abscheidefeld (220) geleitet wird dadurch gekennzeichnet, dass das Aerosol oder Aerosolgemisch (7) zwischen dem Aerosolgenerator (2) und dem Abscheidefeld (220) um mindestens ein Strömungshindernis (3) gelenkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, umfassend die folgenden Verfahrensschritte a) Bereitstellen einer Anordnung, umfassend ein Aerosolgenerator (2), ein Strömungshindernis (3), eine zweite Elektrode (21) und eine Abscheideelektrode (22) in der genannten Reihenfolge sowie einer Hochspannungsquelle (9), b) Aufbringen des Substrats (8) auf die Abscheideelektrode (22) zum Aerosolgenerator (2) hin gerichtet, c) Erzeugen des elektrostatischen Transportfelds (200) zwischen der ersten Elektrode (20) und der zweiten Elektrode (21) sowie eines elektrostatisches Abscheidefelds (220) zwischen der zweiten Elektrode (21) und der Abscheideelektrode (22) durch Anlegen einer Spannung der Hochspannungsquelle (9) an die Elektroden, wobei das Transportfeld (200) und das Abscheidefeld (220) eine gemeinsame Feldrichtung aufweisen, d) Erzeugen des geladenen Aerosols oder Aerosolgemisches (7) mittels des Aerosolgenerators (2) und durchleiten desselben durch und/oder umleiten desselben um das Strömungshindernis (3) in das elektrostatische Transportfeld (200) e) Elektrostatisches Weiterleiten des geladenen Aerosols oder Aerosolgemisches (7) im Transportfeld (200) durch und/oder um die zweite Elektrode (21) in das Abscheidefeld (220) und von dort auf das auf der Abscheideelektrode (22) angebrachte Substrat (8), wobei jenes beschichtet wird sowie f) Entnahme des beschichteten Substrats (8) von der Abscheideelektrode (22).
9. Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Abscheidung von biochemischen oder chemisch aktiven Partikeln auf funktionalisierte oder nicht funktionalisierte Oberflächen.

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