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Stand der Technik
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Elektrete sind Materialien, die elektrische Ladungen über einen längeren Zeitraum speichern können. Elektrete (z.B. in der Form von Polymerfolien, aber auch anorganische Elektrete wie SiO2) können über eine Vielzahl von Verfahren (Koronaverfahren, Elektronenstrahlen, Kontaktaufladung, ...) elektrisch aufgeladen werden. Bei der Aufladung werden Ladungsträger in Teilbereiche des Elektrets injiziert bzw. eine Ladungstrennung im Elektret herbeigeführt, wodurch das Elektret zum Träger eines elektrischen Feldes wird. Geladene Elektrete können in einer Vielzahl elektronischer Bauteile eingesetzt werden, beispielsweise in Mikrofonen, Lautsprechern oder Luftfiltern. Elektrete werden dafür auf mindestens einer Seite mit Elektroden kontaktiert und aufgeladen und bilden so eine Elektret-Struktur aus. Eine umfassende Darstellung der bisherigen Kenntnisse findet sich zum Beispiel in G. M. Sessler (Ed.), Electrets, Vol. 1, 3rd Edition, Laplacian Press, Morgan Hili, CA, 1999 oder in G.M. Sessler, Electrets: recent developments, Journal of Electrostatics, Vol. 51–52, pp. 137–145, 2001.
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Eine Herausforderung für technisch einzusetzende Elektret-Strukturen ist es, die Stabilität der Ladungstrennung in dem Elektret für lange Zeiträume, idealerweise von mehreren Jahren oder Jahrzehnten bei anwendungsrelevanten Umgebungsbedingungen (z.B. erhöhten Temperaturen von beispielsweise bis zu 85°C) zu gewährleisten, da insbesondere bei hohen Temperaturen Ladungsträger durch das Elektret wandern können. Dadurch können über die Zeit Ladungsträger verloren gehen, wenn Ladungen aus dem Elektret in eine kontaktierende Elektrode wandern und sich dort kompensieren.
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Zahlreiche Verfahren zur Verbesserung der Ladungsstabilität geladener Elektrete sind in der Literatur beschrieben, beispielsweise die Vorbehandlung mit Plasma, siehe Chen, Q., lnvestigation of corona charge stability mechanisms in polytetrafluorethylene (PTFE) teflon films after plasma treatment, 2003, Journal of Electrostatics 59 (2003) 3–13, mit Chemikalien siehe Haridoss, S., Perlman, M. M., Chemical Modification of Near-Surface Charge Trapping in Polymers, 1984, J. Appl. Phys. 55 (5), 1 March 1984 oder mit erhöhten Temperaturen, siehe van Turnhout, J., The Use of Polymers for Electrets, 1975, Journal of Electrostatics, 1, pp. 147–163.
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Seit dem letzten Jahrzehnt sind poröse Elektretfolien, die die Ladungen intern auf Porenoberflächen speichern, als piezoelektrisches Material ("Piezoelektret") intensiv erforscht worden, wie beispielsweise in M. Paajanen, J. Lekkala, K. Kirjavainen, ElectroMechanical Film(EMFi)-„A new multipurpose electrets material“ dokumentiert ist. Sobald zwei Elektroden auf das Material aufgebracht worden sind, ist ein derartiges Material bereits als mechanisch-elektrischer Wandler nutzbar und ermöglicht durch seine Nachgiebigkeit unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten. Dabei schwingt eine Oberfläche des geladenen porösen Elektrets (Piezoelektrets) aktiv. Besonders interessant für Anwendungen als poröse Piezoelektrete sind Elektretmaterialien, die eine hervorragende Ladungsspeicherung bieten, wie z.B. Teflon FEP, PTFE und PFA, und aus diesem Grund auch bei höheren Temperaturen über längere Zeit eingesetzt werden können. Bei geladenen porösen Elektretfolien (Piezoelektreten) liegen in jeder Pore positive und negative Ladungsträger auf entgegengesetzten Seiten der Pore vor. Dadurch besteht der Nachteil, dass eine Entladung des Elektrets über längere Zeiträume stattfindet, da Ladungsträger nur über relativ kurze Strecken wandern müssen, um einen gegensätzlich geladenen Ladungsträger zu treffen und mit ihm zu rekombinieren.
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Für eine Anwendung von Elektreten in Bauteilen, die eine gleichbleibende Performance über viele Jahre hinweg auch bei harschen Umgebungsbedingungen erfordern (beispielsweise für Anwendungen im Automobil), sind Elektrete mit sehr hoher Ladungsstabilität erforderlich. Durch die Wahl geeigneter Materialien und Vorbehandlungsmethoden können Elektrete erzielt werden, die gute Ladungsstabilität bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen aufweisen und die potentiell für oben genannte Anwendungen eingesetzt werden können. Allerdings gibt es nur wenige Optionen zur Auswahl von Elektreten, die für den Einsatz unter solch harschen Umgebungsbedingungen in Frage kommen.
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Neue Methoden zur Herstellung von Elektreten mit sehr hoher Ladungsstabilität und eine weitere Verbesserung der Ladungsstabilität gegenüber dem Stand der Technik sind deshalb wünschenswert und erschließen neue Einsatzgebiete für Elektrete.
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Die
DE 44 21 859 C2 zeigt einen Filter zum Reinigen von Gasen mit einem Elektret und das Elektret zumindest teilweise umgebenden Schichten aus einem porösen Dielektrikum. Das poröse Dielektrikum wird aus einem Schaumstoff, insbesondere aus einem offenporigen oder offenporzelligen Schaumstoff hergestellt. Das Elektret ist als eine dünne Schicht oder Platte aus einem Polymer, wie z. B. Polytetrafluorethylen, ausgebildet und wird eine durch thermische Behandlung polarisiert.
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Die
DE 2 232 264 zeigt eine Elektret-Struktur, welche aus zwei dünnen dielektrischen Folien besteht, zwischen denen eine ionisierte Luftschicht eingebracht ist. Diese Elektret-Struktur kann als Ultraschallwandler verwendet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt einen neuartigen Aufbau einer Elektret-Struktur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektret-Struktur, bei der die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Die Wanderung von Ladungsträgern nach der elektrischen Aufladung ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau erschwert und eine hohe Ladungsstabilität somit gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird eine Elektret-Struktur vorgeschlagen, umfassend einen elektrisch leitfähigen Träger, eine erste Elektretschicht und eine poröse, dielektrischen Schicht, die zwischen dem Träger und der Elektretschicht angeordnet ist. Der elektrisch leitfähige Träger bildet dabei bevorzugt die Elektrode der erfindungsgemäßen Elektret-Struktur.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, die poröse, dielektrische Schicht zu nutzen, um die geladene erste Elektretschicht von der Rückelektrode zu trennen. Dadurch wird die Wanderung von elektrischen Ladungen aus der ersten Elektretschicht zur Elektrode behindert, da die Ladungen im Mittel einen längeren Weg zur Elektrode zurücklegen müssen. Ebenso wird eine eventuell auftretende Wanderung entgegengesetzt geladener Ladungsträger aus der Elektrode in die erste Elektretschicht behindert. Die Ladungsstabilität einer erfindungsgemäßen Elektret-Struktur gegenüber herkömmlichen Aufbauten ohne poröse, dielektrische Schicht zwischen Elektret und Elektrode wird dadurch deutlich erhöht.
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Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten porösen Elektreten (sog. Piezoelektreten), bei denen positive und negative Ladungen jeweils in allen Poren des Elektrets vorliegen, bietet der erfindungsgemäße Aufbau den Vorteil einer stärkeren räumlichen Trennung positiver und negativer Ladungen, da die poröse Schicht selbst nicht aufgeladen wird. Dadurch wird die Gefahr des Ladungsverlusts durch Rekombination von Ladungsträgern innerhalb der geladenen Elektretschicht deutlich reduziert.
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Elektroakustische Wandler, die eine erfindungsgemäße Elektret-Struktur verwenden sind bevorzugt derart aufgebaut, dass die Elektret-Struktur selbst nicht schwingt, sondern ein elektrisches Feld aufbaut, so dass die Erzeugung bzw. die Detektion von Schallwellen nach dem bekannten Prinzip des elektrostatischen Wandlers erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird auf einem elektrisch leitfähigen Träger, der die Elektrode ausbildet ein poröses Dielektrikum aufgebracht. Dafür können beispielsweise poröse Polymere wie poröses Teflon (z. B. PTFE, PFA, FEP, AF etc.), aber auch andere Materialien mit dielektrischen Eigenschaften, zum Beispiel poröse Keramiken eingesetzt werden.
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Die so gebildete poröse, dielektrische Schicht kann bevorzugt auf ihrer dem Träger bzw. der Elektrode zugewandten Seite metallisiert sein. Dadurch wird vorteilhaft eine gute elektrische Anbindung erzielt und/oder eine Potentialbarriere für den Übertritt von Ladungsträgern erzeugt. Insbesondere wenn die poröse, dielektrische Schicht poröses Teflon aufweist, ist es vorteilhaft für die Metallisierung der porösen, dielektrischen Schicht Aluminium zu verwenden, welches sowohl die elektrische Anbindung der porösen, dielektrischen Schicht an den Träger verbessert, als auch den Übertritt von elektrischen Ladungen aus der Rückelektrode in das Teflonmaterial erschwert.
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Auf die poröse, dielektrische Schicht wird erfindungsgemäß ein Elektretmaterial aufgebracht, beispielsweise durch Auflaminieren einer Folie aus Teflon (z.B. PTFE, PFA, FEP, AF etc.), die die erste Elektretschicht bildet, in dem Ladungsträger durch Aufladen der Folie eingebracht werden. Alternativ kann das Elekretmaterial (z.B. Teflon) als nasse Lösung aufgetropft und danach getrocknet werden.
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Um einen Zutritt von Luftfeuchtigkeit in die Poren der porösen, dielektrischen Schicht zu verhindern, ist bevorzugt vorgesehen, dass die gesamte Elektret-Struktur zur Seite hin abgedichtet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die obere Elektretschicht am Rand des Aufbaus bis auf den Träger reicht und mit diesem verbunden (z.B. verklebt oder laminiert) wird. Alternative Abdichtungen sind möglich, z.B. durch Aufbringen eines Klebstoffs, seitlich der Elektret-Struktur oder ringförmig um die Elektret-Struktur.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, zwischen die Rückelektrode und das poröse Dielektrikum eine weitere, zweite Elektretschicht einzubringen. Die Metallisierung der porösen, dielektrischen Schicht entfällt in diesem Fall. Stattdessen kann die dem Träger bzw. der Rückelektrode zugewandte Seite der zweiten Elektretschicht metallisiert werden. Dieser optionale Aufbau kann vorteilhaft gewählt werden, wenn die Metallisierung des porösen Dielektrikums und/oder die Anbindung des porösen Dielektrikums an den Träger aufgrund der Materialeigenschaften Probleme bereiten.
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Während der Lebendauer der erfindungsgemäßen Elektret-Struktur wandern die Ladungsträger langsam von der Oberfläche (bzw. aus dem Volumen) der oberen Elektretschicht in Richtung der Elektrode. ln aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten mit Elektreten, welche direkt auf Elektroden aufgebracht sind, werden die Ladungsträger nach einiger Zeit die Elektrode erreichen und durch Abtransport bzw. Rekombination kompensiert.
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Bei der erfindungsgemäß aufgebauten Elektret-Struktur hingegen, werden die Ladungsträger aus dem Elektret, wenn sie die Unterseite der aufgeladenen Elektretschicht erreicht haben, an das poröse Dielektrikum gelangen. An Stellen wo sich Elektret und Dielektrikum berühren kann ein Übertritt von Ladungsträgern erfolgen und eine weitere Wanderung von Ladungsträgern stattfinden. An den meisten Stellen wird aber aufgrund der Porosität der porösen, dielektrischen Schicht der Elektret an eine Pore, also an einen luftgefüllten Hohlraum angrenzen. Ein Übertreten von Ladungsträgern aus dem Elektretmaterial in die Luft der Pore findet nicht statt, wodurch die Ladungen an der Grenze zwischen Elektret und Luft (Pore im Dielektrikum) immobilisiert werden. Die so immobilisierten Ladungsträger bleiben über lange Zeiträume, etwa über mehrere Jahre, bei gemäßigten Umweltbedingungen (Raumtemperatur und niedrige Luftfeuchtigkeit) sogar mehrere Jahrzehnte, stabil in der erfindungsgemäßen Elektret-Struktur gebunden, wodurch der erfindungsgemäße Aufbau eine sehr hohe Ladungsstabilität aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektret-Struktur umfasst demnach folgende Schritte:
- a) Vorsehen eines elektrisch leitfähigen Trägers, insbesondere eines metallischen Trägers, der als Elektrode ausgebildet ist,
- b) Aufbringen einer porösen dielektrischen Schicht auf den Träger,
- c) Aufbringen eines, insbesondere nichtporösen, Elektretmaterials, beispielsweise einer Teflonfolie, auf die poröse dielektrische Schicht,
- d) Elektrisches Aufladen des nichtporösen Elektrets, wodurch die erste Elektretschicht ausgebildet wird.
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Die Reihenfolge der Verfahrensschritte b) und c) ist im Rahmen der Erfindung nicht festgelegt. Es ist erfindungsgemäß ebenfalls möglich, zunächst die poröse dielektrische Schicht auf das Elektretmaterial aufzubringen (Schritt c)), zum Beispiel durch Auflaminieren, und danach den Verbund aus der porösen dielektrischen Schicht und dem Elektretmaterial auf den Träger aufzubringen (Schritt b).
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Das elektrische Aufladen der Folie in Schritt d) kann beispielsweise durch ein Koronaverfahren, Elektronenstrahlen oder Kontaktaufladung erfolgen.
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Optional kann der elektrisch aufgeladene Sandwich-Aufbau vor dem Einsatz in einem Bauteil in einem weiteren Verfahrensschritt f) zusätzlich vorgealtert werden, beispielsweise durch Auslagerung bei einer Temperatur, bei der eine hohe Mobilität der Ladungsträger im Elektret gegeben ist. Diese Temperatur ist abhängig von den gewählten Materialien. Mobile Ladungsträger wandern bei diesen Bedingungen schnell, bis sie Positionen innerhalb des Elektrets erreichen, an denen sie eine hohe energetische Stabilität haben (sogenannte Traps), oder bis sie an die Grenzfläche Elektret-Luft am Übergang vom Elektret zum porösen Dielektrikum gelangen, wo sie immobilisiert werden wie oben beschrieben. Durch diese Voralterung wird ein System erzielt, in welchem schon vor dem Einsatz in einem Bauteil die Ladungsträger in einer sehr stabilen und immobilen Konfiguration vorliegen. Entsprechend wird eine mögliche Veränderung der Ladungseigenschaften der Elektret-Struktur im frühen Stadium des Einsatzes verhindert, bzw. minimiert.
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Die erfindungsgemäße Elektret-Struktur eignet sich beispielsweise zum Einsatz in einem Schallwandler für Umfeldsensorik (z. B. Umfelderkennung in Fahrerassistenzsystemen auf Ultraschallbasis, in der Robotik oder der Ultraschallraumüberwachung). Andere mögliche Einsatzgebiete sind aus dem Stand der Technik bekannte Elektretanwendungen wie beispielsweise Mikrofone, Lautsprecher oder Luftfilter – insbesondere dann, wenn solche Systeme eine sehr gleichbleibende elektrische Ladung des Elektrets über lange Zeiträume, auch bei harschen Umgebungsbedingungen erfordern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine Elektret-Struktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
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2 stellt eine Elektret-Struktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
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Ausführungen der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Elektret-Struktur 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Elektret-Struktur 1 umfasst einen metallischen Träger 10, der die Elektrode der Elektret-Struktur 1 bildet. Eine elektrisch geladene Teflonfolie bildet die erste Elektretschicht 30 aus. Zwischen dem Träger 10 und der Elektretschicht 30 ist eine Schicht 20 aus einem porösen, dielektrischen Material, z.B. einer Keramik, einem Polymer oder porösem Teflon angeordnet, so dass sich der erfindungsgemäße Sandwich-Aufbau ergibt. Die porösen, dielektrischen Schicht 20 umfasst also ein festes Dielektrikum 22 mit zum Beispiel unterschiedlich großen Poren 24. Zwischen der porösen, dielektrischen Schicht 20 und dem Träger 10 ist in diesem Ausführungsbeilspiel eine zweite Elektretschicht 40 vorgesehen, die an ihrer dem Träger zugewandten Oberfläche 42 mit einer Metallbeschichtung 45 versehen ist.
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Die erste Elektretschicht weist Ladungsträger 50, in diesem Beispiel mit negativer elektrischer Ladung, auf. Kompensationsladungen 55 mit entgegengesetzter Polarität finden sich im Träger 10. Durch diese Ladungstrennung wird der bekannte Elektret-Effekt erzielt und die Elektret-Struktur 1 lässt sich beispielsweise in Schallwandlern einsetzen.
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Nur an den Stellen, an denen sich die erste Elektretschicht 30 und das Dielektrikum 22 berühren kann ein Übertritt von Ladungsträgern erfolgen und eine weitere Wanderung von Ladungsträgern stattfinden. An den meisten Stellen entlang der Grenzfläche 60 zwischen der ersten Elektretschicht 30 und der porösen, dielektrischen Schicht 20 wird aber aufgrund der Porosität der Schicht 20 das Elektret 30 an eine Pore 24, also an einen luftgefüllten Hohlraum, angrenzen. Ein Übertreten der Ladungsträger 50 in die Luft der Pore 24 findet nicht statt. Damit sind die Ladungsträger 50 an der Grenze zwischen Elektret 30 und Luft der Pore 24 im Dielektrikum 22 immobilisiert und bleiben über lange Zeiträume stabil in der Elektretschicht 30 gebunden.
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Um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit, Wasser oder Schmutz in die Poren 24 der porösen, dielektrischen Schicht 20 zu verhindern, reicht die Elektretschicht 30 seitlich bis auf den Träger 10 und ist dort verklebt oder laminiert. Dadurch wird eine umlaufende Dichtung 35 um die Elektret-Struktur 1 verwirklicht, die die Lebensdauer unter schwierigen Umweltbedingungen verbessert.
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In 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Elektret-Struktur 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen die gleiche wie bei dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Im Unterschied zur 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel keine zweite Elektretschicht zwischen der porösen, dielektrischen Schicht 20 und dem Träger 10 vorgesehen. Stattdessen weist die dem Träger 10 zugewandte Oberfläche 25 der porösen, dielektrischen Schicht 20 eine Metallisierungsschicht 45 auf, die direkt zur Anbindung der porösen, dielektrischen Schicht 20 an den Träger 10 dient.
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Zur Abdichtung der porösen, dielektrischen Schicht 20 ist im Ausführungsbeispiel nach 2 ein umlaufender Ring 36 aus einem Klebstoffmaterial vorgesehen, der das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz in die poröse, dielektrische Schicht 20 verhindert.
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Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäße Elektret-Struktur 1 eine hohe Ladungsstabilität erzielt, da Ladungsträger an Grenzflächen zwischen der Elektretschicht und Poren der porösen, dielektrischen Schicht 20 effektiv immobilisiert werden und eine Rekombination mit entgegengesetzt polarisierten Ladungsträgern verhindert wird. Durch weitere Zwischenschichten, wie zum Beispiel einer Elektretschicht 40 und/oder einer Metallisierungsschicht 45 kann die Anbindung der porösen, dielektrische Schicht 20 an den Träger 10, der bevorzugt die Rückelektrode der Elektret-Struktur 1 bildet, für das jeweils gewählte Material zusätzlich optimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4421859 C2 [0007]
- DE 2232264 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. M. Sessler (Ed.), Electrets, Vol. 1, 3rd Edition, Laplacian Press, Morgan Hili, CA, 1999 [0001]
- G.M. Sessler, Electrets: recent developments, Journal of Electrostatics, Vol. 51–52, pp. 137–145, 2001 [0001]
- Chen, Q., lnvestigation of corona charge stability mechanisms in polytetrafluorethylene (PTFE) teflon films after plasma treatment, 2003, Journal of Electrostatics 59 (2003) 3–13 [0003]
- Chemikalien siehe Haridoss, S., Perlman, M. M., Chemical Modification of Near-Surface Charge Trapping in Polymers, 1984, J. Appl. Phys. 55 (5), 1 March 1984 [0003]
- van Turnhout, J., The Use of Polymers for Electrets, 1975, Journal of Electrostatics, 1, pp. 147–163 [0003]
