DE102013225908A1

DE102013225908A1 - Beschichtungsmittel zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht

Info

Publication number: DE102013225908A1
Application number: DE102013225908.5A
Authority: DE
Inventors: Jürgen P. Rabe; Mohammed Fardin Gholami; Nikolai Severin; Vitalij Scenev
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungsmittel (100) zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht (150), wobei das Beschichtungsmittel (100) zumindest ein Lösungsmittel sowie Feststoffbestandteile in Form von Kohlenstoffnanoröhren (11) und Silberteilchen (30) enthält. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Beschichtungsmittel (100) als Feststoffbestandteile außerdem leitfähiges Polymer enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Beschichtungsmittel ist aus der US-Patentschrift US 8,545,731 B2 bekannt. Das vorbekannte Beschichtungsmittel enthält als leitende Feststoffbestandteile Kohlenstoffnanoröhren und Silberteilchen. Außerdem weist das Beschichtungsmittel Bindemittel in Form von Nitrozellulose oder Kunstharz auf. Das Beschichtungsmittel dient zum Herstellen elektrisch leitfähiger Schichen und muss hierzu einem Ausheizschritt bei einer Temperatur von ca. 150 °C unterzogen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsmittel anzugeben, mit dem sich hochleitende elektrische Schichten mit besonders niedriger Ausheiz- oder Trocknungstemperatur herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Beschichtungsmittel als Feststoffbestandteil außerdem leitfähiges Polymer enthält.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels liegt in der Doppelfunktion des erfindungsgemäß vorgesehenen leitfähigen Polymers: Vor dem Trocknen oder Ausheizen des Beschichtungsmittels wirkt das leitfähige Polymer als Bindemittel, so dass auf nichtleitfähige Bindemittel wie Harze oder dergleichen verzichtet werden kann; nach dem Trocknen oder Ausheizen wirkt das leitfähige Polymer selbst als leitfähige Komponente, die die Kohlenstoffnanoröhren und Silberteilchen miteinander leitfähig verbinden kann. Ein Hochtemperaturausheizschritt über 100 °C, wie er bei dem Beschichtungsmittel gemäß dem eingangs genannten US-Patent nötig ist, um eine ausreichende Leitfähigkeit der mit dem Beschichtungsmittel gebildeten Schichten zu erreichen, ist wegen des Einsatzes des leitfähigen Polymers nicht nötig. Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel können – je nach individueller Zusammensetzung – zum Trocknen bereits Temperaturen von lediglich 50 °C bis 90 °C ausreichen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels besteht darin, dass sich mit diesem leitfähige Schichten auch auf temperaturempfindlichen Trägern wie beispielsweise Kunststoffträgern herstellen lassen, die bei Temperaturen über 100 °C schmelzen würden.
Ein zusätzlicher wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels besteht darin, dass durch das Verbleiben des leitfähigen Polymers in der hergestellten leitfähigen Schicht die Bruchfestigkeit der Schicht besonders hoch ist.
Als Lösungsmittel enthält das Beschichtungsmittel vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel, insbesondere Alkohol, und Wasser.
Bei dem organischen Lösungsmittel handelt es sich bevorzugt um Ethanol, 1-Propanol, Iso-Propanol oder ein Gemisch dieser Alkohole.
Das Beschichtungsmittel weist als Lösungsmittel bevorzugt außerdem Glykol auf, um die Leitfähigkeit der mit dem Beschichtungsmittel gebildeten Schichten sowie die Benetzungsfähigkeit des Beschichtungsmittels beim Auftragen auf einem Träger zu erhöhen. Der Glykolanteil liegt vorzugsweise zwischen 1 und 20 Volumenprozent.
Die Kohlenstoffnanoröhren sind vorzugsweise unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren. Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Kohlenstoffnanoröhren einwändig sind.
Bei dem leitfähigen Polymer handelt es sich besonders bevorzugt um PEDOT:PSS.
Die Größe der Silberteilchen liegt mit Blick auf eine optimale Verarbeitbarkeit des Beschichtungsmittels vorzugsweise zwischen 1 und 5 Mikrometer.
Eine alternative, ebenfalls bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Silberteilchen Nanodrähte mit Durchmessern zwischen 5 und 100 nm und Längen zwischen 1 und 50 µm sind.
Der Anteil der Silberteilchen im Beschichtungsmittel liegt vorzugsweise zwischen 1 und 10 Volumenprozent. Der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren im Beschichtungsmittel liegt bevorzugt zwischen 0,01 und 1 Volumenprozent. Der Anteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 Volumenprozent.
Weist das Lösungsmittel Wasser und Alkohol auf, so liegt das Anteilsverhältnis zwischen Wasser und Alkohol vorzugsweise zwischen 10%/90% und 90%/10%.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels, wie es oben beschrieben worden ist, wobei bei dem Verfahren zumindest ein Lösungsmittel mit Feststoffbestandteilen in Form von Kohlenstoffnanoröhren, leitfähigem Polymer und Silberteilchen gemischt wird.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel verwiesen.
Bezüglich der Herstellung des Beschichtungsmittels wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn eine erste Vormischung hergestellt wird, indem die Kohlenstoffnanoröhren mit Wasser und Alkohol, vorzugsweise unter Ultraschalleinsatz, gemischt werden, eine zweite Vormischung hergestellt wird, indem als leitfähiges Polymer PEDOT:PSS mit Wasser gemischt wird, und die beiden Vormischungen unter Hinzugabe der Silberteilchen miteinander unter Bildung des Beschichtungsmittels gemischt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, bei dem ein erfindungsgemäßes Beschichtungsmittel mittels zweier Vormischungen unter Hinzugabe von Silberteilchen hergestellt wird, und
2 einen Träger mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, die mit dem Beschichtungsmittel gemäß 1 durch Trocknen hergestellt worden ist.
In der 1 lässt sich eine erste Vormischung 10 erkennen, die durch Mischen unmodifizierter Kohlenstoffnanoröhren 11 mit einer ersten Flüssigkeit 13 gebildet wird. Bei der ersten Flüssigkeit 13 handelt es sich vorzugsweise um eine Mischung aus Wasser und Alkohol, insbesondere 1-Propanol oder Ethanol. Das Mischen erfolgt vorzugsweise unter Ultraschalleinsatz.
Eine zweite Vormischung 20 wird hergestellt, indem PEDOT:PSS 21 mit einer zweiten Flüssigkeit 22, bei der es sich bevorzugt um Wasser handelt, gemischt wird.
Die beiden Vormischungen 10 und 20 werden nachfolgend unter Hinzugabe von Silberteilchen 30 miteinander vermischt, wie dies durch Pfeile in der 1 symbolisiert wird. Durch das Zusammenmischen der beiden Vormischungen 10 und 20 und der Silberteilchen 30 entsteht eine Gesamtmischung, die ein Beschichtungsmittel 100 zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht 150 bildet. Wie sich in der 1 erkennen lässt, weist das Beschichtungsmittel 100 unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren 11, PEDOT:PSS 21 und Silberteilchen 30 auf.
Zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht 150 wird das Beschichtungsmittel 100 auf einem Träger 200 aufgebracht und getrocknet, wie dies beispielhaft in der 2 gezeigt ist. Bei dem Träger 200 handelt es sich vorzugsweise um einen Kunststoffträger.
Das Trocknen kann beispielsweise im Rahmen eines Ausheizschrittes erfolgen, bei dem die beiden Flüssigkeiten 13 und 22 der beiden Vormischungen 10 und 20, also die Lösungsmittel des Beschichtungsmittels 100, verdampft werden. Das Verdampfen bzw. Trocknen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur unter 100 °C, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 90 °C, um eine thermische Beschädigung des Kunststoffträgers 200 vermeiden.
Die elektrisch leitfähige Schicht 150 wird nach dem Verdampfen der Flüssigkeiten 13 und 22 durch die Feststoffkomponenten 11, 21 und 30 gemäß 1 gebildet.
Bezugszeichenliste

10: erste Vormischung
11: Kohlenstoffnanoröhren
13: Flüssigkeit
20: zweite Vormischung
21: PEDOT:PSS
22: Flüssigkeit
30: Silberteilchen
100: Beschichtungsmittel
150: elektrisch leitfähige Schicht
200: Kunststoffträger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8545731 B2 [0002]

Claims

Beschichtungsmittel (100) zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht (150), wobei das Beschichtungsmittel (100) zumindest ein Lösungsmittel sowie Feststoffbestandteile in Form von Kohlenstoffnanoröhren (11) und Silberteilchen (30) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel (100) als Feststoffbestandteile außerdem leitfähiges Polymer enthält.
Beschichtungsmittel (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel (100) als Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel, insbesondere Alkohol, und Wasser enthält.
Beschichtungsmittel (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel Ethanol, 1-Propanol, Iso-Propanol oder ein Gemisch dieser Alkohole ist.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel (100) als Lösungsmittel außerdem Glykol enthält.
Beschichtungsmittel (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Glykolanteil zwischen 1 und 20 Volumenprozent liegt.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (11) unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren (11) sind.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren (11) einwändige Kohlenstoffnanoröhren (11) sind.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Polymer PEDOT:PSS (21) ist.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Silberteilchen (30) zwischen 1 und 5 Mikrometer liegt.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberteilchen (30) Nanodrähte mit Durchmessern zwischen 5 und 100 nm und Längen zwischen 1 und 50 µm sind.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anteil der Silberteilchen (30) im Beschichtungsmittel (100) zwischen 1 und 10 Volumenprozent liegt, – der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren (11) im Beschichtungsmittel (100) zwischen 0,01 und 1 Volumenprozent liegt und – der Anteil des PEDOT:PSS (21) im Beschichtungsmittel (100) zwischen 0,01 und 1 Volumenprozent liegt.
Beschichtungsmittel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel (100) Wasser und Alkohol mit einem Anteilsverhältnis zwischen 10%/90% und 90%/10% aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei bei dem Verfahren zumindest ein Lösungsmittel mit Feststoffbestandteilen in Form von Kohlenstoffnanoröhren (11), leitfähigem Polymer und Silberteilchen (30) gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Vormischung (10) hergestellt wird, indem die Kohlenstoffnanoröhren (11) mit Wasser und Alkohol, vorzugsweise unter Ultraschalleinsatz, gemischt werden, – eine zweite Vormischung (20) hergestellt wird, indem als leitfähiges Polymer PEDOT:PSS (21) mit Wasser gemischt wird, und – die beiden Vormischungen (10, 20) unter Hinzugabe der Silberteilchen (30) miteinander unter Bildung des Beschichtungsmittels (100) gemischt werden.