DE102015012446A1

DE102015012446A1 - Verfahren zur Herstellung einer Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat aus einer Suspension, sowie Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102015012446A1
Application number: DE102015012446.3A
Authority: DE
Inventors: Alexey Yakushenko; Volker Schöps; Jan Hendrik Schnitker; Andreas Offenhäuser
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2017054792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung umfassend eine elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat aus einer Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel, mit den Schritten:
a) Wahl einer ersten Kohlenstoffverbindung A ausgewählt aus der Gruppe, Graphit, Graphitflocken oder Graphen, Graphenflocken;
b) Wahl von Ruß als zweite Kohlenstoffverbindung B;
c) Dispergieren der Kohlenstoffverbindungen A und B im Suspensionsmittel C;
d) Aufbringen der Kohlenstoffverbindungen A und B auf ein Substrat (1) aus der flüssigen Phase zur Anordnung einer elektrisch leitfähigen Schicht (2).
Eine entsprechende Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat ist offenbart.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat sowie auf eine Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat und dessen Verwendung.
Stand der Technik
Anordnungen aus elektrisch leitfähigen Schichten auf einem Substrat sind in Naturwissenschaft und Technik weit verbreitet. Beispielhaft seien Anwendungen in der Halbleiterindustrie oder in der Fotolithographie genannt.
Ein Verfahren zur Anordnung einer elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat sieht vor eine elektrisch leitfähige Tinte auf einem Substrat mit einem Tintenstrahldruckverfahren anzuordnen.
Aus DE 10 2012 021 222 ist bekannt, eine nanoporöse Schicht aus gut leitfähigem Material auf einem Substrat anzuordnen. Als Material genannt wird insbesondere Gold, Silber oder auch Kohlenstoff.
Graphit und Ruß wurden als Kohlenstoffverbindungen in Tinte bereits beschrieben. Insbesondere Ruß wird seit langem für die Herstellung von Tusche verwendet.
Als Graphit werden hexagonal oder rhomboedrisch kristalline, graue bis grauschwarze, undurchsichtige, metallisch glänzende, stabile Modifikationen des Kohlenstoffs bezeichnet, der außerdem als metastabiler kubisch kristalliner Diamant, als Karbin und Kohle auftritt.
Als Graphen bezeichnet man eine planare, hexagonale Anordnung von Kohlenstoff-Atomen, die in ihrer Struktur einer monomolekularen Schicht Graphit entspricht (Wabenstruktur). In den vergangenen Jahren ist Graphen zum Gegenstand vieler Forschungen geworden, insbesondere aufgrund seiner ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften.
Analog zum Graphit ist jedes Kohlenstoff-Atom im Graphen über eine Sigma-Bindung mit 3 Nachbaratomen kovalent verknüpft. Der C,C-Bindungsabstand beträgt 142 pm. Die Atome sind sp²-hybridisiert, die Sigma-Bindungen liegen in einer Ebene. Demnach besitzt Graphen eine planare Struktur. An jedem Atom verbleibt ein teilgefülltes p_z-Orbital. Diese p_z-Orbitale stehen orthogonal zur Bindungsebene und formen ein delokalisiertes Pi-Elektronensystem, welches maßgeblich die elektronischen Eigenschaften des Graphens bestimmt.
Es ist zwar möglich sogenannte Graphenflocken zu drucken. Nachteilig weist das gedruckte Graphen allerdings auf dem Substrat nach dem Drucken nicht mehr die entsprechende Leitfähigkeit auf. Die Darstellung des Graphen erfolgt durch mechanisches Spalten von sogenannten HOPG (engl. highly oriented pyrolytic graphite). Hierdurch lassen sich sogenannte Graphenflocken (engl. graphene flakes) erzeugen. Eine Beschränkung der Methode besteht darin, dass nicht nur monoatomare Graphenlagen entstehen.
Mit Hilfe epitaktischer Verfahren lassen sich gezielt monoatomare Graphen-Schichten auf Festkörperoberflächen wachsen. Hierzu eignen sich Übergangsmetalle, wie beispielsweise Nickel, Platin, Ruthenium oder auch Iridium. Auch damit lassen sich nachteilig keine großflächigen Schichten auf den genannten Substraten bilden.
Durch Heizen einer Siliziumcarbid-Oberfläche im Ultrahochvakuum kommt es bei Temperaturen zwischen 1300 und 1700 K zur Sublimation von Silizium-Atomen. Zurück bleibt eine kohlenstoffreiche Oberfläche, und bei geeigneten Parametern bildet sich eine Graphen-Struktur. Bei weiterem Heizen werden ebenso Graphen-Multilagen gebildet. Die Schichtdicke wird maßgeblich durch die Temperatur und die Heizdauer bestimmt.
Nachteilig sind alle genannten Verfahren zur Darstellung von Graphen technologisch aufwändig, und die Bildung großflächig leitender Strukturen durch Abriss an den Korngrenzen bisher nicht möglich.
Es existiert somit bisher nachteilig kein Verfahren, mit dem sich Graphen als Grundstoff einer großen, elektrisch hoch leitfähigen Schicht auf einem Substrat, z. B. in übergeordneten Sensoranordnungen, wie z. B. in Dehnungssensoren, nutzen ließe.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung aus einer elektrisch hoch leitfähigen Schicht auf einem Substrat aus einer Suspension anzugeben, dass auf Kohlenstoffverbindungen wie Ruß oder Graphit bzw. Graphen basiert. Eine Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat und dessen Verwendung sind weitere Aufgaben der Erfindung.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren nach dem Patentanspruch 1 und der Anordnung und der Verwendung gemäß der beiden Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat wird aus einer Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel heraus durchgeführt. Hierzu werden die nachfolgenden Schritte ausgeführt.

a) Wahl einer ersten Kohlenstoffverbindung A ausgewählt aus der Gruppe, Graphit, Graphitflocken oder Graphen, Graphenflocken; es sind Mischungen möglich.
b) Wahl von Ruß als zweiter Kohlenstoffverbindung B; insbesondere Industrieruß kann ausgewählt werden.

Die Reihenfolge von Schritt a) und b) ist nicht erheblich.

c) Dispergieren der Kohlenstoffverbindungen A und B im Suspensionsmittel C; das Dispergieren der Kohlenstoffverbindungen kann gleichzeitig erfolgen.
d) Aufbringen der Kohlenstoffverbindungen A und B auf das Substrat aus der flüssigen Phase heraus.

Vorteilhaft wird dadurch eine hochleitfähige Schicht auf einem Substrat angeordnet, die eine deutlich erhöhte Leitfähigkeit gegenüber einer Schicht aus nur einer der genannten Kohlenstoffverbindungen A oder B auf dem Substrat aufweist.
Es wurde erkannt, dass eine Mischung aus Kohlenstoffverbindung A und B, wie genannt, die Leitfähigkeit der Schicht auf einem Substrat massiv erhöht. Es wurde erkannt, dass gegenüber einer Referenzschicht aus Ruß allein die Leitfähigkeit z. B. mindestens 10-fach und gegenüber einer Referenzschicht aus Graphit allein die Leitfähigkeit z. B. mindestens 70-fach auf dem Substrat erhöht werden kann.
Es wurde außerdem erkannt, dass die Rußaggregate bzw. die Rußpartikel an sich bereits leitfähig sind und somit eine elektrische Brücke zwischen den nebeneinander liegenden Graphen- oder Graphit-Flocken und/oder -Aggregaten ausbilden. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Wiederstand deutlich reduziert und die elektrische Leitfähigkeit der Schicht entsprechend erhöht werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wurde zudem erkannt, dass gedrucktes Graphen deshalb weit von den Leitfähigkeitseigenschaften einlagiger Graphenschichten abweicht, da es durch eine nicht einlagige Anordnung und Abriss an den Korngrenzen an Leitfähigkeit verliert.
Es wurde fest gestellt, dass die Leitfähigkeit von hybriden Schichten aus Kohlenstoffverbindungen A und B, insbesondere aus hybriden Kohlenstoffruß-Graphit-Schichten oder hybriden Kohlenstoffruß-Graphen-Schichten und deren Flocken bzw. Aggregaten, 10 bis 20-fach höher ist als die Leitfähigkeit von einer Referenzschicht bestehend aus Ruß alleine und sogar etwa 50 bis 200-fach höher ist als die von einer Referenzschicht bestehend aus Graphit alleine.
Als Schritt e) kann optional Sintern des Substrats mit der elektrisch leitfähigen Schicht erfolgen. Dies dient vorteilhaft dem vollständigen Entfernen des Suspensionsmittels C und dem Austreiben der übrigen, optional vorhandenen Bestandteile, wie z. B. Binder.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Leitfähigkeit der gesinterten Schicht mit einer Referenzschicht aus nur einer der Kohlenstoffverbindungen A oder B verglichen, bei der das Substrat und im Übrigen die Abmessungen der elektrisch leitfähigen Schicht identisch sind.
Es ist notwendig eine bestimmte Größe der elektrisch leitfähigen Schicht auf dem Substrat anzuordnen, z. B. mindestens 100 μm² bis zu einer Größe von 1 m² oder mehr.
Die elektrisch leitfähige Schicht soll nicht aus einer Monolage bestehen. Sie weist vorteilhaft eine Dicke von vorzugsweise 50 nm bis z. B. 10 μm auf, und insbesondere von 50 nm bis 2 μm auf, besonders vorteilhaft etwa 300 nm, 350 nm, 400 nm, 450 nm, 500 nm, 550 nm, oder 600 nm auf, wobei jeder Zwischenwert angenommen werden kann.
Es versteht sich, dass durch die Auswahl und das Weiterverwenden derjenigen Anordnungen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Schicht gegenüber einer Referenzschicht deutlich erhöht ist, insbesondere 10 bis 200-fach erhöht ist, verbesserte Anordnungen aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat erzielt werden können.
Im Nachgang zum Verfahren werden somit diejenigen Schichten, bei denen die elektrische Leitfähigkeit gegenüber der Referenzschicht(en) erhöht ist, insbesondere 10 bis 200-fach erhöht ist, weiter verwendet.
Es wurde erkannt, dass die zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in Bezug auf die Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Schicht somit einen deutlichen synergetischen Effekt erzielen.
Das Wirkprinzip ist dabei unabhängig davon, in welchen Massenanteilen bzw. Massenverhältnissen die Kohlenstoffverbindungen A und B im Suspensionsmittel C dispergiert sind, immer dasselbe. Die Massenverhältnisse schlagen unmittelbar auf die Höhe der Leitfähigkeit durch und sind frei variierbar.
In einer erfindungsgemäßen Suspension, z. B. einer Tinte, wird der Kohlenstoffruß B als elektrische Brücke zwischen den frei geordneten Kohlenstoffverbindungen A, wie Graphitflocken A oder auch Graphenflocken A bzw. deren Aggregaten genutzt. Kohlenstoffruß B ist in der Regel ein Pulver aus Aggregaten von Kohlenstoffnanopartikeln, deren Primärgröße 10–30 nm betragen kann, während die Größe der Aggregate normalerweise zwischen 100–500 nm beträgt. Aggregate aus Kohlenstoffruß lassen sich in Lösung dispergieren und abhängig von dem Herstellungsverfahren können sie auch eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wenn sie z. B. mit Graphit-Flocken A gemischt, dispergiert und auf ein Substrat aus der flüssigen Phase heraus angeordnet werden, ordnen sich die Kohlenstoffnanopartikel oder -Aggregate B so in den Lücken zwischen den Graphit-Flocken A an, dass sie diese auffüllen. Dies bewirkt vorteilhaft den deutlichen synergetischen Effekt durch Ausbildung elektrischer Brücken.
Somit sind Gegenstand der Erfindung auch Kohlenstoffbasierte leitfähige Suspensionen, wie Tinten, Lacke oder Pasten, umfassend die beiden Kohlenstoffverbindungen A und B zur Herstellung einer Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat. Dadurch werden die Vorteile von zwei oder mehreren Kohlenstoffmaterialien für die verbesserte Leitfähigkeit genutzt. Auch hierdurch wird die Aufgabe der Erfindung bereits gelöst.
Die Nachteile von leitenden Kohlenstoffbasierten Tinten, Lacken und Pasten aus dem Stand der Technik, wie eine nicht ausreichende Leitfähigkeit auf Grund der Korngrenzen zwischen den einzelnen Partikeln wie Kohlenstoffruß oder Flocken aus Graphit bzw. Graphen werden auf diese Weise eliminiert.
Außerdem werden im Stand der Technik häufig giftige Lösungsmittel wie z. B. N-Methyl-2-pyrrolidon, NMP) für reine Graphit bzw. Graphen-basierte Tinten verwendet. Mit der erfindungsgemäßen Suspension wird auch dieser Nachteil vermieden.
Die Aufgabe der Erfindung wird also insbesondere auch gelöst mittels einer elektrisch leitenden Suspension, wie z. B. einer Tinte, eines Lacks oder einer Paste mit den beiden Kohlenstoffverbindungen A und B im Suspensionsmittel C.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass elektrisch leitfähige Schichten aus einer Lösung, Suspension, einer Tinte, Paste oder einem Lack heraus auf dem Substrat angeordnet werden können z. B. im Rahmen eines Druckverfahrens. Dabei kann insbesondere ein Tintenstrahldruckverfahren mit leitfähiger Tinte enthaltend Kohlenstoffverbindungen A und B angewendet werden.
Hierfür wird z. B. eine Lösung oder eine Suspension umfassend beide Kohlenstoffverbindungen verwendet. In der Lösung ist die Kohlenstoffverbindung A normalerweise als Flocken oder in Form von Aggregaten dispergiert. Die Flocken aus Kohlenstoffverbindung A sind in der Regel einige hundert Nanometer bis einige hundert Mikrometer groß. Wenn sie aus einer Lösung oder einer Suspension heraus auf dem Substrat angeordnet werden, formen sie normalerweise keine geordnete Monoschicht, sondern eine Matrix von frei orientierten Flocken. Durch die freie Orientierung werden Lücken in der Schicht gebildet, wodurch das π-π stacking zwischen den Flocken nicht mehr kontinuierlich ausgebildet sondern signifikant geschwächt wird. Dies führt zu einer insgesamt niedrigeren Leitfähigkeit als in einer homogenen Schicht und bildet den Grund dafür, dass Graphen-Schichten nur in einer geringen Größe auf Substraten gebildet werden können. Dem wirkt die vorliegende Erfindung unter Verwendung von Kohlenstoffverbindung B, dem Ruß, entgegen.
Eine erfindungsgemäße Suspension und insbesondere eine erfindungsgemäße Tinte kann somit immer dann verwendet werden, wenn gedruckte leitfähige Materialien aus Kohlenstoffverbindung A und B benötigt werden. Unter anderem kann diese für gedruckte elektrochemische Sensoren, gedruckte Dehnungssensoren und antistatische Beschichtungen benutzt werden.
Bei einem Dehnungssensor aus erfindungsgemäßen Suspensionen soll die Leitfähigkeit der Schicht wegen π-π stacking bei Dehnung zunächst ansteigen und mit zunehmender Dehnung absinken.
Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass in Schritt b) Industrieruß gewählt wird. Industrieruß liegt vorteilhaft in definierter Form vor und ist gut erhältlich.
In Schritt c) kann als Suspensionsmittel C z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet werden.
Die beiden Kohlenstoffverbindungen A und B werden in Schritt c) zum Dispergieren vorteilhaft einem Ultraschallverfahren unterzogen. Hierdurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Kohlenstoffverbindungen sehr gut im Suspensionsmittel C dispergiert werden.
Die Kohlenstoffverbindungen A und/oder B können aber auch vor dem Schritt c) in einer Kugelmühle gemahlen werden. Auch hierdurch werden die beiden Kohlenstoffverbindungen bereits gut miteinander in Kontakt gebracht.
Als Substrat kann z. B. Polydimethylsiloxan in Schritt d) ausgewählt werden. Das Substrat ist flexibel, gut handhabbar und insbesondere in der Anwendung für Dehnungssensoren nutzbar, da es dehnbar ist.
In Schritt d) wird besonders ein Tintenstrahldruckverfahren angewendet. Hierdurch kann besonders schnell und standardisiert eine Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat gebildet werden.
Es können aber auch Sprühverfahren, Gießverfahren oder Stempelverfahren angewendet werden, um die Kohlenstoffverbindungen A und B aus der flüssigen Phase heraus auf dem Substrat anzuordnen.
Vorzugsweise werden Massenanteile an Kohlenstoffverbindung A und B von 0,1 bis 80% ausgewählt und im Suspensionsmittel C dispergiert, wobei das Verhältnis an A:B frei variierbar ist.
Die beiden Kohlenstoffverbindungen A und/oder B können z. B. einen Massenanteil von jeweils 0,1 bis 40% im Suspensionsmittel C aufweisen.
Je nachdem wie hoch die Massenanteile an leitfähigen Kohlenstoffverbindungen A und/oder B, also an Ruß, Grafit, Grafitflocken, Graphen, Graphenflocken in dem Suspensionsmittel C sind, wird entweder eine Tinte, das heißt eine Suspension, die mit einem Tintenstrahldrucker auf dem Substrat angeordnet werden kann, oder aber ein Lack oder aber eine Paste hergestellt. Letztgenannte Form weist dabei den höchsten Feststoffanteil im Suspensionsmittel auf.
Der Massenanteil des Suspensionsmittels C kann 10 bis 95% betragen.
Im Übrigen ist es denkbar, dass dem Suspensionsmittel C weitere Bestandteile, wie Dispergierungsmittel, Humectant und/oder Binder oder weitere Bestandteile hinzugefügt werden um die Stabilität und/oder Druckeigenschaften der Suspension zu verbessern.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann nach Schritt c) aber vor Schritt d) eine Filtration zur Entfernung gröberer Bestandteile erfolgen, so dass eine besonders gleichmäßige Verteilung der Verbindungen A und B im Suspensionsmittel C vorliegt.
Eine erfindungsgemäße Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel C, weist somit als Kohlenstoffverbindung A mindestens Graphit oder Graphen in Form von Flocken oder Aggregaten auf und Ruß als Kohlenstoffverbindung B. Eine derartige Suspension wird insbesondere in Form von Tinte bereit gestellt und vorteilhaft zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat verwendet.
Die Verwendung einer Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel C, wobei die Kohlenstoffverbindung A für Graphit, Graphitflocken oder Graphen, Graphenflocken und die Kohlenstoffverbindung B für Ruß steht, zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat, insbesondere für einen Dehnungssensor ist somit ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Suspension weist in einer Ausgestaltung der Erfindung einen Massenanteil von 0,1 bis 80% für die beiden Kohlenstoffverbindungen A und/oder B zusammen im Suspensionsmittel C auf wobei das Massenverhältnis von A:B frei variieren kann. Die Suspension weist einen Massenanteil von 10 bis 95% für das Suspensionsmittel C auf.
Ferner kann die Suspension ein Dispergierungsmittel und/oder Humectant und/oder Binder im Suspensionsmittel C enthalten.
Die Mischung von Kohlenstoffruß und Graphit ist daher insbesondere für die Vorbereitung einer leitenden Tinte hochrelevant. Die Tinte umfasst eine Mischung aus Kohlenstoffruß B und Graphit A oder Graphen A oder deren Flocken, sowie andere Zusatzstoffe wie z. B. Lösungsmittel, Humectant, Dispersionsmittel, Base oder Säure für die Justierung des pH-Werts, und gegebenenfalls Binder für die mechanische Stabilität und Adhäsion auf dem Substrat.
Die Verwendung der Tinte ist auch für die Herstellung eines Dehnungssensors geeignet. Insbesondere ist die Verwendung der Suspension zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht für einen Dehnungssensor relevant. Ein Dehnungssensor der vorgenannten Art mit erfindungsgemäßer Anordnung aus Substrat und elektrisch leitfähiger Schicht weist spezifische Merkmale auf. Bei diesen Dehnungssensoren steigt während der Dehnung die Leitfähigkeit zunächst an und sinkt sodann bei weiterer Dehnung wieder ab.
Ausführungsbeispiele
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figur näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll.
Es zeigen:
1: Gedruckte elektrisch leitfähige Schicht 2 auf einem Substrat 1.
1 zeigt schematisch eine Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht 2 auf einem Substrat 1. Gezeigt ist insbesondere das Prinzip, das sich aus der Verwendung der Rußpartikel B zwischen den Graphitflocken A ergibt. Die Rußpartikel liegen als einzelne Partikel B1 und in Form größerer Aggregate B2 vor. Sie überbrücken elektrisch die Graphitflocken A. Hierdurch ist die Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Schicht gegenüber einer Referenzschicht aus nur Graphitflocken A oder nur Rußpartikel B auf einem Substrat synergetisch erhöht.
Graphitflocken A werden mit Rußpartikeln B zur Vorbereitung einer hybriden Kohlenstoffruß-Graphit-Tinte als Inkjet-Tinte im Suspensionsmittel C dispergiert.
Für 20 ml der Tinte bzw. Dispersion A werden benötigt:

1. 20 ml Lösungsmittelmischung aus Wasser und Ethylenglykol im Verhältnis von 1:1.
2. 1,5 ml Dispergierungsmittel Triton X-100 (Tensid).
3. 0,5 g Kohlenstoffruß PL6 (Orion Carbons) als Kohlenstoffverbindung B.
4. 0,5 g Graphit-Flocken GNP, grade 4 (Cheap Tubes).

Alle Komponenten werden in einem Kugelmühlengefäß gemischt und 10 Minuten lang bei 1100 Umdrehungen mit 1 mm Kugeln dispergiert. Die dispergierte Mischung wird sodann durch einen 1,2 μm Filter filtriert.
Zum Vergleich werden zwei weitere Dispersionen vorbereitet, wobei in einer Dispersion in Ziffer 4 anstelle von Graphit-Flocken weitere 0,5 g Kohlenstoffruß verwendet wird (Tinte bzw. Dispersion B) und in einer zweiten Referenz in Ziffer 3 anstelle von Kohlenstoffruß weitere 0,5 g Graphit-Flocken (Tinte bzw. Dispersion C) verwendet wird.
Zur Überprüfung der Leitfähigkeit werden die drei Tinten auf Glas als Substrat gedruckt. Hierzu wird ein Tintenstrahldrucker UniJet Omnijet 300 verwendet und die Tinten jeweils 10 μm dick auf das Glas gedruckt. Die bedruckte Fläche betrug jeweils 5 × 25 mm².
Anschließend wird die Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf dem Substrat bei 150°C für 30 Minuten gesintert und sodann der Widerstand der Schichten aus den Dispersionen A–C gemessen.
Ergebnis: Der gemessene Widerstand der Schicht aus Dispersion A ist 0,2 kΩ, das heißt 10 mal niedriger als der Widerstand der Schicht aus Dispersion B (2 kΩ) und sogar 70 mal niedriger als der Widerstand der Schicht aus Dispersion C (14 kΩ).
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Aufbaus für einen Dehnungssensor genauer beschrieben.
Das Drucken und die Funktionalitätsüberprüfung des Dehnungssensors basiert auf einer Tinte A wie oben beschrieben, das heißt mit einer Mischung aus Karbonruß B und Graphitflocken A, wie genannt.
Die elektrisch leitfähige Schicht 2 wird dabei auf ein PDMS-Substrat 1 gedruckt. Die elektrisch leitfähige Schicht 2 ist dabei die Kraft empfindliche Schicht des Dehnungssensors. Die Schicht wird mit einem Tintenstrahldrucker UniJet Omnijet 300 gedruckt, welcher in seinem Druckkopf mit einer 10 pl Kartusche der oben genannten Tinte A ausgestattet ist.
Die elektrisch leitfähige Schicht 2 des Dehnungssensors wird auf das Substrat 2 gedruckt. Das Substrat 2, hier Polydimethylsiloxan (kurz: PDMS) wird genutzt, da es als Substrat für den Sensor flexibel und mechanisch dehnbar ist. Die Funktionalität des Dehnungssensors wird im Anschluss überprüft.
Im ersten Schritt wird ein 1 mm breiter und 5 mm langer Streifen der elektrisch leitfähigen Schicht 2 auf dem PDMS-Substrat 1 gedruckt. Die Ränder des Streifens werden sodann elektrisch z. B. mit Krokodilklemmen kontaktiert und der elektrische Widerstand entsprechend mit einem Multimeter gemessen. Bei der Dehnung des Sensors manuell oder mit einem Dehnungsgerät, wird der Widerstand gegen Prozent der Dehnung gemessen. Durch die Widerstandskurve kann man einen bestimmten Widerstand des Dehnungssensors mit einem prozentuellen Dehnungsstand korrelieren.
Dabei weist der Dehnungssensor bei der Dehnung zuerst eine Erhöhung der Leitfähigkeit auf, da bei einer geringen Dehnung sich die Graphit-Flocken A näher zu einander anordnen und das π-π stacking zwischen den Flocken A über die Rußpartikel B weiter erhöht wird, was unmittelbar zu einer weiteren Erhöhung der Leitfähigkeit der Gesamtschicht führt. Bei weiterer Dehnung werden die Flocken langsam auseinander gezogen und die Leitfähigkeit sinkt.
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

DE 102012021222 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Anordnung umfassend eine elektrisch leitfähigen Schicht auf einem Substrat aus einer Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel, mit den Schritten: a) Wahl einer ersten Kohlenstoffverbindung A ausgewählt aus der Gruppe, Graphit, Graphitflocken oder Graphen, Graphenflocken; b) Wahl von Ruß als zweite Kohlenstoffverbindung B; c) Dispergieren der Kohlenstoffverbindungen A und B im Suspensionsmittel C; d) Aufbringen der Kohlenstoffverbindungen A und B auf ein Substrat (1) aus der flüssigen Phase zur Anordnung einer elektrisch leitfähigen Schicht (2).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Sintern der Anordnung als Schritt e).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Messen und Vergleichen der Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Schicht mit einer Referenzschicht aus nur einer der Kohlenstoffverbindungen A oder B.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Auswahl und Weiterverwenden derjenigen Anordnungen, bei denen die elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Schicht (2) gegenüber einer Referenzschicht erhöht ist, insbesondere 10-fach bis 200-fach erhöht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) Industrieruß gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) als Suspensionsmittel C ein Wasser-Glykol-Gemisch gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zum Dispergieren ein Ultraschallverfahren angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffverbindungen A und/oder B vor oder nach Schritt c) in einer Kugelmühle gemahlen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wahl von Polydimethylsiloxan als Substrat (1) in Schritt d).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) ein Tintenstrahldruckverfahren, ein Sprühverfahren, ein Gießverfahren oder ein Stempelverfahren angewendet wird, um die Kohlenstoffverbindungen A und B aus der flüssigen Phase auf dem Substrat (1) anzuordnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wahl eines Massenanteils an Kohlenstoffverbindung A und B von 0,1 bis 80% in der Suspension.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wahl eines Massenanteils an Suspensionsmittel C von 10 bis 95%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Suspensionsmittel C weitere Bestandteile, wie Dispergierungsmittel, Humectant und/oder Binder hinzugefügt werden.
Suspension, enthaltend mindestens zwei Kohlenstoffverbindungen A und B in einem Suspensionsmittel C, wobei – Kohlenstoffverbindung A für Graphit, Graphitflocken oder Graphen, Graphenflocken und – Kohlenstoffverbindung B für Ruß steht, zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht (2) auf einem Substrat (1).
Suspension nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Massenanteil von 0,1 bis 80% für Kohlenstoffverbindung A und B im Suspensionsmittel C und/oder einem Massenanteil von 10 bis 95% für das Suspensionsmittel C.
Suspension nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch ein Dispergierungsmittel und/oder Humectant und/oder Binder im Suspensionsmittel C.
Suspension nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Tinte, ein Lack oder eine Paste ist.
Anordnung aus elektrisch leitfähiger Schicht auf einem Substrat, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (2) zwei Kohlenstoffverbindungen A und B umfasst, wobei Kohlenstoffverbindung A ausgewählt ist aus Graphit, Graphitflocken, Graphen, Graphenflocken und Kohlenstoffverbindung B ausgewählt ist aus Ruß.
Anordnung nach vorherigem Anspruch, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 19, zur Herstellung eines Dehnungssensors.