DE102015115748A1

DE102015115748A1 - Process for the production of integrated circuits on or in concrete

Info

Publication number: DE102015115748A1
Application number: DE102015115748.9A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Klooster; Jan Iwanowicz; Jan Juraschek
Original assignee: Kennwert Rd GmbH
Current assignee: Kennwert Rd GmbH
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-23
Also published as: DE112016004252B4; DE112016004252A5; WO2017046308A3; WO2017046308A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines topografischen Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche unter Verwendung von metallisierten Verbundplatten als Schalungselementen durch Aufbringen einer Negativform des Profils auf die Schalungsoberfläche.The invention relates to a method for forming a topographic height profile with a profile depth in the micrometer range on a concrete surface using metallized composite panels as formwork elements by applying a negative mold of the profile on the formwork surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines topografischen Höhenprofils auf einer Betonoberfläche. Sie bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen und isolierenden Schichten und insbesondere von Leiterbahnen auf einer Betonoberfläche.The invention relates to a method for forming a topographical height profile on a concrete surface. It also relates to a process for the production of conductive and insulating layers and in particular of printed conductors on a concrete surface.

Aus der Betontechnologie sind zahlreiche Verfahren bekannt, die Oberfläche eines Betonbauteils zu strukturieren, ihr also ein topografisches Höhenprofil zu verleihen. Dazu werden beispielsweise entsprechend vorbereitete Schalungselemente eingesetzt, die eine Negativform des geplanten Höhenprofils aufweisen. Nach dem gleichen Prinzip lassen sich Schalungen mit Matrizen ausstatten, womit die ursprünglich ebenen Schalungsoberflächen ein negatives Höhenprofil erhalten.Numerous methods are known from concrete technology for structuring the surface of a concrete component, thus giving it a topographical height profile. For this purpose, for example, appropriately prepared formwork elements are used, which have a negative shape of the planned height profile. Formwork can be equipped with dies according to the same principle, whereby the originally flat formwork surfaces receive a negative height profile.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Höhenprofil mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich erzielt werden kann.The object of the invention is to provide a method by which a height profile with a profile depth in the micrometer range can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ausbildung eines hochgenauen topografischen Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche durch Verwendung von metallisierten Verbundplatten oder Hart-PVC-Platten als Schalungselemente und durch Aufbringen einer Negativform des Profils auf die Schalungsoberfläche gelöst. Bereits die Herstellung eines Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche stellt eine besondere Herausforderung dar. Dazu eignen sich besonders hochdichte Betone wie UHPC, die v.a. in Verbindung mit glatten Schalhäuten eine feinporige bis porenfreie und dichtgelagerte Oberfläche ermöglichen. Der Einsatz von metallisierten Verbundplatten als Schalungselemente ermöglicht den Verzicht auf Schalöl, der anderenfalls durch Ölrückstände auf der zukünftigen Betonoberfläche deren weitere Bearbeitung behindern könnte. Die Verbundplatten lassen sich außerdem biegen und behalten nach dem Umformprozess die ihnen aufgezwungene Form bei, so dass sie sich auch für die Herstellung dünnwandiger, dreidimensional geformter Betonelemente eignen. Das topografische Höhenprofil setzt sich aus einzelnen Abschnitten unterschiedlicher Profiltiefe zusammen, wobei Abschnitte gleicher Profiltiefe der Einfachheit halber als Profil bezeichnet werden. Das topografische Höhenprofil setzt sich demnach aus unterschiedlichen Profilen zusammen. Erfindungsgemäß werden die unterschiedlichen Profile durch Aufbringen jeweils einer Negativform des Profils auf die Schalungsoberfläche erzielt. Erfindungsgemäß wird also nicht das vollständige Höhenprofil in einer einzigen Negativform abgebildet und vollflächig auf einem Schalungselement aufgebracht. Vielmehr wird es aus quasi einzelnen Negativformen für jedes Profil zusammengesetzt und insofern teilflächig auf einem Schalungselement aufgebracht, wobei nebeneinanderliegende Profile unterschiedlicher Tiefe auch durch eine einstückige Negativform erstellt werden können, indem eine Negativform in der Dicke des weniger tiefen Profils für zwei nebeneinanderliegende Profile aufgebracht wird und anschließend eine weitere Negativform teilflächig auf der ersten aufgebracht wird zur Ausbildung der Profiltiefe des zweiten Profils.This object is achieved by a method for forming a high-precision topographic height profile with a tread depth in the micrometer range on a concrete surface by using metallized composite panels or rigid PVC panels as formwork elements and by applying a negative mold of the profile on the formwork surface. Already the production of a height profile with a profile depth in the micrometer range on a concrete surface presents a special challenge. For this purpose particularly high-density concretes like UHPC, the v.a. in conjunction with smooth formwork skins enable a fine-pored to pore-free and tightly mounted surface. The use of metallized composite panels as formwork elements makes it possible to dispense with formwork oil, which could otherwise hinder their further processing by residual oil on the future concrete surface. The composite panels can also be bent and retain the shape imposed upon them after the forming process so that they are also suitable for the production of thin-walled, three-dimensionally shaped concrete elements. The topographical height profile is composed of individual sections of different tread depth, wherein sections of the same tread depth for the sake of simplicity are referred to as a profile. The topographic elevation profile is therefore composed of different profiles. According to the invention, the different profiles are achieved by applying a respective negative mold of the profile on the formwork surface. According to the invention, therefore, not the complete height profile is imaged in a single negative mold and applied over its entire surface on a formwork element. Rather, it is composed of quasi individual negative molds for each profile and insofar partially applied on a formwork element, adjacent profiles of different depth can also be created by a one-piece negative mold by a negative mold is applied in the thickness of the less deep profile for two adjacent profiles and Subsequently, another negative mold is applied over part of the surface on the first to form the tread depth of the second profile.

Nach einer ersten Variante kann die Negativform eines Profils durch Aufbringen einer Folie auf die Schalung erzeugt werden. Entsprechend der Profiltiefe im Mikrometerbereich weisen die verwendeten Folien eine Stärke gleicher Dicke, also im Bereich weniger Mikrometer auf. Derartige Folien sind als Kaschierfolien bekannt und können selbstklebend oder adhäsiv ausgebildet sein. Ihre Verwendung ermöglicht die hochgenaue Herstellung einer vollkommen gleichmäßigen Profiltiefe mit einem verhältnismäßig geringen technischen Aufwand.According to a first variant, the negative shape of a profile can be produced by applying a film to the formwork. Depending on the profile depth in the micrometer range, the films used have a thickness of the same thickness, ie in the range of a few micrometers. Such films are known as Kaschierfolien and may be self-adhesive or adhesive. Their use enables the highly accurate production of a perfectly uniform tread depth with a relatively low technical effort.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung kann die Negativform durch Aufsprühen oder Aufdrucken von Schichten aus Farben, Lacken oder Sprühfolie auf die Schalung als Negativform erzeugt werden, die eine ausreichend dichte Oberfläche bilden. Sowohl das Drucken als auch das Sprühen als Beschichtungsprozess wird technisch gut beherrscht und lässt daher eine hochgenaue Ausbildung von Schichten unterschiedlicher Dicke auch im Mikrometerbereich zu, die auch hinsichtlich ihrer Umrissform sehr exakt definiert werden können. CNC-Beschichtungsverfahren ermöglichen heute den Schichtauftrag einzelner auch hochfeiner Schichten selbst auf gekrümmten Oberflächen.According to a second variant of the invention, the negative mold can be produced by spraying or printing layers of paints, lacquers or spray film on the formwork as a negative mold, which form a sufficiently dense surface. Both the printing and the spraying as a coating process is technically well controlled and therefore allows a highly accurate formation of layers of different thickness in the micrometer range, which can also be defined very accurately in terms of their outline shape. Today, CNC coating processes enable the coating of individual, even very fine layers, even on curved surfaces.

Erfindungsgemäß können die Profiltiefen eines einzelnen Profils und damit die Dicke einer Folie bzw. einer Schicht ca. 100 µm, 80 µm, vorzugsweise nur 60, 50 oder 40 µm und besonders bevorzugt 30, 20 oder 10 µm umfassen.According to the invention, the profile depths of a single profile and thus the thickness of a film or a layer may comprise approximately 100 μm, 80 μm, preferably only 60, 50 or 40 μm and particularly preferably 30, 20 or 10 μm.

Das oben genannte Verfahren kann die Grundlage eines Verfahrens zur Herstellung von bündigen Schichten mit einer Mächtigkeit im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche dienen, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Erstellen eines Betonbauteils mit einer Oberfläche mit einem topografischen Höhenprofil mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich nach einer der oben beschriebenen Varianten,
b) Auftragen jeweils einer Schicht bzw. Beschichtung in jeweils ein Profil bestimmter Tiefe.

The above method may serve as the basis of a method for making flush layers having a thickness in the micrometer range on a concrete surface comprising the following steps:

a) constructing a concrete component having a surface with a topographical height profile with a profile depth in the micrometer range according to one of the variants described above,
b) applying one layer or coating in each case a profile of a certain depth.

Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass die separat aufgebrachten Schichten nach Abschluss des Verfahrens bündig bzw. ebenengleich mit der Betonoberfläche abschließen. Entsprechend der Möglichkeit, eine Höhenprofilierung mit unterschiedlichen Profiltiefen zu erzeugen, können mehrere Schichten übereinander gelegt werden. Dabei kann es sich sowohl um leitfähige als auch um nicht leitfähige bzw. isolierende Schichten handeln. In einer einfachen Form kann durch Ausbildung eines einzelnen Profils, das mit einer leitfähigen Schicht gefüllt wird, eine in einer Betonoberfläche bündig eingelassene hochfeine Leiterbahn hergestellt werden.The peculiarity of the method is that the separately applied layers finish flush with the concrete surface after completion of the process. According to the possibility to produce a height profiling with different tread depths, several layers can be superimposed. These may be both conductive and non-conductive or insulating layers. In a simple form can be prepared by forming a single profile, which is filled with a conductive layer, a flush in a concrete surface highly fine conductor track.

In einer vorteilhaften Variante kann beim Erstellen des Betonbauteils bereits für den elektrischen Anschluss der leitfähigen Schicht(en) gesorgt werden, indem leitfähige Kontakte einbetoniert werden, und die leitfähige Schicht durch ihr Einbringen an den Kontakten elektrisch leitend angeschlossen wird. Die Kontakte können in der Form von Stiften weitgehend orthogonal an der profilierten Oberfläche münden und über sie überstehen. Sie können dazu dienen, mit einer externen Verkabelung verbunden zu werden, an der sie beispielsweise angeklemmt oder angelötet werden. Alternativ können sie mit Leiterbahnen elektrisch in Kontakt stehen, die im Betonbauteil eingelassen sind. Alternativ zu abstehenden Kontaktstiften oder Pins können magnetische Kontakte bündig mit dem entsprechenden Profil einbetoniert sein und eine Kontaktierung per Magnetkraft erlauben. Mit der Anordnung der Kontakte in einem Profil lässt sich mit dem Einbringen einer leitfähigen Schicht in das Profil bereits ein elektrischer Anschluss der leitfähigen Schicht an den Kontakt herstellen. Damit lässt sich ein elektrischer Anschluss der leitfähigen Schicht außerhalb ihrer Erstreckungsebene herstellen.In an advantageous variant, the electrical connection of the conductive layer (s) can already be provided when constructing the concrete component by concreting conductive contacts, and the conductive layer is electrically conductively connected by its introduction to the contacts. The contacts may be substantially orthogonal to the profiled surface in the form of pins and overhanging them. They can serve to be connected to an external wiring, to which they are clamped or soldered, for example. Alternatively, they may be in electrical contact with tracks embedded in the concrete structure. As an alternative to protruding pins or pins, magnetic contacts can be embedded in concrete flush with the corresponding profile and allow contacting by magnetic force. With the arrangement of the contacts in a profile can be made with the introduction of a conductive layer in the profile already an electrical connection of the conductive layer to the contact. This makes it possible to produce an electrical connection of the conductive layer outside its plane of extent.

Eine aufwändigere Variante der Erfindung kann durch die Ausbildung eines gestuften Höhenprofils mit Profilen unterschiedlicher Profiltiefe und der Zuordnung von Kontakten zumindest zu einer Anzahl von unterschiedlichen Profilen gekennzeichnet sein. So lässt sich beispielsweise ein Höhenprofil bei Profilen unterschiedlicher Tiefe herstellen, wobei dem tiefsten Profil ein erster Kontakt und dem am wenigsten tiefen Profil ein zweiter Kontakt zugeordnet ist. Nun kann durch Einbringen einer ersten leitfähigen Schicht in das tiefste Profil ein erster Leiter ausgebildet werden, der durch Einbringen einer nichtleitenden bzw. isolierenden Schicht in das zweite Profil mittlerer Profiltiefe von einer leitfähigen Schicht im Profil mit der geringsten Profiltiefe elektrisch getrennt ist. In dieser Anordnung können also zwei leitfähige Schichten übereinander, aber oberflächennah in einem Betonbauteil ausgebildet werden, beispielsweise als Kreuzung von Leiterbahnen.A more complex variant of the invention may be characterized by the formation of a stepped height profile with profiles of different tread depth and the assignment of contacts at least to a number of different profiles. Thus, for example, an elevation profile can be produced for profiles of different depths, with a first contact being assigned to the deepest profile and a second contact to the least deep profile. Now, by introducing a first conductive layer into the deepest profile, a first conductor can be formed, which is electrically separated from a conductive layer in profile with the smallest profile depth by introducing a non-conductive or insulating layer into the second profile of medium profile depth. In this arrangement, therefore, two conductive layers can be formed one above the other but close to the surface in a concrete component, for example as an intersection of conductor tracks.

Eine mögliche Anwendung der oben beschriebenen Verfahren wird anhand der kurz erläutert: Zur Herstellung einer Farbstoffsolarzelle auf Beton wird auf einer Oberfläche eines Betonbauteils aus UHPC ein quadratisches topografische Höhenprofil im Mikrometerbereich aufgebracht. Die Profilierung bietet drei Profiltiefen, wobei das tiefste Profil zentral als Quadrat ausgebildet ist, das rahmenartig und konzentrisch von den beiden weiteren Profilen umschlossen wird. In dem tiefsten großflächigen Profil wird eine Graphit- und Titandioxidschicht eingebracht. Über zwei laschenartige Profilfortsätze an gegenüberliegenden Seiten des quadratischen Profils reicht die dort einzubringende Schicht an zwei Kontaktstifte heran, so dass die am tiefsten liegende Graphit- und Titandioxidschicht elektronisch kontaktiert werden kann, auch wenn weitere Schichten auf ihr aufgebracht werden und sie überdecken. One possible application of the methods described above is based on the briefly explained: For the production of a dye solar cell on concrete a square topographic height profile in the micrometer range is applied on a surface of a concrete component from UHPC. The profiling offers three profile depths, with the deepest profile formed centrally as a square, which is enclosed like a frame and concentrically by the other two profiles. In the deepest large-area profile, a graphite and titanium dioxide layer is introduced. Via two tab-like profile extensions on opposite sides of the square profile, the layer to be introduced there extends to two contact pins, so that the lowest lying graphite and titanium dioxide layer can be electronically contacted, even if further layers are applied to it and cover it.

Die erste Schicht im tiefsten Profil wird bis zur Höhe bzw. bis zum Niveau des mittleren Profils aufgebracht, so dass sich nun ein quadratisches Profil mittlerer Tiefe ergibt, das ursprünglich lediglich als Rahmen zu erkennen war. In das nun vorliegende quadratische mittlere Profil wird ein Elektrolyt aufgebracht, dessen Mächtigkeit so gewählt wird, dass er an das Niveau des letzten Profils mit geringster Dicke anschließt. Der Elektrolyt füllt als zweite Schicht also den Innenbereich des äußersten quadratischen Rahmens aus.The first layer in the deepest profile is applied to the height or to the level of the middle profile, so that now results in a square profile medium depth, which was originally only seen as a frame. An electrolyte is applied in the square mean profile now present, whose thickness is chosen so that it adjoins the level of the last profile with the smallest thickness. The electrolyte fills as the second layer so the inner region of the outermost square frame.

Schließlich wird auf das jetzt oberste Profil, das sich durch Auffüllen der beiden unteren Schichten ebenfalls als quadratisches Profil darstellt, eine Gegenelektrode aufgebracht, die durch nach außen abstehende und einander gegenüberliegende Laschen, die jeweils an einen Kontaktstift reichen, elektrisch kontaktiert werden kann. Finally, a counter-electrode is applied to the now uppermost profile, which is also represented by filling the two lower layers as a square profile, which can be electrically contacted by outwardly projecting and mutually opposite tabs, each of which extends to a contact pin.

Die Profilierung ermöglicht damit die Integration der Elektroden und die ebengleiche Ausbildung der stromerzeugenden Funktionsschichten einer Farbstoffsolarzelle in bzw. an der Betonoberfläche. Die Gesamthöhe des Systems beträgt in etwa 80 µm. Jedes Quadrat kann eine Zelle darstellen. Durch die Kontaktierung mittels der Kontaktstifte, durch eine Anordnung mehrerer derartiger Profile bzw. Zellen nebeneinander ist eine flexiblere Reihen-, Parallel- oder kombinierte Schaltung möglich. Der Rückkontakt als unterstes tiefstes Profil und der Frontkontakt als das Profil mit der geringsten Tiefe fassen eine so gebildete Zelle ring- oder rahmenartig ein. Der gestufte Rahmen führt über sein treppenartiges Profil zu einer Trennung der Elektroden. Das Schichtsystem kann im Mikrometerbereich angepasst werden, so dass die Funktionsschichten in exakter Schichtstärke aufgetragen werden können. Die Rahmenstruktur gibt also Lage und Größe der Zellenform bereits vor und definiert über die unterschiedlichen Profiltiefen die Dicke und den Abstand der Schichten voneinander.The profiling thus allows the integration of the electrodes and the same design of the power-generating functional layers of a dye solar cell in or on the concrete surface. The total height of the system is about 80 μm. Each square can represent a cell. By contacting by means of the contact pins, by an arrangement of several such profiles or cells side by side a more flexible series, parallel or combined circuit is possible. The back contact as the lowest profile lowest and the front contact as the profile with the lowest depth summarize a cell so formed ring or frame-like. The stepped frame leads via its staircase-like profile to a separation of the electrodes. The layer system can be adapted in the micrometer range, so that the functional layers can be applied in exact layer thickness. The frame structure thus already specifies the position and size of the cell shape and defines the thickness and the distance of the layers from one another via the different profile depths.

Claims

Method for forming a topographical height profile with a profile depth in the micrometer range on a concrete surface using metallized composite panels as formwork elements by applying a negative mold of the profile on the formwork surface.

A method according to claim 1, characterized in that films are applied as a negative mold on the formwork. A method according to claim 2, characterized by self-adhesive film or laminating film as a negative mold.

A method according to claim 1, characterized in that the negative mold are applied by spraying or printing layers of paints, lacquers or spray film as a negative mold on the formwork.

Method according to one of the above claims, characterized by the profile depth of a single profile of 100 μm, preferably 80 μm.

Method for producing (at least) an even / flush (only conductive or also insulating?) Layer having a thickness in the micrometer range (DysCrete, printed conductors, etc.) on a concrete surface with the following steps: a) producing a concrete component having a surface with a topographical height profile with a profile depth in the micrometer range according to one of the above claims, b) applying a conductive coating in the profile.

Method according to the above claim, characterized in that when creating the concrete component conductive contacts are embedded in a profile, and the conductive layer is connected by their introduction to the contacts electrically conductive.

Method according to one of the above claims, characterized by the formation of a stepped height profile with profiles of different tread depth with assignment of contacts of at least a number of different profiles.