DE102016200151B4

DE102016200151B4 - Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler, Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers und elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE102016200151B4
Application number: DE102016200151.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Doerne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2036-01-09
Also published as: CN107026231A; CN107026231B; DE102016200151A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems (15) mit den Schritten
- Aufbringen (23) einer ersten Schicht (9) eines ersten elastischen Materials auf ein Substrat (4),
- Aufbringen (25) einer zweiten Schicht (10) eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht (9),
- Aufbringen (34) einer dritten Schicht (13) des ersten elastischen Materials auf die zweite Schicht (10),
- Aufbringen (36) einer vierten Schicht (14) des zweiten elastischen Materials auf die dritte Schicht (13),
- Aufbringen (27) und/oder Einbringen (27) einer fünften Schicht (39) eines das Schichtsystem (15) wenigstens in einer von zwei lateralen Richtungen versteifenden Materials (40) an eine äußere Schicht (9, 14) des Schichtsystems (15) und/oder zwischen zwei Schichten (10, 13) des Schichtsystems (15), wobei entweder das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist oder wobei das zweite elastische Material elektrisch leitfähig ist und das erste elastische Material ein Dielektrikum aufweist, wobei das erste elastische Material und/oder das zweite elastische Material durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht wird, und wobei eine oder mehrere der Schichten (9, 10, 13, 14, 39) Schichtdicken von weniger als 5 µm aufweisen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler, ein Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers, sowie einen elektromechanischen Wandler.
Aus der DE 10 2012 212 222 A1 ist eine dehnbare, elektrische Elastomerfolie bekannt, die beidseitig mit Elektrodenlagen versehen ist, wobei das Material aus oder unter Verwendung von Fluorosilicon-Polymeren aufgebaut ist und stark verbesserte Aktuationsdehnungen besitzt.
Aus der DE 10 2013 213 413 A1 ist die Verwendung einer dielektrischen Elastomerfolie als Aktuator bekannt.
Aus der DE 16 46 037 A ist ein Verfahren zur Abscheidung organischer Überzüge bekannt, in dem Partikel aus einer wässrigen Lösung durch Anlegen eines elektrischen Potentials auf ein elektrisch leitendes Material abgeschieden werden.
Die US 2012 / 0 060 355 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für eine Folie bestehend aus mehreren Schichten, wobei abwechselnd ein dielektrisches Elastomer und ein elektrisch leitender Gummi aufeinander geschichtet werden.
Aus der US 5 977 685 A ist ein Aktuator mit einem Polyurethan-Elastomer bekannt, welcher sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes je nach dessen Richtung verformen kann.
Aus der DE 10 2014 005 851 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Aktuatoren bekannt, wobei die Schichten mittels eines Laminiervorgangs aufgebaut werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler hat den Vorteil, dass durch das Verfahren hergestellte Schichten sehr homogen sind. Des Weiteren lassen sich mit dem Verfahren sehr dichte Schichten herstellen, die hierdurch eine sehr geringe Durchlässigkeit gegenüber anderen Materialien aufweisen. Ferner lassen sich durch das Verfahren sehr geringe Schichtdicken realisieren, insbesondere Schichtdicken von weniger als 5 µm. Weiterhin lassen sich durch das Verfahren in vorteilhafter Weise über große Flächen defektfreie Schichten herstellen. Dies ist insbesondere für die elektrischen Eigenschaften beziehungsweise die isolierenden Eigenschaften der Schichten relevant.
Die zuvor genannten Vorteile werden erreicht durch ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler mit den Schritten des Aufbringens einer ersten Schicht eines ersten elastischen Materials auf ein Substrat, und des Aufbringens einer zweiten Schicht eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht, wobei entweder das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist oder wobei das zweite elastische Material elektrisch leitfähig ist und das erste elektrische Material an Dielektrikum aufweist, wobei das erste elastische Material und/oder das zweite elastische Material durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch einen Schritt des Aufbringens eine dritte Schicht des ersten elastischen Materials auf die zweite Schicht aufgebracht wird. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein Schichtsystem realisieren, bei welchem eine Schicht des ersten Materials zwischen zwei Schichten des zweiten Materials oder bei welchem eine Schicht des zweiten Materials zwischen zwei Schichten des ersten Materials eingebracht ist.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, wenn durch einen Schritt des Aufbringens eine vierte Schicht des zweiten elastischen Materials auf die dritte Schicht aufgebracht wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass Schichten mit Materialien, die die gleichen elektrischen beziehungsweise isolierenden Eigenschaften aufweisen, nicht direkt benachbart angeordnet werden, und somit galvanisch voneinander getrennt sind. Des Weiteren lässt sich hierdurch in vorteilhafter Weise das Schichtsystem um eine weitere Schicht erweitern.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, wenn das Verfahren einen Schritt des Aufbringens und/oder Einbringens einer fünften Schicht eines das Schichtsystem wenigstens in eine von zwei lateralen Richtungen versteifenden Materials an eine äußere Schicht des Schichtsystems und/oder zwischen zwei Schichten des Schichtsystems aufweist. Hierdurch kann die Steifigkeit des Schichtsystems eingestellt werden, was die spätere Handhabung des Schichtsystems erleichtert.
Generell hängt die Steifigkeit eines Materials von den elastischen Eigenschaften des Materials und von der geometrischen Form des Materials ab. Insbesondere die Biegesteifigkeit, die im Folgenden lediglich Steifigkeit genannt wird, ist das Produkt aus dem Elastizitätsmodul des Materials und des Flächenträgheitsmoment des Querschnitts des Materials, wobei das Flächenträgheitsmoment von der Form des Querschnitts des Materials abhängt. Es ist daher möglich, eine Schicht beziehungsweise ein Schichtsystem in ihren beziehungsweise seinen mechanischen Eigenschaften, insbesondere in der Steifigkeit, zu verändern. Dies kann dadurch geschehen, indem, wie vorgeschlagen, auf eine der beiden Seiten des Schichtsystems beziehungsweise zwischen zwei Schichten des Schichtsystems ein weiteres Material, z. B. in Form von parallelen Streifen, aufbeziehungsweise eingebracht wird. Es kann sich hierbei um das gleiche Material der Schicht beziehungsweise um eines der Materialien des Schichtsystems handeln. Es ist jedoch auch denkbar, dass es sich um ein anderes Material, wie beispielsweise um einen Photolack, handelt. Die Steifigkeit der Schicht beziehungsweise des Schichtsystems senkrecht zur Richtung der parallelen Streifen wird durch diese parallelen Streifen im Wesentlichen nicht verändert. Hingegen ändert beziehungsweise erhöht sich die Steifigkeit der Schicht beziehungsweise des Schichtsystems in der Richtung parallel zu den parallelen Streifen abhängig von der Querschnittsfläche der einzelnen Streifen sowie ihrem Abstand zueinander. Insbesondere ist die Steifigkeit der Schicht beziehungsweise des Schichtsystems von dem Verhältnis zwischen der Höhe und der Breite der Streifen bei einer rechteckigen Querschnittsfläche der Streifen abhängig.
Unter einem Dielektrikum kann eine elektrisch schwach oder nicht-leitende, nichtmetallische Substanz verstanden werden. Es kann sich hierbei sowohl um eine Flüssigkeit, ein Gel oder um einen Feststoff handeln, dessen Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind.
Bei dem Dielektrikum kann es sich beispielsweise um ein Silikon oder um Kautschuk handeln.
Unter einem elastischen Material kann ein Material mit einem geringen Elastizitätsmodul verstanden werden. Insbesondere können unter einem elastischen Material Gummi- und/oder Kautschuk-artige Materialien, wie beispielsweise Silikone, beziehungsweise Materialien oder Materialzusammensetzungen verstanden werden, deren Elastizitätsmodul kleiner 10 N/mm², bevorzugt kleiner 5 N/mm², besonders bevorzugt kleiner 1 N/mm², und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,1 N/mm² beträgt. Auch Beschichtungen aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) zeigen eine Elastizität, sind also ein elastisches Material.
Unter elektrisch leitfähig kann hierbei verstanden werden, dass das Material die Eigenschaft besitzt, elektrischen Strom zu leiten. Insbesondere soll darunter verstanden werden, dass die elektrische Leitfähigkeit größer als 1000 S/m ist, bevorzugt größer als 10 000 S/m und insbesondere bevorzugt größer als 100 000 S/m ist.
Unter elektrochemischer Abscheidung kann die Abscheidung eines Materials auf einem weiteren Material beziehungsweise Gegenstand verstanden werden, wobei das abzuscheidende Material in einer Flüssigkeit gelöst und/oder dispergiert vorliegt, und wobei das abzuscheidende Material durch die Wirkung eines elektrischen Feldes auf das weitere Material hinzu bewegt wird. Dadurch lagern sich die Ionen beziehungsweise die Moleküle und/oder Teilchen beziehungsweise Partikelcluster des abzuscheidenden Materials auf der Oberfläche des weiteren Materials ab. Etwaige auftretende Inhomogenitäten des elektrischen Feldes, insbesondere bei Leer- und/oder Defektstellen in dem bereits abgeschiedenen Material, sorgen dafür, dass diese Leer- beziehungsweise Defektstellen verstärkt durch sich noch in Lösung beziehungsweise Dispersion befindliches Material aufgefüllt werden.
Unter einer Schicht kann ein flächiges Objekt verstanden werden, welches in einer Ebene ausgedehnt ist, die von zwei zueinander orthogonalen Richtungen aufgespannt wird, und welches in der dritten, zu den beiden anderen Richtungen orthogonalen Richtung eine deutlich geringere Ausdehnung besitzt.
Ein weiterer Vorteil der elektrochemischen Abscheidung von Schichten besteht darin, dass die zuvor genannten Vorteile beziehungsweise Merkmale eine hohe Reproduzierbarkeit aufweisen und sich damit insbesondere auch große Flächen beschichten lassen. Ferner erlaubt der Prozess der elektrochemischen Abscheidung die Verwendung von einfach zu reinigenden Metallsubstraten, insbesondere von Metallsubstratbändern. Die zur Herstellung von Schichten durch elektrochemische Abscheidung verwendeten Materialien zeichnen sich unter anderem auch dadurch aus, dass sie im Wesentlichen wenig gesundheits- und umweltschädlich sind.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Verfahrensschritte ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufweist. Denn dadurch lassen sich Schichtsysteme, bestehend aus verschiedenen Schichten beziehungsweise Materialien, schnell und kostengünstig herstellen. Insbesondere die Verwendung von flexiblen Kunststoff- oder Metallfolien als Substrate, auf welche das Schichtsystem aufgebracht wird, ist hierbei von Vorteil. Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die verwendeten Substratfolien teilweise wiederverwendet werden können, und dass verschiedenste Prozessschritte, wie Reinigungsschritte, Aufbringschritte und/oder Trocknungsschritte, hintereinander ausgeführt werden können.
Zweckmäßigerweise weist das Verfahren einen Delaminierungsschritt auf, wobei das Schichtsystem nach dem Aufbringen der Schichten von dem Substrat delaminiert wird. Hierdurch wird die weitere Verwendung des Schichtsystems vereinfacht und das Substrat kann danach wiederverwendet werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Substrat nach dem Delaminierungsschritt zu einer Rolle aufgewickelt wird. Denn hierdurch kann das zu einer Rolle aufgewickelte Substrat in einfacher Weise für das gleiche beziehungsweise für ähnliche Verfahren eingesetzt werden, in welchen Rolle-zu-Rolle-Prozesse beziehungsweise -Verfahrensschritte vorkommen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers mit einem Schichtsystem, welches nach einem Herstellungsverfahren nach einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren enthält hierbei einen Laminierungsschritt, wobei ein wenigstens erstes Schichtsystem mit einem wenigstens zweiten Schichtsystem derart laminiert wird, dass jeweils Schichten des ersten elastischen Materials und Schichten des zweiten elastischen Materials stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Hierdurch lassen sich in einfacher Weise elektromechanische Wandler herstellen, die in ihrer gesamten Höhe beziehungsweise Dicke variabel einstellbar sind.
Alternativ kann auf einer ersten Metallfolie in nacheinander folgenden Schritten ein erstes Schichtsystem aufgebracht werden, wobei eine erste Schicht eines ersten elastischen Materials und eine zweite Schicht eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht aufgebracht werden. Das erste elastische Material ist beispielsweise elektrisch leitfähig und umfasst insbesondere Kohlenstoffnanoröhrchen. Das zweite elastische Material weist beispielsweise ein Dielektrikum auf, wobei das zweite Material insbesondere ein Silikonmaterial umfasst. Auf einer zweiten Metallfolie kann eine erste Schicht eines ersten elastischen und leitfähigen Materials aufgebracht sein. Die erste Metallfolie kann anschließend mit der zweiten Metallfolie laminiert werden, so dass das erste Schichtsystem auf der ersten Metallfolie auf die erste Schicht auf der zweiten Metallfolie laminiert wird, wobei ein Gesamtschichtsystem aus zwei ersten elastischen und leitfähigen Materialschichten mit einer dazwischen angeordneten zweiten elastischen Materials und damit ein elektromechanischer Wandlers realisiert wird. Der elektromechanische Wandler umfasst in diesem Fall insbesondere eine Silikonschicht, welche zwischen zwei Kohlenstoffnanoröhrchen umfassende Schichten angeordnet ist.
Unter einem elektromechanischen Wandler kann eine Vorrichtung, bestehend aus einer dielektrischen, elastischen Schicht mit je einer auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Schicht verstanden werden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten wirkt eine elektrostatische Kraft zwischen den beiden leitfähigen Schichten derart, dass sie das dazwischen liegende elastische, dielektrische Material beziehungsweise die daraus bestehende Schicht zusammenpresst und dabei dehnt. Es ist dabei von Vorteil, wenn das elastische, dielektrische Material einen kleinen Elastizitätsmodul, eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Typischerweise kann bei einer Feldstärke von ca. 30 V/µm eine Dehnung der elastischen, dielektrischen Schicht von ca. 20 % bis 30 % erreicht werden. Die Schichtdicken der elastischen, dielektrischen Schicht liegen üblicherweise bei ca. 20 µm. Es ist denkbar, dass die Schichtdicke zwischen 0,1 µm und 1000 µm variiert.
Ferner können elektromechanische Wandler auch verwendet werden, um eine auf ihn ausgewählte Kraft zu sensieren. Dabei kann bei Anliegen einer Spannung an den beiden elektrisch leitfähigen Schichten eine Spannungsänderung erfasst werden, wenn sich durch Einwirkung einer zu messenden Kraft auf den elektromechanischen Wandler die Dicke der elastischen, dielektrischen Schicht ändert.
Elektromechanische Wandler können beispielsweise in Stellantrieben als Linearaktor zur Verschiebung eines anzutreibenden Stellglieds um einen vordefinierten Weg, als peristaltische Pumpe in der Medizintechnik oder Mikrosystemtechnik oder in taktilen Displays zur Erzeugung eines alternativen und/oder zusätzlichen Informationskanals durch eine veränderbare Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden. Taktile Displays können insbesondere als veränderliche Displays zur Anzeige von Blindenschrift eingesetzt werden. Elektromechanische Wandler können ferner als Kraftmesssensoren eingesetzt werden. Durch mehrere, nacheinander ausgeführte Laminierungsschritte lassen sich so zweckmäßigerweise mehrere Schichtsysteme, die ihrerseits jeweils aus einer ersten Schicht eines ersten elastischen Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten elastischen Materials bestehen, übereinander laminieren. Dadurch kann eine nahezu beliebige Gesamthöhe beziehungsweise Gesamtdicke des elektromechanischen Wandlers erreicht werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einem oder mehreren Laminierungsschritten wenigstens zwei oder mehrere Schichtsysteme miteinander beziehungsweise übereinander laminiert werden, wobei wenigstens eines der Schichtsysteme aus mehr als einer ersten Schicht eines ersten elastischen Materials und einer zweiten Schicht eines zweiten elastischen Materials aufgebaut ist. Es ist hierbei zweckmäßig, wenn bei dem Laminierungsschritt beziehungsweise den Laminierungsschritten die Laminierung derart erfolgt, dass sich die Schichten des ersten Materials mit den Schichten des zweiten Materials periodisch abwechseln. Denn dadurch ist gewährleistet, dass bei einem späteren Betrieb des elektromechanischen Wandlers zwischen den einzelnen elektrisch leitfähigen Schichten jeweils die gleiche Spannungsdifferenz angelegt werden kann, um eine homogene Ausdehnung der einzelnen elektrisch nichtleitfähigen Schichten, und damit des gesamten Schichtsystems beziehungsweise des gesamten elektromechanischen Wandlers zu gewährleisten.
Es ist jedoch auch möglich, dass bei dem einen oder den mehreren Laminierungsschritten zwei Schichten des ersten elastischen Materials oder zwei Schichten des zweiten elastischen Materials miteinander verbunden werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers mit einem Schichtsystem einen Aufrollschritt aufweist, bei dem der elektromechanische Wandler zu einem Rollaktor aufgeraut wird. Das bedeutet, dass das planare Schichtsystem durch das Aufrollen beliebig oft übereinander gelegt werden kann. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Stauchung in der Richtung senkrecht zu einer Ebene parallel zu den Schichten entsprechend der Anzahl an übereinander liegenden Schichtsystemen beziehungsweise die Ausdehnung eines derart hergestellten Aktors vergrößern. Durch die Vervielfachung des Schichtsystems durch das Aufrollen wird vorteilhafterweise auch eine Vervielfachung der auf den Rollaktor wirkenden beziehungsweise ausgehenden Kräfte erreicht. Dies lässt sich zweckmäßigerweise dazu nutzen, den Anwendungsbereich des elektromechanischen Wandlers zu vergrößern, unabhängig davon, ob der elektromechanische Wandler als Aktor oder als Generator oder Sensor eingesetzt wird.
Weiterhin schafft der hier vorgestellte Ansatz ferner einen elektromechanischen Wandler, insbesondere hergestellt nach einem der zuvor ausgeführten Verfahren, bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinanderfolgenden, planen Schichten, wobei die erste und dritte Schicht ein erstes elastisches Material und die zweite und vierte Schicht ein zweites elastisches Material aufweisen, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist und wobei das erste elastische Material und/oder das zweite elastische Material durch elektrochemische Abscheidung applizierbar ist. Die zuvor erwähnten Vorteile gelten in entsprechender Weise für diesen elektromechanischen Wandler.
Ein elektromechanischer Wandler, dessen Schichten durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht wurden, zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Durchschlagsfestigkeit auch bei geringen Schichtdicken der dielektrischen Schicht beziehungsweise der dielektrischen Schichten aus. Ferner sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass elektromechanische Wandler, die durch eines der zuvor ausgeführten Verfahren beziehungsweise Verfahrensvarianten hergestellt wurden, kostengünstig herstellbar sind. Denn bei der elektrochemische Abscheidung wird das eingesetzte Material sehr effizient genutzt, und der Rolle-zu-Rolle-Prozess beziehungsweise das Rolle-zu-Rolle-Verfahren lässt für niedrige Schichtdicken hohe Bandgeschwindigkeiten, und damit eine hohe Herstellungsgeschwindigkeit, zu.
Ferner ist es von Vorteil, wenn das erste elastische Material des elektrochemischen Wandlers als Elektrode ausgestaltet ist. Dadurch lassen sich in einfacher Weise die elektrisch leitfähigen Schichten kontaktieren.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn das Dielektrikum als Elastomer, insbesondere als Silikon, ausgestaltet ist. Denn Elastomere sind im Vergleich zu anderen dielektrischen Materialien sehr leicht und sie weisen eine hohe elastische Energiedichte auf. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise große und zugleich leichte elektromechanische Wandler herstellen, die eine hohe Effizienz aufweisen.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das erste elastische Material als ein Verbundmaterial ausgestaltet ist, welches ein die mechanischen Eigenschaften bestimmendes elastisches Trägermaterial und die elektrische Leitfähigkeit bestimmende leitfähige Komponenten, insbesondere Metallpartikel und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aufweist. Da hierdurch auf das üblicherweise harte und/oder spröde, eventuell metallische, herkömmliche Elektrodenmaterial verzichtet werden kann, ist der gesamte elektromechanische Wandler elastisch.
Figurenliste
Es zeigen:

1 bis 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schichtsystems durch elektrochemische Abscheidung,
5 ein Schichtsystem hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Schichtsystems mit zwei verschiedenen Schichten in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess,
7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einem Laminierungsschritt,
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers durch elektrochemische Abscheidung in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess, sowie
9 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer streifenförmigen Schicht aus versteifendem Material.

Ausführungsformen der Erfindung
In den 1 bis 4 sind schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Schichtsystems, insbesondere für einen elektromechanischen Wandler, durch elektrochemische Abscheidung gezeigt. Es ist ein Tauchbecken 1 dargestellt, welches mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Die Flüssigkeit kann hierbei eine für elektrochemische Abscheidung geeignete, beispielsweise wässrige, Suspension 2 mit geeigneter Partikelgrößenverteilung sein. Es kann sich hierbei aber auch um eine Lösung handeln, in der Ionen eines für die elektrochemische Abscheidung geeigneten Materials gelöst sind. In der ersten Suspension 2 sind erste Partikel 3 eines ersten, durch elektrochemische Abscheidung applizierbaren Materials dispergiert. Bei den ersten Partikeln kann es sich hierbei um Silikonpartikel handeln. Diese Silikonpartikel 3 können einzeln oder als Partikelcluster in der ersten Suspension dispergiert sein.
Ferner ist ein beliebiger Ausschnitt eines Substrats 4 gezeigt, welches in der ersten Suspension 2 versenkt bzw. eingetaucht ist. Bei dem Substrat 4 kann es sich beispielsweise um ein Metallblechband, insbesondere aus Aluminium und/oder Stahl mit einer Schichtdicke von ca. 400 µm handeln. Es sind jedoch auch andere Materialien denkbar, sofern sie eine genügend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Des Weiteren sind auch Schichtdicken von unter 400 µm sowie von mehr als 400 µm möglich, sofern sich die Substrate mit solchen Schichtdicken problemlos aufrollen beziehungsweise aufwickeln lassen.
Weiterhin ist eine Spannungsquelle 5 gezeigt, von welcher eine erste Elektrode 6 mit dem Substrat 4 elektrisch verbunden ist, beispielsweise mittels Umlenkrollen, und eine zweite Elektrode 7, in die die erste Suspension 2 eingetaucht ist. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 6, 7 bildet sich zwischen den Elektroden 6, 7 ein elektrisches Feld aus. Sofern die ersten Partikel 3 Oberflächenladungen besitzen, erfahren sie in dem elektrischen Feld zwischen der ersten Elektrode und zweiten Elektrode eine Kraft, welche sie auf das Substrat 4 hinbewegt. Die Kraft beziehungsweise die Bewegungsrichtung der ersten Partikel 3 ist hierbei sowie in den 2 bis 4 als Pfeil 8 dargestellt. Hierbei sind geeignete und auf das Materialsystem abgestimmte Prozessparameter für die elektrochemische Abscheidung zu wählen, die unter anderem hinsichtlich eines Zetapotentials, eines pH-Wertes, eines Feststoffgehalts und gegebenenfalls eventueller Zusätze in der Partikelsuspension, der Partikelgrößenverteilung der ersten Partikel 3 sowie der angelegten Spannung und resultierenden Stromdichte und Abscheidungsrate gewählt sind. Durch die von dem elektrischen Feld getriebene Abscheidung der einzelnen Partikel 3 aus der Suspension 2 werden eventuelle Fehlstellen in einer sich ausbildenden ersten Schicht 9 durch die dort auftretenden Überhöhungen des elektrischen Feldes unmittelbar durch dort abgeschiedene erste Partikel 3 wieder verschlossen. Somit kann eine fehler- bzw. defektfreie Schicht 9 aus ersten Partikeln 3 mit hoher Homogenität und Packungsdichte erzeugt werden.
In 2 ist nun dargestellt, wie eine zweite Schicht 10 aus zweiten Partikel 11, welche in einer zweiten Suspension 12 vorliegen, elektrochemisch abgeschieden wird. Dies kann durch Überführung des Substrates 4 von einem Tauchbecken 1 in ein anderes Tauchbecken mit der Suspension 12 oder durch Austausch der ersten Suspension 2 durch die zweite Suspension 12 im Tauchbecken 1 erfolgen. Die zweiten Partikel 11 bestehen aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen Material. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Silikon handeln, welches mit Metall und/oder Kohlenstoffpartikeln und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen vermengt ist.
Über die Konzentration an elektrisch leitfähigen Partikeln in dem Silikon können die elektrischen bzw. elektronischen Eigenschaften der aus den zweiten Partikeln 11 bestehenden zweiten Schicht 10 eingestellt werden. Die elastischen, elektrisch leitfähigen zweiten Partikel 11 aus dem Silikon-Metall-Gemisch bzw. Silikon-Kohlenstoff-Gemisch bzw. Silikon-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Gemisch wandern analog zu dem in 1 beschriebenen Prozess bei Anliegen einer Spannung an der Spannungsquelle 5 zwischen den Elektroden 6, 7 entlang des elektrischen Felds auf die erste Schicht 9 zu. Dort bilden die zweiten Partikel wiederum die defektfreie und homogene zweite Schicht 10.
In 3 ist dargestellt, wie eine dritte Schicht 13 aus den ersten Partikeln 3, welche wieder in der ersten Suspension 2 vorliegen, elektrochemisch abgeschieden wird. Dies kann durch Überführung des Substrates 4 von einem Tauchbecken 1 in ein anderes Tauchbecken mit der Suspension 2 oder durch Austausch der zweiten Suspension 12 durch die erste Suspension 2 im Tauchbecken 1 erfolgen.
In 4 ist gezeigt, wie eine vierte Schicht 14 aus den zweiten Partikeln 11, welche in der zweiten Suspension 12 vorliegen, elektrochemisch abgeschieden wird. Dies kann durch Überführung des Substrates 4 von einem Tauchbecken 1 in ein anderes Tauchbecken mit der Suspension 12 oder durch Austausch der ersten Suspension 2 durch die zweite Suspension 12 im Tauchbecken 1 erfolgen.
In 5 ist ein Schichtsystem 15 zu sehen, welches über die in den 1 bis 4 beschriebenen bzw. darstellten Prozessschritte bzw. Verfahrensschritte durch elektrochemische Abscheidung hergestellt wurde. Das fertige Schichtsystem 15 ist auf das Substrat 4 aufgebracht und besteht aus der ersten Schicht 9 aus Silikon, aus der zweiten Schicht 10 aus einem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aus der dritten Schicht 13 aus Silikon und aus der vierten Schicht 14 aus dem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Eine Reihenfolge und eine Anzahl von abgeschiedenen Schichten auf einem Substrat 4 kann gegenüber dem Schichtsystem 15 aus 5 auch verändert erfolgen, so dass beispielsweise ein alternatives Schichtsystem auf das Substrat 4 aufgebracht ist, wobei das alternative Schichtsystem auf dem Substrat 4 eine zweite Schicht 10 aus einem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, darüber eine erste Schicht 9 aus Silikon, darüber eine vierte Schicht 14 aus dem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und darüber eine dritte Schicht 13 aus Silikon umfasst, wobei beispielsweise auch die oberste dritte Schicht 13 entfallen kann.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems 15 durch elektrochemische Abscheidung mittels eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens gezeigt. Hierbei wird das Substrat 4 von einer ersten Rolle 16 abgewickelt und über mehrere verschiedene Umlenkrollen 17 zu den verschiedenen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensorten geführt. Als erster Prozessschritt erfährt das Substrat 4 einen Reinigungsschritt 20. Hierbei wird das Substrat 4 über die Umlenkrollen 17 in das mit einer Reinigungsflüssigkeit 21 gefüllte Tauchbecken 1 geführt. Die Reinigungsflüssigkeit 21 kann hierbei aus einer polaren, unpolaren und/oder aus einer Kombination aus polaren und unpolaren Flüssigkeiten bestehen. Es kann sich hierbei um Aceton, Isopropanol und/oder gereinigtes Wasser handeln.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Reinigungsschritt 20 mehrmals hintereinander ausgeführt wird. Ferner ist es möglich, dass der Reinigungsschritt 20 ausgeführt wird, indem das Substrat 4 hintereinander durch mehrere in verschiedenen Reinigungsflüssigkeiten 21 gefüllte Tauchbecken 1 geführt wird.
Nach der Reinigung des Substrats 4 erfolgt optional ein erster Trocknungsschritt 22, um das Substrat 4 zu trocknen und um das Substrat 4 für die nachfolgende Beschichtung bzw. die nachfolgenden Beschichtungsschritte vorzubereiten. Der erste Trocknungsschritt 22 kann hierbei ein thermischer Trocknungsschritt darstellen. Es ist auch denkbar, dass der erste Trocknungsschritt 22 alternativ oder zusätzlich einen Schritt enthält, bei dem die Reinigungsflüssigkeit durch einen Luft- oder Gasstrom mechanisch von dem Substrat 4 entfernt wird. Weiterhin ist es denkbar, dass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Aktivierungsschritt erfolgt, bei welchem das Substrat 4 bzw. dessen Oberfläche für die nachfolgenden Beschichtungsschritte vorbereitet bzw. aktiviert wird.
Es erfolgt nun ein erster Beschichtungsschritt 23, bei welchem das zuvor gereinigte und eventuell aktivierte Substrat 4 durch ein weiteres Tauchbecken 1 geführt wird, wobei das Tauchbecken 1 mit einer ersten Suspension 2 befüllt ist. In dem Tauchbecken 1 befindet sich nahe am Boden des Tauchbeckens 1 eine Tauchelektrode 18, welche an die Spannungsquelle 5 angeschlossen ist. Die erste Suspension 2 enthält erste Partikel 3 aus Silikon bzw. einem Silikonderivat. Diese ersten Partikel 3 sind in der ersten Suspension 2 dispergiert. Über die Spannungsquelle 5 wird zwischen der ersten Elektrode 6, welche das Substrat 4 kontaktiert, und der zweiten Elektrode 7, welche die im Tauchbecken 1 unterhalb des Substrats 4 in der Suspension 2 befindliche Tauchelektrode 18 kontaktiert, eine Spannung zwischen dem Substrat 4 und der Tauchelektrode 18 angelegt. Diese Spannung induziert ein elektrisches Feld, wodurch sich die ersten Partikel 3 aus Silikon auf das Substrat 4 hin bewegen und dort elektrochemisch abgeschieden werden. Nach Durchfahren des Tauchbads mit der ersten Suspension 2 erfolgt fakultativ ein zweiter Trocknungsschritt 24, bei welchem das Substrat 4 von den Flüssigkeitsresten der ersten Suspension 2 befreit bzw. getrocknet wird.
Es erfolgt nun ein zweiter Beschichtungsschritt 25, bei welchem auf das Substrat 4 bzw. die erste Schicht 9, bestehend aus Silikon, eine zweite Schicht 10 durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht wird. Die zweite Schicht 10 wird hierbei aus zweiten Partikel 11, welche in der zweiten Suspension 12 dispergiert sind, gebildet. Das Material der zweiten Partikel 11 kann hierbei ein Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es denkbar, dass das Material der zweiten Partikel 11 ein Gemisch aus Silikon, Metallpartikel und/oder Kohlenstoffpartikel umfassen.
Die durch elektrochemische Abscheidung aufgebrachte zweite Schicht 10 zeichnet sich hierbei durch eine ähnliche Elastizität aus, wie die Elastizität der ersten Schicht 9. Die zweite Schicht 10 ist zusätzlich elektrisch leitfähig. Es erfolgt nun optional ein dritter Trocknungsschritt 26, bei welchem das Substrat 4 bzw. die sich darauf befindlichen Schichten 9, 10 von den Resten der zweiten Suspension 12 befreit bzw. getrocknet wird.
Das Schichtsystem 15 kann fakultativ mit einem versteifenden Material versehen werden. Hierzu kann in einem ersten Laminierungsschritt 27 ein flächiges Material mit einem im Vergleich zu den Materialien der ersten Schicht 9 und zweiten Schicht 10 höheren Elastizitätsmodul auf die zweite Schicht 10 aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass über Walzen 37 das versteifende Material, beispielsweise flächig und/oder netzartig auf das Schichtsystem 15 aufgebracht wird. Diese Schicht aus versteifendem Material kann hierbei auch streifenförmig ausgebildet sein, wodurch sich eine erhöhte Steifigkeit des gesamten Schichtsystems 15 parallel in Richtung der Streifen ausbildet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der erste Laminierungsschritt 27 vor dem ersten Beschichtungsschritt 23 und/oder vor dem zweiten Beschichtungsschritt 25 erfolgt. Das Material der versteifenden Schicht kann beispielsweise aus einem Lack bestehen, welcher ein im Vergleich zu dem Materialien der ersten Schicht 9 und zweiten Schicht 10 ein relativ hohes Elastizitätsmodul von beispielsweise größer 2000 N/mm² aufweist. Der erste Laminierungsschritt 27 kann hierbei nasschemische Verfahrensschritte aufweisen, insbesondere Druckprozesse, wie Tiefdruckverfahren, Walzendruckverfahren und/oder Inkjet-Druckverfahren. Diese etablierten Druckverfahren ermöglichen eine kostengünstige, schnelle und präzise Herstellung einer versteifenden Schicht und bieten insbesondere die Möglichkeit, die versteifende Schicht zweidimensional zu strukturieren, wie beispielsweise durch Einbringen der zuvor erwähnten Streifenstruktur.
Zusätzlich kann fakultativ ein vierter Trocknungsschritt 28 erfolgen, bei welchem etwaige Reste von Flüssigkeiten, die bei dem ersten Laminierungsschritt 27 eingesetzt werden, von dem Schichtsystem 15 entfernt werden. Es erfolgt nun ein Delaminierungsschritt 29, bei dem das Schichtsystem 15 von dem Substrat 4 delaminiert wird. Das Substrat 4 wird hierbei auf eine zweite Rolle 30 aufgewickelt und kann nun am Anfang der Prozesskette wiederverwendet werden. Die zweite Rolle nimmt dann den Platz der ersten Rolle 16 ein. Das Schichtsystem 15 wird bei dem Delaminierungsschritt 29 auf eine dritte Rolle 31 aufgewickelt. Das so aufgewickelte Schichtsystem 15 kann nun in einfacher Weise für weitere Prozessschritte weiterverwendet werden.
In 7 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers schematisch dargestellt. Es sind jeweils zwei dritte Rollen 31a, 31b gezeigt, auf die jeweils ein Schichtsystem 15a, 15b aufgewickelt ist. Das Schichtsystem 15a besteht aus einer ersten Schicht 9a aus Silikon, auf welche eine zweite Schicht 10a aus einem Verbundstoff bestehend aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebracht ist. Das Schichtsystem 15a besteht aus einer ersten Schicht 9a aus Silikon, auf welche eine zweite Schicht 10a aus einem Verbundstoff bestehend aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebracht ist. Das Schichtsystem 15b besteht ebenfalls aus einer ersten Schicht 9b aus Silikon über welche eine zweite Schicht 10b aus einem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebracht ist. Die Schichtsysteme 15a und 15b werden nun in einem zweiten Laminierungsschritt 32 stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, indem die Schichtsysteme 15a und 15b von den dritten Rollen 31a und 31b abgewickelt werden und über Umlenkrollen 17 zusammen gebracht und miteinander verpresst werden. Die hierfür benötigte Kraft, dargestellt durch Pfeile 33, ist hierbei abhängig von der Dicke der Schichtsysteme 15a und 15b, von den verwendeten Materialien sowie von der vorliegenden Temperatur der Materialien.
Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Laminierungsschritt 32 thermisch unterstützt werden. Das so entstandene Gesamtschichtsystem besteht nun aus einer ersten Schicht 9, aus einer zweiten Schicht 10, aus einer dritten Schicht 13 und aus einer vierten Schicht 14. Die ersten Schicht 9, die dritte Schicht 13 bestehen hierbei aus dem gleichen Material, nämlich aus Silikon. Die zweite Schicht 10, die vierte Schicht 14 bestehen ebenfalls aus dem gleichen Material, nämlich aus einem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei die zweite Schicht 10 und die vierte Schicht 14 elektrisch leitfähig ausgebildet sind. Das so entstandene Gesamtschichtsystem kann als elektromechanischer Wandler 150 aufgefasst werden. Der elektromechanische Wandler 150 kann optional auf eine vierte Rolle 33 aufgewickelt werden. In der zur vierten Rolle 33 aufgewickelten Form kann der elektromechanische Wandler 150 als Rollaktor verwendet werden.
In 8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers 150 gezeigt. Das Verfahren ist hierbei eine Erweiterung des Verfahrens zum Herstellen eines Schichtsystems aus 6. Der Unterschied liegt unter anderem darin, dass nach dem zweiten Beschichtungsschritt 25 bzw. dem dritten Trocknungsschritt 26 ein weiterer dritter Beschichtungsschritt 34 erfolgt, bei welchem das Substrat 4 mitsamt der ersten Schicht 9 und der zweiten Schicht 10 durch ein weiteres Tauchbecken 1 geführt wird, welches wiederum die erste Suspension 2 enthält. Hierbei werden die in der ersten Suspension 2 dispergierten ersten Partikel 3 aus Silikon über elektrochemische Abscheidung auf die zweite Schicht 10 abgeschieden. Die sich dadurch bildende dritte Schicht 13 zeichnet sich durch die gleichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften wie die erste Schicht 9 aus.
Das Substrat 4 mitsamt der darauf befindlichen ersten Schicht 9, der zweiten Schicht 10 und der dritten Schicht 13 wird danach in einem optionalen fünften Trocknungsschicht 35 getrocknet. Nach dem fünften Trocknungsschritt 35 erfolgt der vierte Beschichtungsschritt 36, bei welchen analog zu dem zweiten Beschichtungsschritt 25 zweite Partikel 11, welche in der zweiten Suspension 12 dispergiert sind, elektrochemisch auf die dritte Schicht 13 abgeschieden bzw. aufgebracht werden. Die sich so ausbildende vierte Schicht 14 besteht somit, wie die zweite Schicht 10, aus dem Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und hat damit die gleichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften wie die zweite Schicht 10. Optional kann wiederum ein sechster Trocknungsschritt 46 erfolgen, bei welchem die flüssigen Reste der zweiten Suspension 12 von der vierten Schicht 14 thermisch und/oder mechanisch entfernt werden.
Fakultativ kann nun der erste Laminierungsschritt 27 erfolgen, bei welchem analog zu dem Verfahren aus 6 das Schichtsystem 15 mit einer weiteren Schicht aus versteifenden Materialien versehen wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass über die Walzen 37 das versteifende Material, beispielsweise bestehend aus einem Netz bzw. Streifen, auf das Schichtsystem 15 aufgebracht wird. Fakultativ kann ein siebter Trocknungsschritt 38 erfolgen.
Es folgt nun der Delaminierungsschritt 29, bei welchem das Schichtsystem 15 bestehend aus der ersten Schicht 9, der zweiten Schicht 10, der dritten Schicht 13 und der vierten Schicht 14 von dem Substrat 4 delaminiert bzw. getrennt wird. Das Substrat 4 wird hierbei zu einer zweiten Rolle 30 aufgewickelt, welche als erste Rolle 16 am Anfang eines nachfolgenden Verfahrens wiederverwendet werden kann. Die erste Schicht 9, die zweite Schicht 10, die dritte Schicht 13 und die vierte Schicht 14, welche insgesamt einen elektromechanischen Wandler 150 bilden, werden zu einer dritten Rolle 31 aufgewickelt. Die dritte Rolle 31 bildet hierbei wieder einen Rollaktor.
In 9 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 150 bestehend aus der ersten Schicht 9, der zweiten Schicht 10, der dritten Schicht 13 und der vierten Schicht 14 dargestellt. Diese vier Schichten 9, 10, 13, 14, auch als Schichtsystem 15 bezeichnet, sind noch nicht von dem Substrat 4, welches sich unterhalb des Schichtsystems 15 befindet, delaminiert. Über der vierten Schicht 14 ist eine Versteifungsschicht 39 in Form von parallelen Streifen 40 aufgebracht. Weiterhin ist ein Koordinatensystem 100 mit drei zueinander orthogonalen Achsen 101, 102 und 103 dargestellt. Das Substrat 4 und die Schichten 9, 10, 13 und 14 des elektromechanischen Wandlers 150 sind parallel zu einer Ebene, die von den Achsen 101 und 102 aufgespannt wird. Die Ausdehnung der Schichten 9, 10, 13, 14 in dieser Ebene können mehrere Millimeter, bevorzugt mehrere Zentimeter und besonders bevorzugt mehrere Dezimeter betragen. Das Substrat 4 ist im Wesentlichen glatt, flexibel sowie mechanisch und thermisch stabil und dient hierbei vornehmlich als Trägerfolie für die nachfolgend aufgebrachten Schichten 9, 10, 13, 14 des elektromechanischen Wandlers 150.
Die Grundstruktur des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 150 besteht aus der zweiten Schicht 10, der dritten Schicht 13 und der vierten Schicht 14, wobei die zweite Schicht 10 und die vierte Schicht 14 aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen Material und die dritte Schicht 13 aus einem elastischen dielektrischen Material bestehen.
Der elektromechanische Wandler 150 in 9 weist in Richtung der Achse 103 das Schichtsystem 15 auf, wobei die erste Schicht 9 und die dritte Schicht 13 aus dem gleichen Material bestehen, nämlich aus einem elastischen dielektrischen Material, vorzugsweise aus Silikon bzw. aus einem Flüssigsilikonkautschuk. Die Dicke der ersten Schicht 9 und der dritten Schicht 13 kann hierbei ca. 0,1 µm bis 50 µm betragen. Das Silikon kann ein Elastizitätsmodul von kleiner als 1 N/mm², eine Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstante bzw. Dielektrizitätszahl von größer als 2,8 und eine Durchschlagsfestigkeit von größer als 20 kV/mm aufweisen. Die zweite Schicht 10 und die vierte Schicht 14 bestehen aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen Material, das eine Dicke von ca. 0,1 µm bis 30 µm aufweisen kann. Es kann sich hierbei wieder um ein Silikon bzw. ein Flüssigsilikonkautschuk handeln, das eine Beimischung von elektrisch leitfähigen Materialien aufweist. Bei den elektrisch leitfähigen Materialien kann es sich hierbei beispielsweise um Partikel aus Silber, Graphit, Ruß und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen handeln. Der Anteil der leitfähigen Materialien am Volumen der Schicht kann dabei derart gewählt werden, dass sich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Partikeln der leitfähigen Materialien ausbildet. Die zweite Schicht 10 und die vierte Schicht 14 können als Elektroden ausgestaltet sein, an die über eine externe Spannungsversorgung 41 eine Spannung angelegt werden kann. Dadurch bildet sich zwischen der zweiten Schicht 10 und der vierten Schicht 14 analog zu einem Kondensator in Richtung der Achse 103 eine elektrostatische Kraft aus, die die dritte Schicht 13 zusammendrückt. Das elektrische Feld kann hierbei ca. 90 V/ µm betragen. Da die dritte Schicht 13 aus einem kompressiblen Material wie beispielsweise Silikon besteht, dehnt sich die dritte Schicht 13 in der Schichtebene parallel zu den Achsen 101 und 102 aus. Dieser Dehnungseffekt in Richtung der Achsen 101 und 102 und/oder der Stauchungseffekt in Richtung der Achse 103 kann sowohl zu Ausüben als auch zum Sensieren einer mechanischen Kraft genutzt werden. Auf der vierten Schicht 14 sind parallel zur Achse 102 parallele Streifen 40 aufgebracht. Die parallelen Streifen 40 können beispielsweise aus einem Lack gefertigt sein, welcher einen im Vergleich zu den Materialien der Schichten 9, 10, 13, 14 relativ hohen Elastizitätsmodul von beispielsweise größer 2000 N/mm² aufweist. Die parallelen Streifen 40 weisen eine Querschnittsfläche auf, die neben dem Elastizitätsmodul des verwendeten Materials die Steifigkeit der parallelen Streifen 40 in Richtung der Achse 102 bestimmt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es denkbar, dass die erste Schicht 9 und die dritte Schicht 13, die aus dem Silikon bestehen, eine Schichtdicke von ca. 5 µm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die zweite Schicht 10 und die vierte Schicht 14, die das Gemisch aus Silikon und Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthalten, eine Schichtdicke von ca. 1 µm aufweisen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems (15) mit den Schritten - Aufbringen (23) einer ersten Schicht (9) eines ersten elastischen Materials auf ein Substrat (4), - Aufbringen (25) einer zweiten Schicht (10) eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht (9), - Aufbringen (34) einer dritten Schicht (13) des ersten elastischen Materials auf die zweite Schicht (10), - Aufbringen (36) einer vierten Schicht (14) des zweiten elastischen Materials auf die dritte Schicht (13), - Aufbringen (27) und/oder Einbringen (27) einer fünften Schicht (39) eines das Schichtsystem (15) wenigstens in einer von zwei lateralen Richtungen versteifenden Materials (40) an eine äußere Schicht (9, 14) des Schichtsystems (15) und/oder zwischen zwei Schichten (10, 13) des Schichtsystems (15), wobei entweder das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist oder wobei das zweite elastische Material elektrisch leitfähig ist und das erste elastische Material ein Dielektrikum aufweist, wobei das erste elastische Material und/oder das zweite elastische Material durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht wird, und wobei eine oder mehrere der Schichten (9, 10, 13, 14, 39) Schichtdicken von weniger als 5 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verfahrensschritte ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Delaminierungsschritt (29), wobei das Schichtsystem (15) nach dem Aufbringen der Schichten (9, 10, 13, 14) von dem Substrat (4) delaminiert wird.
Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers (150) mit einem Schichtsystem (15) nach einem Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Laminierungsschritt (32), wobei ein wenigstens erstes Schichtsystem (15a) mit einem wenigstens zweiten Schichtsystem (15b) derart laminiert wird, dass jeweils Schichten (10a) des ersten elastischen Materials und Schichten (9b) des zweiten elastischen Materials miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Aufrollschritt, wobei der elektromechanische Wandler (150) zu einem Rollaktor aufgerollt wird.
Elektromechanischer Wandler (150), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem Schichtsystem (15) mit einer Schichtfolge von wenigstens drei aufeinander folgenden, planen Schichten (9, 10, 13), wobei die erste und dritte Schicht (9, 13) ein erstes elastisches Material und die zweite Schicht (10) ein zweites elastisches Material aufweisen, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Material und/oder das zweite elastische Material elektrochemisch abscheidbar ist.
Elektromechanischer Wandler (150) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Material als Elektrode ausgestaltet ist.
Elektromechanischer Wandler (150) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein Elastomer ist.
Elektromechanischer Wandler (150) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Material als ein Verbundmaterial ausgestaltet ist, welches ein die mechanischen Eigenschaften bestimmendes elastisches Trägermaterial und die elektrische Leitfähigkeit bestimmende leitfähige Komponenten aufweist.