DE102019123887B4

DE102019123887B4 - Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019123887B4
Application number: DE102019123887.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Türke; Thomas Mechelhoff; Anne Risthaus; Uwe Steinkamp; Daniel Lipp; Andreas Windhaus; Urs Hunziker; Karl Rametsteiner
Original assignee: CRRC New Material Technologies GmbH
Current assignee: CRRC New Material Technologies GmbH
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: DE102019123887A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130) für eine dielektrische Elastomer Vorrichtung (100), insbesondere einen dielektrischen Elastomer Aktor und/oder einen dielektrischen Elastomer Sensor, wobei das Verfahren aufweist:Bereitstellen eines Basismaterials (210), welches eine Basisfläche (212) aufweist, wobei das Basismaterial (210) Teil einer Elektrode (110) ist, und wobei die Basisfläche (212) ein elektrisch leitfähiger, metallischer funktioneller Bereich der Elektrode (110) ist;Bilden einer Elastomerschicht (230) aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial auf der Basisfläche (212),wobei die Elastomerschicht (230) einen ersten Bereich (230a) und einen zweiten Bereich (230b) aufweist,wobei der zweite Bereich (230b) auf dem ersten Bereich (230a) angeordnet ist, undwobei der erste Bereich (230a) räumlich näher an dem Basismaterial (210) angeordnet ist als der zweite Bereich (230b);Aushärten des ersten Bereichs (230a) der Elastomerschicht (230); danachEinstellen der Dicke (d) der Elastomerschicht (230) durch Entfernen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial des zweiten Bereichs (230b); und danachAushärten des zweiten Bereichs (230b) der Elastomerschicht (230) derart, dass die Elastomerschicht (230) ein ausgehärtetes und/oder vollständig vernetztes Dielektrikum (130) bildet;wobei das Verfahren in einem reel-to-reel Prozess durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische (Elastomer) Vorrichtung (insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der dielektrischen Vorrichtung.
Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von dielektrischen Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die vorliegende Erfindung auf ein Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung beziehen. Weiter insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen Aktoren und/oder dielektrischen Sensoren beziehen.
Eine dielektrische Vorrichtung, wie z.B. ein dielektrischer Aktor (DEA), ein dielektrischer Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS), ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (p_el) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstante, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt.
Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck p_eq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck p_el und lässt sich berechnen als: p_eq = ε₀*ε_r*(U²/z²), wobei ε₀ die Permittivität des Vakuums, ε_r die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist.
Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/µm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %.
Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann.
Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Materialkosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen.
Konventionell wird zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung das fertige Dielektrikum zwischen zwei Elektrodenplatten angeordnet. Ferner sind Laminierverfahren bekannt, bei welchen eine Elektrodenfolie und ein fertiges Dielektrikum laminiert werden. Allerdings sollte das für einen gebrauchsoptimalen Spannungsbereich erwünschte Material besonders dünn sein, wofür aber die aus dem Stand der Technik bekannten Laminierverfahren nicht geeignet sind.
Für die Herstellung, insbesondere die grossvolumige industrielle Herstellung, von dielektrischen Vorrichtungen werden daher neue Herstellungsverfahren gesucht, welche diese Problematik vereinfachen. Insbesondere sind Herstellungsverfahren von Interesse, welche bei der Komprimierung einer dielektrischen Vorrichtung keine seitlichen (x- und y-Richtung) Elastomerauspressungen produzieren.
DE 10 2014 201 689 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Silikonmehrschichtverbunden. Aufgabe ist es, kontinuierlich sehr dünne und gleichmäßige Silikonmehrschichtverbunde herzustellen, welche eine Dicke zwischen 0,1 und 200 µm aufweisen und eine Genauigkeit von +/- 5%.
DE 10 2017 120 210 A1 beschreibt ein Schichtabfolge-Element, welches zum Herstellen eines dielektrischen Elastomerwandlers verwendet werden soll. Man möchte eine möglichst dünne Elastomerschicht mit einer Dicke von weniger als 10 µm bereitstellen und schlägt das Verwenden eines Schichtabfolge-Element Rohlings vor, welcher in ein flüssiges Elastomer (z.B. Silikonmaterial) getaucht wird.
DE 10 2014 005 851 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Elastomer-Aktuatoren mittels eines Rolle-zu-Rolle Verfahrens. Es soll eine besonders dünne Elastomerfolie (weniger als 10 µm) bereitgestellt werden. Das Elastomermaterial wird auf eine Trägerfolie aufgebracht und eine Elektrodenschicht wird darüber angeordnet. Als Transportmittel werden Transportperforationen eingesetzt.
WO 2009 / 112 988 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines Elastomers für einen DEAS, wobei nach anstelle eines Elastomers auch ein Polymerschaum (Silikon, Polyurethan etc.) verwendet werden kann. WO 2006 / 077 403 A1 wiederum beschreibt detailliert ein Verfahren zum Bereitstellen eines Silikon-Schaums, erwähnt aber keinen DEAS.
DE 10 2012 016 378 A1 beschreibt einen dielektrischen Elastomeraktor und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Der DEAS weist eine dielektrische Polymerschicht auf, in welche Vertiefungen eingebracht sind, z.B. mittels eines Laserstrahls.
DE 10 2018 105 521 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines linearen elektroaktiven koaxialen Polymeraktors. Der Polymeraktor ist länglich (kabelförmig) ausgebildet und jede aufgetragene Schicht umschließt die zuvor aufgetragene Schicht. Es soll eine möglichst dünne Schichtdicke erreicht werden.
Begonnen wird die Herstellung mit einer ersten Elektrodenschicht, welche gefolgt wird von einer zweiten Elastomer-Schicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes und robustes Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (insbesondere mit einer geringen und konstanten Dicke) für eine dielektrische Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren beschrieben zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Elastomer Vorrichtung, insbesondere einen dielektrischen Elastomer Aktor und/oder dielektrischen Elastomer Sensor. Das Verfahren weist auf:

i) Bereitstellen eines Basismaterials, welches eine Basisfläche aufweist, wobei das Basismaterial Teil einer Elektrode ist, und wobei die Basisfläche ein elektrisch leitfähiger, metallischer funktioneller Bereich der Elektrode ist;
ii) Bilden einer Elastomerschicht aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial auf der Basisfläche, wobei die Elastomerschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der zweite Bereich auf dem ersten Bereich angeordnet ist, und wobei der erste Bereich räumlich näher an dem Basismaterial angeordnet ist als der zweite Bereich;
iii) Aushärten des ersten Bereichs der Elastomerschicht; danach
iv) Einstellen der Dicke der Elastomerschicht durch Entfernen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial des zweiten Bereichs; und danach
v) Aushärten des zweiten Bereichs der Elastomerschicht derart, dass die Elastomerschicht ein ausgehärtetes und/oder vollständig vernetztes Dielektrikum bildet; wobei das Verfahren in einem reel-to-reel Prozess durchgeführt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Elastomer Vorrichtung, insbesondere einem dielektrischer Elastomer Aktor und/oder einem dielektrischen Elastomer Sensor, beschrieben. Das Verfahren weist auf: i) Bereitstellens eines elastischen Dielektrikums wie oben beschrieben, hierbei ii) Aufbringen von Elektrodenmaterial auf den noch nicht ausgehärteten zweiten Bereich des Elastomermaterials (insbesondere nach dem Aushärten des ersten Bereichs), und iii) Bilden einer Elektrode aus dem Elektrodenmaterial (insbesondere derart, dass die Elektrode an dem Dielektrikum haftet, bzw. steuerbar haftet).
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer Aktor (DEA)“ insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer Sensor (DES)“ insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung gewonnen.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer Aktor und Sensor (DEAS)“ insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welche für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt.
Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode“ insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten (beispielsweise Kupfer auf Polymer) zu vermeiden, sind auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum“ insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elastomermaterial“ insbesondere ein elastisches (Polymer) Material verstanden werden, aus welchem (z.B. durch Formen und Aushärten) ein elastisches Dielektrikum hergestellt werden kann. Das Elastomermaterial kann homogen sein oder eine Mischung verschiedener Elastomermaterialien aufweisen. Ferner kann das Elastomermaterial auch Verstärkungselemente (z.B. Glasfasern) aufweisen. Das Elastomermaterial kann in einem nicht-ausgehärteten Zustand (z.B. nicht vollständig vernetzt und/oder im Wesentlichen nicht fest) auf ein Basismaterial aufgetragen werden. Das Elastomermaterial kann die Eigenschaft aufweisen, dass es von einem nicht-ausgehärteten Zustand in einen ausgehärteten Zustand übergehen kann. Sowohl duroplastische als auch thermoplastische Kunststoffe mit elastischen Eigenschaften können als Elastomermaterial geeignet sein, besonders bevorzugt können vernetzte Elastomere sein, da diese in weiten Bereichen nicht temperaturabhängig sind.
In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten“ insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nichtausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann ein „Aushärten“ auch ein „noch nicht vollständiges Vernetzen“ bezeichnen. Der Begriff „vollständig vernetzt“ kann in diesem Zusammenhang auch „im Wesentlichen vollständig vernetzt“ bedeuten, wobei unvermeidbare nicht vernetzte Rückstände toleriert werden.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „im Wesentlichen fest“ insbesondere verstanden werden, dass ein Material (insbesondere ein elastisches Dielektrikum) prinzipiell in einem festen Zustand vorliegt bzw. als Feststoff wahrgenommen werden kann. Beispielsweise liegen Silikonpolymere und Gläser prinzipiell in einem festen Zustand vor, obwohl sie chemisch betrachtet (unterkühlte) Fluide sind. Gleiche Betrachtung lässt sich auch auf Elastomermaterial anwenden, welches in einem nicht ausgehärteten (bzw. nicht vollständig vernetzten) Zustand nicht fest ist, während es in einem ausgehärteten (bzw. vollständig vernetzten) Zustand als fest anzusehen ist. Der Begriff „im Wesentlichen fest“ kann auch mittels der Viskosität beschrieben werden. So kann ein Material mit einer Viskosität von z.B. über 10⁸ Ns/m² als (im Wesentlichen) fest angesehen werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass ein besonders dünnes Dielektrikum mit besonders konstanter Dicke für eine dielektrische Vorrichtung bereitgestellt werden kann, wenn ein noch nicht ausgehärtetes Elastomermaterial (z.B. ein zumindest teilweise flüssiges Polymer) direkt auf einem Basismaterial (insbesondere eine Elektrode) abgeschieden wird, und wobei ein Einstellen der Schichtdicke zwischen einem (gezielten) Aushärten des unteren Bereichs (näher an dem Basismaterial) des Elastomermaterials und einem (gezielten) Aushärten des oberen Bereichs des Elastomermaterials durchgeführt wird. Durch das Einstellen der Schichtdicke auf einem ausgehärteten (vernetzten) stabilisierenden unteren Elastomerbereich kann ein besonders vorteilhaftes elastisches Dielektrikum bereitgestellt werden, dessen Dicke konstant, homogen, und dünn ist. Dadurch können Feldverschiebungen reduziert und die Sensitivität (z.B. eines dielektrischen Aktors/Sensors) erhöht werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das beschriebene Verfahren die folgenden Vorteile ermöglichen:

i) Aussergewöhnliche Reinheit der beteiligten Komponenten. Bereits bei minimalen Fremdmaterialanteilen könnte eine Feldstörung produziert werden, welche dann eine reduzierte Hochspannungsfestigkeit in einer dielektrischen Vorrichtung bewirkt.
ii) Besondere Homogenität der noch flüssigen Materialien. Mangelhafte Homogenität in den Ausgangsmaterialien kann zu einer Verschiebung der relativen Dielektrizitätskonstante im Inneren des Materials führen, was wiederum eine Feldverzerrung bewirken kann. Entsprechende Feldverzerrungen können ebenfalls zu einer tieferen Hochspannungsfestigkeit oder einer damit verbundenen reduzierten Lebenserwartung des entsprechenden Bauteils führen. iii) Vermeidung von Lufteinschlüssen. Diese können ebenfalls eine Feldverzerrung mit den oben genannten Folgen bei einer für dielektrische Vorrichtungen üblichen hohen Spannung auslösen.
iv) Dickenvariationen minimieren. Dadurch können weniger relevante Feldverschiebungen auftreten. Es wurde gefunden, dass ab einer Dickengenauigkeit von 20%, und genauer, über die gesamte Fläche ein erwünschtes Ergebnis erzielt werden konnte. Bei Dickengenauigkeiten von unter 5% wurden besonders erwünschte Ergebnisse erreicht. Bei Dicken von 20 Mikrometern bedeuten 20 Prozent bereits eine Präzision von 4 Mikrometern, was einem 25-igstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Solche Produktionsergebnisse bedürfen der Kombination der Kompetenzen von verschiedenen Fachgebieten wie Verfahrenstechnik, Chemie, Mechatronik, und Regeltechnik.
v) Vermeidung einer anisotropen Elastomerausgestaltung. Eine solche kann durch Laminierprozesse oder anderen Verfahren entstehen, bei welchen eine dünne Folie abgerollt wird und so aufgrund der Abzugsspannung eine Anisotropie bezüglich der Elastizitätseigenschaften geschaffen ist. Dies kann eine Nichtlinearität in der Bewegungsfreiheit in z-Richtung bewirken.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der erste Bereich eine Dicke von 350 µm oder weniger, insbesondere 300 µm oder weniger, insbesondere 200 µm oder weniger, insbesondere 100 µm oder weniger, weiter insbesondere 20 µm oder weniger, weiter insbesondere 5 µm oder weniger, auf. Dies hat den Vorteil, dass ein besonders dünner Bereich effektiv vorverfestigt werden kann, um eine stabile Basis zum Einstellen der Dicke bereitzustellen.
Ein Optimieren der gewünschten Endeigenschaften des Dielektrikums (z.B. konstante und geringe Dicke) kann besonders vorteilhaft gelingen, wenn eine initiale partielle Vorverfestigung des Elastomermaterials durchgeführt wird. Dieses gezielte Aushärten kann insbesondere in einem ersten Bereichs (Nahzone) des Elastomermaterials direkt an dem Basismaterial (z.B. Trägerfolie) durchgeführt werden. Besonders zweckdienliche Ergebnisse wurden mit einer Nahzone mit einem ersten Bereich von 0 bis 200 µm erreicht. Besonders bevorzugte Ergebnisse wurden für noch geringere Dicken, z.B. von 0 bis 20 µm erzielt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Einstellen der Dicke der Elastomerschicht ferner auf: teilweises Entfernen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial des zweiten Bereichs und/oder Hinzufügen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial zu dem zweiten Bereich. Dies hat den Vorteil, dass die gewünschten Endeigenschaften des Dielektrikums flexibel und gezielt gesteuert werden können.
Wie oben beschrieben, wird auf die Basisfläche des Basismaterials ein zuerst noch flüssiges (nicht ausgehärtetes) Dielektrikum abgeschieden, für welches die relevanten Enddicken nach Verfestigung, von z.B. unter 200 Mikrometern, in dem unteren Bereich erreicht werden. Zum Einstellen der gewünschten Dicke kann entweder ein entsprechender Mehrauftrag aufgebracht werden (im Falle, dass nach der Verfestigung (Aushärten, Vernetzung) die Dicke reduziert wird), oder es kann eine entsprechende Abtragung (Entfernen) durchgeführt werden.
Ein solch dünner Auftrag kann z.B. gewählt wird, wenn das Elastomermaterial während des Verfestigens Quellungen aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Einstellen der Dicke der Elastomerschicht auf: Einstellen der Dicke (insbesondere mittels Entfernen oder Hinzufügen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial) derart, dass das elastische Dielektrikum eine Dicke von 200 µm oder weniger, insbesondere 150 µm oder weniger, weiter insbesondere 100 µm oder weniger, aufweist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass ein besonders dünnes Dielektrikum bereitgestellt wird, wodurch z.B. Feldverschiebungen unterdrückt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Basismaterial eine Dicke von 50 µm oder weniger auf. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders dünne dielektrische Vorrichtung bereitgestellt werden kann, wobei das Basismaterial aber noch robust genug ist, um das Abscheiden des Dielektrikums zu stabilisieren. Insbesondere in Zusammenhang mit dielektrischen Vorrichtungen wie Aktoren oder Sensoren können geringe Dicken besonders vorteilhaft (z.B. in Hinblick auf Sensivität) sein.
Die Elektrode kann eine Gesamtdicke (z.B. elektrisch leitfähiges Material und Trägermaterial zusammen) von unter 50 Mikrometern aufweisen. Bei grösseren Dicken würde die Elektrodendicke gegenüber der Dielektrikumdicke zu groß, so dass gewünschte Aktor- oder Sensorsensivitäten zu stark reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial Teil einer Elektrode.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Basisfläche ein elektrisch leitfähiger, insbesondere metallischer, funktioneller Bereich der Elektrode. Dies hat den Vorteil, dass das elastische Dielektrikum direkt auf einer Elektrode bereitgestellt werden kann, wodurch die Herstellung einer dielektrischen Vorrichtung schnell und effizient gelingt.
Eine Elektrode kann einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit einer Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Der funktionelle Bereich kann die Basisfläche aufweisen, so dass das Dielektrikum direkt an der vorgesehenen Position abgeschieden werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Elektrode eine Mehrschicht-Elektrode, welche ein Trägermaterial, insbesondere ein Polymer, aufweist. Hierbei ist der funktionelle Bereich auf dem Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Dies kann den Vorteil haben, dass die Elektrode flexibel und/oder stabil aufgebaut werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen der Elektrode eine metallische (leitfähige) Beschichtung auf ein Trägermaterial aufgebracht. Das Trägermaterial kann z.B. ein isolierendes Gewebe und/oder ein Vlies sein. Dabei kann die Beschichtungsdicke kleiner oder sehr viel kleiner als die Dicke des isolierenden Trägermaterials sein. Die Strukturierungen (z.B. als Öffnungen, Bewegungszonen, Verdrängungsraum) können durch einen inhärenten konstruktiven Aufbau des Trägermaterials gegeben sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Elektrode aus einem leitfähigen Vlies und/oder Gewebe und/oder einer metallischen Membrane, welche mit einem Isolator beschichtet oder zumindest in direktem Kontakt mit dem Isolator ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Elektrode einen mehrschichtigen Aufbau auf. Beispielsweise kann dieser schichtweise Aufbau aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus verschiedenen Metallen, bestehen. Elektrisch isolierendes Trägermaterial kann innerhalb der dielektrischen Vorrichtung über eine Überbrückungsstruktur mechanisch oder elektrisch überbrückt werden, um den funktionellen Bereich zu kontaktieren.
Das Trägermaterial kann vorteilhaft besonders stabil sein, um als Basisplattform den Metallbereich (funktioneller Bereich) effizient zu tragen und Bewegungen des Elastomers in x- und y-Richtung zu begrenzen. In einem Beispiel kann die gesamte Elektrode z.B. eine Dicke um 50 µm aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode als eine metallisierte Polyesterfolie, insbesondere als ein Steinerfilm (Kondensatorfolien der Firma Steiner GmbH, D-57339 Erndtebrück, z.B. Steinerfilm T), ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial eine Polymerfolie. Insbesondere ist die Basisfläche eine Polymerfläche, weiter insbesondere ist das Basismaterial eine einseitig metallisierte Polymerfolie. Dies kann den Vorteil haben, dass ein besonders stabilisierendes Basismaterial bereitgestellt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel findet das Aufbringen des Elastomermaterials nicht unmittelbar auf der metallischen Elektrode statt, sondern auf eine einseitig metallisierte Polymerfolie. Eine solche kann z.B. eine mit Aluminium als Metall bedampfte Polymer-Folie (z.B. PET, PEN, PSU, PPSU) sein. Eine solche (metallisierte) Polymerfolie kann sehr stabil und robust sein. Durch diese Belastbarkeit kann ein Abscheiden von Elastomermaterial mit relativ hohen Verformungskräften (z.B. Rakeln oder Siebdruck) ermöglicht sein. Dies insbesondere auch bei hohen Viskositäten und Scherkräften (siehe Siloxane). Eine solche Stabilität kann schließlich auch zu einer höheren mechanischen Belastbarkeit einer fertigen dielektrischen Vorrichtung führen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial (z.B. eine Trägerfolie) zumindest teilweise hochtransparent (für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht). Dies hat den Vorteil, dass eine initiierte Vernetzungsreaktion (insbesondere mittels UV Bestrahlung) effizient (insbesondere verkürzte Vernetzungszeit) und gezielt durchgeführt werden kann.
In einem Beispiel weist das Basismaterial eine Metallschicht und eine Polymerschicht auf, wobei das Polymermaterial (hoch)transparent ist. Das Elastomermaterial wird auf die Polymerschicht abgeschieden und dann gezielt (teilweise) ausgehärtet mittels UV Bestrahlung. Weil die Polymerfolie (zumindest teilweise) transparent ist, durchquert die UV-Strahlung die Polymerfolie und wird von der darunterliegenden Metallschicht reflektiert, insbesondere total reflektiert. Hierdurch kann die UV Bestrahlung des Elastomermaterial besonders effektiv
sein und die Vernetzungszeit kann sich deutlich verkürzen lassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Basismaterial eine Steifigkeit von 1 GPa oder mehr, insbesondere 5 GPa oder mehr, weiter insbesondere 30 GPa oder mehr, auf. Diese besonders hohe Steifigkeit kann den Vorteil haben, dass eine unerwünschte nichtlineare Verformung einer fertigen dielektrischen Vorrichtung im Betrieb unterbunden werden kann. Dies deswegen, weil das Dielektrikum zwischen steifen Basismaterialien weniger zu den Seiten herausgedrückt wird.
In einem Beispiel kann das Basismaterial eine besonders steife Kunststofffolie sein. In einem anderen Beispiel kann das Basismaterial auch eine steife Metallfolie, z.B. aus einem nichtrostenden Metall, sein. Die Steifigkeit des Basismaterials kann dabei helfen, dass das elastische Dielektrikum nicht auf der Seite herausgepresst wird und so eine stark nichtlineare Verformung der dielektrischen Vorrichtung entsteht. Die oben beschriebene Steinerfolie weist z.B. eine Steifigkeit von etwa 5 GPa auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial zumindest teilweise strukturiert und/oder perforiert. Dies kann sowohl den Vorteil bereitstellen, dass ein Verdrängungsraum für das elastische Dielektrikum geschaffen ist, als auch, dass ein (steuerbares) Anhaften des Elastomermaterials an das Basismaterial verbessert ist.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Strukturierungen“ insbesondere jegliche Struktur eines Basismaterials bzw. einer Elektrode verstanden werden, welche nicht planar mit der Fläche (z.B. bei einer Plattenförmigen Elektrode) der Elektrode ist. In anderen Worten ist die Struktur in einer Höhenrichtung (z) orientiert, welche senkrecht zu den zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) der Elektrode(nfläche) ist. Strukturierungen können z.B. Ausbuchtungen sein.
Der Begriff „Perforationen“ kann jegliche Öffnung in dem Basismaterial bzw. einer Elektrode bezeichnen. Eine Perforation kann z.B. als Schlitz, Apertur, oder Aussparung ausgebildet sein. Eine solche Perforation kann einen Raum für verdrängtes elastisches Dielektrikum bereitstellen.
In einem Beispiel wird das Basismaterial (bzw. die Basisfläche) vor dem Aufbringen des Elastomermaterials mechanisch verformt, also z.B. strukturiert oder perforiert (z.B. mittels Plasmaverfahren). Dadurch kann die Haftung verbessert werden (wenn z.B. flüssiges Elastomermaterial in die Strukturierungen fließt und dann ausgehärtet wird) und/oder ein Verdrängungsraum für die (vertikale) Verdrängungsbewegung des Elastomers kann geschaffen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Viskosität des festen Dielektrikums 10⁸ Ns/m² oder mehr (siehe hierzu die Definition des Begriffs „im Wesentlichen fest“ oben). Dies hat den Vorteil, dass das Elastomermaterial mit den erwünschten Eigenschaften ausgehärtet (bzw. vollständig vernetzt) vorliegt und ein vorteilhaftes elastisches Dielektrikum bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Bilden von Poren in dem Dielektrikum. Insbesondere wobei die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger aufweisen. Insbesondere wobei die Poren 40 Volumenprozent oder weniger des Dielektrikums ausmachen. Dies kann den Vorteil haben, dass überraschend vorteilhafte und erwünschte Poren während des Herstellungsverfahrens auf einfache Weise eingeführt werden können.
Durch die so produzierten Poren bzw. Gasblasen können innerhalb des Dielektrikums Reserveräume entstehen, in welchen das während des Betriebs verdrängte Dielektrikum eindringen kann und bei Verringerung des Elektrodenabstandes nicht seitlich ausweichen muss. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei mikro- bis nanoskaline Poren (Poren < 20 Mikrometer Durchmesser) erwiesen. Ebenfalls besonders vorteilhaft kann eine grosse Zahl (homogen) verteilter Poren sein, welche nicht mehr als 40% des Gesamtvolumens des Dielektrikums ausmachen.
In einem Ausführungsbeispiel wird das nicht ausgehärtete (flüssige) Dielektrikum mit einem Mittel versehen, das eine mikro- oder nanoskaline Gasblasenexpansion erlaubt. Dieser Expansionsprozess findet idealerweise in der Verfestigungsphase statt, so dass keine oder nur eine minimale Gasblasenkoagulation entsteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bilden von Poren auf: Beaufschlagen der nicht ausgehärteten Elastomerschicht mit einem Fluid, insbesondere CO₂, bei vorbestimmtem Druck, und Absenken des vorbestimmten Drucks während des Aushärtens. Dies hat den Vorteil, dass die überraschend vorteilhaften Poren effizient eingeführt werden können.
Ein beispielhafter Prozess zur Herstellung der Poren (Gasblasen) besteht darin, das flüssige Dielektrikum mit CO₂ unter Überdruck zu beaufschlagen und diesen Druck dann beim Verfestigungsprozess abzusenken, so dass das hineindiffundierte CO₂ in der Gasphase expandiert und die Gasblasen bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist eine Variation der Dicke des Dielektrikums 20 % oder weniger, insbesondere 5 % oder weniger, bezogen auf die mittlere Dicke auf. Diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung mit im Wesentlichen konstanter Dicke ermöglicht einen effizienten Betrieb einer dielektrischen Vorrichtung.
Bei Dielektrikum-Dicken von 20 Mikrometern bedeuten 20 Prozent schon eine Präzision von 4 Mikrometern, was einem 25-igstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Zum Erreichen eines solchen Ergebnisses kann eine umfangreiche Kombination der Kompetenzen von verschiedenen Fachgebieten wie Verfahrenstechnik, Chemie, Mechatronik und Regeltechnik notwendig sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Zugeben eines Additivs zu dem Elastomermaterial, wobei die Dielektrizitätskonstante des Additivs von der Dielektrizitätskonstante des Elastomermaterials verschieden ist. Dies kann den Vorteil haben, dass erwünschte Eigenschaften des Dielektrikums flexibel steuerbar sind.
Additive können beispielsweise Vernetzer, Peroxide, Initiatoren, oder Stabilisatoren umfassen, welche an dem Aushärteprozess (z.B. durch Vernetzungsreaktionen) teilnehmen. In einem anderen Beispiel kann das Additiv auch eine Glasfaser sein, welche eingebettet in Elastomermaterial die Stabilität erhöht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Verfahren in einem reel-to-reel (Rolle zu Rolle) Prozess durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren besonders effizient und kostengünstig durchgeführt werden kann.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „reel-to-reel“ insbesondere eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren bezeichnen, welche(s) konfiguriert ist einen reel-to-reel Prozess durchzuführen. In einer einfachsten Ausführungsform weist eine reel-to-reel Maschine zwei Rollen auf. Ein Folien-ähnliches Material kann hierbei auf der ersten Rolle aufgewickelt sein und über einen Transportweg mit der zweiten Rolle verbunden sein. Im Betriebszustand können beide Rollen rotieren, vorzugsweise in dieselbe Richtung. Hierbei kann das Folien-ähnliche Material von der ersten Rolle abgewickelt werden, über den Transportweg transportiert werden, und dann auf der zweiten Rolle aufgewickelt werden. Der Transportweg kann hierbei die Möglichkeit bieten, das Folien-ähnliche Material zu bearbeiten und/oder weiteres Material aufzutragen. Beispielsweise kann das Folien-ähnliche Material ein Leiterplattenmaterial sein, welches auf dem Transportweg bestückt wird. In einem anderen Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Trägerfolie sein, auf welche Elastomermaterial aufgetragen werden kann (z.B. zum Bilden eines elastischen Dielektrikums). In einem weiteren Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Elastomerfolie sein, aus welcher ein elastisches Dielektrikum hergestellt wird. Ferner kann eine reel-to-reel Maschine so eingerichtet sein, dass über ein Einstellen von Prozessparametern der Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden kann. Beispielsweise derart, dass eine gezielte Streckung und damit eine Vorzugsrichtung in einem Dielektrikum bereitgestellt wird. Die Richtung des Transportweges kann als Maschinenfertigungsrichtung (machine direction, MD) bezeichnet werden.
Weiterhin kann die senkrecht hierzu orientierte Breite des Transportweges (bzw. Breite des Folien-ähnlichen Materials) als Maschinenbreitenrichtung (cross-direction, CD) bezeichnet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Basismaterial in Form einer Folie auf einer Rolle (reel) bereitgestellt und zu einer weiteren Rolle weitertransportiert. Somit liegt das anfängliche Basismaterial und das End- oder Zwischenprodukt in Form einer Folie vor.
Die Schwierigkeit der Prozessführung kann mit einer Verminderung der Wandstärken deutlich ansteigen. Die Kombination hoher Elastizität, ausgeprägtem Dehnungsverhalten und Verletzbarkeit im Dünnbereich, gestattet entweder nur eine Verarbeitung mit bedeutenden MD-CD Unterschieden, oder aber, bei Einhaltung einer quasi spannungsfreien Verarbeitung von Rolle zu Rolle, nur geringe Produktionsgeschwindigkeiten, mit der zusätzlichen Problematik einer faltenfreien Applikation auf den gewünschten Träger.
Prinzipiell können z.B. folgende Anforderungen an ein Elastomer für eine dielektrische Vorrichtung gestellt werden: i) das Material sollte einen tiefen Elastizitätsmodul haben (insbesondere wenn hohe Dehnungen erwünscht sind), ii) die Dielektrizitätskonstante sollte hoch sein, und iii) die Durchschlagsfestigkeit sollte ebenfalls hoch sein. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit kann in der mechanischen Vordehnung der dielektrischen Schicht liegen. Bei vorteilhaften Elastomerschichten kann eine Durchschlagfeldstärke von bis zu 235 V/µm vorliegen.
Grundsätzlich sind als elastische Dielektrika sowohl Thermoplasten als auch Duroplasten geeignet, doch werden in der Regel die vernetzten Elastomere eingesetzt, da deren Eigenschaften in weiten Bereichen nicht einsatzlimitierend temperaturabhängig sind. Vernetzte Elastomere verändern bei steigender/fallender Temperatur in einem breiten Bereich die elastischen Eigenschaften. Damit können vernetzte Elastomere z.B. für Anwendungen im Automotiv- und Motorbereich besonders geeignet sein und Lösungen für die geforderten Materialeigenschaften bereitstellen. Ausserdem zeigen vernetzte Elastomere eine vorteilhafte Widerstandsfähigkeit, z.B. gegenüber chemischen Angriffen, Lösungsmitteln, Treibstoffen, aber auch gegenüber Ozon und UV-Licht.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Elastomermaterial zumindest eines aus der Gruppe aufweisen, welche besteht aus: i) einem Dien Polymer (insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien); ii) einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form; iii) einem Copolymer (z.B. eines der oben genannten Diene) mit einfach ungesättigten Monomeren (insbesondere einem von Stryol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylether, Vinylester, Vinylhalogenid); iv) einem unvernetzten Elastomer oder einem vernetzten Elastomer; v) einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan; vi) einem Silikonelastomer, insbesondere einem Polysiloxan; vii) einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. In einem Beispiel weist das Elastomer Naturkautschuk (NR) oder ein Derivat davon auf. In einem weiteren Beispiel weist das Elastomer Nitril-Butadien-Rubber (NBR) oder ein Derivat davon auf.
Material- und Herstellungsbeispiele zum Bereitstellen als elastische Dielektrika geeigneter Polymere können umfassen:

a) Butadien und/oder Isoprenkautschuk, z.B. in 1,4-Verknüpfung mit Comonomeren. Die Vernetzung (durch Vulkanisation) geschieht üblicherweise bei Kautschuktypen mit Doppelbindungen, mittels Schwefel und erhöhter Temperatur. Der Schwefel- und Beschleunigeranteil können dann die Härte bzw. Weichheit und das Dehnverhalten mitbestimmen. Bei gesättigten (hydrierten) Kautschuktypen wird stattdessen mittels Peroxiden oder Azoverbindungen vernetzt. Bei geeigneter Initialisierung ist auch eine UV-Vernetzung möglich. Für dielektrische Vorrichtungen geeignete Materialien können insbesondere umfassen: Naturkautschuk, cis-Polybutadien, cis-Polyisopren und deren CoPolymerisate mit Styrolen oder Acrylnitrilen.
b) Acrylpolymere aus langkettigen Acrylsäureestern, gegebenenfalls als Copolymerisate mit unterschiedlichen Vinylverbindungen. Diese können im Zuge der Polymerisation mit z.B. bi-funktionellen Acryl/Vinyl-Verbindungen vernetzt werden.
c) Polyurethane, teilvernetzt aus Diolen, Triolen, Polyolen und Diisocyanaten. Die Wahl der Polyole und der Isocyanate kann eine weitgehende Modellierung der gewünschten Eigenschaften zulassen.
d) Silikone, z.B. Polymethylsiloxane, die anhand gesteuerter Funktionalitäten und Kettenlängen in einem weiten Bereich den Anforderungen angepasst werden können.

Das Aushärten des Elastomermaterials kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung.
Folgende Aspekte können beim Auftragen (Abscheiden) des Elastomermaterials von Bedeutung sein bzw. zum Einsatz kommen:

Elastomere in unvernetztem (nicht ausgehärtetem) Zustand sind in hoher Konzentration (z.B. bis zu 80%) in organischen Lösemitteln (Toluol, Xylole, Cyclische Ether, Halogen-KW, usw.) löslich und können in dieser Form auf das Basismaterial aufgebracht werden. Dies beispielsweise mittels Sprühen, Giessen, Rakeln, Streichen, oder mittels eines Siebdruck Prozesses. Bei der Auswahl des Aufbringens kann z.B. die Festigkeit des Basismaterials oder der Automatisierungsgrad eine Rolle spielen.

Werden einer solchen Elastomermaterial-Lösung, bereits vor dem Auftragen, Additive, wie Vernetzer, Peroxide, Initiatoren, oder Stabilisatoren in geeigneter Menge zugefügt, kann unmittelbar nach Verdampfen des Lösemittels (und optional dessen Rückgewinnung aus der Abluft) ein Vernetzungsprozess durchgeführt werden (z.B. Erhitzen zur Vernetzung mit Schwefel oder Peroxid, UV-Bestrahlung zur radikal-initiierten Vernetzung bei Raumtemperatur).
Auf diese Weise können auch sehr dünne Schichten (z.B. in dem Bereich ca. 20 bis 150 Mikrometer) ohne Zugbelastung und daraus resultierender Orientierung aufgebracht werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird, zur Viskositätsverminderung in der Applikationsphase, ein Teil der verwendeten Aliphaten (siehe oben) oder der verwendeten (hoch-siedenden) Carbonate durch niedrig-siedende Lösungsmittel, beispielsweise Toluol, ersetzt. In diesem Fall wird der geringe Anteil an niedrigsiedendem Lösungsmittel vor der Vernetzung abgedampft, während die Gelbildenden hoch-siedenden Lösungsmittel im System verbleiben.
In einem Ausführungsbeispiel sind unvernetzte Elastomere als wässrige Dispersionen verfügbar, z.B. mit 30-60% Feststoffgehalt. Solche Dispersionen können in bekannter Weise chemisch modifiziert werden (beispielsweise die Doppelbindungen können mittels Hydrazin/Borkatalyse hydriert werden). Vorteilhaft kann hierbei eine überraschend geringe Viskosität sein, welche bei einem Antrocknen eine leichte Verarbeitbarkeit zu sehr dünnen Folien ermöglicht.
Eine Vernetzung des unvernetzten Elastomermaterials ist sowohl in Dispersionsform, als auch nach Trocknung, in Filmform (besonders bevorzugt mittels UV- Licht) möglich. Diese Vernetzungsart hat sich hier als vorteilhaft herausgestellt, denn in eine Dispersion müssen lediglich nichtionische Initiatoren eingebracht werden, die zu keiner unerwünschten Koagulation führen. Überraschend hat sich gezeigt, dass bei Vernetzung (noch in Dispersionsform), die entstehenden Elastomerpartikel im Zuge des Antrocknens zu einem Film zusammenfliessen, der praktisch keine Fehlstellen aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel können Polysiloxane in bekannter Weise, aus Vinylsiloxanen und Hydrosiloxanen, mittels platinkatalysierter Polyaddition, in situ durch Vermischen der beiden Komponenten und Aufbringen auf den Elektrodenträger als Dielektrikum appliziert werden. Allerdings kann die relativ hohe Viskosität der Vorprodukte ein gewisses Problem darstellen. Dies kann sich durch eine Polyaddition von relativ niedrigmolekularen Ausgangsprodukten, ohne die üblichen Zusätze aus pyrogener Kieselsäure, umgehen lassen, mit dem vorteilhaften Ergebnis hoher Elastizität.
In einem Ausführungsbeispiel werden erstmals elastische bis hochelastische Gelstrukturen aus Polyurethankomponenten direkt auf die Elektrodenstrukturen aufgebracht. Der besondere Vorteil der Polyurethanchemie liegt naturgemäss in der hohen Anzahl von Variationsmöglichkeit und der Auswahl der Polyole und Isocyanate, die zur Polyaddition herangezogen werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Aufbringen auf: Aufbringen des Elastomermaterials zumindest teilweise gelöst in einem Lösungsmittel oder in Dispersion mit einem Lösungsmittel. Dies hat den Vorteil, dass nicht ausgehärtetes Elastomermaterial mittels etablierter Prozesse aufgetragen werden kann.
Elastomere in unvernetztem Zustand sind in hoher Konzentration (z.B. bis zu 80%) in organischen Lösemitteln (Toluol, Xylole, Cyclische Ether, HalogenKohlenwasserstoffe, usw.) löslich und können in dieser Form auf das Basismaterial aufgebracht werden. Dies beispielsweise mittels Sprühen, Giessen, Rakeln, Streichen, oder mittels eines Siebdruck Prozesses.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Lösungsmittel eine hochsiedende (insbesondere mit einem Siedepunkt in dem Bereich 180 bis 200° C) Lösungssubstanz auf. Insbesondere verbleibt die Lösungssubstanz zumindest teilweise in dem Dielektrikum. Dies kann den Vorteil haben, dass die Lösungssubstanz in dem Dielektrikum verbleibt, um vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere Gel-Bildung, zu bewirken.
In einem Ausführungsbeispiel werden als Lösungsmittel Verbindungen verwendet, die infolge ihres hohen Siedepunktes und der speziellen Löseeigenschaften, im vernetzten Elastomermaterial verbleiben können und als interne Weichmacher wirken können. Solche umfassen beispielsweise aliphatische Mineralöle mit Siedepunkten über 180 bis 200° C oder kurzkettige Polymere entsprechend dem Basispolymer. Bei entsprechender Auswahl, also nicht vornehmlich unverzweigten Ketten (n-Alkanen) sondern bevorzugt verzweigten Aliphaten mit tertiären C-Atomen, kann bei einer Peroxidvernetzung auch ein kovalenter Einbau in die Elastomermatrix erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel werden als Lösemittel hochsiedende Alkylcarbonate (wie z.B. Ethylenglykolcarbonat, Propylenglykolcarbonat, Butylglykolcarbonat, Neopentylglykolcarbonat, Cyclohexandiolcarbonat, oder Gemische davon) verwendet, die während der Vernetzung im System erhalten bleiben und nach der Vernetzung (vorzugsweise mittels Peroxid und besonders bevorzugt, mittels UV-Vernetzung) mit dem Elastomermaterial ein Gel bilden, das besondere elastische Eigenschaften zeigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Strukturieren und/oder Perforieren zumindest eines Teils der Oberfläche der noch nicht ausgehärteten Elastomerschicht oder des festen Dielektrikums, insbesondere vor dem Aufbringen des Elektrodenmaterials. Dies kann den Vorteil haben, dass aufgetragenes Elektrodenmaterial zumindest teilweise in die Strukturierungen/Perforationen eingebracht werden kann, und dadurch die Haftung verbessert.
Die Vernetzung (im Zuge des Aushärtens) kann eine erwünschte Haftung auf dem Basismaterial (z.B. Elektrode) erschweren, denn es können im Wesentlichen keine Möglichkeiten mehr zum Realisieren einer kovalenten Bindung offenstehen. In diesem Fall können die Strukturierungen/Perforationen als vorteilhafte Haftunterstützung wirken.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung ist zumindest ein Teil einer Oberfläche des Dielektrikums strukturiert und/oder perforiert. Insbesondere ist in den Strukturierungen und/oder Perforationen Elektrodenmaterial angeordnet. Auch dies kann den Vorteil bereitstellen, dass eine besonders erwünschte Haftung zwischen Dielektrikum und Elektrode ermöglicht ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Erreichen der Endfestigkeit des Dielektrikums eine zweite Elektrode aufgebracht, welche dadurch eine erhöhte Haftung zum Dielektrikum erreicht. Dies erlaubt die Herstellung eines besonders stabilen Verbundes von der Anordnung Elektrode-Dielektrikum-Elektrode, welcher bei Bewegungen in Höhenrichtung (z) nur minimal in die Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausweicht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung liegt das feste Dielektrikum als Gel vor. Dies kann den Vorteil haben, dass ein elastisches Dielektrikum mit besonders vorteilhaften elastischen Eigenschaften bereitgestellt werden kann.
Gele können als viskoelastische Flüssigkeiten definiert werden, die gleichzeitig die Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten haben. Bei den Feststoffen kann es sich um vernetzte Elastomere handeln, die in einem dreidimensionalen Netzwerk eingelagerte Flüssigkeitsanteile haben. Damit ergibt sich für das Elastomernetzwerk die Möglichkeit einer freieren Ausbreitung in die flüssigen Freiräume: Beispielsweise können sich Knäuel auflösen oder entspannen, Verwindungen, Spiralen, Wendel können sich strecken, usw... insgesamt also deutlich leichter bewegen.
Damit können Gele der vorliegenden Art besonders geeignet für Aktor und Sensor-Aufgaben sein, da sie die leichte Verformbarkeit von Flüssigkeiten mit der Rückstell-Elastizität der Elastomere verbinden können. Wichtig können hierbei die angeführten hohen Siedepunkte der Flüssigkeiten (z.B. cyclische Carbonate etc.) sein, damit sich das Gleichgewicht, durch Verdampfung, nicht vom Gel zum Elastomer verschiebt.
In einer besonderen Ausführungsform können die Gele mit thixotopen Eigenschaften ausgerüstet werden, welche Gele per Scherung (also dielektrischer Belastung) reversibel „flüssiger“, also leichter verformbar, machen.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.

1a, 1b, und 1c zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1d zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2a bis 2f zeigen ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Verfahren aus dem Aufbringen eines sehr dünnen elastischen Dielektrikums auf eine Elektrode als Basismaterial. Dabei kann die Elektrode aus verschiedenen Materialien bestehen (Metalle, Halbleiter, hybrider Aufbau (z.B. Polyesterfolie mit aufgedampfter Aluminium-Leiterschicht), Dünnschicht, Dickschicht, usw.). Die jeweilige Ausgestaltung des Basismaterials weist vorteilhaft folgende Eigenschaften auf:

i) stabil genug, um sich selbst, sowie das aufgebrachte, noch flüssige (nicht ausgehärtete) Elastomer zu tragen und für die weiteren Verarbeitungsschritte als Basis(-plattform) zu dienen;
ii) die Elektrode weist eine Gesamtdicke (z.B. elektrisch leitfähiges Material und Trägermaterial zusammen) von unter 50 Mikrometern auf. Bei grösseren Dicken würde die Elektrodendicke gegenüber der Dielektrikumdicke zu groß, so dass gewünschte Aktor- oder Sensorsensitivitäten zu stark reduziert werden;
iii) hohe Leitfähigkeit, damit Nebeneinflüsse wie Serienwiderstand oder Serieninduktivität nicht dominieren.

1a zeigt eine dielektrische Vorrichtung 100, welche als ein dielektrischer Aktor (DEA), ein dielektrischer Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) verwendet werden kann. Die Vorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 auf, wobei die zweite Elektrode 120 gegenüber der ersten Elektrode 110 angeordnet ist. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 ein elastisches Dielektrikum 130 auf, welches zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Elektroden 110, 120 weisen jeweils einen Kontaktbereich 114 auf, welcher aus elektrisch leitfähigem Material besteht und über welchen die Elektroden 110, 120 kontaktiert werden können, bzw. über welchen eine Spannung U angelegt werden kann. Die zweite Elektrode 120 stellt hierbei die Gegenelektrode zur ersten Elektrode 110 dar. Jede der beiden Elektroden 110, 120 wird separat elektrisch kontaktiert, so dass ein elektrisches Feld mittels der Elektroden 110, 120 erzeugt werden kann. In dem gezeigten Beispiel ist keine Spannung angelegt (0 Volt), so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 nicht in einem Betriebsmodus befindet.
Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, welcher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Dieses elektrisch leitfähige Metall ist ein einheitliches Metall (z.B. ein Vollmetall oder ein Sintermetall), und weist keinen Aufbau aus Metall-Partikeln, welche in einem Harz eingebettet sind, auf. Damit ist die elektrische Leitfähigkeit deutlich verbessert. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft).
1b zeigt die dielektrische Vorrichtung 100 gemäß 1a, wobei die Elektroden 110, 120 elektrisch an den jeweiligen Kontaktbereichen 114 kontaktiert wurden. In dem gezeigten Beispiel ist eine Spannung von 1 kV an den Elektroden 110, 120 angelegt, so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 in einem Betriebsmodus befindet. Die erste Elektrode 110 bildet nun einen Pluspol und die zweite Elektrode 120 (Gegenelektrode) bildet den Minuspol. Diese elektrische Kontaktierung führt dazu, dass sich die positiv geladene erste Elektrode 110 und die negativ geladene zweite Elektrode 120 gegenseitig anziehen und sich räumlich aufeinander zubewegen. Wenn das Dielektrikum 130, welches zwischen erster Elektrode 110 und zweiter Elektrode 120 angeordnet ist, als ein elastisches Dielektrikum (z.B. als Elastomer) ausgebildet ist, so wird es aufgrund seiner Inkompressibilität zu den Seiten der dielektrischen Vorrichtung 100 teilweise herausgepresst.
1c zeigt das prinzipielle Funktionsprinzip der dielektrische Vorrichtung 100 (wie schon für die 1a und 1b oben beschrieben) als dielektrischer Aktor oder Sensor. Wird eine Spannung U an die Elektroden 110, 120 angelegt, so bewegen sich die Elektrodenplatten aufeinander zu. Dies erzeugt wiederum einen Druck P auf das Dielektrikum 130, welches zwischen den Elektroden 110, 120 angeordnet ist. Wenn das Dielektrikum 130 als Elastomer ausgebildet ist, so ist es im Wesentlichen inkompressibel und wird durch den Druck von oben (z+) und von unten (z-) zu einer Flächenausdehnung gezwungen. Die Flächenausdehnung (siehe die nach außen weisenden Bewegungspfeile) findet entlang der beiden Haupterstreckungsrichtungen x, y der Elektroden 110, 120 statt.
1d zeigt eine Mehrzahl von dielektrischen Vorrichtungen 100 gemäß den 1a bis 1c, welche in Form eines Stapelaktors (oder Stapelsensors) angeordnet sind. Hierbei werden die einzelnen dielektrischen Vorrichtungen 100 in Höhenrichtung (z) übereinander zu einer dielektrischen Vorrichtung 100 aus multiplen Einheiten gestapelt. Unter der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 (zwischen welchen das erste Dielektrikum 130 angeordnet ist) ist nun eine dritte Elektrode 121 angeordnet, welche der zweiten Elektrode 120 gegenüberliegend angeordnet ist. Entsprechend ist ein zweites elastisches Dielektrikum 131 zwischen der dritten Elektrode 121 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet. Diese Anordnung lässt sich weiter fortsetzen mittels einer vierten Elektrode und einem dritten Dielektrikum etc. Die erste Elektrode 110 und die dritte Elektrode 121 sind an ihren Kontaktbereichen 114 (z.B. über einen Bonddraht) elektrisch leitfähig verbunden. Die zweite Elektrode 120 (und dann die vierte Elektrode etc.) stellen in diesem Fall die Gegenelektroden 160 dar, wobei wiederum die Gegenelektroden 160 untereinander (z.B. mittels Bonddrähten) an ihren Kontaktbereichen 114 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere solcher Stapel nebeneinander angeordnet und gemeinsam genutzt werden.
Die 2a bis 2f zeigen ein Verfahren zum Herstellen des elastischen Dielektrikums 130 für die oben beschriebene dielektrische Vorrichtung 100. Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren in einem reel-to-reel (Rolle zu Rolle) Prozess durchgeführt werden.
2a: Ein Basismaterial 210 wird bereitgestellt, welches eine Basisfläche 212 aufweist. Das Basismaterial 210 weist eine hohe Steifigkeit von etwa 5 GPa oder mehr (insbesondere 30 GPa oder mehr) auf. Das Basismaterial 210 ist Teil einer Elektrode 110 und die Basisfläche 212 ist ein elektrisch leitfähiger (metallischer) funktioneller Bereich 112 der Elektrode 110. Die Elektrode 110 ist hierbei besonders dünn (weniger als 50 µm Dicke) ausgebildet. In einem exemplarischen Beispiel ist die Elektrode 110 eine Mehrschicht-Elektrode, welche ein Polymer-Trägermaterial aufweist. Der funktionelle (elektrisch leitfähige) Bereich 112 ist dabei auf dem Trägermaterial aufgedampft. In einem anderen exemplarischen Beispiel ist das Basismaterial 210 eine einseitig metallisierte Polymerfolie, wobei die Basisfläche 212 eine Polymerfläche der Polymerfolie ist (also nicht elektrisch leitfähig). Das Basismaterial 210 ist ein einem bevorzugten Beispiel an der Basisfläche 212 teilweise strukturiert und/oder perforiert, bzw. stellt eine Mehrzahl von Oberflächenstrukturen bereit.
2b: Eine Elastomerschicht 230 aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial wird auf der Basisfläche 212 gebildet. Die nicht ausgehärtete Elastomerschicht 230 weist einen ersten Bereich 230a und einen zweiten Bereich 230b auf, wobei der zweite Bereich 230b auf dem ersten Bereich 230a angeordnet ist (bzw. in Höhenrichtung (z) darüber liegt). Der erste Bereich 230a ist der untere der beiden Bereiche und ist daher räumlich näher an dem Basismaterial 210 angeordnet als der zweite Bereich 230b, welcher auf dem ersten Bereich 230a liegt. Die Bereiche 230a, 230b weisen dasselbe Elastomermaterial auf und werden entsprechend ihrer Dicke definiert. Der erste Bereich 230a weist eine geringe Dicke von 200 µm oder weniger (insbesondere 20 µm oder weniger) auf. Das Elastomermaterial (z.B. ein Dienpolymer) wird gelöst in einem Lösungsmittel oder suspendiert in einem Suspensionsmedium auf die Basisfläche 212 aufgetragen. In einem Ausführungsbeispiel kann nicht ausgehärtetes Elastomermaterial in die Oberflächenstrukturen des Basismaterials 210 eindringen.
2c: Der erste (untere) Bereich 230a der Elastomerschicht 230 wird zunächst ausgehärtet, während der zweite (obere) Bereich 230b (noch) nicht ausgehärtet wird. Das Aushärten umfasst eine Vernetzungsreaktion und/oder ein Filmbilden durch Abtrocknung aus einer Lösung bzw. Dispersion. Insbesondere wird das Aushärten des ersten Bereichs 230a durch einen gezielt initiierten Aushärteschritt durchgeführt. Ein solcher gezielt initiierter Aushärteschritt umfasst ein gezieltes Vernetzen, z.B. Strahlungs-initiiert (UV Strahlung, Elektronenstrahlquelle), thermisch initiiert (Schwefel), oder Peroxid initiiert.
2d: Die Dicke (d) der Elastomerschicht 230 wird gezielt eingestellt, so dass das herzustellende elastische Dielektrikum 130 eine Dicke von weniger als 200 µm, insbesondere weniger als 100 µm, aufweist. Eine derart geringe Dicke lässt sich dadurch erreichen, dass nicht ausgehärtetes Elastomermaterial des zweiten Bereichs 230b selektiv abgetragen bzw. entfernt wird. Weiterhin lässt sich die erwünschte Dicke auch dadurch erreichen, dass selektiv Elastomermaterial dem zweiten Bereich 230b hinzugefügt wird. Der bereits ausgehärtete erste Bereich 230a wird hierbei nicht abgetragen und stellt die notwendige Stabilität bereit.
2e: Der zweite Bereich 230b der Elastomerschicht 230 wird nun derart ausgehärtet, dass die Elastomerschicht 230 ein im Wesentlichen festes Dielektrikum 130 bildet. Dieses feste Dielektrikum 130 weist eine Viskosität von 10⁸ Ns/m² oder mehr auf. Dieser Prozess kann zusätzlich aufweisen: Bilden von speziellen, besonders kleinen Poren (mittlerer Durchmesser von 20 µm oder weniger) in dem Dielektrikum 130.
Das nach dem oben beschriebenen Prozess bereitgestellte elastische Dielektrikum 130 weist besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Eine Variation der Dicke d des erhaltenen elastischen Dielektrikums 130 ist 5 % oder weniger bezogen auf die mittlere Dicke des elastischen Dielektrikums 130. Das elastische Dielektrikum 130 hat hierbei eine Dicke von weniger als 200 µm, insbesondere weniger als 100 µm.
2f: Auf das (auf dem Elektroden-Basismaterial 110) bereitgestellte elastische Dielektrikum 130 wird ein Elektrodenmaterial aufgebracht, um eine zweite Elektrode 120 bereitzustellen, welche der ersten Elektrode 110 gegenüberliegt, wobei das elastische Dielektrikum 130 dann zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Auf diese Weise wird die dielektrische Vorrichtung 100, insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor, hergestellt.
In einem Ausführungsbeispiel wird auf den noch nicht vollständig ausgehärteten zweiten Bereich 230b des Elastomermaterials (insbesondere nach dem Aushärten des ersten Bereichs 230a) das Elektrodenmaterial aufgetragen. Hierbei wird zumindest ein Teil der Oberfläche der noch nicht ausgehärteten Elastomerschicht 230 oder des festen Dielektrikums 130 (insbesondere vor dem Aufbringen des Elektrodenmaterials) strukturiert und/oder perforiert, um Oberflächen-Strukturen bereitzustellen. Beim Auftragen des Elektrodenmaterials kann dieses zumindest teilweise in die Oberflächen-Strukturen des Dielektrikums 130 eindringen. Nach dem Aushärten des Elastomermaterials kann die Elektrode 120 besonders gut an dem im Wesentlichen festen Dielektrikum 130 haften.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

100: Dielektrische Vorrichtung
110: Erste Elektrode, Metallfolie
112: Funktioneller (elektrisch leitfähiger) Bereich
114: Kontaktbereich
120: Zweite Elektrode
121: Dritte Elektrode
130: (Erstes) Dielektrikum
131: Zweites Dielektrikum
160: Gegenelektrode
210: Basismaterial
212: Basisfläche
230: Elastomerschicht, nicht ausgehärtet
230a: Erster Bereich
230b: Zweiter Bereich
d: Dicke
E: Bereichsebene
P: Druck
U: Spannung
X, Y: Haupterstreckungsrichtungen
Z: Höhenrichtung

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130) für eine dielektrische Elastomer Vorrichtung (100), insbesondere einen dielektrischen Elastomer Aktor und/oder einen dielektrischen Elastomer Sensor, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Basismaterials (210), welches eine Basisfläche (212) aufweist, wobei das Basismaterial (210) Teil einer Elektrode (110) ist, und wobei die Basisfläche (212) ein elektrisch leitfähiger, metallischer funktioneller Bereich der Elektrode (110) ist; Bilden einer Elastomerschicht (230) aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial auf der Basisfläche (212), wobei die Elastomerschicht (230) einen ersten Bereich (230a) und einen zweiten Bereich (230b) aufweist, wobei der zweite Bereich (230b) auf dem ersten Bereich (230a) angeordnet ist, und wobei der erste Bereich (230a) räumlich näher an dem Basismaterial (210) angeordnet ist als der zweite Bereich (230b); Aushärten des ersten Bereichs (230a) der Elastomerschicht (230); danach Einstellen der Dicke (d) der Elastomerschicht (230) durch Entfernen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial des zweiten Bereichs (230b); und danach Aushärten des zweiten Bereichs (230b) der Elastomerschicht (230) derart, dass die Elastomerschicht (230) ein ausgehärtetes und/oder vollständig vernetztes Dielektrikum (130) bildet; wobei das Verfahren in einem reel-to-reel Prozess durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Bereich (230a) eine Dicke von 350 µm oder weniger, insbesondere 300 µm oder weniger, weiter insbesondere 200 µm oder weniger, weiter insbesondere 100 µm oder weniger, weiter insbesondere 20 µm oder weniger, weiter insbesondere 5 µm oder weniger, aufweist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einstellen der Dicke der Elastomerschicht (230) aufweist: Einstellen der Dicke derart, dass das elastische Dielektrikum (130) eine Dicke von 200 µm oder weniger, insbesondere 150 µm oder weniger, weiter insbesondere 100 µm oder weniger, aufweist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (210) eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Metall ein einheitliches Metall ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (110) eine Mehrschicht-Elektrode ist, welche ein Trägermaterial, insbesondere ein Polymer, aufweist, wobei der funktionelle Bereich (112) auf dem Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgedampft, ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (210) eine Polymerfolie ist, und wobei das Basismaterial (210) eine einseitig metallisierte Polymerfolie ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (210) eine Steifigkeit von 1 GPa oder mehr, insbesondere 5 GPa oder mehr, weiter insbesondere 30 GPa oder mehr, aufweist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (210) zumindest teilweise strukturiert und/oder perforiert ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Viskosität des festen Dielektrikums (130) 10⁸ Ns/m² oder mehr ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Bilden von Poren in dem Dielektrikum (130), insbesondere wobei die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Poren 40 Volumenprozent oder weniger des Dielektrikums (130) ausmachen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das Bilden von Poren aufweist: Beaufschlagen der nicht ausgehärteten Elastomerschicht (230) mit einem Fluid, insbesondere CO₂, bei vorbestimmtem Druck; und Absenken des vorbestimmten Drucks während des Aushärtens.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Variation der Dicke des Dielektrikums (130) 20 % oder weniger, insbesondere 5 % oder weniger, bezogen auf die mittlere Dicke aufweist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Zugeben eines Additivs zu dem Elastomermaterial, wobei die Dielektrizitätskonstante des Additivs von der Dielektrizitätskonstante des Elastomermaterials verschieden ist.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Elastomermaterial zumindest eines aufweist aus der Gruppe, welche besteht aus: einem Dien Polymer, insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien; einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form; einem Copolymer, insbesondere mit einem Dien Polymer, mit einfach ungesättigten Monomeren, insbesondere einem von Stryol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylether, Vinylester, Vinylhalogenid; einem unvernetzten Elastomer oder einem vernetzten Elastomer; einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan; einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aushärten zumindest einen der folgenden Prozesse aufweist: eine Vernetzungsreaktion; ein Filmbilden durch Abtrocknung aus einer Lösung; ein Filmbilden durch Abtrocknung aus einer Dispersion.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Aushärten einen gezielt initiierten Aushärteschritt aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der gezielt initiierte Aushärteschritt zumindest einen aus der Gruppe aufweist, welche besteht aus: Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung; Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle; thermisch initiiertes Radikalvernetzen; thermisches Schwefelvernetzen; Peroxid-initiiertes Radikal vernetzen.
Das Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen aufweist: Aufbringen des Elastomermaterials zumindest teilweise gelöst in einem Lösungsmittel oder in Dispersion mit einem Lösungsmittel.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Lösungsmittel eine hochsiedende, insbesondere mit einem Siedepunkt in dem Bereich 180 bis 200° C, Lösungssubstanz aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Lösungssubstanz zumindest teilweise in dem Dielektrikum (130) verbleibt.
Ein Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Elastomer Vorrichtung (100), insbesondere einen dielektrischen Elastomer Aktor und/oder einen dielektrischen Elastomer Sensor, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines elastischen Dielektrikums (130) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 22; hierbei Aufbringen von Elektrodenmaterial auf den noch nicht ausgehärteten zweiten Bereich (230b) des Elastomermaterials, insbesondere nach dem Aushärten des ersten Bereichs (230a); Bilden einer Elektrode (120) aus dem Elektrodenmaterial, insbesondere derart, dass die Elektrode (120) an dem Dielektrikum (130) haftet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, ferner aufweisend: Strukturieren und/oder Perforieren zumindest eines Teils der Oberfläche der noch nicht ausgehärteten Elastomerschicht (230) oder des festen Dielektrikums (130), insbesondere vor dem Aufbringen des Elektrodenmaterials.