DE102020133819A1 - Body with an electrically conductive internal structure and method for producing such - Google Patents

Body with an electrically conductive internal structure and method for producing such Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur (10) innerhalb eines elektrisch nicht leitenden Glaskörpers (20),wobei wenigstens ein Bestandteil des nicht leitende Glaskörpers (20) ein Metalloxid ist,mit den Schrittenelektrische Kontaktierung des Glaskörper an zwei Punkten mit einer Stromquelle,Erwärmung eines Pfads innerhalb des Glaskörpers mittels fokussiertem Laserlicht derart, dass der erwärmte Pfad elektrisch leitfähig wird,wobei sich der Pfad innerhalb des Glases zwischen den beiden elektrischen Kontaktierungen erstreckt und der gewünschten elektrisch leitfähigen Struktur entspricht,Einstellen und/oder Regeln eines durch den Pfad fließenden Stroms derart, dass entlang des erwärmten Pfads eine Schmelzelektrolyse des Metalloxids und eine Metallabscheidung bzw. ein Metallwachstum an einer der Kontaktierungen erfolgt,Aufrechterhaltung des Metallwachstum bis die Metallabscheidungen die gewünschte elektrische leitfähige Struktur bilden.Method for producing an electrically conductive structure (10) within an electrically non-conductive glass body (20), wherein at least one component of the non-conductive glass body (20) is a metal oxide, with the steps of electrically contacting the glass body at two points with a power source, heating one Path within the glass body using focused laser light in such a way that the heated path becomes electrically conductive, the path within the glass extending between the two electrical contacts and corresponding to the desired electrically conductive structure, setting and/or regulating a current flowing through the path in such a way that along the heated path there is a melt electrolysis of the metal oxide and a metal deposition or metal growth on one of the contacts,maintaining the metal growth until the metal deposits form the desired electrically conductive structure.

Description

Die Erfindung betrifft einen Körper mit einer elektrisch leitenden inneren Struktur und Verfahren zur Herstellung eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a body with an electrically conductive internal structure and a method for producing such a body according to the species of the independent claims.

Aus der DE 10 2007 002 437 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur formgebenden Bearbeitung von Werkstücken bekannt, bei der mittels Laserstrahlung eine spanende Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere an Hinterschneidungen und scharfen Kanten ermöglicht wird. Bei Verwendung von polymeren Werkstoffen, die beispielsweise Nanopartikel enthalten, können beispielsweise auch Bereiche an der Oberfläche erzeugt werden, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen und insbesondere als Leiterbahnen ausgebildet sein können.From the DE 10 2007 002 437 A1 For example, a method for shaping workpieces is known, in which machining of a workpiece, in particular on undercuts and sharp edges, is made possible by means of laser radiation. When using polymeric materials that contain, for example, nanoparticles, areas can also be produced on the surface, for example, which have a higher electrical conductivity and can in particular be designed as conductor tracks.

Die DE 10 2016 204 905 A1 beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts. Hierbei wird schichtweise ein Aufbaumaterial in Schichten auf eine Bauunterlage aufgebracht und mittels Laserlicht verfestigt. Durch wiederholtes schichtweises Aufbringen und Verfestigen wird das dreidimensionale Objekt fertiggestellt.the DE 10 2016 204 905 A1 deals with a method and a device for producing a three-dimensional object. Here, a construction material is applied in layers to a construction base and solidified by means of laser light. The three-dimensional object is completed by repeated application and solidification in layers.

Die DE 10 2017 003 830 A1 offenbart ein Verfahren zum Abtrennen einer Festkörperschicht, bei dem ein Laser innerhalb des Festkörpers fokussiert wird und Materialeigenschaften am Eindringort des Laserstrahls in Form einer linienförmigen Struktur derart verändert werden, dass sich eine Sollbruchstelle ergibt.the DE 10 2017 003 830 A1 discloses a method for separating a solid layer, in which a laser is focused within the solid and material properties at the point of penetration of the laser beam are changed in the form of a linear structure in such a way that a predetermined breaking point results.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch leitende Struktur innerhalb eines Körpers aufzubauen.The object of the invention is to construct an electrically conductive structure within a body.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Produkt und Verfahren gelöst.The object is achieved by the product and method according to the invention.

Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur innerhalb eines elektrisch nicht leitenden Körpers,
bei dem das Material des Körpers derart ausgewählt ist, dass bei einer Fokussierung eines Laserlichts im oder am Körper der nicht leitende Körper derart verändert wird, dass sich eine elektrisch leitfähige Struktur innerhalb des elektrisch nicht leitenden Körpers ausbildet.A method for producing an electrically conductive structure within an electrically non-conductive body is advantageous,
in which the material of the body is selected in such a way that when a laser light is focused in or on the body, the non-conductive body is changed in such a way that an electrically conductive structure is formed within the electrically non-conductive body.

Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass sich komplexe leitfähige Strukturen innerhalb eines nicht-leitenden und ggf. auch feuchtigkeitsresistenten Körpers realisieren lassen.Such a procedure has the advantage that complex conductive structures can be realized within a non-conductive and possibly also moisture-resistant body.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der nicht leitende Körper aus Glas gefertigt ist.It is particularly advantageous if the non-conductive body is made of glass.

1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße elektrisch leitende Struktur 10 innerhalb eines Körpers und ein Verfahren zur Erzeugung einer solchen. Der Körper 20 besteht vorzugsweise aus einem nicht oder nur gering leitfähigen Material, vorzugsweise Glas oder transparentem Kunststoff. 1 shows an example of an electrically conductive structure 10 according to the invention within a body and a method for producing such a structure. The body 20 preferably consists of a material that is not conductive or only slightly conductive, preferably glass or transparent plastic.

Grundsätzlich entspricht das Vorgehen einer Herstellung einer üblichen Laserinnengravur, bei der beispielsweise mittels einem oder zwei Laser und ggf. über verstellbare Spiegel ein Laserstrahl innerhalb eines transparenten Köpers fokussiert wird. Die Energie des Laserstrahls ist dabei so hoch, dass das Material des Körpers 20 am Fokuspunkt des Laserstrahls aufschmilzt oder verdampft.In principle, the production procedure corresponds to a conventional internal laser engraving, in which, for example, a laser beam is focused within a transparent body by means of one or two lasers and, if necessary, via adjustable mirrors. The energy of the laser beam is so high that the material of the body 20 melts or vaporizes at the focal point of the laser beam.

Erfindungsgemäß ist die Energie und der Fokus des Lasers derart eingestellt, dass sich am Fokuspunkt des Lasers im Körper 20 eine leitfähige Aufschmelzung bzw. eine leitfähige Struktur ausbildet.According to the invention, the energy and the focus of the laser are set in such a way that a conductive melting or a conductive structure forms at the focus point of the laser in the body 20 .

Die Bildung einer leitfähigen Struktur 10 wird insbesondere durch eine geeignete Einstellung des Fokus und der Laserenergie begünstigt. Vorzugsweise ist das Material des Körpers derart ausgebildet, dass bei geeignet eingebrachter Energie eine leitfähige Struktur im elektrisch nichtleitenden Körper 20 aufgebaut wird.The formation of a conductive structure 10 is promoted in particular by suitably setting the focus and the laser energy. The material of the body is preferably designed in such a way that a conductive structure is built up in the electrically non-conductive body 20 when energy is suitably introduced.

Zusätzlich kann das Material des Körpers 20 Zusatzstoffe enthalten, die in Kombination mit dem Grundmaterial des Körpers 20 oder auch allein die Entstehung leitfähiger Strukturen bei Bestrahlung mit einem Laserlicht begünstigen. Als Zusatzstoffe kommen insbesondere Zinn, Zink, Fluor, Aluminium und/oder Indium, Antimon oder andere Materialen in Betracht, die geeignet sind, eine elektrische leitfähige Struktur nach Bestrahlung mit Laserlicht aufzubauen. Die Materialien können auch als Nanopartikel, Nanoröhrchen oder ähnlichem vorliegen.In addition, the material of the body 20 can contain additives which, in combination with the base material of the body 20 or alone, promote the formation of conductive structures when irradiated with a laser light. In particular, tin, zinc, fluorine, aluminum and/or indium, antimony or other materials that are suitable for building up an electrically conductive structure after irradiation with laser light come into consideration as additives. The materials can also be in the form of nanoparticles, nanotubes or the like.

Eine bevorzugte Ausführung ist ein Körper 20 bestehend aus Glas.A preferred embodiment is a body 20 made of glass.

Das Verfahren bietet den Vorteil, dass mittels Laserlicht eine dreidimensionale leitfähige Struktur 10 innerhalb des Körpers 20 erzeugt werden kann. Dies ermöglicht insbesondere die Ausbildung von Leiterbahnen, Elektroden, Antennen, kapazitiver und/oder induktiver Elemente, vorzugsweise auch in komplexer Struktur.The method offers the advantage that a three-dimensional conductive structure 10 can be produced within the body 20 by means of laser light. In particular, this enables conductor tracks, electrodes, antennas, capacitive and/or inductive elements to be formed, preferably also in a complex structure.

Insbesondere ist es möglich, wie in 1 angedeutet, eine elektrisch leitfähige, spiralförmige Struktur und hier insbesondere eine Spule innerhalb des Körpers 20 aufzubauen.In particular, it is possible as in 1 indicated to build an electrically conductive, spiral structure and here in particular a coil within the body 20.

Die elektrisch leitende Struktur kann insbesondere auch nach außen geführt und dort mit dem vorgenannten Verfahren als Kontaktfläche ausgebildet werden.In particular, the electrically conductive structure can also be routed to the outside and formed there as a contact surface using the aforementioned method.

2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer leitfähigen Struktur innerhalb eines Glaskörpers. Es ist grundsätzlich bekannt, dass Glas bei hohen Temperaturen leitfähig wird, d.h. der elektrische Widerstand nimmt mit der Temperatur ab. 2 shows another way to create a conductive structure within a glass body. It is generally known that glass becomes conductive at high temperatures, ie the electrical resistance decreases with temperature.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, an zwei Punkten das Glas elektrisch zu kontaktieren und eine Spannung anzulegen. Die Elektroden können beispielsweise aus Kohlenstoff bestehen.According to the invention, the glass is electrically contacted at two points and a voltage is applied. The electrodes can be made of carbon, for example.

Der Stromfluss ist zunächst 0 A. Mit einem Laser werden nun die gewünschten Strukturen periodisch in das Glas geschrieben, d.h. der Fokus des Laserlichts fährt den Pfad der gewünschten Struktur regelmäßig ab. Durch die eingebrachte Lichtleistung erhöht sich die Temperatur entlang des Laserstrahlpfades und somit entlang der gewünschten Struktur. Mit zunehmender Temperatur in diesem Pfad nimmt auch die Leitfähigkeit des so erwärmten Pfads zu, so dass auch der Stromfluss durch diesen Pfad ansteigt.The current flow is initially 0 A. The desired structures are then periodically written into the glass with a laser, i.e. the focus of the laser light regularly follows the path of the desired structure. The introduced light power increases the temperature along the laser beam path and thus along the desired structure. As the temperature in this path increases, the conductivity of the path heated in this way also increases, so that the current flow through this path also increases.

Bei ausreichend hoher Leitfähigkeit lässt sich ein Storm einstellen, der die lokale Aufwärmung allein durch den Stromfluss aufrecht hält, so dass die Laserleistung ggf. reduziert oder der Laser sogar abgestellt werden kann. Der Pfad kann so leitfähig aufrechtgehalten werden.If the conductivity is sufficiently high, a current can be set that maintains the local heating up solely through the current flow, so that the laser power can be reduced or the laser can even be switched off. The path can thus be maintained conductive.

Das Werkstück befindet sich nun in einem Zustand, wo es lokal entlang des gewünschten Pfades den Strom leitet, weil es lokal ausreichend erwärmt ist. Wird der Strom für eine Weile abgeschaltet, so kühlt der Glaskörper ab und der Zustand der elektrischen Leitung geht verloren. Bei einem erneuten Einschalten der Spannungsquelle fließ dann kein Strom mehr über diesen Pfad.The workpiece is now in a state where it locally conducts the current along the desired path because it is sufficiently heated locally. If the current is switched off for a while, the vitreous body cools down and the state of electrical conduction is lost. When the voltage source is switched on again, current no longer flows via this path.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Temperatur des gewünschten leitfähigen Pfades und die anliegende Spannung und/oder der Stromfluss derart eingestellt wird, dass das Glas in dem erwärmten Pfad eine Schmelze bildet und ein Elektrolyseprozess abläuft.According to the invention, it is now provided that the temperature of the desired conductive path and the applied voltage and/or the current flow is set in such a way that the glass forms a melt in the heated path and an electrolysis process takes place.

Metalloxidverbindungen, wie z.B. Al2O3 zersetzen sich in ihre Bestandteile. Positive AI+ Ionen wandern zur Kathode und nehmen dort Elektronen auf. Danach ist das Al Ion elektrisch neutral und damit nicht mehr dem Elektrolyseprozess ausgesetzt. Pro Entladeprozess der Ionen „wächst“ die Kathode mehr in das Material entlang des erwärmten und leitfähigen Pfads hinein. An der Anode wird Sauerstoff beispielsweise in Form von CO2 freigesetzt.Metal oxide compounds such as Al2O3 decompose into their components. Positive AI+ ions migrate to the cathode and pick up electrons there. The Al ion is then electrically neutral and is therefore no longer exposed to the electrolysis process. As the ions are discharged, the cathode "grows" more into the material along the heated and conductive path. At the anode, oxygen is released, for example in the form of CO2.

Der Elektrolyseprozess wird so lange aufrechterhalten, bis von der Kathode kommend ein „dünner AI-Faden“ entlang des ursprünglich mit Laser geschriebenen Pfades durch das Material hindurch gewachsen ist.The electrolysis process is maintained until a “thin Al thread” has grown through the material from the cathode along the path originally written with the laser.

Der elektrische Widerstand nimmt während des Prozesses ab. Wenn der „wachsende Aluminium Faden“ die Anode erreicht hat, ist der Prozess abgeschlossen. Das Werkstuck kann abkühlen und es besteht weiterhin eine leitfähige Verbindung entlang des gewachsenen AI-Fadens.The electrical resistance decreases during the process. When the "growing aluminum thread" has reached the anode, the process is complete. The workpiece can cool down and there is still a conductive connection along the grown AI thread.

Der Prozess ist beispielhaft anhand von AI203 gezeigt worden. Es können auch andere Metalloxide elektrolytisch getrennt werden. Insbesondere können hier auch Magnesiumoxide, Bleioxide etc. elektrolytisch getrennt werden.The process has been shown using AI203 as an example. Other metal oxides can also be separated electrolytically. In particular, magnesium oxides, lead oxides, etc. can also be separated electrolytically here.

Befinden sich mehrere Metalloxide im Glas, so kann sich der,leitfähige Faden‘ auch aus mehreren Metallen zusammensetzen.If there are several metal oxides in the glass, the 'conductive thread' can also be composed of several metals.

Vorteilhaft kann das Glas zur Bildung einer leitfähigen Struktur gezielt, mit geeigneten Metalloxiden angereichert werden.Advantageously, the glass can be specifically enriched with suitable metal oxides to form a conductive structure.

BezugszeichenlisteReference List

L1L1
Laserlaser
1010
leitfähige Strukturconductive structure
2020
KörperBody

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102007002437 A1 [0002]DE 102007002437 A1 [0002]
  • DE 102016204905 A1 [0003]DE 102016204905 A1 [0003]
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Claims (5)

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur (10) innerhalb eines elektrisch nicht leitenden Glaskörpers (20), wobei wenigstens ein Bestandteil des nicht leitende Glaskörpers (20) ein Metalloxid ist, mit den Schritten elektrische Kontaktierung des Glaskörper an zwei Punkten mit einer Stromquelle, Erwärmung eines Pfads innerhalb des Glaskörpers mittels fokussiertem Laserlicht derart, dass der erwärmte Pfad elektrisch leitfähig wird, wobei sich der Pfad innerhalb des Glases zwischen den beiden elektrischen Kontaktierungen erstreckt und der gewünschten elektrisch leitfähigen Struktur entspricht, Einstellen und/oder Regeln eines durch den Pfad fließenden Stroms derart, dass entlang des erwärmten Pfads eine Schmelzelektrolyse des Metalloxids und eine Metallabscheidung bzw. ein Metallwachstum an einer der Kontaktierungen erfolgt, Aufrechterhaltung des Metallwachstums bis die Metallabscheidungen die gewünschte elektrische leitfähige Struktur bilden.Method for producing an electrically conductive structure (10) within an electrically non-conductive glass body (20), wherein at least one component of the non-conductive glass body (20) is a metal oxide, with the steps electrical contacting of the glass body at two points with a power source, heating a path within the vitreous using focused laser light in such a way that the heated path becomes electrically conductive, wherein the path within the glass extends between the two electrical contacts and corresponds to the desired electrically conductive structure, Adjusting and/or regulating a current flowing through the path in such a way that a melt electrolysis of the metal oxide and metal deposition or metal growth on one of the contacts takes place along the heated path, Sustaining metal growth until the metal deposits form the desired electrically conductive structure. Produkt, das gemäß Anspruch 1 hergestellt ist.product according to claim 1 is made. Produkt gemäß Anspruch 2, bei dem die erzeugte elektrische leitfähige Struktur (10) als Leiterbahn, Elektrode, Antenne, kapazitives und/oder induktives Element ausgebildet ist.product according to claim 2 , In which the generated electrically conductive structure (10) is designed as a conductor track, electrode, antenna, capacitive and / or inductive element. Produkt nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die erzeugte elektrische leitfähige Struktur als Spule (10) ausgebildet ist.product after claim 2 or 3 , in which the electrically conductive structure produced is designed as a coil (10). Sensor zur Erfassung von Objekten mit einem Produkt gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 Sensor for detecting objects with a product according to one of claims 2 until 4
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