DE102020133819B4 - Body with an electrically conductive internal structure and method for producing such - Google Patents
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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 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 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
Die
Die
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.
Erfindungsgemäß ist es, wenn der nicht leitende Körper aus Glas gefertigt ist.
According to the invention, the non-conductive body is made of glass.
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
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 adjusted in such a way that a conductive melting or a conductive structure forms at the focus point of the laser in the
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
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
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
Insbesondere ist es möglich, wie in
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.
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 follows the path of the desired structure regularly. 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 conducts the current locally 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 adjusted 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 Al-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 from the cathode through the material 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 Al2O3 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 Al2O3 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 consist 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.
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- LaserLaser
- 1010
- leitfähige Strukturconductive structure
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- KörperBody
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