DE10261541A1 - Indium-Zinn-Oxid enthaltendes Material, Verfahren zu seiner Herstellung und dieses Material enthaltende Beschichtungen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Indium-Zinn-Oxid enthaltenden Materialien beschrieben. Im ersten Schritt des Verfahrens werden in Pulverform vorliegende ITOs in einem im wesentlichen Wasser enthaltenden Lösungsmittel dispergiert. Im zweiten Schritt des Verfahrens wird dieses Material in ein Bindemittelsystem auf Wasserbasis oder in ein wasserlösliches Bindemittelsystem eingebracht. Das im ersten Schritt des Verfahrens erhältliche Material ist eine Suspension. Das in dem Verfahren erhältliche Material kann auf eine Oberfläche dünn aufgetragen und anschließend getrocknet bzw. ausgehärtet oder eingebrannt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Indium-Zinn-Oxid (ITO) enthaltendes Material, Verfahren zu seiner Herstellung und dieses Material enthaltende Beschichtungen.
• Zur Herstellung von Indium-Zinn-Oxid haltigen, elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Schichten wird ITO oder ein ITO haltiges Material üblicherweise im Sputterverfahren auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen. Dieses Auftragungsverfahren ist aufwendig. Ein preisgünstigeres und technisch einfacheres Auftragungsverfahren ist die Auftragung von mit ITO oder ITO haltigen Partikeln, Aggregaten oder – Agglomeraten gefüllten Lacken. Hierfür werden üblicherweise Acryllacke oder Polyamide verwendet.
• Um bei solchen gefüllten Lacksystemen eine ausreichende Transparenz, Leitfähigkeit und Wärmeabsorption zu erzielen, ist es erforderlich, die genannten ITO Materialien so in die Lacke einzurühren, damit sie möglichst fein verteilt vorliegen. Dies erfordert eine genaue Abstimmung zwischen der Zusammensetzung des ITO-Materials und der Chemie der Lacke und in der Regel aufwendige/komplizierte Dispergiertechniken.
• Die DE 44 35 376 beschreibt ein Verfahren nach dem ein leitfähiger Film hergestellt wird, wobei jedoch ein organisches Lösungsmittel unverzichtbar ist. Die DE 41 33 621 gibt ein Verfahren zur Herstellung von nano-skalige Partikel enthaltende Kompositmaterialien an, bei dem die Teilchen in ein organisches Lösungsmittel eingegeben werden. Bei derartigen Lacken können häufig nur Schichtdicken von wenigen um realisiert werden. Bei einem Gewichtsanteil des ITO-Materials von 30-70% können Oberflächenwiderstände von ca. 10⁹ – 10⁶ Ω/⎕ erzielt werden.
• Im nachfolgenden Text werden ITO Partikel, Aggergate und Agglomerate und ITO haltige Partikel, Aggergate und Agglomerate zur Vereinfachung „ITOs" genannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Materialien enthaltend Indium-Zinn-Oxid, insbesondere Beschichtungsmaterialien anzugeben, bei dem auf aufwendige Dispergierverfahren verzichtet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Materialien anzugeben, bei denen die ITOs fein dispergiert vorliegen.
• Diese Aufgabe wurde durch das in den Ansprüchen 1 und 3 angegebene Verfahren gelöst. Die dadurch erhältlichen Materialien sind im Anspruch 13 angegeben. Ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen aus diesen Materialien ist im Anspruch 12 und die danach hergestellten Beschichtungen im Anspruch 14 angegeben. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass im ersten Schritt des Verfahrens in Pulverform vorliegende ITOs in einem im wesentlichen Wasser enthaltenden Lösungsmittel dispergiert werden. Es wurde überraschend gefunden, dass sich die meisten ITOs sehr gut in Wasser dispergieren lassen. Vorteihafterweise wird als Lösungsmittel Wasser eingesetzt, weil der isoelektrische Punkt der meisten ITOs zwischen 6 und 9 und der pH-Wert von Wasser typischerweise zwischen 4 und 5 liegt. Jedoch kann das Lösungsmittel auch Additive, wie Säuren, Salze, Basen, Tenside, wasserlösliche Polymere, Lösungsmittel oder Komplexbildner aufweisen, wobei die dem Hauptbestandteil Wasser zugegeben werden.
• Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten ITOs bestehen im wesentlichen aus Nanopartikel, die im wesentlichen aus einem Mischoxid von Indium und Zinn bestehen, wobei das Indium und das Zinn darin in einer oder verschiedenen Oxydationsstufen vorliegen. Das ITO Material weist ein Aggregat oder Agglomerat aus Partikeln kleiner als die sichtbaren Wellenlängen auf, wobei jedes Partikel wiederum ein hochporöses Aggregat angesinterter Nanopartikel (Primärpartikel) darstellt. Der Durchmesser der Primärpartikel beträgt vorzugsweise 10-40 nm.
• Bei den ITOs handelt es sich um dem Fachmann bekannte ITO-Material-Mischungen, wie z.B. In:Sn:Co, In:Sn:Cu, In:Sn, In:Sn:Cd, In:Sn:Pt, In:Sn:Al, In:Sn:Na, etc. Es sind alle möglichen Mischungen mit den verschiedensten Elementen des Periodensystems denkbar.
• Das im ersten Schritt des Verfahrens erhaltene Material, bevorzugt eine Suspension mit in Wasser dispergierten ITOs, wird nunmehr in ein Bindemittelsystem eingebracht. Das Bindemittelsystem besteht aus Wasser und gegebenenfalls einem oder mehreren Bindemitteln und bei Bedarf einem oder mehreren Additiven. Bevorzugt handelt es sich bei dem Bindemittelsystem um einen Dispersionslack auf Wasserbasis. Derartige Wasserlacke enthalten neben Wasser Acrylate, Polyurethane, Alkyde, usw. Im allgemeinen enthalten sie bis zu 20% organische Lösungsmittel. Bei dem erfindungsgemäß eingesetztem Bindemittelsystem handelt es sich um wasserlösliche Systeme bei denen Bindemittel im Wasser gelöst sind, bzw. um wasserverdünnbare Systeme bei denen besonderes hochmolekulare Bindemittel im Wasser dispergiert sind. Bei den Bindemitteln handelt es sich um alle dem Fachmann bekannten Bindemittel oder Mischungen davon. Nach dem Einbringen des im ersten Schritt erhaltenen Materials, das vorzugsweise als Suspension mit fein dispergierten ITOs vorliegt, in ein solches Bindemittelsystem, wird das erfindungsgemäße Material erhalten.
• In dem Verfahren nach Anspruch 3 ist vorgesehen, dass die in Pulverform vorliegenden ITOs direkt in das Bindemittelsystem eingebracht werden. Dabei behalten die obigen Ausführungen in bezug auf das Bindemittelsystem ihre Gültigkeit.
• Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Materials in bezug auf die Gewichtsanteile der eingebrachten ITOs und des Bindemittels, bzw. des Lösungsmittels oder Wasser gemäß Anspruch 1, richtet sich nach dem Anwendungs- und Einsatzgebiet des hergestellten erfindungsgemäßen Materials. Als besonderes vorteilhaft haben sich Gehalte von 1Gew.% bis 90Gew.% ITO erwiesen.
• Mit dem so erhältlichen Material können Oberflächenbeschichtungen hergestellt werden. Dazu wird das Material auf eine Oberfläche dünn aufgetragen und getrocknet bzw. ausgehärtet oder eingebrannt. Vorzugsweise weisen solche Beschichtungen optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit und wärmeabsorbierende Eigenschaften auf.
• Die erfindungsgemäßen Materialien können als Beschichtungen, zur Herstellung von Siebdruckpasten und als antistatische Ausrüstung eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird anhand nachstehender Beispiele näher erläutert:
• Beispiel 1
• Im ersten Schritt des Verfahrens wurden in deionisiertes Wasser portionsweise kleine Mengen ITO eingetragen, wobei eine dunkelbraune pastöse Masse entstand. Die Einarbeitung des ITOs geschieht wie folgt: Die ersten Portionen ITO wurden durch sanftes Schütteln eingetragen, am Ende genügt Umrühren mit dem Spatel um eine homogene Mischung herzustellen. Der Gewichtsanteil der so hergestellten ITO-Paste betrug w = 62.5%, das entspricht einem Volumenanteil ITO von ca. 18.1%, wobei eine Dichte des ITO-Materials von 7.5 g/cm³ angenommen wurde.
• Im zweiten Schritt des Verfahrens wurde in einen Dispersionslack auf Wasserbasis portionsweise die hergestellte ITO-Paste eingearbeitet. Nach längerem Umrühren mit dem Spatel erhält man eine hellbraune, homogene Masse. Dieser ITO-Lack wurde auf einen Objekträger aufgetragen. Nach 1-tägiger Trocknung beträgt der Gewichtsanteil ITO der im getrockneten Lacksystem 71%.
• Zur Messung des Oberflächenwiderstandes wurde der so hergestellte Lack auf Glasplättchen und zur Messung des Volumenwiderstandes auf Edelstahlplättchen aufgerakelt. Es wurden verschiedene Rakel verwendet, um die Schichtdicke zu variieren. Der Oberflächenwiderstand ρ_OW sinkt mit zunehmender Schichtdikke (3μm bis 400μm) um eine Größenordnung von ρ_OW = 10⁵ Ω/⎕ auf 1,5 10⁴ Ω/⎕. Bei der Volumenleitfähigkeit werden sogar Werte bis ca. 10³ Ω cm erreicht.
• Zum Vergleich konnte mit denselben ITO haltigen Partikeln mit lösungsmittelhaltigen Lacken nur eine Oberflächenleitfähigkeit von ~10⁹ – 10⁶ Ω/⎕ erzielt werden.
• Beispiel 2
• gleiches Verfahren, wie in Beispiel 1. Statt deionisiertes Wasser wurde normales Leitungswasser verwendet.
• Beispiel 3
• gleiches Verfahren, wie in Beispiel 1. Der Dispersionslack wurde mit Pufferlösung auf den pH-Wert 9,5 eingestellt. Im Anschluss daran wurde das ITO eingerührt.
• Beispiel 4
• gleiches Verfahren, wie in Beispiel 1. Der Dispersionslack wurde mit Pufferlösung auf den pH-Wert 5,5 eingestellt. Im Anschluss daran wurde das ITO eingerührt.
• Beispiel 5
• Das ITO-Material wurde – ohne vorheriges Einrühren in Wasser – in den Dispersionslack eingerührt. Sonst wie in Beispiel 1, 2 und 4.
• In 1 ist der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Schichtdicke des auf eine Oberfläche aufgetragenen erfindungsgemäßen Materials wiedergegeben.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Indium-Zinn-Oxid enthaltenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt in Pulverform vorliegende ITOs in im wesentlichen Wasser enthaltendem Lösungsmittel dispergiert werden und dass im zweiten Schritt des Verfahrens dieses Material in ein Bindemittelsystem auf Wasserbasis oder in ein wasserlösliches Bindemittelsystem eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Schritt des Verfahrens erhältliche Material eine Suspension ist.
3. Verfahren zur Herstellung von Indium-Zinn-Oxid enthaltenden Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass in Pulverform vorliegende ITOs in ein Bindemittelsystem auf Wasserbasis oder in ein wasserlösliches Bindemittelsystem eingebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ITOs ITO-Partikel oder poröse ITO-Agglomerate oder -Aggregate oder ITO haltige Partikel oder poröse ITO haltige Aggregate oder -Agglomerate sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel Wasser eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser deionisiertes Wasser ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Wasser und ein oder gegebenenfalls mehrere Additive enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive Salze, Säuren, Basen, Tenside, wasserlösliche Polymere, Lösungsmittel oder Komplexbildner sind.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Bindemittelsystem Wasser und gegebenenfalls ein oder mehrere Bindemittel sowie gegebenenfalls ein oder mehrere übliche Additive enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittelsystem ein Dispersionslack auf Wasserbasis ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittelsystem ein Klebstoff ist.
12. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, insbesondere einer Oberflächenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das im Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche erhältliche Material auf eine Oberfläche dünn aufgetragen und anschließend getrocknet bzw. ausgehärtet oder eingebrannt wird.
13. Materialien erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Beschichtungen erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 12.
15. Beschichtungen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie elektrisch leitfähig und optisch transparent und wärmeabsorbierend sind.
16. Verwendung des Materials nach Anspruch 12 zur Beschichtung von Oberflächen und Gegenständen.
17. Verwendung des Materials nach Anspruch 13 für Antistatik-Ausrüstung sowie für opto-elektronische Zwecke.