DE19520458A1 - Vorrichtung zur elektrophoretischen Beschichtung von Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektroden (hier: Hauptelektroden genannt) zur Erzeu­ gung eines homogenen elektrischen Feldes sind in der Regel planparallel angeordnet, d. h. es handelt sich um flächenförmige Elektroden, deren Flächen zueinander parallel liegen.

Eine derartige Vorrichtung wird zur Herstellung von Formkörpern aus Keramik (EP 0 424 673 B1) oder zur Her­ stellung von Membranen zur Mikrofiltration, Ultrafil­ tration und Umkehrosmose (EP 0 388 330 B1) auf elek­ trisch leitenden Substraten mittels elektrophoretischer Abscheidung eingesetzt. Des weiteren ist bekannt (Tatsumi Ishihara et al. Elekctrophoretic Deposition of stabilized zirconia for Solid Oxid Fuel Cells, Proceedings of the third international Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, 65-73 (1992)), gasdichte Oxidkeramik-Schichten (Yttrium stabilisiertes Zirkoniumdioxid) auf porösen platinierten Kera­ miksubstraten mittels elektrophoretischer Abscheidung in einer derartigen Vorrichtung herzustellen.

In den bekannten Vorrichtungen zur elektrophoretischen Abscheidung von keramischen Partikeln befindet sich ei­ ne Suspension, in der das abzuscheidende Pulver disper­ giert ist, und ein zu beschichtendes Trägersubstrat.

Die Suspension wird durch konventionelle chemische und/oder mechanische Dispergierverfahren unter Verwen­ dung einer Kombination aus handelsüblichen Dispersions­ mitteln, Dispergiermitteln und Bindemitteln zusammen mit dem zu verarbeitenden Pulver hergestellt. Das zu verarbeitende Pulver kann auch durch chemische Verfah­ ren erst in der Suspension aus Vorläufersubstanzen ge­ bildet werden. Bei der Herstellung werden die Suspen­ sionen in der Regel auf eine betragsmäßig hohe, wirksa­ me Oberflächenladung (Zetapotential) hin optimiert. Die elektrophoretische Abscheidung kann je nach Zielsetzun­ gen (z. B. gute Verarbeitbarkeit, hohe oder niedrige Ab­ scheideraten, Verträglichkeit) noch eine Optimierung zum Beispiel der Partikelkonzentration, der Viskosität, des Dispersionsmittels oder der Kombination der Zusatz­ stoffe erfordern. Bei dem zu verarbeitenden Pulver han­ delt es sich in der Regel um ein keramisches Pulver oder um eine Kombination aus mehreren keramischen Pul­ vern.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Beschichtung von Trägersubstraten werden in der Regel elektrisch leiten­ de Substrate eingesetzt. Diese elektrische Leitfähig­ keit wird durch die Verwendung von elektrisch leitenden Materialien oder durch eine geeignete Vorbehandlung (z. B. Platinieren, Sputtern) erzeugt.

Problematisch ist jedoch die Beschichtung nicht leiten­ der Substrate. Die für die Elektrophorese entscheidende elektrische Abscheidefeldstärke muß wesentlich erhöht werden, so daß sie das Trägersubstrat durchdringt und an der Grenzfläche Trägersubstrat-Suspension eine aus­ reichende Stärke (effektive Feldstärke) besitzt. Durch die hohe elektrische Feldstärke treten allerdings er­ hebliche Probleme bei der Abscheidung auf. Zum einen kommt es bei der Verwendung von wäßrigen Suspensionen zur Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse). Diese Gasentwicklung stellt ein Gefähr­ dungspotential dar und stört zusätzlich auch die Ab­ scheidung. Dieses Problem kann durch die Verwendung von wasserfreien Suspensionen gelöst werden.

Zum anderen hat sich gezeigt, daß bei Anlegen hoher Feldstärken zwecks elektrophoretischer Abscheidung auf elektrisch nichtleitenden Substraten inhomogene Be­ schichtungen entstehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die homogene Beschichtungen elektrisch nicht­ leitender Substrate mittels Elektrophorese ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Um ein Substrat innerhalb des homogenen Bereiches des elektrischen Feldes derart anzuordnen, daß eine elek­ trophoretische Beschichtung des Substrates durchführbar ist, ist es im Falle der Beschichtung mit positiv auf­ geladenen Pulverpartikeln zweckmäßig, das Substrat in der Nähe oder auf der Kathode zwischen Anode und Katho­ de anzubringen. Die zu beschichtende Oberfläche ist dann der Anode zugewandt. Im Fall der Beschichtung mit negativ geladenen Teilchen befindet sich das Substrat entsprechend bei der Anode. Eine homogene Beschichtung der Oberfläche ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die zu beschichtende Oberfläche im wesentlichen senkrecht zu den Feldlinien angeordnet ist.

Mittel zur Anordnung des Substrates sind so zu wählen, daß die Homogenität des Feldes hierdurch zumindest nicht gestört wird. Im einfachsten Fall liegt das Substrat schwerkraftbedingt auf einer der Elektroden auf, so daß diese Elektrode gleichzeitig als Anord­ nungs- bzw. Haltemittel des Substrates fungiert. Beson­ ders geeignet ist auch ein Rahmen für das Substrat mit ähnlichen dieelektrischen Eigenschaften wie das Substrat.

Als besonders einfach zu handhabendes Mittel zur Opti­ mierung des homogenen elektrischen Feldes bei in der Vorrichtung angeordnetem Substrat ist eine Einrahmung für das Substrat geeignet. Unter Einrahmung ist ein um die zu beschichtende Fläche gelegter Rahmen zu verste­ hen, der sich zur Vermeidung von Störeffekten insbeson­ dere unmittelbar an das Substrat anschließen sollte. Die Homogenität wird durch die Dieelektrizitätskonstan­ te des Materials beeinflußt. Daher ist das Material des Rahmens geeignet zu wählen.

Die dielektrischen Eigenschaften von Rahmen und Substrat sollten zur Erzielung der gewünschten Homoge­ nität vergleichbar sein. Grundsätzlich gilt folglich: je ähnlicher die Dieelektrizitätskonstanten von Substrat und Rahmen, desto besser die gewünschte Homo­ genität bei gleicher Dicke des Rahmens und des Substra­ tes. Das optimale Material zur Erzielung der gewünsch­ ten Homogenität kann experimentell oder durch Simulati­ onsrechnung ermittelt werden.

Dieser Grundsatz gilt insbesondere, wenn die Oberflä­ chen der Hauptelektroden mit der vom Rahmen beanspruch­ ten Fläche übereinstimmen. Vorteilhaft schließt der Rahmen mit dem Substrat dann bündig ab und befindet sich unmittelbar auf einer der Elektroden.

Die beanspruchte Fläche des Rahmens ist grundsätzlich zur Verbesserung der Homogenität vorteilhaft sehr viel größer als die zu beschichtende Fläche des Substrats. Sie sollte mindestens 20% größer sein. Auch die Elek­ trodenoberflächen der Hauptelektroden sind dann aus gleichem Grunde vorteilhaft größer als die zu beschich­ tende Fläche.

Als weiteres Mittel zur Optimierung des homogenen elek­ trischen Feldes bei in der Vorrichtung angeordnetem Substrat sind Hilfselektroden mit separat regelbaren elektrischen Spannungen geeignet.

Eine oder mehrere Hilfselektroden sind vorteilhaft seitlich des Substrates bzw. Rahmens vorgesehen. Beson­ ders geeignet zur Verbesserung der Homogenität des Fel­ des ist eine ringförmige Anordnung von Hilfselektroden bzw. eine ringförmige Hilfselektrode um das Substrat herum.

Wenn das Substrat z. B. auf der Kathode angebracht ist, wird die Homogenität des elektrischen Feldes weiter verbessert, wenn die Anode eine größere Fläche als die Kathode aufweist. Umgekehrt verhält es sich, wenn sich das Substrat auf der Anode befindet. Ebenfalls zwecks weiterer Verbesserung der Homogenität sollte dann die zu beschichtende Fläche des Substrates mit der Fläche der Elektrode, auf der sich das Substrat befindet, übereinstimmen.

Die optimale Anordnung der Haupt- und Hilfselektroden bei in der Vorrichtung angeordnetem Substrat sowie die anzulegenden Spannungen können durch Simulationsrech­ nung oder durch Experimentieren ermittelt werden.

Es zeigen

Fig. 1 Abscheidevorrichtung mit Einrahmung (Maske)

Fig. 2 Abscheidevorrichtung mit Hilfselektroden

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, in der ein Substrat eingebracht ist, welches mit positiv geladenen Teilchen beschichtet werden soll. Zu diesem Zweck befindet sich in der Vorrichtung eine Suspension mit positiv gelade­ nen Teilchen. Schwerkraftbedingt liegt das Substrat auf der Kathode auf. Die Kathode ist flächenförmig und weist eine deutlich größere Elektrodenoberfläche als die Grundfläche des Substrats auf. Des weiteren ist das Substrat durch eine Maske eingerahmt. Diese Einrahmung besitzt ähnliche dielektrische Eigenschaften wie das Substrat. Der Kathode gegenüberliegend ist eine Anode mit gleicher Elektrodenoberfläche angeordnet, und zwar derart, daß das Substrat dazwischen liegt.

Dieser Aufbau hat zur Folge, daß die zu beschichtende Oberfläche des Substrats sich im homogenen Bereich des elektrischen Feldes befindet. Die Vorrichtung ermög­ licht dadurch eine gleichmäßige homogene Beschichtung des Substrats.

Fig. 2 zeigt einen vergleichbaren Aufbau wie Fig. 1. Es sind jedoch Hilfselektroden (alternativ zur Einrah­ mung) vorgesehen sind. Diese Hilfselektroden sind seit­ lich sowie ringförmig um das Substrat angeordnet. Nicht dargestellt ist eine regelbare Spannungsquelle für die Hilfselektroden, mit deren Hilfe die Homogenität des elektrischen Feldes beeinflußt werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur elektrophoretischen Beschichtung von Substraten
mit zwei Hauptelektroden zur Erzeugung eines homo­ genen elektrischen Feldes,
mit Mitteln zur derartigen Anordnung des Substrates innerhalb des homogenen Bereiches des elektrischen Feldes, daß eine elektrophoretische Beschichtung des Substrates durchführbar ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Verbesserung der Homogenität des elek­ trischen Feldes im Substratbereich bei in der Vor­ richtung angeordnetem Substrat.

2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrahmung für das Substrat als Mittel zur Op­ timierung der Homogenität des elektrischen Feldes bei in der Vorrichtung angeordnetem Substrat.

3. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch Elektrodenoberflächen der Hauptelektroden, die gleich der von der Einrahmung beanspruchten Fläche sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch Hilfselektroden als Mittel (3) zur Optimierung der Homogenität des elektrischen Feldes bei in der Vor­ richtung angeordnetem Substrat.

5. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche zur elektrophoretischen Be­ schichtung von Substraten.