Transparente, leitfähige Schichten erzeugen

Dass nicht nur aus anorganischen Materialien elektrisch leitfähige Schichten erzeugt werden können, zeigen jetzt die Partner des Projekts "Magnetischer Nanolack". Die neuen Lacksysteme lassen sich durch konventionelle Applikationstechniken auftragen und bieten einen möglichen Ersatz für im Vakuumverfahren erzeugte Schichten.

Untersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zeigen Co-Nanodrähten innerhalb einer Polymerbeschichtung. In der energiegefilterten TEM-Aufnahme (rechts) ist die Oxidation der Nanodrähte zu erkennen (blaue Bereiche). Quelle: Christian-Albrechts-Universtität Kiel -

Die Anwendungsmöglichkeiten für transparente, elektrisch leitfähige Beschichtungen sind vielfältig – ob bei geringer Leitfähigkeit in antistatischen Gerätvorsatzscheiben oder bei gut leitenden Beschichtungen in Touchscreendisplays. Bisher kommen dabei Schichten zum Einsatz, die aufgesputtert oder aufgedampft, also per Vakuumverfahren appliziert werden. Zurzeit werden dabei überwiegend Indium-Zinn-Oxid-Schichten (kurz ITO, für indium tin oxide) verwendet. Allerdings haben diese Schichten Nachteile gegenüber einem möglichen Ersatz durch transparente leitfähige Beschichtungen aus einem organischen Lack. Zum einen ist es durch die eingesetzten Applikationsverfahren schwierig, die Schichten gleichmäßig auf dreidimensionale oder sehr große Werkstücke aufzubringen. Das Aufbringen von organischen Lacken, z.B. mittels Spritzpistole, ist wesentlich einfacher. Zum anderen gibt es bei ITO-Schichten das Problem  einer rasanten Verteuerung und Verknappung der verwendeten Rohstoffe. Das zeigt die Notwendigkeit einer Substitution dieser Materialien und Verfahren. Im AiF/IGF-Projekt „Magnetischer Nanolack“ (AiF 16375 N) entwickeln die Projektpartner deshalb einen Polymerlack, der durch Zusatz von magnetischen Nanopartikeln eine transparente, elektrisch leitfähige Beschichtung bildet. In vergleichbaren Projekten wurden nicht-magnetische Nanopartikel eingesetzt.

Magnetische Eigenschaften nutzen

Der Einsatz von magnetischen Partikeln hat dagegen verschiedene Vorteile:

  • Strukturierung der magnetischen Nanopartikel innerhalb der Beschichtung durch ein während des Aushärtens des Lacks angelegtes Magnetfeld
  • Herstellung transparenter, magnetischer Beschichtungen möglich, z.B. zur Abschirmung von Magnetfeldern in elektronischen Baugruppen oder zur Begünstigung der elektromagnetischen Abschirmung von elektrischen Geräten
  • richtungsabhängiger Magnetowiderstands-Effekt

Durch die erzwungene Strukturierung lassen sich schon bei geringer Füllstoffkonzentration, unterhalb der Perkolationsgrenze und damit bei noch hoher Transparenz, gute elektrische Leitfähigkeiten erzielen. In einem kommerziell erhältlichen Polymerlack werden unterschiedliche magnetische nanopartikuläre Additive, wie verschiedene kobalt-, nickel- oder eisenhaltige Nanopartikel oder Nanodrähte, chemisch und physikalisch dispergiert. Nach der Applikation der Disper-sion erfolgen die Trocknung innerhalb eines Magnetfelds und anschließend die Aushärtung unter UV-Licht. Zur Charakterisierung kommen Transmissionsmessungen, lichtmikroskopische und elektronenmikroskopische Untersuchungen sowie Röntgenbeugungs- und elektrische Leitfähigkeitsmessungen zum Einsatz. Als nachteilig für die elektrische Leitfähigkeit erweist sich die Oxidation einiger magnetischer Nanopartikel in der Beschichtung. Einen Lösungsansatz bietet die Umhüllung der Nanopartikel mit Gold, um sie vor Oxidation zu schützen. Diese Beschichtung zeigt eine sehr hohe Transparenz, die elektrische Leitfähigkeit ist jedoch nicht sehr hoch. Beschichtungen mit Kohlenstoffnanoröhren (CNT = Carbo-Nanotubes) weisen zwar bessere Leitfähigkeiten, dafür aber wesentlich geringere Transparenzen auf. Im weiteren Projektverlauf sollen kombinierte Proben mit CNTs und magnetischen Nanopartikeln untersucht werden. Abhängig von den eingesetzten Nanopartikeln konnten bisher Leitfähikeiten im antistatischen oder ableitfähigen Bereich (10-7 – 10-10 S/m) bei Transparenzen von 75 – 95% bzw. im halbleitfähigen Bereich (um 1 S/m) bei Transparenzen von 40% erzielt werden. Die Partner in diesem AiF/IGF-Projekt sind das Forschungsinstitut Edelmetalle & Metallchemie (FEM), die Justus-Liebig-Universität Gießen, die Christian-Albrechts-Universität Kiel, die Kirsch Kunststofftechnik GmbH, die Universität Duisburg-Essen, die IoLiTec – Ionic Liquids Technologies GmbH, das Institut für Holztechnologie Dresden (IHD) sowie die Hochschule Ulm. Die Projektpartner danken dem  Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, das das Projekt (16375N) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. (AIF) im Rahmen des Programms zu Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) gefördert hat. Der Abschluss des Projekts ist für April 2012 geplant.

FEM – Forschungsinstitut Edelmetalle & Metallchemie, Schwäbisch Gmünd, Dr. Gesa Beck, Tel. +49 7171 1006-402, beck@fem-online.de, www.fem-online.de

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