Nanokomposite schŁtzen High-Tech-Elektronik

(Nanowerk News) Elektronische Bauteile von High-Tech-Produkten, beispielsweise organische Leuchtdioden (OLEDs) oder D√ľnnschichttransistoren, k√∂nnen bereits durch geringste Mengen von Sauerstoff oder Wasserdampf gesch√§digt werden. Die Elektronikindustrie ist daher dringend an Beschichtungen interessiert, die solche hochempfindlichen Bauteile luftdicht versiegeln. Glas hat sich dabei nur eingeschr√§nkt bew√§hrt. Es wird derzeit beispielsweise zum Schutz von OLEDs in hochwertigen Smartphones verwendet, doch die Displays werden dadurch starr und bruchanf√§llig.
Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Josef Breu an der Universität Bayreuth (Lehrstuhl Anorganische Chemie I) ist es jetzt aber gelungen, eine äusserst wirksame Schutzschicht herzustellen, die durchsichtig ist und infolge ihrer Biegsamkeit eine lange Haltbarkeit verspricht. Im internationalen Fachjournal Advanced Materials stellen die Wissenschaftler ihre neue Entwicklung vor ("UV-Cured, Flexible, and Transparent Nanocomposite Coating with Remarkable Oxygen Barrier").
Querschnitt durch eine nano-beschichtung
Die mit einem Rasterelektronenmikroskop entstandene Aufnahme zeigt einen Querschnitt durch die Beschichtung. In der an ein Buch erinnernden lamellaren Struktur wechseln sich Silikatschichten mit den Kunststoffschichten der Polymermatrix ab. 500 Nanometer (nm) entsprechen dabei 1 Zweitausendstel Millimeter. Die Grafik links zeigt schematisch vergrössert den dreistufigen Aufbau der Bausteine mit dem Schichtsilikat in der Mitte und den vernetzbaren Kunststoffketten an den äusseren Flächen.
Riesige Silikatscheiben und kettenförmige Kunststoffe: Bausteine einer neuartigen Schutzschicht
Die neuartige Schutzschicht besteht aus vielen √ľbereinanderliegenden Ebenen. Jede Ebene setzt sich aus winzigen Bausteinen zusammen, die nur wenige Nanometer hoch sind und sich in ihrem dreistufigen Aufbau gleichen. Die Mitte bilden k√ľnstlich erzeugte scheibenf√∂rmige Schichtsilikate. Deren Oberfl√§che ist zehnmal gr√∂sser als Schichtsilikate, die in der Natur ‚Äď beispielsweise in vulkanischen Gesteinen ‚Äď vorkommen. In den Bayreuther Laboratorien der Anorganischen Chemie ist es gelungen, diese ungew√∂hnlichen Schichtsilikate, die mindestens 5000 mal so breit wie hoch sind, zu synthetisieren.
Beidseitig sind an den Silikatscheiben kettenf√∂rmige Kunststoffmolek√ľle verankert, die f√ľr die Anwendung in einer luftdichten Schutzschicht optimiert wurden. Die gesamte, aus diesen Bausteinen gebildete Schutzschicht geh√∂rt damit zu der in den letzten Jahren intensiv erforschten Materialklasse der Nanokomposite. In diesem Fall ist das Nanokomposit aus vernetzten Kunststoffmolek√ľlen und darin eingelagerten Schichtsilikaten aufgebaut, die als F√ľllstoff fungieren. Solche Nanokomposite werden derzeit in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gef√∂rderten Sonderforschungsbereich ‚ÄěVon partikul√§ren Nanosystemen zur Mesotechnologie‚Äú an der Universit√§t Bayreuth untersucht.
Effizienz und Flexibilität: Vorteile des neuen Nanokomposits
Die innerhalb der Matrix √ľbereinander liegenden Ebenen von Schichtsilikaten sind in der Lage, das Eindringen von Sauerstoff- oder Wassermolek√ľlen weitgehend zu unterbinden. Die Silikatscheiben fungieren als Riegel, die diesen Molek√ľlen den direkten Weg quer durch die Schutzschicht versperren. Infolgedessen m√ľssen Sauerstoff- oder Wassermolek√ľle auf dem Weg durch die Schicht riesige Umwege zur√ľcklegen und werden dabei ausgebremst. Dementsprechend verringert sich die Zahl der Molek√ľle, die pro Zeiteinheit die Schicht durchdringen k√∂nnen ‚Äď was die Lebenserwartung des elektronischen Bauteils erheblich steigert.
Beim Schutz von High-Tech-Elektronik hat die Kombination aus einer Polymer-Matrix mit k√ľnstlichen Schichtsilikaten einen entscheidenden Vorteil, wenn man sie mit den etablierten Schutzschichten aus Glas vergleicht. Die gesamte Beschichtung ist flexibel und kann sich m√∂glichen Verformungen anpassen, statt gleich zu zerbrechen. Diese F√§higkeit verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Leuchtdioden, Transistoren oder andere Bauteile w√§hrend des Transports besch√§digt werden. Durch die neuen Schutzschichten ist das langfristige Ziel, biegsame Displays herstellen zu k√∂nnen, deutlich n√§her ger√ľckt.
Prof. Dr. Josef Breu und seine Mitarbeiter haben die verwendeten Schichtsilikate auch mit alternativen F√ľllstoffen verglichen. Das Ergebnis: Eine derart ausgepr√§gte Flexibilit√§t und Undurchl√§ssigkeit der Schutzschicht l√§sst sich nur mit synthetischen, nicht aber mit den in der Natur vorkommenden Silikaten erzielen.
Ein kosteng√ľnstiges Herstellungsverfahren, zum Patent angemeldet
F√ľr die Herstellung der neuen Nanokomposite haben die Bayreuther Wissenschaftler ein kosteng√ľnstiges Verfahren entwickelt, das im Industriemassstab realisiert werden kann. Die dreistufigen, aus Silikaten und Kunststoffmolek√ľlen bestehenden Bausteine lassen sich dabei grossfl√§chig auf die elektronischen Bauteile aufstreichen. Aufgrund ihrer Scheibenstruktur ordnen sich die Schichtsilikate automatisch parallel zueinander aus. Durch eine nachfolgende Behandlung mit ultraviolettem Licht erh√§lt die hochgeordnete Matrix ihre Festigkeit. Wegen der hochinteressanten industriellen Anwendungspotenziale, insbesondere bei der nachhaltigen Sicherung von High-Tech-Produkten, ist diese Erfindung mittlerweile zum Patent angemeldet worden.
Source: Universität Bayreuth
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