Ultraschall-Sprühbeschichtung transparenter leitfähiger Filme

Ultraschall-Sprühbeschichtung transparenter leitfähiger Filme – Cheersonic

Im Zeitalter der rasanten Entwicklung flexibler Elektronik, optoelektronischer Displays und neuer Energietechnologien bestimmen transparente leitfähige Filme als Schlüsselfunktionsmaterial maßgeblich die Leistungsfähigkeit entsprechender Bauelemente hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Herstellungsverfahren. Traditionelle Beschichtungsverfahren wie Spin-Coating, Rakelbeschichtung oder Dampfabscheidung stoßen entweder an ihre Grenzen in Bezug auf die Materialausnutzung oder erzielen nur schwer eine gleichmäßige Beschichtung großflächiger Substrate. Zudem sind sie bei flexiblen oder unregelmäßigen Substraten unzureichend. Die Ultraschall-Sprühtechnologie bietet als neuartiges Präzisionsbeschichtungsverfahren mit ihren einzigartigen Vorteilen einen vielversprechenden technologischen Weg zur Herstellung leistungsstarker transparenter leitfähiger Filme.

Technischer Kern: Funktionsprinzip und Wesen der Ultraschall-Sprühbeschichtung

Der Kern der Ultraschall-Sprühtechnologie liegt in ihrem Mechanismus der „Ultraschallzerstäubung“. Im Gegensatz zur herkömmlichen pneumatischen Sprühtechnik, die auf Hochdruckgas zur Zerkleinerung von Flüssigkeiten angewiesen ist, wandelt die Ultraschall-Sprühanlage hochfrequente elektrische Energie mittels eines piezoelektrischen Wandlers in mechanische Schwingungen um, die auf die Düsenspitze übertragen werden. Dadurch können sich an der Oberfläche der durchströmenden Sprühflüssigkeit (z. B. einer Nanomaterialdispersion) extrem feine Kapillarwellen bilden, die schließlich aufgrund der enormen Beschleunigung in gleichmäßige Mikro- und sogar Nanotröpfchen „zerrissen“ werden.

Dieses Prinzip bietet mehrere grundlegende Vorteile:

1. Gleichmäßige und kontrollierbare Nebeltröpfchen: Die Größenverteilung der erzeugten Nebeltröpfchen ist extrem eng. Dadurch wird eine hohe Materialkonstanz an jedem Punkt während des Beschichtungsprozesses gewährleistet, was die Grundlage für eine hohe Gleichmäßigkeit des Films bildet.

2. Geringe Geschwindigkeit und geringe Aufprallenergie: Die Tröpfchen werden lediglich durch ihre eigene Trägheit und ein geringes Trägergas zum Substrat geleitet. Ihre kinetische Energie ist deutlich geringer als bei pneumatischen Sprühverfahren. Dies bedeutet minimale Auswirkungen auf bereits vorhandene Dünnschichten oder strukturell präzise Substrate (wie z. B. Nanodrahtnetzwerke). Dadurch werden Auswaschungen und strukturelle Schäden effektiv vermieden.

3. Extrem hohe Materialausnutzung: Sprühweg und -bereich lassen sich präzise programmieren. Nahezu das gesamte zerstäubte Material wird auf die effektive Fläche des Substrats geleitet. Die Ausnutzungsrate liegt bei über 90 %, was insbesondere für teure Nanomaterialien wie Silbernanodrähte entscheidend ist.

Materialsystem: Eine ideale Abscheidungsplattform für vielfältige transparente leitfähige Materialien
Die schonenden und gleichmäßigen Eigenschaften des Ultraschallsprühverfahrens machen es zur idealen Wahl für die Abscheidung verschiedener neuartiger transparenter leitfähiger Materialien und eignen sich perfekt für ein diversifiziertes Materialsystem jenseits des traditionellen Indiumzinnoxids (ITO).

1. Silbernanodrähte: Als vielversprechendste Alternative zu ITO erreichen Silbernanodrähte Leitfähigkeit durch die Verflechtung zu einem Netzwerk, wobei die Poren zwischen den Netzwerken für hohe Transparenz sorgen. Das Spin-Coating-Verfahren neigt jedoch aufgrund der Zentrifugalkraft zu ungleichmäßiger Ausrichtung und Stapelung der Nanodrähte; das Abkratzverfahren reagiert empfindlich auf die Linienlänge und kann leicht zu Agglomeration führen. Die Ultraschallsprühtechnologie mit ihren Tröpfchen niedriger kinetischer Energie kann die Silbernanodrahtdispersion gleichmäßig auf dem Substrat verteilen. Die Nanodrähte setzen sich unter der Oberflächenspannung des Lösungsmittels auf natürliche Weise ab und überlappen sich, wodurch ein leitfähiges Netzwerk mit besserer Vernetzung und weniger Defekten entsteht. Dies führt zu einer höheren Lichtdurchlässigkeit oder einem geringeren Widerstand bei gleicher Lichtdurchlässigkeit.

2. Kohlenstoffnanoröhren: Einwandige und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren leiten Strom durch die Bildung eines durchlässigen Netzwerks. Ultraschallsprühen ermöglicht nicht nur eine gleichmäßige Verteilung der CNTs, sondern trägt auch dazu bei, diese während der Abscheidung bis zu einem gewissen Grad auszurichten und zu ordnen. Dadurch wird der hohe Kontaktwiderstand, der durch ungeordnete Verknäuelungen entsteht, reduziert. Durch schichtweises Sprühen oder Mischen mit anderen Materialien lassen sich die Netzwerklücken effektiv füllen, was die Dichte und die Leitfähigkeitsgleichmäßigkeit des Films verbessert.

3. PEDOT:PSS (wasserbasierte leitfähige Polymerdispersion): Dieses Material zeichnet sich durch seine hervorragende Flexibilität, Verarbeitbarkeit aus Lösung und hohe Transparenz aus. Während der Filmbildung ist die Leitfähigkeit von PEDOT:PSS jedoch stark von der Filmmorphologie und dem Grad der Phasentrennung abhängig. Ultraschallsprühen kann durch präzise Steuerung des Trocknungsprozesses der Tröpfchen die Bildung von Mikrostrukturen fördern, die den Ladungstransfer zwischen PEDOT und PSS begünstigen. Darüber hinaus nutzen Forscher häufig Ultraschallsprühen für die Nachbehandlung, beispielsweise zum Aufsprühen einer Nachbehandlungslösung mit Spuren von Lösungsmitteln (wie Ethylenglykol und Dimethylsulfoxid) auf PEDOT:PSS-Filme. Durch präzise Dosierung wird der Film optimiert und seine Leitfähigkeit deutlich verbessert, ohne die Filmstruktur zu beeinträchtigen.

Noch wichtiger ist, dass die Ultraschallsprühtechnologie die Kompositierung und das Stapeln der oben genannten Materialien deutlich vereinfacht. So lassen sich problemlos Sandwichstrukturen (wie CNT/PEDOT:PSS/AgNW) sequenziell abscheiden oder verschiedene Materialdispersionen direkt mischen und in einem Arbeitsgang versprühen. Durch Synergieeffekte entstehen so transparente Kompositelektroden mit hervorragenden Eigenschaften (Leitfähigkeit, Transparenz, Flexibilität und Stabilität).

Technologischer Vorteil: Der Schlüssel zur industriellen Fertigung

Vom Labor zur Großserienfertigung hat die Ultraschall-Sprühtechnologie ihre hohe Prozessflexibilität unter Beweis gestellt.

* Hervorragende Gleichmäßigkeit und Konsistenz: Ob kleine Siliziumwafer oder große Glassubstrate mit Diagonalen von über einem Meter – Ultraschall-Sprühen gewährleistet eine erstaunliche Konsistenz in Schichtdicke und Widerstand. Die Abweichungen zwischen verschiedenen Schichten auf dem Chip lassen sich auf ein extrem niedriges Niveau reduzieren.

* Unübertroffene Strukturierungsmöglichkeiten: In Kombination mit einer Maskenplatte oder direkt mit einer Bewegungsplattform ermöglicht Ultraschall-Sprühen die einfache und präzise Abscheidung komplexer Strukturen ohne nachfolgende Materialreduktionsprozesse wie Laserätzen. Dadurch werden Materialverluste und potenzielle Strukturschäden vermieden. Dies ist entscheidend für Anwendungen wie Elektrodenschaltungen für Touchscreens und feine Metallgitter für OLEDs.

* Breites Substratspektrum: Dank seiner schonenden Abscheidungseigenschaften eignet es sich für starres Glas, flexible PET/PC/PEN-Kunststofffolien und sogar spezielle Substrate wie Papier und Textilien, die nicht beständig gegen hohe Temperaturen und Stöße sind. Dadurch erweitert sich das Anwendungsspektrum transparenter Elektroden erheblich.

* Präzise einstellbare Prozessparameter: Zerstäubungsfrequenz, Durchflussrate, Düsenabstand, Bewegungsgeschwindigkeit, Substrattemperatur und viele weitere Parameter lassen sich unabhängig und genau steuern. Dies bietet einen großen Parameterraum zur Optimierung von Dünnschichten für verschiedene Materialien und Anwendungsbereiche und unterstützt die Entwicklung von Dünnschichtprodukten mit Leistungsgrenzen.

Anwendungsperspektiven und Zukunftsaussichten

Aufgrund der oben genannten Vorteile haben transparente, leitfähige Folien, hergestellt mittels Ultraschall-Sprühtechnologie, großes Potenzial in vielen zukunftsweisenden Bereichen gezeigt:

* Flexible Displays und Touchscreens: Bereitstellung biegefester und hochzuverlässiger transparenter Elektroden für faltbare und rollbare Displays.

* Organische Photovoltaik und Perowskit-Solarzellen: Als obere oder untere Elektrode der Zelle ermöglicht die Technologie eine effiziente und kostengünstige Lösungsherstellung, die sich besonders für zukünftige großtechnische Rolle-zu-Rolle-Produktionsprozesse eignet.

* Transparente Heizfolie: Kann zur Herstellung von Windschutzscheiben, Flugzeug-Bullaugen oder Smart-Home-Panels mit schneller Reaktionszeit und gleichmäßiger Erwärmung eingesetzt werden.

* Elektromagnetische Abschirmung: Bietet leichten und transparenten Schutz vor elektromagnetischen Störungen in flexiblen elektronischen Geräten.

Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass sich diese Technologie mit dem Fortschritt der Nanomaterial-Dispersionstechnologie und der weiteren Verbesserung des Automatisierungs- und Intelligenzgrades von Ultraschall-Sprühanlagen zum Standardverfahren in der Herstellung transparenter leitfähiger Folien entwickeln wird. Es wird nicht nur ein Werkzeug zur Materialabscheidung sein, sondern auch eine umfassende Plattform, die Materialsynthese, Strukturkontrolle und Leistungsoptimierung integriert und so kontinuierlich Innovation und Transformation der nächsten Generation optoelektronischer Geräte fördert.

Über Cheersonic

Cheersonic ist der führende Entwickler und Hersteller von Ultraschallbeschichtungssystemen zum Auftragen präziser Dünnschichtbeschichtungen zum Schutz, Festigen oder Glätten von Oberflächen auf Teilen und Komponenten für die Mikroelektronik/Elektronik, alternative Energie, Medizin und Industrie, einschließlich spezialisierter Glasanwendungen im Bau und Automobil.

Unsere Beschichtungslösungen sind umweltfreundlich, effizient und äußerst zuverlässig und ermöglichen eine drastische Reduzierung des Übersprays, Einsparungen beim Rohstoff-, Wasser- und Energieverbrauch und eine verbesserte Prozesswiederholbarkeit, Transfereffizienz, hohe Gleichmäßigkeit und reduzierte Emissionen.