Prozessadaption von Silberdispersionen an die laserbasierte Herstellung von leitfähigen Strukturen auf organischen Lacken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die industrielle Bedeutung von Laserprozessen nimmt seit Jahren stetig zu, da aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten und der Geschwindigkeit von Laserprozessen ein wirtschaftlicher Mehrwert generiert werden kann. Durch die Substituierung von Öfen durch einen Laser zum Schmelzen von Silberpartikeln, sowie von Nanopartikeln durch Mikropartikeln konnten zwei Ansätze zur Reduzierung der Gesamtkosten die bei der Herstellung von druckbaren Silberbahnen entstehen reduziert werden. Der verfolgte Ansatz zielte dabei auf die Adaption der relevanten Eigenschaften des Ausgangsmaterials, in diesem Fall einer wässrigen Suspension aus Silbermikropartikeln, an den photonischen Prozess des Laserschmelzens ab. Es konnte gezeigt werden, dass neue Materialien für die Photonik entwickelt bzw. verbessert werden können. Um die Verarbeitung von Silberpartikeln zu erleichtern, werden die Ausgangsmaterialien von Silberleiterbahnen in Flüssigkeiten dispergiert, so dass Dispersionen entstehen die gepumpt und gedruckt werden können. Diese Dispersionen enthalten meist Nanopartikel. Sollen anstelle von Nanosilberpartikeln Mikrosilberpartikel als Ausgangsmaterial für die laserbasierte Herstellung von Leiterbahnen verwendet werden, so ergeben sich spezifische Probleme. Zu erwähnen ist die kolloidale Stabilität von Mikropartikeln, welche aufgrund des hohen Gewichts der einzelnen Partikel nur schwer eingestellt werden kann, und der „Balling“-Effekt der beim Laserschmelzen von additivierten Silberpartikeln auftreten kann. Um das Auftreten des „Balling“-Effekt zu verhindern und die Dispersionen für das Laserschmelzen zu optimieren, wurden vier Additive verwendet. Die Additive unterschieden sich in Molekulargewicht, Polarität und chemischer Funktionalität. Die aus mikroskaligen Silberpartikeln, Additiv und Wasser formulierten Dispersionen wurden thermophysikalisch und kolloidchemisch charakterisiert, um Rückschlüsse auf die Eigenschaften die für den Erfolg oder Misserfolg der laserbasierten Herstellung von Silberbahnen entscheidend sind ziehen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass die hydrodynamische Dispergierung der Partikel in der Trägerflüssigkeit und auch die Dauer der kolloidalen Stabilität der Dispersionen großen Einfluss auf die lasergeschmolzenen Silberbahnen haben. Um einen quantitativen Verglich der Ergebnisse des Laserschmelzens zu ermöglich, wurde die Oberflächenbelegung mit Silber nach dem Laserschmelzen definiert. Dieser Parameter war für PVP, MEEAA und APTS additivierte Dispersionen so gering, dass er nicht reproduzierbar gemessen werden konnte. Bei Verwendung des Additivs OCC konnte die Oberflächenbelegung dagegen reproduzierbar auf 50 % gesteigert werden. Dies steht im Zusammenhang mit der hydrodynamischen Dispergierung der Partikel, welche für OCC in mittlerer bis hoher Volumenkonzentration sehr hoch war, sowie der Dauer der kolloidalen Stabilität der Dispersionen. Neben der Dispergierung konnte die beim Laserschmelzen durch Zersetzung der Additive freiwerdende massenbezogene Wärme als entscheidender Faktor für die Höhe der Oberflächenbelegung mit Silber nach dem Laserschmelzen identifiziert werden. Obwohl die freigesetzte Wärme bei der Additiv-Zersetzung wesentlich kleiner als die vom Laser in die Silberbahn eingebrachte Energie ist, konnten wir zeigen, dass der Beitrag der exothermen Wärme zum Laserschmelzen nicht vernachlässigbar ist. Die freigewordene Wärme war umso größer je höher das Molekulargewicht des zersetzen Additivs war. Das Molekulargewicht der Additive beeinflusst darüber hinaus auch deren Zersetzungstemperatur (TZ). Diese steigt mit dem Molekulargewicht und der Additivkonzentration an. TZ darf nach den vorliegenden Ergebnissen einen Grenzwert jedoch nicht überschreiten. Dies zeigt der besonders hohe Anstieg der PVP-TZ auf bis zu 500 °C bei hohen Konzentrationen, die wiederrum zur kolloidalen Stabilisierung nötig sind. Die maximalen TZ der Additive OCC, APTS und MEEAA liegen dagegen bei < 300 °C und damit weiter von der Schmelztemperatur von Silber entfernt (962 °C). Wir konnten also zeigen, dass hohe Molekulargewichte der Additive vorteilhaft sind, um hohe Oberflächenbelegungen mit Silber nach dem Laserschmelzen zu erzielen. Von den untersuchten Additiven war OCC, welches nach PVP über das zweithöchste Molekulargewicht verfügte, am besten zur Herstellung von Silberbahnen aus Mikropartikel-Dispersionen geeignet. Die mit OCC additivierten Dispersionen stellen einen optimalen Kompromiss aus hoher hydrodynamischer Dispergierung, langer kolloidaler Stabilität, niedriger/moderater Zersetzungstemperatur und freigesetzter Wärme durch die Zersetzung des Additivs beim Laserschmelzen dar. Darüber hinaus konnte durch die Verwendung von OCC das Auftreten des „Balling“-Effekt verhindert werden. Durch das vorgestellte Beispiel führt die vorliegende Studie folglich zu der Erkenntnis, dass die materialwissenschaftliche Adaption von Materialien einen nennenswerten Beitrag zur Photonik leisten kann.
