VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON ELEKTRISCH LEITENDEN NANOSTRUKTUREN MITTELS ELEKTROSPINNEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von bekannten Verfahren zur Erzeugung von Strukturen aus elektrisch leitfähigem Material unter Verwendung von Druckverfahren. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem es ermöglicht wird Nanofasern gezielt mit hoher örtlicher Präzision auf einer beliebigen Oberfläche abzulegen. Dies wird ermöglicht durch einen besonders angepassten Prozess des sogenannten Elektrospinnens in Verbindung mit einem hierfür geeigneten Material, aus dem die elektrisch leitfähigen Strukturen entstehen, indem die Strukturen aus leitfähigen Partikeln bestehen oder einer Nachbehandlung zur Erzeugung von Leitfähigkeit unterzogen werden.

[0002] Viele Bauteile (z.B. viele Innenausbauten von Automobilen; Scheiben) und Gegenstände des täglichen Bedarfs (z.B. Getränkeflaschen) bestehen im Wesentlichen aus elektrisch isolierenden Materialien. Dies umfasst sowohl bekannte Polymere, wie Polyvinylchlorid, Polypropylen etc., aber auch Keramik, Glas und andere Mineralwerkstoffe. Vielfach ist die Isolationswirkung des Bauteils gewünscht (z.B. bei Gehäusen von mobilen Computern). Allerdings besteht ebenso häufig ein Bedarf auf solche Bauteile oder Gegenstände eine elektrisch leitfähige Oberfläche, oder Struktur aufzubringen, um zum Beispiel elektronische Funktionen direkt in das Bauteil, oder den Gegenstand zu integrieren.

[0003] Weitere Anforderungen an die Oberfläche von Gebrauchsgegenständen und deren Material sind eine möglichst große gestalterische Freiheit in der Formgebung, positive mechanische Eigenschaften (z.B. hohe Schlagzähigkeit), sowie bestimmte optische Eigenschaften (z.B. Transparenz, Glanz etc.), die insbesondere von den oben beispielhaft aufgeführten Materialien mit unterschiedlicher Gewichtung erreicht werden.

[0004] Bedarf besteht also die positiven Eigenschaften des Materials zu erhalten und gezielt eine leitfähige Oberfläche zu erzeugen. Insbesondere die optische Transparenz und Glanz sind in diesem Zusammenhang technisch anspruchsvoll. Erreicht werden können sie nur über drei Wege. Entweder wird das Substratmaterial selbst gezielt leitfähig gemacht, ohne dabei seine mechanischen und optischen Eigenschaften zu verschlechtern, oder es wird ein Material benutzt, dass leitfähig, aber visuell optisch für den Menschen nicht wahrnehmbar ist und sich auf der Oberfläche des Substrats leicht gezielt applizieren lässt, oder es wird ein leitfähiges Material verwendet, das zwar selbst nicht transparent ist, aber mittels eines geeigneten Prozesses dergestalt auf der Oberfläche appliziert werden kann, dass die resultierende Struktur für den Menschen im Allgemeinen ohne Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel nicht wahrnehmbar ist. Damit werden die Eigenschaften Glanz und Transparenz des Substrats nicht beeinflusst.

[0005] Im Allgemeinen gilt jede Struktur als visuell nicht wahrnehmbar, die aufgebracht auf eine zweidimensionale Oberfläche in einer ihrer beiden Dimensionen auf der Substratebene eine charakteristische Länge von 20 µm nicht überschreitet. Um jegliche Beeinflussung der Oberflächenwahrnehmung sicher zu unterbinden sind Strukturen im submikronen Bereich (d.h. mit einer Linienbreite von ≤ µm) besonders wünschenswert.

[0006] Zum Applizieren von insbesondere leitfähigem Material, auf Oberflächen existiert eine große Anzahl von Verfahren. Insbesondere gängige Druckverfahren, wie Siebdruck oder Tintenstrahldruck sind hierfür geeignet. Besonders für diese Drucktechniken existieren bereits entsprechende Formulierungen für leitfähige Materialien, - auch Tinten genannt - die in Verbindung mit den Verfahren leitfähige Strukturen auf der Oberfläche darstellbar machen.

[0007] Während Siebdruckverfahren aufgrund der kleinsten verfügbaren Maschenweite der Drucksiebe prinzipiell nicht dazu in der Lage sind Strukturen in einer optischen Auflösung kleiner 1 µm zu erzeugen, wären beispielsweise Tintenstrahldruckverfahren hierzu theoretisch in der Lage, da die Abmessungen der resultierenden Struktur auf dem Substrat bei Tintenstrahldruckverfahren direkt mit dem Düsendurchmesser des verwendeten Druckkopfes korrelieren. Allerdings ist hierbei im Regelfall die charakteristische Länge der minimalen Abmessung der resultierenden Struktur größer, als der Durchmesser des verwendeten Düsenkopfes. [J. Mater. Sci. 2006, 41, 4153; Adv. Mater. 2006, 18, 2101 Dennoch wären prinzipiell Strukturen mit einer Linienbreite unter 1 µm herstellbar, wenn Drucker mit Düsenöffnungen deutlich unter 1 µm verwendet werden könnten. Allerdings ist dies in der Praxis nicht durchführbar, da mit zunehmender Verringerung des Düsendurchmessers die Anforderungen an die verwendbaren Tinten stark ansteigen. Sollte die verwendete Tinte Partikel enthalten, so müsste deren mittlerer Durchmesser der Verringerung der Düsendurchmesser folgen, was bereits alle Tinten mit Partikeln ≥1 µm prinzipiell ausschließt. Weiterhin steigt die Anforderung an die rheologischen Eigenschaften der Tinte (z.B. Viskosität, Oberflächenspannung, etc.), damit sie für den Druckkopf verwendbar bleibt. Vielfach sind diese Parameter aber nicht getrennt vom Verhalten (z.B. Spreitung und Haftung) der Tinte auf dem jeweiligen Substrat einstellbar, was die Kombination Tinte-Druckverfahren für die Erzeugung leitfähiger Strukturen in diesem Größenbereich unbrauchbar macht.

[0008] Ein Verfahren, mit dem alternativ Strukturen kleiner 1 µm auf Polymeroberflächen dargestellt werden können, ist das sogenannte Heißprägen. Mittels des Verfahrens wurden bereits kreisförmige Oberflächenstrukturen mit einem Durchmesser von ca. 25 nm dargestellt [Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3114; Adv. Mater. 2000, 12, 189]. Nachteil des Heißprägens ist jedoch die Beschränkung der Strukturform auf die Form des jeweils verwendeten Prägestempels oder der Prägerolle. Eine freie Gestaltung des Strukturverlaufs ist hiermit nicht möglich.

[0009] Besonders dünne Fasern, die auch potenziell auf der Oberfläche eines geeigneten Substrates applizierbar wären, können mittels eines Verfahrens erzeugt werden, dass sich unter dem Namen "Elektrospinnen" etabliert hat. Hiermit ist es möglich unter Verwendung eines spinnfähigen Materials Fasern von wenigen Nanometern Durchmesser zu erzeugen [Angew. Chem. 2007, 119, 5770 - 5805].

[0010] Elektrogesponnene Fasern werden aber nur in Form großer, ungeordneter Fasermatten erhalten. Geordnete Fasern werden bislang nur möglich durch Spinnen auf eine rotierende Rolle [Biomacromolecules, 2002, 3, 232]. Es ist weiterhin bekannt, dass prinzipiell leitfähige Fasern mittels "Elektrospinnen" versponnen werden können. Ein entsprechendes, leitfähiges Material zur solchen Verwendung unter Ausnutzung der Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhrchen ist ebenfalls bekannt. [Langmuir, 2004, 20(22), 9852].

[0011] In US2001-0045547 werden Methode und Material offenbart, mit denen leitfähige Fasermatten erhalten werden können.

[0012] Ein gezieltes Ablegen von nicht leitenden Fasern auf ebenen Oberflächen konnte erreicht werden, indem man den Abstand des Spinnkopfes zum Substrat verringert. [Nano Letters, 2006, 6, 839].

[0013] Es wurden bislang keine elektrisch leitfähigen Strukturen mit gezielter Anordnung auf einer Substratoberfläche hergestellt mittels Elektrospinnen beschrieben.

[0014] In US2005-0287366 werden eine Methode und ein Material offenbart, mit deren Hilfe leitfähige Fasern erzeugt werden können. Die Methode beinhaltet das Elektrospinnen in einem Abstand von etwa 200 mm, so dass ebenfalls ungeordnete Fasermatten erhalten werden. Das Material ist ein Polymer, das über weitere Nachbehandlungsschritte, beinhaltend eine thermische Behandlung, leitfähig gemacht wird. Eine gezielte Orientierung und Applikation der erhaltenen Fasern auf einem Substrat wird nicht offenbart.

[0015] Aufgabe der Erfindung ist es also einen Prozess zu entwickeln, mit dem unter Verwendung der Elektrospinntechnik gezielt, visuell für das menschliche Auge nicht direkt wahrnehmbare, leitfähige Strukturen auf einer Oberfläche erzeugt werden können.

[0016] Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung leitfähiger linearer Strukturen mit einer Linienbreite von höchstens 5 µm auf einem insbesondere nicht elektrisch leitenden Substrat, welche Gegenstand der Erfindung ist, wenigstens aufweisend eine Substrathalterung, eine Spinnkapillare, die mit einem Vorrat für eine Spinnflüssigkeit und einer elektrischen Spannungsversorgung verbunden ist, eine regelbare Bewegungseinheit zur Bewegung der Spinnkapillare und/oder der Substrathalterung relativ zueinander, eine optische Messeinrichtung, insbesondere eine Kamera, zur Verfolgung des Spinnvorgangs am Ausgang der Spinnkapillare, und eine Recheneinheit zur Regelung des Abstands der Spinnkapillare relativ zur Substrathalterung in Abhängigkeit vom Spinnvorgang.

[0017] Bevorzugt weist die Spinnkapillare eine Öffnungsweite von maximal 1 mm auf.

[0018] Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der die Spinnkapillare eine kreisrunde Öffnung mit einem Innendurchmesser von 0,01 bis 1 mm, bevorzugt 0,01 bis 0,5 mm, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,1 mm, aufweist.

[0019] In einer bevorzugten Ausführung der neuen Vorrichtung liefert die Spannungsversorgung eine Ausgangsspannung bis 10kV, bevorzugt von 0,1 bis 10kV, besonders bevorzugt 1 bis 10 kV ganz besonders bevorzugt 2 bis 6 kV.

[0020] In einer weiteren bevorzugten Ausführung dient die regelbare Bewegungseinheit zur Bewegung der Substrathalterung.

[0021] Bevorzugt ist auch eine Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnkapillare auf einen Abstand von 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 2 bis 4 mm zur Substratoberfläche einstellbar ist.

[0022] In einer besonders bevorzugten Variante der Vorrichtung ist der Vorrat für die Spinnflüssigkeit mit einer Fördereinrichtung versehen, die die Spinnflüssigkeit in die Spinnkapillare fördert. Beispielsweise dient hierzu eine Kolbenspritze, die mit einer Motorspindel als Kolbenvortrieb versehen ist.

[0023] Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung leitfähiger linearer Strukturen mit einer Linienbreite von höchstens 5 µm auf einem, insbesondere nicht elektrisch leitenden Substrat durch Elektrospinnen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spinnflüssigkeit auf Basis eines elektrisch leitenden Materials oder einer Vorläuferverbindung für ein elektrisch leitendes Material aus einer Spinnkapillare mit einer Öffnungsweite von maximal 1 mm unter Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Substrat oder Substrathalterung und Spinnkapillare oder Spinnkapillarenfassung von mindestens 100 V bei einem Abstand von höchstens 10 mm zwischen dem Ausgang der Spinnkapillare und der Oberfläche des Substrats auf die Substratoberfläche gesponnen wird und die Substratoberfläche relativ zum Ausgang der Spinnkapillare bewegt wird, wobei die Relativbewegung abhängig vom Spinnfluss gesteuert wird, dass das Lösungsmittel der Spinnflüssigkeit entfernt und gegebenenfalls die Vorläuferverbindung zu einem elektrisch leitenden Material nachbehandelt wird.

[0024] Geeignete Substrate sind elektrisch nicht oder schlecht leitende Materialien wie Kunststoffe, Glas oder Keramik, oder halbleitende Stoffe wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid und Zinksulfid. In einem bevorzugten Verfahren wird der Abstand zwischen dem Ausgang der Spinnkapillare und der Substratoberfläche auf 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 2 bis 4 mm eingestellt.

[0025] Die Viskosität der Spinnflüssigkeit beträgt vorzugsweise höchstens 15 Pa•s, insbesondere bevorzugt 0,5 bis 15 Pa•s, besonders bevorzugt 1 bis 10 Pa•s, ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 Pa•s.

[0026] Die Spinnflüssigkeit besteht bevorzugt mindestens aus einem Lösungsmittel, insbesondere wenigstens einem ausgewählt aus der Reihe: Wasser, C₁ - C₆-Alkohol, Aceton, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid und meta-Cresol, einem polymeren Zusatzstoff, bevorzugt Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylpyrrolidon, Carboxymethylcellulose oder Polyamid und einem leitfähigen Material.

[0027] Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, in dem die Spinnflüssigkeit als leitfähiges Material wenigstens eines aus der Reihe: leitfähiges Polymer, ein Metallpulver, ein Metalloxidpulver, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit und Ruß enthält.

[0028] Besonders bevorzugt ist das leitfähige Polymer ausgewählt aus der Reihe: Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen, Polyphenylenvinylen, Polyparaphenylen, Polyethylendioxythiophen, Polyfluoren, Polyacetylen, besonders bevorzugt Polyethylendioxythiophen/Polystyrolsulfonsäure.

[0029] In dem Falle, dass die Spinnflüssigkeit als leitfähiges Material bevorzugt wenigstens ein Metallpulver der Metalle Silber, Gold und Kupfer, bevorzugt Silber aufweist wird als Lösungsmittel ein Dispergiermittel enthaltendes Wasser und gegebenenfalls zusätzlich C₁ - C₆-Alkohol verwendet, wobei das Metallpulver dispergiert vorliegt und einen Partikeldurchmesser von höchstens 150 nm aufweist.

[0030] Bevorzugt umfasst das Dispergierhilfsmittel wenigstens ein Mittel ausgewählt aus der Gruppe: Alkoxylate, Alkylolamide, Ester, Aminoxide, Alkylpolyglukoside, Alkylphenole, Arylalkylphenole, wasserlösliche Homopolymere, wasserlösliche statistische Copolymere, wasserlösliche Blockcopolymere, wasserlösliche Pfropfpolymere, insbesondere Polyvinylalkohole, Copolymere aus Polyvinylalkoholen und Polyvinylacetaten, Polyvinylpyrrolidone, Cellulose, Stärke, Gelatine, Gelatinederivate, Aminosäurepolymere, Polylysin, Polyasparaginsäure, Polyacrylate, Polyethylensulfonate, Polystyrolsulfonate, Polymethacrylate, Kondensationsprodukte von aromatischen Sulfonsäuren mit Formaldehyd, Naphthalinsulfonate, Ligninsulfonate, Copolymerisate acrylischer Monomere, Polyethylenimine, Polyvinylamine, Polyallylamine, Poly(2-vinylpyridine), Block-Copolyether, Block-Copolyether mit Polystyrolblöcken und/oder Polydiallyldimethylammoniumchlorid ist.

[0031] Eine besonders bevorzugte Spinnflüssigkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Silberpartikel a) einen effektiven Partikeldurchmesser von 10 bis 150 nm aufweisen, bevorzugt von 40 bis 80 nm, ermittelt mit der Laserkorrelationsspektrokopie.

[0032] Die Silberpartikel sind bevorzugt in der Formulierung zu einem Anteil von 1 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% enthalten.

[0033] Der Gehalt an Dispergierhilfsmittel in der Spinnflüssigkeit beträgt bevorzugt 0,02 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,04 bis 2 Gew.- %.

[0034] Die Größenbestimmung mittels Laserkorrelationsspektroskopie ist literaturbekannt und z. B. beschrieben in T. Allen, Particle Size Measurements, Bd. 1., Kluver Academic Publishers, 1999.

[0035] In einer anderen Variante des neuen Verfahren wird eine Spinnflüssigkeit verwendet, die eine Vorläuferverbindung für ein elektrisch leitendes Material aufweist, die ausgewählt ist aus der Reihe: Polyacrylnitril, Polypyrrol, Polyanilin, Polyethylendioxythiophen und die zusätzlich ein Metallsalz insbesondere eine Eisen(III)salz, besonders bevorzugt Eisen(III)nitrat enthält. Als Lösungsmittel kommen hierbei z. B. Aceton, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, meta-Cresol und Wasser in Frage.

[0036] Das Verfahren wird ganz besonders bevorzugt so durchgeführt, dass zum Verspinnen der Spinnflüssigkeit die oben beschriebene neue Vorrichtung oder eine ihrer bevorzugten Varianten zum Einsatz kommt.

[0037] Mittels der Vorrichtung werden die erwünschten feinen leitfähigen Strukturen durch Elektrospinnen erzeugt. Je nach verwendeter Spinnlösung ist es erforderlich die Strukturen nachzubehandeln werden, um die gewünschte Leitfähigkeit zu erzielen oder zu erhöhen.

[0038] An der Öffnung der Kapillare bildet sich bei Anlegen der Spannung zwischen Kapillare bzw. Kapillarenfassung und Substrathalterung ein Tropfen, aus dem der Spinnfaden austritt.

[0039] Weiterhin sind Aufnahme für Kapillare und Substrat so gestaltet, dass eine relative Positionierung von Kapillarenöffnung zur Substratoberfläche möglich ist. In einer besonderen Ausführungsform ist die Kapillare über dem Substrat mittels Stellmotoren positionierbar, in einer anderen ist es möglich mit Stellmotoren das Substrat unter der Kapillare während des Verspinnens zu positionieren. Insbesondere können Substrat und Kapillare bewegt werden. Bevorzugt wird das Substrat unter der Kapillare bewegt.

[0040] Um die gewünschten leitfähigen Strukturen aus der Spinnflüssigkeit zu erzeugen sollte sichergestellt werden, dass der Spinnprozess dergestalt stabilisiert wird, dass die resultierende Struktur auf der Oberfläche keine Unterbrechungen aufweist. Bevorzugt wird dies über eine Regelung des Kapillarenabstands relativ zur Substratoberfläche erreicht, indem über eine Regelschleife in Abhängigkeit von einem Kamerabild die Fortführung der Linie unterbrochen wird, wenn offenbar der Spinnfaden abbricht. Besonders bevorzugt wird die Stabilisierung des Vorgangs so erreicht, dass ein Rechner das Bild der Kamera analysiert und den relativen Vorschub der Kapillare bezüglich des Substrats unterbricht, wenn die Analyse einen Abbruch, eine Änderung der Linienbreite oder eine Blase in der kontinuierlichen Faser ergibt.

[0041] Die Kamera kann beliebig positioniert werden, z. B. bei transparenten Substraten unterhalb des Substrates oder nahe der Kapillarenöffnung.

[0042] Die im Verfahren minimal anzulegende Spannung variiert linear mit dem eingestellten Abstand und ist auch abhängig von der Art der Spinnflüssigkeit. Bevorzugt sollte für das Verspinnen zum strukturierten Ablegen der Fasern eine Betriebsspannung von 0,1 bis 10 kV verwendet werden, wie oben beschrieben.

[0043] Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt wenn der Abstand zwischen Kopf der Kapillare und Substratoberfläche 0,1 bis 10 mm betrug.

[0044] Es wurde weiterhin gefunden, dass das zu verspinnende Material für die Durchführung des Verfahrens eine Viskosität von insbesondere höchstens 15 Pa•s ausweisen sollte um sicher leitfähige Strukturen mit dem Spinnmaterial zu erzeugen.

[0045] Nach den oben beschriebenen Schritten befindet sich das spezifizierte Material in gewünschter Weise auf dem Substrat und kann bedarfsweise zur Erhöhung der Leitfähigkeit nachbehandelt werden.

[0046] Z.B. umfasst diese Nachbehandlung den Eintrag von Energie in die erzeugten Strukturen. Im Fall leitfähiger Polymere (insbesondere Polyethylendioxythiophen) werden die im Lösungsmittel in Suspension vorliegenden Polymerpartikel z.B. durch Erwärmung der Suspension auf dem Substrat miteinander verschmolzen, während das Lösungsmittel mindestens teilweise verdampft. Bevorzugt wird der Nachbehandlungsschritt mindestens bei der Schmelztemperatur des leitfähigen Polymers durchgeführt, besonders bevorzugt oberhalb dessen Schmelztemperatur. Dadurch entstehen durchgängige Leiterbahnen. Ebenfalls bevorzugt ist eine Nachbehandlung der Strukturen/Fasern auf dem Substrat mittels Mikrowellenstrahlung.

[0047] Im Fall eines Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltenden Spinnmaterials wird durch die Nachbehandlung der erzeugten Linien das Lösungsmittel zwischen den dispergiert vorliegenden Partikeln verdampft, um durchgängige, perkolationsfähige Bahnen aus Kohlenstoffnanoröhrchen zu erhalten. Der Behandlungsschritt wird hierbei im Bereich der Verdampfungstemperatur des im Material enthaltenen Lösungsmittels oder darüber durchgeführt, bevorzugt oberhalb der Verdampfungstemperatur des Lösungsmittels. Ist die Perkolationsgrenze erreicht, entstehen die gewünschten Leiterbahnen.

[0048] Alternativ können leitende Strukturen auch dadurch erzeugt werden, dass ein Vorläufermaterial für ein elektrisch leitfähiges Material, z.B. Polyacrylnitril (PAN), auf dem Substrat abgelegt wird und unter wechselnden gasförmigen Medien getempert wird, zur Erzeugung von Kohlenstoff als leitfähige Substanz, wie nachstehend beschrieben wird.

[0049] In diesem Fall wird eine Lösung aus einem Polymer (z.B. PAN oder Carboxymethylcellulose) und einem Metallsalz (z.B. einem Eisen(III)salz wie Eisennitrat) in einem für beide Komponenten geeigneten Lösemittel (z.B. DMF) hergestellt. Das Polymer sollte sich in ein bei solchen Temperaturen stabiles leitfähiges Material umwandeln lassen. Besonders bevorzugte Polymere sind solche, die durch Hochtemperaturbehandlung zu Kohlenstoff umgewandelt werden können. Insbesondere bevorzugt sind graphitisierbare Polymere (z.B. Polyacrylnitril bei 700-1000°C). Bei den Metallsalzen werden solche bevorzugt, deren Zerfallstemperatur oder Zersetzungstemperatur unter reduktiver Atmosphäre unterhalb der Zersetzungstemperatur des jeweiligen Polymers liegen (z.B. Eisen(III)-Nitrat-Nonahydrat bei 150°C bis 350°C). Nach der Umwandlung der Metallsalze in Metallpartikel, bevorzugt durch rein thermischen Zerfall oder gasförmige Reduktionsmittel, besonders bevorzugt durch Wasserstoff, wird in Anwesenheit der Metallpartikel das Polymer in Kohlenstoff umgesetzt. Schließlich wird gegebenenfalls zusätzlich aus der Gasphase Kohlenstoff auf den Strukturen abgeschieden, bevorzugt durch chemische Gasphasenabscheidung aus Kohlenwasserstoffen. Hierzu werden flüchtige Kohlenstoff-Vorläufer bei hohen Temperaturen über die Strukturen geleitet. Bevorzugt sind hier kurzkettige Aliphaten zu verwenden, besonders bevorzugt z.B. Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, oder Hexan, insbesondere bevorzugt die bei Raumtemperatur flüssigen Aliphaten n-Pentan und n-Hexan. Hierbei sind die Temperaturen so zu wählen, dass die Metallpartikel das Wachstum von röhrenförmigen Kohlenstofffilamenten und einer zusätzlichen Graphitschicht entlang der Faser fördern. Bei Eisenpartikeln liegt dieser Temperaturbereich z.B. zwischen 700 und 1000°C, bevorzugt zwischen 800-850°C. Die Dauer der Gasphasenabscheidung im obigen Fall liegt zwischen 5 Minuten und 60 Minuten, bevorzugt zwischen 10 bis 30 Minuten.

[0050] Verwendet man gemäß bevorzugter Vorgehensweise die oben beschriebenen Suspensionen von Edelmetallnanopartikeln in Lösungsmitteln als Spinnflüssigkeit zur Erzeugung leitfähiger Strukturen, so kann die Nachbehandlung erfolgen, indem man das gesamte Bauteil oder gezielt die Leiterbahnen auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Metallpartikel miteinander versintern und das Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft. Hierbei sind möglichst kleine Partikeldurchmesser vorteilhaft, da bei nanoskaligen Partikeln die Sintertemperatur zu der Partikelgröße proportional ist, so dass bei kleineren Partikeln eine niedrigere Sintertemperatur erforderlich ist. Hierbei liegt der Siedepunkt des Lösungsmittels möglichst nah an der Sintertemperatur der Partikel und ist möglichst niedrig, um das Substrat thermisch zu schonen. Bevorzugt siedet das Lösungsmittel der Spinnflüssigkeit bei einer Temperatur < 250 °C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur < 200 °C, insbesondere bevorzugt bei einer Temperatur≤ 100 °C. Alle hier angegebenen Temperaturen beziehen sich auf Siedetemperaturen bei einem Druck von 1013 hPa. Der Sinterschritt wird bei den angegebenen Temperaturen so lange durchgeführt, bis eine durchgängige Leiterbahn entstanden ist. Dies ist bevorzugt eine Zeitdauer von einer Minute bis 24 Stunden, besonders bevorzugt von fünf Minuten bis 8 Stunden, insbesondere bevorzugt von zwei bis 8 Stunden.

[0051] Das neue Verfahren findet insbesondere Anwendung zur Herstellung von Substraten, die an ihrer Oberfläche leitfähige Strukturen aufweisen, die in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 1 µm haben, bevorzugt von 1 µm bis 50 nm, besonders bevorzugt von 500 nm bis 50 nm, wobei das leitfähige Material bevorzugt eine Suspension leitfähiger Partikel ist, wie sie oben beschrieben sind, und das Substrat bevorzugt transparent ist, beispielsweise auf Glas, Keramik, Halbleitermaterial oder ein transparentes Polymer wie oben beschrieben.

[0052] Die Erfindung wird nachstehend unter Verwendung der Figur 1 beispielhaft näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Schema der erfindungsgemäßen Spinnvorrichtung.

Beispiele

Beispiel 1

(Leitfähige Nanostrukturen mit Kohlenstoffnanoröhrchen):

[0053] Zum Verspinnen der Spinnlösung wurde folgende Apparatur (siehe Fig. 1) verwendet:

Die Halterung 1 für das Substrat 9, eine Siliziumscheibe und die metallische Fassung 13 der Spinnkapillare 2, welche mit einem Flüssigkeitsvorrat 3 für die Spinnlösung 4 versehen ist. sind mit einer elektrischen Spannungsversorgung 5 verbunden. Die Spannungsversorgung 5 stellt elektrische Gleichspannung bis zu 10 kV zur Verfügung. Die Spinnkapillare 2 ist eine Glaskapillare mit einem Innendurchmesser von 100 µm. Der regelbare Stellmotor 6 dient zur Bewegung der Spinnkapillare 2 und der Stellmotor 6' zur Bewegung der Substrathalterung 1 relativ zueinander um den Abstand zwischen diesen einzustellen. Die Kamera 7 ist zur Verfolgung des Spinnvorgangs auf den Ausgang der Spinnkapillare 2 ausgerichtet, und mit einem Rechner 8 mit Bildverarbeitungssoftware zur Auswertung der Bilddaten der Kamera verbunden. Der Vortrieb des Motors 6' der Substrathalterung 1 wird vom Rechner 8 geregelt in Abhängigkeit vom Austritt der Spinnlösung 4 aus der Spinnkapillare 2.

[0054] Eine Spinnlösung 4 von 10 Gew-% Polyacrylnitril (PAN: mittleres Molekulargewicht 210.000 g/mol) und 5 Gew-% Eisen(III)-Nitrat-Nonahydrat in Dimethylformamid wurde hergestellt. Die Viskosität der resultierenden Lösung betrug etwa 4,1 Pa•s. Der Spinnprozess wurde bei einem Abstand von 0,6 mm zwischen Kapillarenöffnung und Oberfläche des Substrats 9 bei einer Spannung von 1,9 kV zwischen Spinnkapillare 2 und Substrat 9 initialisiert. Nach Einstellen eines stabilen Faserverlaufes wurde die Spannung auf 0,47 kV eingeregelt und der Abstand auf 2,2 mm erhöht. In dieser Einstellung wurde die Spinnlösung 4 auf die Oberfläche des Substrats 9 versponnen und das Substrat zur Erzeugung von Linien seitlich bewegt.

[0055] Das Substrat 9 mit den erhaltenen PAN-Fasern wurde nachfolgend innerhalb von 90 min. von 20 auf 200°C aufgeheizt, dann für 60 Minuten bei 200°C behandelt. Hiernach wurde die Luft des Trockenofens, in dem sich die Probe 9 befand, durch Argon ersetzt und innerhalb von 30 Minuten die Temperatur auf 250 °C erhöht. Es wurde danach Argon durch Wasserstoff ersetzt. Unter dieser Wasserstoff-Atmosphäre wurde die Temperatur wiederum für 60 Minuten bei 250 °C gehalten. Anschließend wurde wieder auf Argon als Gas für den Trockenofen umgestellt und die Probe 9 innerhalb von zwei Stunden auf eine Temperatur von 800 °C erwärmt. Schließlich wurde für sieben Minuten dem Argon Hexan zudosiert und abschließend die Probe 9 unter Argon wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Abkühlprozess wurde hierbei nicht geregelt, sondern es wurde solange gewartet, bis das Innere des Ofens wieder eine Temperatur von 20 °C erreicht hatte.

[0056] Es entstand eine leitfähige Linie die im wesentlichen auf Kohlenstoff basiert. Bei Kontaktierung von zwei Punkten der Linie in einem Abstand von 190 µm, wurde ein Widerstand von 1,3 kOhm gemessen. Die Linie hatte eine Linienbreite von ca. 130 nm.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Herstellung leitfähiger linearer Strukturen mit einer Linienbreite von höchstens 5 µm auf einem insbesondere nicht elektrisch leitenden Substrat (9),
wenigstens aufweisend eine Substrathalterung (1), eine Spinnkapillare (2), die mit einem Vorrat (3) für eine Spinnflüssigkeit (4) und einer elektrischen Spannungsversorgung (5) verbunden ist, eine regelbare Bewegungseinheit (6, 6') zur Bewegung der Spinnkapillare (2) und/oder der Substrathalterung (1) relativ zueinander, eine optische Messeinrichtung (7), insbesondere eine Kamera, zur Verfolgung des Spinnvorgangs am Ausgang der Spinnkapillare (2), und eine Recheneinheit (8) zur Regelung des Abstands der Spinnkapillare (2) relativ zur Substrathalterung (1) in Abhängigkeit vom Spinnvorgang.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnkapillare (2) eine Öffnungsweite von maximal 1 mm aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnkapillare (2) eine kreisrunde Öffnung aufweist mit einem Innendurchmesser von 0,01 bis 1 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,75 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 0,3 mm.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung (5) eine Ausgangsspannung bis 10kV, bevorzugt von 0,1 bis 10kV, besonders bevorzugt 1 bis 10 kV ganz besonders bevorzugt 2 bis 6 kV liefert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Bewegungseinheit (6') zur Bewegung der Substrathalterung (1) dient.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnkapillare (2) auf einen Abstand von 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 2 bis 4 mm zur Substratoberfläche einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrat (3) mit einer Fördereinrichtung (12) versehen ist, die die Spinnflüssigkeit (4) in die Spinnkapillare (2) fördert.

8. Verfahren zur Herstellung leitfähiger linearer Strukturen mit einer Linienbreite von höchstens 5 µm auf einem, insbesondere nicht elektrisch leitenden Substrat (9) durch Elektrospinnen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spinnflüssigkeit (4) auf Basis eines elektrisch leitenden Materials oder einer Vorläuferverbindung für ein elektrisch leitendes Material aus einer Spinnkapillare (2) mit einer Öffnungsweite von maximal 1 mm unter Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Substrat (9) oder Substrathalterung (1) und Spinnkapillare (2) oder Spinnkapillarenfassung (13) von mindestens 100 V bei einem Abstand von höchstens 10 mm zwischen dem Ausgang (11) der Spinnkapillare (2) und der Oberfläche des Substrats (9) auf die Substratoberfläche (10) gesponnen wird und die Substratoberfläche (10) relativ zum Ausgang (11) der Spinnkapillare (2) bewegt wird, wobei die Relativbewegung abhängig vom Spinnfluss gesteuert wird, Entfernen des Lösungsmittels der Spinnflüssigkeit (4) und gegebenenfalls Nachbehandeln der Vorläuferverbindung zu einem elektrisch leitenden Material.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Ausgang (11) der Spinnkapillare (2) und der Substratoberfläche (10) auf 0,1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt 2 bis 4 mm eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Spinnflüssigkeit (4) höchstens 15 Pa•s, bevorzugt 0,5 bis 15 Pa•s, besonders bevorzugt 1 bis 10 Pa•s, ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 Pa•s beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnflüssigkeit (4) mindestens aus einem Lösungsmittel, insbesondere ausgewählt aus der Reihe: Wasser, C1-C6-Alkohol, Aceton, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid und meta-Cresol, einem polymeren Zusatzstoff, bevorzugt Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylpyrrolidon, Carboxymethylcellulose oder Polyamid und einem leitfähigen Material besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnflüssigkeit (4) als leitfähiges Material wenigstens eines aus der Reihe: leitfähiges Polymer, ein Metallpulver, ein Metalloxidpulver, Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit und Ruß enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Polymer ausgewählt ist aus der Reihe: Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen, Polyphenylenvinylen, Polyparaphenylen, Polyethylendioxythiophen, Polyfluoren, Polyacetylen, bevorzugt Polyethylendioxythiophen/Polystyrolsulfonsäure.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnflüssigkeit (4) als leitfähiges Material wenigstens ein Metallpulver der Metalle Silber, Gold und Kupfer, bevorzugt Silber und als Lösungsmittel ein Dispergiermittel enthaltendes Wasser und gegebenenfalls C1 - C6-Alkohol aufweist, wobei das Metallpulver dispergiert vorliegt und einen Partikeldurchmesser von höchstens 150 nm aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnflüssigkeit (4) eine Vorläuferverbindung für ein elektrisch leitendes Material aufweist, die ausgewählt ist aus der Reihe: Polyacrylnitril, Polypyrrol, Polyanilin, Polyethylendioxythiophen und zusätzlich Metallsalz insbesondere Eisen(III)salz.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verspinnen der Spinnflüssigkeit (4) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.

Claims

1. Apparatus for producing conductive linear structures having a line width of at most 5 µm on a specifically non-electrically conducting substrate (9), comprising at least a substrate holder (1), a spinning capillary (2), which is connected to a reservoir (3) for a spinning liquid (4) and to an electrical voltage supply (5), an adjustable movement unit (6, 6') for moving the spinning capillary (2) and/or the substrate holder (1) relative to each other, an optical measuring device (7), specifically a camera, for tracking the spinning process at the point of exit from the spinning capillary (2) and an arithmetic processing unit (8) for controlling the distance of the spinning capillary (2) from the substrate holder (1) according to the spinning process.

2. Apparatus according to Claim 1, characterized in that the spinning capillary (2) has an opening width of not more than 1 mm.

3. Apparatus according to Claim 2, characterized in that the spinning capillary (2) has a circularly round opening with an internal diameter of 0.01 to 1 mm, preferably 0.25 to 0.75 mm, more preferably 0.5 to 0.3 mm.

4. Apparatus according to any of Claims 1 to 3, characterized in that the voltage supply (5) delivers an output voltage of up to 10 kV, preferably of 0.1 to 10 kV, more preferably 1 kV to 10 kV, most preferably 2 to 6 kV.

5. Apparatus according to any of Claims 1 to 3, characterized in that the adjustable movement unit (6') serves to move the substrate holder (1).

6. Apparatus according to any of Claims 1 to 3, characterized in that the spinning capillary (2) is adjustable to a distance of 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm, more preferably 2 to 4 mm from the substrate surface.

7. Apparatus according to any of Claims 1 to 3, characterized in that the reservoir (3) comprises a conveying device (12) which conveys the spinning liquid (4) into the spinning capillary (2).

8. Method for producing conductive linear structures having a line width of at most 5 µm on a specifically non-electrically conducting substrate (9) by electrospinning, characterized in that a spinning liquid (4) based on an electrically conducting material or a precursor compound for an electrically conducting material is spun onto the substrate surface (10) from a spinning capillary (2) having an opening width of no more than 1 mm by applying an electrical voltage of at least 100 V between the substrate (9) or substrate holder (1) and the spinning capillary (2) or spinning capillary holder (13) at a distance of at most 10 mm between the point of exit (11) of the spinning capillary (2) and the surface of the substrate (9) and the substrate surface (10) is moved relative to the point of exit (11) of the spinning capillary (2), wherein the relative movement is controlled according to the spin flux, removing the solvent of the spinning liquid (4) and post-treating any precursor compound to form an electrically conducting material.

9. Method according to Claim 8, characterized in that the distance between the point of exit (11) of the spinning capillary (2) and the substrate surface (10) is adjusted to 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 5 mm, more preferably 2 to 4 mm.

10. Method according to Claim 8 or 9, characterized in that the viscosity of the spinning liquid (4) is at most 15 Pa•s, preferably 0.5 to 15 Pa•s, more preferably 1 to 10 Pa•s, most preferably 1 to 5 Pa•s.

11. Method according to any of Claims 8 to 10, characterized in that the spinning liquid (4) consists at least of a solvent, specifically selected from the series: water, C1-C6 alcohol, acetone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide and meta-cresol, a polymeric additive, preferably polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose or polyamide, and a conductive material.

12. Method according to Claim 11, characterized in that the spinning liquid (4) contains as conductive material at least one from the series: conductive polymer, a metal powder, a metal oxide powder, carbon nanotubes, graphite and carbon black.

13. Method according to Claim 12, characterized in that the conductive polymer is selected from the series: polypyrrole, polyaniline, polythiophene, polyphenylenevinylene, polyparaphenylene, polyethylenedioxythiophene, polyfluorene, polyacetylene, preferably polyethylenedioxythiophene/polystyrene sulfonic acid.

14. Method according to any of Claims 11 to 13, characterized in that the spinning liquid (4) includes as conductive material at least one metal powder of the metals silver, gold and copper, preferably silver and, as solvent, water containing a dispersant and optionally C1-C6 alcohol, wherein the metal powder is present in disperse form and has a particle diameter of at most 150 nm.

15. Method according to any of Claims 8 to 10, characterized in that the spinning liquid (4) includes a precursor compound for an electrically conducting material, said precursor compound being selected from the series: polyacrylonitrile, polypyrrole, polyaniline, polyethylenedioxythiophene and additional metal salt specifically iron (III) salt.

16. Method according to any of Claims 8 to 15, characterized in that the spinning liquid (4) is spun using apparatus according to any of Claims 1 to 7.

Revendications

1. Dispositif de production de structures linéaires conductrices ayant une largeur de ligne de 5 µm au plus sur un substrat (9) en particulier électriquement non conducteur, présentant au moins un support de substrat (1), un capillaire de filage (2) relié à un réservoir (3) d'un liquide de filage (4) et à une alimentation de tension électrique (5), une unité de mouvement réglable (6, 6') pour déplacer le capillaire de filage (2) et/ou le support de substrat (1) l'un par rapport à l'autre, un dispositif de mesure optique (7), en particulier une caméra, pour suivre le processus de filage à la sortie du capillaire de filage (2), et une unité de calcul (8) pour la régulation de la distance du capillaire de filage (2) par rapport au support de substrat (1) en fonction du processus de filage.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capillaire de filage (2) présente une largeur d'ouverture de 1 mm au maximum.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capillaire de filage (2) présente une ouverture circulaire avec un diamètre intérieur de 0,01 à 1 mm, de préférence de 0,25 à 0,75 mm, de préférence encore de 0,5 à 0,3 mm.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alimentation de tension (5) fournit une tension de sortie jusqu'à 10 kV, de préférence de 0,1 à 10 kV, de préférence encore de 1 à 10 kV, et de préférence particulière de 2 à 6 kV.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité de déplacement réglable (6') sert pour le déplacement du support de substrat (1).

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capillaire de filage (2) est réglable à une distance de 0,1 à 10 mm, de préférence de 1 à 5 mm, de préférence encore de 2 à 4 mm de la surface du substrat.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réservoir (3) est muni d'un dispositif de transport (12), qui transporte le liquide de filage (4) dans le capillaire de filage (2).

8. Procédé de production de structures linéaires conductrices ayant une largeur de ligne de 5 µm au plus sur un substrat (9) en particulier électriquement non conducteur par électrofilage, caractérisé en ce que l'on file sur la surface de substrat (10) un liquide de filage (4) à base d'un matériau électriquement conducteur ou d'un composé précurseur d'un matériau électriquement conducteur hors d'un capillaire de filage (2) présentant une largeur d'ouverture de 1 mm au maximum par application entre le substrat (9) ou un support de substrat (1) et le capillaire de filage (2) ou une monture de capillaire de filage (13) d'une tension électrique d'au moins 100 V pour une distance de 10 mm au plus entre la sortie (11) du capillaire de filage (2) et la surface du substrat (9) et on déplace la surface de substrat (10) par rapport à la sortie (11) du capillaire de filage (2), dans lequel on commande le déplacement relatif en fonction du flux de filage, de l'élimination du solvant du liquide de filage (4) et éventuellement du post-traitement du composé précurseur en un matériau électriquement conducteur.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on règle la distance entre la sortie (11) du capillaire de filage (2) et la surface de substrat (10) à 0,1 à 10 mm, de préférence à 1 à 5 mm, de préférence encore à 2 à 4 mm.

10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la viscosité du liquide de filage (4) vaut au maximum 15 Pa*s, de préférence de 0,5 à 15 Pa*s, de préférence encore de 1 à 10 Pa*s, et de préférence particulière de 1 à 5 Pa*s.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le liquide de filage (4) se compose au moins d'un solvant, en particulier choisi dans la série: eau, alcool C₁-C₆, acétone, diméthylformamide, diméthylacétamide, diméthylsulfoxyde et métacrésol, d'une substance d'addition polymère, de préférence d'oxyde de polyéthylène, de polyacrylonitrile, de polyvinylpyrrolidone, de carboxyméthylcellulose ou de polyamide, et d'un matériau conducteur.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le liquide de filage (4) contient comme matériau conducteur au moins un matériau de la série: polymère conducteur, une poudre métallique, une poudre d'oxyde métallique, des nanotubes de carbone, le graphite et la suie.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le polymère conducteur est choisi dans la série: polypyrrole, polyaniline, polythiophène, polyphénylènevinylène, polyparaphénylène, polyéthylènedioxythiophène, polyfluorène, polyacétylène, de préférence polyéthylènedioxythiophène/acide polystyrolsulfonique.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le liquide de filage (4) présente comme matériau conducteur au moins une poudre métallique des métaux argent, or et cuivre, de préférence argent, et comme solvant l'eau contenant un agent dispersant et éventuellement un alcool C₁-C₆, dans lequel la poudre métallique se trouve sous forme dispersée et présente un diamètre de particules de 150 nm au plus.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le liquide de filage (4) présente un composé précurseur pour un matériau électriquement conducteur, qui est choisi dans la série: polyacrylonitrile, polypyrrole, polyaniline, polyéthylènedioxythiophène et en outre un sel métallique, en particulier un sel de fer(III).

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que l'on utilise pour le filage du liquide de filage (4) un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.

Zeichnung