Entwicklung von Polysilazan basierten Hochbarrierematerialien mittels großflächiger Applikation durch R2R-Nassbeschichtung: vakuumprozessfrei, flexibel, transparent („posiba-flex“)

Polymerbasierte Elektronik steht aufgrund ihres ungeheuren Potentials, den Lebensstandard der Menschen vielfältig erhöhen zu können, sehr im derzeitigen Fokus der Wissenschaft und des gesellschaftlichen Interesses. Um die polymerbedingten Vorteile, wie mechanische Flexibilität und dünne materialsparende Schichten, ausnutzen zu können, müssen sich gegenwärtig Technologien (PLED, OPV, etc.) der großen Herausforderung stellen, die Langzeit­stabilität mittels Hochbarriereverkapselung (Schutz vor O₂ und H₂O) zu verbessern. Hier setzt das Projekt mit dem Ziel an, derartige Multilayerfolien auf Basis von Polysilazanen zu entwickeln, die durch energie- und resourcen­schonende Herstellung über R2R-Nassbeschichtung (reel-to-reel) sowie Transparenz und Flexibilität bestechen.

Ergebnisse

Das Basismaterial des Projektes war Perhydropolysilazan (PHPS), welches den Vorteil besitzt, über Nassbeschichtung appliziert eine transparente anorganische Barriereschicht (SiO_x) auszubilden – „Glas aus Lösung“ (!). Die organischen Zwischenschichten der hergestellten Multilayeraufbauten bildeten kommerzielle Lacke, die sehr dünn (unterer µm-Bereich) aufgetragen wurden. Zum großflächigen Aufbringen aller erforderlichen Materialien wurde  im Rahmen des Projektes das kontinuierliche Beschichten an der TITK-eigenen Laborbeschichtungsanlage LBA-200 erfolgreich angewendet und getestet (Abb. 1). Bei diesem als „R2R-Coating“ bezeichneten Verfahren finden alle erforderlichen Schritte der Schichtformung, wie Aktivieren, Antrag der Beschichtungsmittel im Slot-die-coating-Verfahren bis hin zur Trocknen/Härtung innerhalb eines kontinuierlichen Prozesses zwischen  Abwicklung (Rolle) der Basisfolie bis zu deren Aufwicklung (Rolle) mit der neu generierten  Oberfläche statt. Ausgehend von guten Barriereverbunden, hergestellt über Spincoating (Werte s. Abb. 2), gelang im Projekt deren Übertrag in den R2R-Modus. Es ließen sich  optisch hoch-trans­parente Filme – teils sogar Transmissionsverbesserung aufgrund minimierter Reflexion – bei Erhalt der mechanischen Flexibilität herstellen. Bereits eine einfache Beschichtung mit 600 nm PHPS führte auf PET zu extrem verminderten Sauerstoffdurchlässigkeiten von unbeschichtet 10,8 cm³/ (m² d bar) auf 0,09 cm³/ (m² d bar) mit Barriereschicht. Mit einer zweiten organischen Schicht darauf, spätestens jedoch nach Applikation einer dritten, dann wieder SiO_x, sinken die Werte unter die in dem Fall messbare Nachweisgrenze von 0,05 cm³/(m² d bar) (Mocon Oxtran, 23°C und 50% rH).  Ein zusätzlicher Aspekt bezüglich der organischen Schichten sowohl für die Oberfläche als auch  als Zwischenschicht war im Projekt, eigenes, bestehendes Know-how zur Synthese von Spezial­polymeren und im Besonderen zur Funktionalisierung von 2-Oxazolinen zu nutzen, um funktionell ausgestattetet Poly(2-oxazolin)e herzustellen. Nach Monomersynthese  bei entsprechend geschickter Wahl der Seitenketten (R) und Identifizieren geeigneter Polymerisationsbedingungen konnten im Ergebnis eine Vielzahl variabel funktionalisierter Polyoxazoline  dargestellt und charakterisiert werden. Unterschiede in den Oberflächenenergien konnten durch Beschichtungsversuche und Kontaktwinkelmessungen an Filmen der Polyoxazoline nachgewiesen werden, was ein zukünftige Applikation dieser Materialien in Verbunden als wasserabweisende Komponenten denkbar erscheinen lässt.

Anwendung

Bei der anvisierten kostengünstigen Produktion dieser „High-Tech“-Folien durch Nassbeschichtung und derart materialeffektiver Erzeugung dünnster Schichten in Kombination mit dem Leistungsvermögen einer wirklichen Hochbarriere mit Flexibilität und optischer Transparenz ist eine Überführung dieser Technologie in den großtechnischen Maßstab äußerst lukrativ, zumal beste Markteintrittschancen durch die aufkommenden neue Technologien (OPV, O-Sensorik, OLED, PLED) bestehen, die allesamt preiswerte Hochbarrierematerialien zur Verkapselung dringend benötigen.