Grundlegende Untersuchungen zur Schichtwachstumscharakterisitik plasmapolymerisierter Schichten auf Kunststoffen am Beispiel von Permeationssperrschichten
Final Report Abstract
Plasmaverfahren bieten für viele Problemstellungen in der Verarbeitung, Weiterverarbeitung und Anwendung von Kunststoffen kostengünstige, umweltfreundliche und qualitativ hochwertige Lösungen zur Einstellung maßgeschneiderter Oberflächeneigenschaften. Es existiert eine große Vielfalt an verfügbaren Technologien und Prozessen, die für einige Problemstellungen bereits Standardlösungen bereithalten. Plasmaprozesse sind jedoch in der Regel technisch sehr anspruchsvoll in der Anwendung. Dies gilt vor allem, wenn sie zur Beschichtung von Kunststoffbauteilen eingesetzt werden sollen. Die vorgestellten Untersuchungen zu den Wachstumsprozessen von plasmapolymerisierten Schichten auf mit einem dünnen PET-Film beschichteten Silizium-Wafern zeigen, dass die Schichten inselförmig aufwachsen. Es scheint sich bei dem Wachstum um einen Vorgang zu handeln, wie er für die Abscheidung von dünnen metallischen Schichten von Volmer und Weber beschrieben wird. Bei diesem Wachstum entstehen die Schichten gemäß einem Mechanismus, der ein Inselwachstum begünstigt. Dies bedeutet, dass die Schichten nicht als geschlossene Schichtdecke aufwachsen, sondern vielmehr einzelne Inseln beim Wachstum entstehen, die mit steigender Prozess- und Beschichtungszeit in Höhe und Breite wachsen. Diese Annahme wurde sowohl durch Aufnahmen der Oberfläche mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) als auch durch Aufnahmen des Querschnitts gestützt. Darüber hinaus lässt sich beobachten, dass die Rauheiten der Schichten mit zunehmender Prozessdauer ansteigen und sich von der glatten PET-Oberfläche deutlich unterscheiden. Dies gilt sowohl für aus der Gasmischung Acetylen/Argon (C2H2/Ar) abgeschiedene Schichten als auch für glasartige Schichten aus dem Precursor Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und lässt den Rückschluss auf ein insel- bzw. säulenförmiges Wachstum zu. Die im Rahmen des Projekts erzielten Barriereverbesserungen gegenüber Sauerstoff liegen um den Faktor 2 höher als für eine beschichtete Folie. Die Barrieresteigerung stellte sich bei der Probenbehandlung jedoch erst nach einer Beschichtungszeit von 10-20 s ein, was eine recht lange Zeit für einen Plasmaprozess zur Barrierebeschichtung darstellt. Zukünftige Untersuchungen zu den initialen Schichtwachstumsprozessen und insbesondere die Analyse von Querschnitten durch abgeschiedene Schichten können helfen den Wachstumsprozess besser einzuordnen und zu beschreiben. Dazu sollten nach Möglichkeit verschiedene Aspekte beleuchtet werden. Neben dem Substrat haben z. B. auch der jeweilige Prozessreaktor, die Anregungsfrequenz für das Plasma als auch die Anordnung im Plasma einen maßgeblichen Einfluss auf die Schichtmorphologie und die enstehenden Eigenschaften. Eine breite Parametervariation auf verschiedenen Substraten, die eine Barriere zur Erweiterung des Einsatzbereichs benötigen, sollte untersucht werden. Eine gezielte Steigerung der Barriere auf dünnen Kunststoffen bei gleichzeitiger Ergründung einer an den Prozess angepassten Vorstellung des Schichtwachstums wird zukünftige Anwendungen (Schutz sauerstoffempfindlicher organischer Leuchtdioden - OLED, Getränke in Flaschen aus ökologisch vorteilhaftem Polylactid) ermöglichen. Dazu bietet sich eine Kooperation von verschiedenen Forschergruppen aus den Bereichen Kunststoff, Plasmatechnologie und Schichtcharakterisierung an, um ein möglichst weites Parameterfeld abbilden und beschreiben zu können. Dieses grundlegende Verständnis kann dann genutzt werden, um die erzielbaren Barrierewerte weiter zu steigern und kostenintensive Voruntersuchungen zu reduzieren.
Publications
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Grundlagen der Plasmapolymerisation, Schichtwachstum bei Niederdruck. In: IKV Seminare zur Kunststoffverarbeitung "Oberflächentechnik - Kunststoffe gezielt funktionaleren". Aachen, 12.- 13.10.2005
SCHMACHTENBERG, E.; BiNKOWSKi, D.
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Struktur, Eigenschaften und Herstellung plasmapolymerisierter Sperrschichten. RWTH Aachen, Dissertation, 2005, ISBN 3-86130-509-7
GÖBEL, S.
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Analyse und Überwachung von Plasmaprozessen für die Kunststoffverarbeitung mittels optischer Emissionsspektroskopie. RWTH Aachen, Dissertation, 2007
HEGENBART, A.
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Enhanced Barrier Improvement for PET-Bottles by Combination of Interior and Exterior Plasma Assisted Coating. In; Proceedings of the 65th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers. Cincinnati, OH, 2007
MICHAELI, W.; BINKOWSKI, D.; HEGENBART, A.
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Grundlegende Untersuchungen zur Schichtwachstumscharakteristik plasmapolymerisierter Schichten auf Kunststoffen am Beispiel von Permeationssperrschichten. IKV: Fachbeiratsgruppensitzung 2007. Aachen, 14.11.2007
MICHAELI, W.; BINKOWSKI, D.
