Способ получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре, применение таковых и нагревательная система на основе тонких пленок, полученных таким способом
METHOD OF PRODUCING ELECTROTECHNICAL THIN FILMS AT ROOM TEMPERATURE, USE THEREOF AND HEATING SYSTEM BASED ON THIN FILMS OBTAINED USING SAID METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение можно в общем отнести к области электротехнических тонких пленок. Область техники в основном определена в документе DE 10 2015 102 801, в создании которого авторы настоящего изобретения принимали участие. Известные средства, признаки и способы можно взять из этой заявки и уровня техники, цитируемого в ней.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам получения электротехнических тонких пленок, в частности, электротехнических последовательностей слоев, которые применимы в качестве проводящих слоев и могут использоваться для контакта тонкопленочных нагревателей.
Объект, заявляемый в настоящем контексте, был разработан в контексте получения тонкопленочного нагревателя.
С 1921 г. было известно из документа DE 390 400 А, что терморезистор можно получать в виде смеси жидкого стекла, графита и различных солей путем предварительного осаждения, распределения и сушки. Соответственно в документе DE 410 375 А сообщается о физической сушке такого слоя, поверхность которого в конце обрабатывают кислотой. Недостатком этих известных способов является то, что способ сушки дисперсии является только физическим и, таким образом, занимает очень много времени.
В качестве альтернативы в документе DE 839 396 В сообщается об инкапсуляции нити накала в оболочке из кварцевого стекла для получения таким образом надежного теплового излучателя. В этой конструкции требуется неблагоприятное включение провода в чистом кварцевом стекле путем плавления при высоких и очень высоких температурах. Альтернативные композитные элементы, раскрытые в документе DE 1 446 978 А, также требуют высоких температур для получения плотного Si-SiC-C композитного элемента в виде твердого нагревательного элемента. Альтернативные конструкции, которые, как описано в документе DD 266 693 А1, содержат графит и дополнительные добавки в виде разрыхленного пласта между двумя электродами, также рассматривают неблагоприятное размещение большого количества пар подходящих материалов. В документе DE 196 479 35 В4 также сообщается о применении смеси графита, углерода и/или углеродного волокна, смешанных с жидким стеклом, в толстом слое между электродами. Это также имеет недостаток, заключающийся в том, что электроды могут подвергаться агрессивному воздействию жидкого стекла и, таким образом, должны выполняться достаточной толщины. В отличие от описанного выше настоящее изобретение отличается тем, что оно относится к области тонких пленок.
Документ DE 3 650 278 Т2, который соответственно направлен на тонкую нагревательную пленку, намного более уместен для сравнения. Однако, в этом документе снова сообщается о неблагоприятной карбонизации полимерной пленки, что требует большого количества энергии, причем необходимо превращать указанную пленку в графитовую пленку путем превращения при 1800°С.
Таким образом, целью настоящего изобретения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники и обеспечение способа и электротехнической тонкой пленки согласно способу, при помощи которого, несмотря на промышленную обработку при комнатной температуре и при крупномасштабном изготовлении, могут обеспечиваться тонкие пленки, которые являются твердыми, стабильными, предпочтительно пригодными в качестве нагревательного слоя, и тем не менее модифицируемыми с достаточной проводимостью в отношении их электротехнических свойств для тонкослойного контактного соединения.
Эта цель достигается посредством признаков независимых пунктов формулы. Предпочтительные варианты осуществления будут очевидны из зависимых пунктов формулы и следующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении обеспечивается способ получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре путем обеспечения электропроводных и/или полупроводниковых неорганических агломератов в дисперсии на поверхности и отверждения их с образованием слоя, характеризующийся тем, что отверждение проводят при комнатной температуре, и отверждение ускоряют посредством приведения в контакт по меньшей мере с одним реагентом.
В предпочтительном варианте осуществления электротехнический базовый слой обеспечивается здесь на поверхности посредством диспергирования и отверждения с получением пленки; при этом в данном способе преимущественно водную углеродсодержащую суспензию, содержащую по меньшей мере микроразмерный графит с аморфным углеродным компонентом и необязательно до 49% по весу добавок связанных полиморфов углерода, включая сажу, активированный уголь, смолу, токопроводящую сажу, печную сажу, газовую сажу, ламповую сажу, сажу ESD, смешивают с порошком по меньшей мере одного металла, который представляет собой порошок с размером частиц не более чем микрометрового диапазона, растворимого в основаниях промышленного металла, содержащего по меньшей мере алюминий и/или железо. Затем рН суспензии регулируют до значения, необходимого для протекания реакции, составляющего более 7, и металлы по меньшей мере частично растворяются. Восстановительный слой, полученный таким образом, наносят и подвергают предварительному отверждению по меньшей мере с образованием стабилизированной краевой оболочки, причем суспензию, нанесенную тонким слоем, отверждают по меньшей мере посредством воздействия соответствующего УФ-излучения.
Затем для предпочтительного получения проводящей электротехнической тонкой пленки обеспечивают свежую дисперсию с низким содержанием серной кислоты, металла, предпочтительно меди, на восстановительном базовом слое, и полное отверждение проводят при комнатной температуре, причем отверждение ускоряют при помощи восстановительного осаждения в течение 5 минут с осаждением слоя металла в микрометровом диапазоне. Предпочтительно последовательность электротехнических тонких слоев, полученную таким образом, можно использовать в качестве пригодного к пайке, пригодного для печатания слоя металла, более предпочтительно в качестве тонкопленочного нагревателя.
Более предпочтительно приведение в контакт двойного слоя путем использования традиционных способов припаивания обеспечивает применение полезных и/или необходимых контактов и/или контуров, что облегчает получение продуктов из множества электротехнических тонких слоев с очень низкой стоимостью. При стоимости изготовления в диапазоне от 1 до 10 евро на квадратный метр для двойного слоя, находящегося на гибкой пленке или бумаге, в настоящем изобретении предложен значительный потенциал для ценообразования в виде выгодной комбинации двойных слоев.
ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ
В настоящем изобретении обеспечивается способ получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре путем обеспечения электропроводных и/или полупроводниковых неорганических агломератов в дисперсии на поверхности и отверждения их с образованием пленки, характеризующийся тем, что
- отверждение проводят при комнатной температуре и
- отверждение ускоряют посредством приведения в контакт по меньшей мере с одним реагентом.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что образуется последовательность PV-слоев.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что по меньшей мере один наносимый базовый слой представляет собой слой, содержащий агломераты по меньшей мере одного образующего цепи элемента, причем образующий цепи элемент выбран из группы, состоящей из бора, алюминия, галлия, индия, углерода, кремния, германия, олова, свинца, фосфора, мышьяка, сурьмы, серы, селена, теллура, брома, йода.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что базовый слой обеспечивается в виде преимущественно водной суспензии и отверждается посредством соответствующей реакции.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что базовый слой обеспечивается в виде водной суспензии, рН которой доведен до значения, необходимого для протекания реакции, и наносится, и подвергается по меньшей мере предварительному отверждению при комнатной температуре.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что базовый слой обеспечивается в виде водной углеродсодержащей суспензии, содержащей по меньшей мере один тип полиморфов углерода из сажи, графита, активированного угля, смолы, токопроводящей сажи, печной сажи, газовой сажи, ламповой сажи, сажи ESD, при этом ее рН доводят до значения, необходимого для протекания реакции, и отверждают как окислительный или восстановительный слой.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что рН регулируют посредством добавлением по меньшей мере одного соединения, причем соединение выбрано из группы, состоящей из раствора гидроксида натрия, раствора гидроксида калия, гидроксида кальция, гидроксида бария, аммиака, соляной кислоты, серной кислоты, азотной кислоты, пероксида водорода, фосфорной кислоты, аскорбиновой кислоты, лимонной кислоты, винной кислоты, солей карбоновых кислот, карбоновых кислот, аминов, аминокислот.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что перед нанесением слой в виде свободнотекучей смеси или раствора смешивают по меньшей мере с одним металлом из группы, состоящей из Li, Na, K, Be, Mg, Са, Sr, Ва, В, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Se, Те, Ti, Zr, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hg, Au, Ag, Pt, Pd, Cd, no меньшей мере с частичным растворением металла при подходящем значении рН.
2
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в качестве базового слоя применяют слой в виде свободнотекучей смеси или раствора, который наносят тонким слоем и в конце отверждают посредством соответствующей реакции, которую осуществляют с помощью по меньшей мере одного средства, причем указанное по меньшей мере одно средство выбрано из группы, состоящей из воздействия УФ-излучения, приведения в контакт с CO, приведения в контакт с кислыми газами, приведения в контакт с основными газами, приведения в контакт с окислительными газами, приведения в контакт с восстановительными газами, приведения в контакт с хлорангидридами, приведения в контакт с растворами мочевины, приведения в контакт с дисперсией оксида металла, приведения в контакт с карбонилами металлов, приведения в контакт с комплексами металлов, приведения в контакт с соединениями металлов, приведения в контакт с солями металлов, приведения в контакт с водой.
Предпочтение отдают способу получения электротехнических тонких пленок при комнатной температуре, в частности базового слоя, при котором обеспечивают электропроводные и/или полупроводниковые, неорганические агломераты в дисперсии на поверхности и отверждают их с образованием слоя, характеризующемуся тем, что
- отверждение проводят при комнатной температуре,
- отверждение ускоряют посредством приведения в контакт по меньшей мере с одним реагентом,
- по меньшей мере один наносимый базовый слой представляет собой слой, содержащий агломераты по меньшей мере одного образующего цепи элемента, причем образующий цепи элемент состоит из углерода, при этом
- базовый слой в виде преимущественно водной углеродсодержащей суспензии,
содержащей по меньшей мере микроразмерный графит с аморфным углеродным компонентом и необязательно до 49% добавок из сажи, активированного угля, смолы, токопроводящей сажи, печной сажи, газовой сажи, ламповой сажи, сажи ESD,
- смешивают с порошком по меньшей мере одного металла, который представляет собой порошок растворимого в основаниях металла с размером частиц не более чем микрометрового диапазона, предпочтительно по меньшей мере одного металла из группы, состоящей из кремния, алюминия, галлия, индия, магния, кальция, бария, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, более предпочтительно кремния, алюминия и железа,
- рН суспензии доводят до значения, необходимого для протекания реакции, составляющего более 7, и при этом ее подвергают предварительному отверждению по меньшей мере с получением стабилизированной краевой оболочки, причем
- суспензию, наносимую тонким слоем, отверждают по меньшей мере посредством воздействия соответствующего УФ-излучения.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что при комнатной температуре для получения проводящей электротехнической тонкой пленки обеспечивают неорганический агломерат в дисперсии на поверхности и отверждают его с образованием слоя, причем
- дисперсию металла или соединения металла
- обеспечивают на восстановительном или окислительном базовом слое,
- отверждение проводят при комнатной температуре, причем
- отверждение ускоряют посредством приведения в контакт по меньшей мере с одним соединением металла с осаждением металла или оксида металла.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что базовый слой обеспечивают в виде основного восстановительного слоя, содержащего углерод, кремний, алюминий и железо.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что в качестве дисперсии применяют водный слабокислый медьсодержащий раствор, предпочтительно свежий слабокислый раствор сульфата меди, с осаждением слоя меди.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что слой металла толщиной до 100 микрометров, предпочтительно 0,5-80 микрометров, более предпочтительно 3±2,5 микрометра, осаждают в течение не более 5 минут, предпочтительно в течение 1-2 минут, более предпочтительно в течение 30 секунд.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что осаждают слой меди толщиной по меньшей мере 0,5 микрометра с электропроводностью около 100 Ом на сантиметр, предпочтительно 0,5-10 Ом на сантиметр, более предпочтительно 2±1,5 Ом на сантиметр.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что дополнительный электротехнический слой осаждают или формируют поверх слоя меди.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что покровный слой наносят и отверждают в определенных зонах поверх базового слоя, а затем слой металла образуют в качестве электродного слоя в зонах, которые все еще доступны.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что базовый слой электростатически заряжают в качестве подготовительной меры, предпочтительно электростатически заряжают во фрикционном контакте с полимерным слоем, более предпочтительно электростатически заряжают во фрикционном контакте с нейлоновым щеточным валиком.
Способ предпочтительно характеризуется тем, что способ осуществляют в печатной машине.
Предпочтение отдают использованию последовательности электротехнических тонких слоев, полученных способом согласно настоящему изобретению, причем последовательность электротехнических тонких слоев применима в качестве пригодного к пайке металлического слоя, проводящего слоя интегральной схемы, резистивного слоя схемы, полупроводникового слоя, резистивного датчика, емкостного датчика, датчика влажности, фоторезиста, датчика для окисляющих/восстанавливающих газов, конденсатора, ферроэлектрического активного слоя, диода, тонкопленочного резистивного нагревателя, транзистора, транзистора с управлением полем, биполярного транзистора, измерительного фотоэлемента, последовательности фотоэлектрических слоев, сенсорного датчика.
Последовательность тонких слоев предпочтительно получают способом согласно настоящему изобретению в виде электротехнического двойного слоя, предпочтительно тонкопленочного нагревателя, имеющего
отвержденный основной восстановительный базовый слой поверх необязательного носителя, содержащего
- углерод в виде графита и необязательно до 49% дополнительных полиморфов углерода и/или углеродсодержащих продуктов,
- по меньшей мере частично растворенное железо и/или алюминий с чистотой 96%, с 4% обычных примесей, таких как кремний, бор, алюминий, фосфор, магний, кальций, цинк,
- отвержденное жидкое стекло,
- силикаты металлов;
и
слой металла на нем, осажденный восстановлением, предпочтительно состоящий из меди, при этом
- слой металла характеризуется металлической проводимостью, составляющей 2,5±2,475 Ом на сантиметр,
и необязательно, предпочтительно в случае слоев меди,
- двойной слой характеризуется напряжением туннельного пробоя p-n-перехода диода предпочтительно в диапазоне 2,7±1 вольт,
- двойной слой характеризуется емкостью предпочтительно в диапазоне 40±39,98 микрофарада, причем более предпочтительно до 25% сопротивления двойного слоя имеет чисто емкостную природу и не оказывает никакого влияния на импеданс при высокой частоте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фигуры проиллюстрированы со ссылкой на диаграммы.
Фиг. 1. Предпочтительный вариант осуществления, показывающий вид сверху предварительно осажденного восстановлением по меньшей мере частично отвержденного базового слоя;
Фиг. 2. Предпочтительный вариант осуществления, показывающий вид сверху покровного слоя, который препятствует образованию слоя металла в темноокрашенных зонах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ СО ССЫЛКОЙ НА ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предпочтительном варианте осуществления обеспечивали водную дисперсию графита. В этой дисперсии микроразмерный графит содержал долю до 49% дополнительных углеродсодержащих продуктов, таких как аморфный графит, активированный уголь, токопроводящая сажа, сажа, смазочный графит с нефтяными остатками/компонентами сажи и/или компонентами смолы. Микроразмерную смесь порошков металлов из промышленного алюминия и промышленного железа смешивали в водной дисперсии графита на уровне приблизительно 50 процентов по весу. Значение рН доводили до 12-14 с частичным растворением порошка металла, и реакционную смесь гомогенизировали в охлаждаемой смесительной системе, необязательно регулируемой в отношении текучести при помощи диоксида кремния, и печатали на гибкий лист бумаги посредством валка или сетчатого трафарета в заданных зонах, как показано на фиг. 1, и подвергали по меньшей мере частичному предварительному отверждению в течение до 10 секунд, необязательно под воздействием УФ-излучения. Характеристики отрыва, текучесть и однородность можно регулировать посредством модификаторов и вспомогательных веществ, таких как эмульгаторы, противопенные средства, тиксотропные средства, основные буферные системы, промоторы адгезии с силоксановым сополимером, в частности предварительно полимеризованные силоксановые сополимеры.
Полученный базовый слой в случае чистого графита характеризуется значениями электропроводности в диапазоне от мега- до тераом на сантиметр; при этом добавки токопроводящей сажи, необязательно в комбинации с проводящими оксидами металлов и/или известными электролитами, способны снижать электропроводность на несколько порядков величины до диапазона килоом. В зависимости от предполагаемого применения в качестве нагревательного слоя с постоянным током или с переменным током сопротивление можно устанавливать на очень высоком уровне (для переменного тока) или на низком уровне (для постоянного тока). В каждом случае слой, который был выполнен в качестве восстановительного и основного, как обнаружено, пригоден предпочтительно в качестве базового слоя для металлического проводящего слоя. После нанесения покровного слоя согласно фиг. 2 в зонах, отмеченных белым на фиг. 2, можно путем приведения в контакт со свежеприготовленным медьсодержащим раствором с низким содержанием серной кислоты получать высокопроводящий слой металла с толщиной несколько микрометров в течение нескольких секунд или нескольких минут. Слой меди, полученный в виде глобулярных агломератов через 30 секунд - несколько минут, характеризуется микрометровой толщиной, прочно и надежно прикрепляется к базовому слою и характеризуется проводимостью, составляющей 0,05-5 Ом на сантиметр. Дополнительные контакты и/или контуры можно наносить на окончательно высушенный и промытый слой меди при помощи обычного соединения пайкой. Авторы настоящего изобретения предположили, что свежий восстановительный слой может быть соответствующим пояснением для быстрого нанесения медного покрытия: за счет графита восстановительные условия сохраняются в твердом растворе и могут активно и эффективно ускорять нанесение медного покрытия во время окончательного отверждения. Слои меди в микрометровом диапазоне, таким образом, можно получать в течение нескольких секунд, что в ином случае возможно только при значениях скорости осаждения несколько микрометров в час в альтернативных химических способах.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Электротехнические тонкие пленки, пригодные в качестве резистивного нагревательного элемента и/или подложки для проводящих слоев, получают в известных способах с высокой стоимостью и очень медленно.
Решение этой проблемы достигается при помощи осажденного путем окислительно-восстановительной реакции содержащего графит базового слоя, образуемого при комнатной температуре, на котором с использованием металла путем окислительно-восстановительной реакции формируют слой металла микрометровой толщины в течение нескольких минут или нескольких секунд соответствующим образом при комнатной температуре во время окончательного отверждения.
Двойной слой, получаемый таким образом, является очень гибким, обеспечивает спаивание со слоями меди и может использоваться особенно предпочтительно в качестве тонкопленочного нагревателя.