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06.06.2012

Wasserdurchlässigkeit von Ultrabarrierematerialien bestimmen


Forscher des Fraunhofer-Institutes für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden und die Firma SEMPA Systems GmbH Dresden starteten Anfang Mai ein weiteres gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt, um die Wasserdampfdurchlässigkeit von Ultrabarrierematerialien im Hochdurchsatzverfahren zu bestimmen. Die Wasserdampfdurchlässigkeit (Permeation) ist für eine Vielzahl Anwendungen gerade auf dem Gebiet der organischen Elektronik ein äußerst kritischer Parameter. Bereits geringste Feuchtespuren beeinträchtigen signifikant die Funktion bzw. Leistungsfähigkeit von organischen Leuchtdioden (OLED), elektronischer Tinte (E-Ink) oder von Solarzellen.

Da Lebenszyklen der entsprechenden Produkte (Leuchten, Displays, Solarmodule) von einigen Jahren, bei Solarzellen sogar Jahrzehnten, angestrebt werden, sind die daraus abgeleiteten Anforderungen an die Barrierematerialien enorm hoch. Lediglich 10 Mikrogramm Wasserdampf darf pro Quadratmeter Barrierefläche an einem Tag (10-4 g m-2 d-1) die aktiven Schichten erreichen. Barrieresysteme mit Permeationsraten im Bereich 10-5 und sogar 10-6 g Wasserdampf pro Tag und Quadratmeter Barrierefläche stehen bereits für die nahe Zukunft in den Roadmaps der Entwickler und Produzenten. 10-6 g m-2 d-1, das entspricht einer Barrierefläche von etwa 7 Fußballfeldern, die täglich lediglich einen einzigen Wassertropfen hindurchlassen darf!

Um für den Nachweis dieser äußerst geringen Wasserdampfspuren ein hinreichend empfindliches Messsystem den Anwendern zur Verfügung zu stellen, forschen und entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts IWS Dresden gemeinsam mit den Ingenieuren der SEMPA Systems GmbH seit ca. 5 Jahren. Seit einem halben Jahr kann die SEMPA Systems GmbH das erste Ergebnis dieser erfolgreichen Kooperation den Her-stellern und Anwendern von Ultrabarrierefolien anbieten. Das "HiBarSens®" (High Barrier Sensor) benannte Messsystem erreicht eine um eine Größenordnung bessere Nachweisgrenze, als die derzeit verfügbaren Messgeräte. Dieser Leistungssprung hat seine Ursache im verwendeten Sensor: Ein Laser kann die wenigen permeierten Wassermoleküle sicher "zählen" und somit die Nachweisgrenze bis in den 10-5er Bereich zukünftig sogar in den 10-6er Bereich absenken.

Der Einsatz eines Lasers als Feuchtesensor eröffnet noch weitere Vorteile, die im nun gestarteten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben umgesetzt werden sollen. Die optische Messung beeinflusst in keiner Art und Weise den Analyten, andererseits kann der Laserstrahl beliebig umgelenkt werden. Was lag näher, als ein Konzept zu entwickeln, das es ermöglicht, mit lediglich einem Sensor die Permeationsrate von mehreren Hochbarriereproben simultan zu messen? Ganze Messreihen, in denen entweder die Herstellungsparameter der Barrierefolien variiert wurden oder unterschiedliche Messbedingungen (Temperatur) vorgegeben werden, sind dann gleichzeitig durchführ-bar. Der Zeit- und Effizienzgewinn liegen auf der Hand, wenn man bedenkt, dass eine Permeationsmessung eine äußerst zeitintensive Angelegenheit ist. Muss man bei Barriereproben im Bereich von 10-1 g m-2 d-1 mit etwa 12 Stunden Messzeit rechnen, so sind es bei 10-2 g m-2 d-1 bereits einige Tage, bei 10-5 g m-2 d-1 sogar Wochen! Die Physik der Permeation lässt sich (leider) nicht umgehen, wenn man zuverlässig die richtigen Mess-daten erfassen möchte.

Die Projektmitarbeiter sind zuversichtlich, dass hoch ambitionierte Ziel zu schaffen: in 26 Monaten den Prototypen eines mit mindestens vier separaten Messzellen ausgestatteten Permeationsmesssystems für Ultrabarrieren der Öffentlichkeit zu präsentieren.

Bereits auf der LOPE-C Messe, dem Treffpunkt der Experten auf dem Gebiet der organischen Elektronik, werden SEMPA Systems GmbH und das Fraunhofer IWS Dresden erste Ergebnisse Ihrer Kooperation, insbesondere das HiBarSens® Gerät präsentieren.

Quelle: idw/Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)




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