Tribologische Eigenschaften dünner Schichten auf Polymeren

Zurzeit werden in zunehmender Zahl elektronische Geräte für Endverbraucher vorgestellt, die auf Anwendungen flexibler Elektronik beruhen, wie beispielsweise konventionelle oder berührungsempfindliche Displays. Hierbei wird der Aufbau elektronischer Komponenten von starren auf flexible Unterlagen wie Polymere übertragen, was neue Anforderungen an die eingesetzten Schichtmaterialien mit sich bringt. Um die Einsatzbereitschaft des gesamten Gerätes zu gewährleisten, müssen die Schichten auch nach mehrmaligem Dehnen und Biegen ihre Funktionalität behalten. Derartige Beanspruchungen wurden schon detailliert untersucht und sind gut verstanden. Insbesondere wenn Komponenten flexibler Elektronik jedoch auf Kleidungsstücken oder ähnlichen Gebrauchsgegenständen zur Anwendung kommen, sind diese häufigem Kontakt zu anderen Gegenständen und Materialien ausgesetzt. Da solche Beanspruchungen bisher nur in sehr geringem Ausmaß untersucht wurden, hat das aktuelle Projekt zum Ziel, Reibung und Verschleiß dünner Schichten auf flexiblen Unterlagen, in diesem Fall Polymere, im Detail zu charakterisieren. Von besonderem Interesse sind hierbei kombinierte Beanspruchungen einerseits durch Dehnen und Biegen und andererseits durch Reiben an verschiedenen Körpern wie sie auch in alltäglichen Situationen auftreten. Um eine derartige, realistische Beanspruchung nachstellen und analysieren zu können, wird eine neue Testmethode, bei der Biegen und Reiben gleichzeitig auftreten entwickelt und verifiziert werden. Alle Schichten werden mittels plasmaunterstützter Abscheideprozesse, wie sie auch in der Industrie eingesetzt werden, hergestellt werden. Die Ergebnisse des Projektes werden die Erstellung von Designrichtlinien für dünne Schichten, die in Komponenten der flexiblen Elektronik eingesetzt werden, ermöglichen und somit die Entwicklung neuer Komponenten und Geräte für Endverbraucher

Beschichtete Polymere sind heutzutage integraler Bestandteil von Komponenten in flexibler Elektronik, wobei die Abnutzung der Schichten durch mechanische Beanspruchung noch nicht vollständig verstanden ist. Das vorliegende Projekt hatte zum Ziel hier erste Erkenntnisse zu generieren, wie die Beanspruchung der dünnen Schichten durch Dehnung und Biegung sich auf ihre tribologischen Eigenschaften, in erster Linie den Verschleiß, auswirkt. Um grundlegende Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen, müssen entsprechende Methoden und Verfahren entwickelt werden. Dies war das Hauptziel des Projekts, wobei Mo- und MoN-Schichten auf Polyimid als Modellsysteme dienten. In einem ersten Schritt wurde eine umfassende Untersuchung der tribologischen Eigenschaften dieser Schichten auf Polyimid durchgeführt, da in der Literatur dazu keine Informationen vorlagen. Unterschiedliche tribologische Beanspruchungen der Schichten wurden hierbei durch die Auswahl verschiedener Gegenkörper, wie zum Beispiel Gummi, Polymere, Glas, Stahl und Aluminiumoxid, gewährleistet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ermüdung der Schichten aufgrund der wiederholten Deformation des Polyimidsubstrats eine wesentliche Rolle bei den Verschleißmechanismen spielt. In einem zweiten Schritt wurden kombinierte Untersuchungen von Dehnung und Biegung mit anschließender tribologischer Beanspruchung durchgeführt. Die Risse, die während Dehnung und Biegung entstanden, waren nach Entspannung der Probe zwar wieder geschlossen, zeigten aber einen deutlichen Einfluss auf den Schichtverschleiß in Regionen mit einem schiefen Winkel zwischen den Rissen und der Reibrichtung des tribologischen Tests. In einem letzten Schritt wurde dann ein vorhandenes Gerät zur Biegung in der Art adaptiert, dass es auch eine tribologische Untersuchung während des Biegungsversuchs ermöglicht. Dieses Experiment stellt eine Machbarkeitsstudie dar, um eine Testapparatur zu entwickeln, die reale Beanspruchungen mit verschiedenen Einflüssen experimentell abbildet. Zusätzlich zu den experimentellen Ergebnissen wurde die Testapparatur mittels der Methode der finiten Elemente modelliert, was wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Verteilung der Spannungen in der Schicht und der einwirkenden Kräfte lieferte. Insgesamt gesehen stellen die gewonnenen Erkenntnisse exemplarisch dar, wie weitere Untersuchungen von beschichteten Polymeren bezüglich Rissausbreitung und Verschleiß in Angriff genommen werden können. Hierbei kann ein umfassendes Verständnis der beteiligten Effekte die Entwicklung optimierter Schichtdesigns ermöglichen, um die Abnutzung der Schichten zu verringern.