Neue Technologie liefert High-Tech-Folie, die elektromagnetische Störungen blockiert
Elektromagnetische Störungen (EMI), die Smartphones, Tablets, Chips, Drohnen, Wearables, Flugzeuge und die menschliche Gesundheit schädigen können, nehmen mit der explosionsartigen Verbreitung von Geräten, die sie erzeugen, zu. Der Markt für EM-blockierende Lösungen, die leitfähige oder magnetische Materialien verwenden, wird bis 2022 voraussichtlich 7 Milliarden US-Dollar übersteigen.
Andre Taylor, außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik an der NYU Tandon School of Engineering, sowie ein Team, dem Yury Gogotsi, Distinguished University und Charles T. and Ruth M. Bach Professor Materials Science and Engineering an der Drexel University angehörten, und Menachem Elimelech, Roberto C. Goizueta Professor of Chemical & Environmental Engineering an der Yale University, verwendeten eine innovative Technik, um relativ kostengünstige EMI-blockierende Verbundfolien herzustellen.
Für die Herstellung der Folien setzte das Team die von Taylor 2012 eingeführte Spin-Spray-Schichtenverarbeitung (SSLbL) ein. Das System verwendet montierte Sprühköpfe über einem Spin Coater, die sequentiell nanometerdicke Monoschichten aus entgegengesetzt geladenen Verbindungen auf ein Bauteil abscheiden und in viel kürzerer Zeit hochwertige Schichten erzeugen als mit herkömmlichen Methoden, wie z.B. der Tauchbeschichtung.
Das Verfahren ermöglichte es ihnen, flexible, semitransparente EMI-Abschirmfolien herzustellen, die Hunderte von abwechselnden Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), ein entgegengesetzt geladenes Titankarbid namens MXene - eine Familie von Hartmetallflocken, die erstmals von Gogotsi entwickelt wurden - und Polyelektrolyte umfassen. Taylor erklärte, dass diese Ladeeigenschaften über die EMV-Abschirmung hinaus Vorteile bieten.
"Während wir daran arbeiteten, die Rolle der verschiedenen Komponenten zu erkennen", sagte er, "fanden wir heraus, dass die starke elektrostatische und Wasserstoffbindung zwischen entgegengesetzt geladenen CNT- und MXen-Schichten eine hohe Festigkeit und Flexibilität verleiht." Er fügte hinzu, dass MXene den doppelten Vorteil hat, dass es sowohl adsorbierend (es haftet leicht auf einer Oberfläche) als auch leitfähig ist, was wichtig für die Blockierung von EMI ist. "Und da die Folie selbst semitransparent ist, hat sie den Vorteil, dass sie als EMV-Abschirmung für Geräte mit Bildschirm, wie beispielsweise Smartphones, eingesetzt werden kann. Andere Arten von Schilden - zum Beispiel Metall - sind undurchsichtig. Abschirmung ist gut, aber Abschirmung, die sichtbares Licht durchlässt, ist noch besser."
Die SSLbL-Methode ermöglicht auch die Kontrolle der Architektur der Folie auf Nanometerebene, so dass die Hersteller spezifische Qualifikationen wie Leitfähigkeit oder Transparenz ändern können, da sie diskrete Änderungen in der Zusammensetzung jeder Schicht ermöglicht. Im Gegensatz dazu können Filme, die ein einschichtiges Gemisch aus Nanopartikeln, Polyelektrolyten und Graphen in einer Matrix enthalten, nicht so modifiziert werden. Neben hoher Stabilität, Flexibilität und Halbtransparenz zeigten die MXen-CNT-Verbundfolien auch eine hohe Leitfähigkeit, eine Eigenschaft, die für die elektromagnetische Abschirmung entscheidend ist, da sie EM-Impulse über die Oberfläche der Folie ableiten, sie schwächen und verteilen.
Während die Hersteller Interesse an einer EMV-Abschirmung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen in Kombination mit leitfähigen Polymer-Verbundwerkstoffen gezeigt haben, war ein relativ schnelles, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer optimalen Mischung dieser Qualitäten auf einer dünnen flexiblen Folie bisher kaum möglich, erklärte Taylor.
"Das Hauptinteresse an der Zugabe von Kohlenstoffmaterialien zur Abschirmung bestand darin, leitende Bahnen durch die Folie zu legen", sagte Taylor. "Aber das SSLbL-System ist auch viel schneller als die herkömmliche Tauchlackierung, bei der ein abzuschirmendes Bauteil immer wieder in ein Material getaucht, gespült, dann wieder in eine andere Schicht getaucht wird und so weiter und so fort. Das dauert Tage. Unser System kann Hunderte von Doppelschichten aus abwechselndem MXene und CNT in wenigen Minuten erzeugen."
Während das Spin-Sprühen die Bauteilgröße begrenzt, sagte Taylor, dass das System theoretisch eine EMV-Abschirmung für Geräte und Komponenten mit einem Durchmesser von gleichem Durchmesser wie die 12-Zoll-Wafer schaffen könnte, für die die Spin-Beschichtung häufig als Beschichtungsmechanismus in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird.
"Es ist kostengünstiger, es auf diese Weise und aufgrund der engeren Verbindung zwischen den Materialien schneller herzustellen, und der LbL-Prozess erleichtert die kontrollierte Anordnung und Montage von unterschiedlichen nanostrukturierten Materialien viel besser, als nur wiederholte Schichten einer Mischung auf mehrere Komponenten aufzubringen. Man kann sich vorstellen, mit diesem System die gewünschten Eigenschaften einer funktionsübergreifenden Dünnschicht mit einer Vielzahl von Parametern, nanostrukturierten Materialien und Polyelektrolyten einzustellen."
Originalveröffentlichung
Guo‐Ming Weng, Jinyang Li, Mohamed Alhabeb, Christopher Karpovich, Hang Wang, Jason Lipton, Kathleen Maleski, Jaemin Kong, Evyatar Shaulsky, Menachem Elimelech, Yury Gogotsi, André D. Taylor; "Layer‐by‐Layer Assembly of Cross‐Functional Semi‐transparent MXene‐Carbon Nanotubes Composite Films for Next‐Generation Electromagnetic Interference Shielding"; Advanced Functional Materials; 2018
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