Unerklärliche Phänomene

Ursprünglich wurde die Plasmatron-Technologie für Schweiß- und Lötverfahren entwickelt. Jetzt hat das österreichische Unternehmen Inocon Technologie, Attnang-Puchheim, völlig neue Anwendungsoptionen dafür gefunden: Es mengt dem Plasmastrahl feinstes Metallpulver bei.

„Riesige neue Anwendungsgebiete“ und „neue Dimensionen in der Geschäftsentwicklung“ verspricht sich Inocon-Geschäftsführer Fritz Pesendorfer von diesem Entwicklungsprojekten. Mit der AC2T Research, der FH Wels oder der TU Graz sind bereits erstaunliche Experimente geglückt. „Manches von dem, was uns bisher gelungen ist, lässt sich wissenschaftlich noch gar nicht erklären“, betont der promovierte Pulvermetallurg Pesendorfer. Dabei ist dem akademisch ausgebildeten Chemiker die wirtschaftliche Komponente wichtiger als die wissenschaftliche. Mit Kupferbahnen auf Glas, Keramikbeschichtungen auf Kunststoff oder sogar Metallbahnen auf Geweben, Folien und Papier haben die Forschungsteams bereits experimentiert.

„Im Detail ist viel mehr Verfahrensoptimierung notwendig, als man vermuten würde. Umso wichtiger war es, dass TIM für uns den Kontakt zu den richtigen Partnern herstellte“, betont Pesendorfer. Der Erfolg gibt ihm recht: Alle Versuche sind äußerst vielversprechend verlaufen, bei manchen Entwicklungen hat man schon die Marktreife erreicht.

So ist etwa die von Inocon entwickelte Methode, die mittels Plasmastrahl Kupfer auf Glas oder verschiedenen Kunststoffen aufbringt, jederzeit einsetzbar. „Damit können wir Touchscreens mit Leiterbahnen beschichten“, sagt Pesendorfer. Abgeschlossen ist auch die Entwicklung von alternativen Beschichtungen für die Rückseite von Solarzellen. Wird dort eine Zinn- statt einer Silberschicht aufgebracht, erhöht sich der Wirkungsgrad der gesamten Solarzelle um 0,75 %. „In Verbindung mit den geringeren Materialkosten und den verbesserten Langzeiteigenschaften ergibt sich eine Effizienzsteigerung um 1,5 Prozent“, so Pesendorfer.

Am deutlichsten zeigt sich die Überlegenheit der Plasmatechnologie wohl bei der Beschichtung von Siliziumreaktoren. Bisher wird die Silberschicht im Plattierungsverfahren buchstäblich aufgesprengt. Die Inocon-Methode kommt dabei nicht nur ohne umfassende Sicherheitsvorkehrungen, sondern vor allem mit einem Bruchteil des sonst erforderlichen Materials aus. „Bei der Plasmabeschichtung sparen wir etwa 95 % des Silbers“, erklärt Pesendorfer.

Dass es mittlerweile sogar gelungen ist, Metallbahnen auf Textilien oder sogar Papier aufzubringen, erinnert an das Hummel-Paradoxon. Es besagt, dass die schlecht proportionierte Hummel nur fliegen kann, weil sie die Gesetze der Aerodynamik ignoriert. „Viele unserer Experimente dürften nach dem derzeitigen Wissensstand gar nicht funktionieren“, zieht Pesendorfer eine Parallele. „Es ist derzeit unerklärlich, warum es gelingt, eine über 1000 Grad heiße Metallbeschichtung auf Papier aufzubringen, ohne dass dieses verbrennt.“ Kaum weniger erstaunlich ist die Beschichtung von Kunststoffen – die üblicherweise ab 100 °C zu schmelzen beginnen – mit weit über 1000 °C heißem Keramikpulver.

Kein Zweifel besteht jedenfalls an der technologischen Überlegenheit der Plasma-beschichtung gegenüber herkömmlichen Methoden. Der Kern des Prozesses ist die gezielte Pulvereinspeisung in den je nach verwendetem Gas bis mehrere 10 000 °C heißen Plasmastrahl. Dass dieser sich durch die Beimengung von Metallpulver nicht abkühlt, ist selbst für die Wissenschaftler überraschend.

Zwei Schlüsselkriterien sind für die Beschichtungsqualität verantwortlich: Zum einen die geringe Wärmeinbringung durch den fokussierten Plasmastrahl, der beim Plasmatron-Brenner von Inocon außerhalb und nicht wie bisher in der Düse erzeugt wird. Zum anderen das von einem Partnerunternehmen zur Verfügung gestellte Spezialpulver. Damit sind im Atmosphärendruck – also ohne Schutzgas oder Vakuum – und bei einem Pulveraufbringungsgrad von bis zu 96 % extrem dichte und kompakte Beschichtungen ohne Lösungsmittel und in sehr großer Geschwindigkeit möglich. Die Plasmabeschichtungen sind außerdem wesentlich präziser und selbst mit einer Stärke von weniger als 20 µm noch immer gut haft- und leitbar.

Neue Möglichkeiten erwartet man vom Plasmabeschichten auch in der Fügetechnik. Mit dem Kompetenznetzwerk für Fügetechnik an der TU Graz wurde eine Kooperation vereinbart. „Wir können einer Oberfläche neue Strukturen geben und damit Materialien dauerhaft verbinden, die bis dato als kaum vereinbar galten“, präzisiert Pesendorfer. Die Plasmabeschichtung erlaubt nunmehr eine ebenso stabile wie dauerhafte Verbindung von Aluminium und Stahl. Dabei werden beide Teile mit Zink beschichtet und können dann gelötet werden. Pesendorfer: „Dieses Beispiel illustriert, welche Perspektiven sich alleine in der Fügetechnik eröffnen.“

Dr. Franz-Georg Lachner Fachjournalist in Linz/Österreich

Das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP hat mit Arc PECVD einen Rolle-zu-Rolle-Niederdruckprozess mit der sehr hohen Beschichtungsraten von über 2000 nm∙m/min entwickelt. Potenzielle Anwendungsfelder sind Schichtsysteme mit optischen Funktionen oder Permeationsbarrieren auf Kunststofffolien. Im Hohlkathoden-Bogen-PECVD-Prozess wird ein Precursor, zum Beispiel Hexamethyldisiloxan (HMDSO), eingelassen und durch ein Hohlkathoden-Plasma besonders effektiv angeregt, ionisiert und dissoziiert. Als Ergebnis wird etwa eine siliziumhaltige Schicht auf dem Substrat abgeschieden. Je nach Prozessparametern können vergleichsweise weiche und elastische, plasmapolymere Schichten oder auch anorganische Schichten höherer Festigkeit und Dichte erzeugt werden. Zum Beispiel wird für den Aufbau von Permeationsbarrieren meist ein Schichtstapel verwendet, bei dem zwischen den eigentlichen Funktionsschichten relativ dicke, elastische Ausgleichs- und Glättungsschichten eingesetzt werden. Bisherige PECVD-Prozesse waren aufgrund der niedrigen Beschichtungsraten für die Abscheidung der Zwischenschichten wenig praktikabel. Alternativ wurden bislang Lackprozesse verwendet, die ein Aus- und Wiedereinschleusen in die Vakuumkammer notwendig machten. Mit dem Arc-PECVD-Prozess steht jetzt ein Werkzeug zur Verfügung, welches inline mit anderen PVD-Verfahren eingesetzt werden kann. Der Prozess, der bei einem niedrigen Druck von 0,1 … 5 Pa arbeitet, kann problemlos mit anderen Vakuumverfahren, wie dem Magnetron-Sputtern oder dem Elektronen- strahlverdampfen in einer Beschichtungsanlage kombiniert werden. sk

Um die Entdeckung wirtschaftlich nutzbar zu machen, brauchte Inocon starke Partner. Den wichtigsten hat das Unternehmen im Technologie- und Innovationsmanagement (TIM) gefunden, der ihm treffsicher die besten Kontakte zu Forschungseinrichtungen und Förderstellen legte. TIM wird vom Land Oberösterreich und der Wirtschaftskammer Oberösterreich finanziert. „Es ist unser wichtigstes Ziel, Unternehmen in der Forschungs- und Förderungslandschaft so zu navigieren, damit sie innovative Ideen zur Marktreife bringen können. Inocon zeigt idealtypisch, was möglich ist, wenn die richtigen Kontakte geknüpft werden“, erklärt TIM-Berater Gerald Stöger. „TIM hat uns mit sicherem Gespür den Kontakt zu den perfekten Forschungspartnern gelegt“, betont Inocon-Geschäftsführer Pesendorfer.

Kaum abschätzbar sind nicht nur die Perspektiven, die sich durch die Plasmatechnologie bei Beschichtung und in der Fügetechnik ergeben. Auch wirtschaftlich sieht Pesendorfer enormes Potenzial für sein Unternehmen, das zuletzt mit 45 Mitarbeitern bei 96 % Exportanteil 6,2 Mio. Euro Umsatz erwirtschaftete. „Dank der riesigen neuen Anwendungsgebiete für das Plasmabeschichten werden wir auch in der Geschäftsentwicklung neue Dimensionen erreichen.“