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Robuste Flex‑Elektronik beginnt auf der Oberfläche
Einsatz von Nanoindenation in der Dünnschichttechnik (Bild: Anton Paar)
Faltbare Displays, berührungssensitive Bedienfelder und Solarfolien haben eine Sache gemeinsam: Ihre Schutz- und Funktionsschicht ist für ihre jeweilige Funktionsweise von entscheidender Bedeutung. Besonders weit verbreitet ist Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf Polyesterfolien wie PET in Form einer wenige hundert Nanometer dünnen, transparenten Leitschicht. Ihr größter Feind? Risse und Delamination. Sobald die spröde Oxidschicht bricht oder sich vom weichen Polymer löst, steigt der elektrische Widerstand stark an, was unmittelbare Folgen für die Zuverlässigkeit der Geräte hat. Wer flexible Elektronik heute schnell und sicher zur Marktreife bringen will, muss die mechanische Belastbarkeit dieser Schichten präzise kennen.
Genau hier setzt die mechanische Oberflächenanalyse von Anton Paar an. Die zentrale Herausforderung dabei ist, dass ein harter, dünner Überzug auf einem deutlich weicheren Substrat liegt. Der große Unterschied im Elastizitätsmodul verfälscht klassische Messungen. Deshalb wird die Prüfmethode an das Materialpaar angepasst. Mithilfe der Nanoindentation mit einer kugelförmigen Spitze werden kontrolliert ringförmige Risse in der spröden ITO-Schicht erzeugt. Mithilfe der Nanoscratch-Methode wird die Haftung an der PET-Folie realitätsnah bewertet. So lassen sich die Versagensmechanismen exakt dort beobachten, wo sie in der Anwendung auftreten.
Bei der Nanoindentation wird eine 20 µm große Kugel schrittweise bis 200 mN belastet. Bereits bei etwa 40 mN erscheint der erste sichtbare Riss, bei rund 100 mN folgt ein zweiter und bei etwa 150 mN ein dritter Ringriss. Ab 200 mN werden – abhängig von der Schichtdicke – zusätzliche radiale Risse sichtbar, bei 50-nm-Filmen sogar ausgeprägte Schäden. Bemerkenswert ist, dass der Durchmesser des ersten Ringrisses dem Durchmesser der Kugel entspricht (ca. 20 µm). Dies ist ein deutlicher Hinweis auf den dominierenden Einfluss des nachgiebigen Polymers.
Die Nanoscratch-Prüfung wird mit einem 5 µm großen Diamant-Indenter bei niedrigen Normallasten durchgeführt. Dabei treten zwei klare Versagensarten hervor: Zunächst reißt die ITO-Schicht und es entstehen Narben im PET, anschließend kommt es zur Abplatzung. Der kritische Lastwert für die Abplatzung steigt mit zunehmender Schichtdicke stärker an als jener für die reine Rissbildung, was ein direktes Maß für die Haftfestigkeit ist. Damit lassen sich Beschichtungsprozesse und Schichtsysteme gezielt auf maximale Lebensdauer optimieren.
Bilder der verbleibenden Eindrücke für vier aufgebrachte Normallasten und drei Schichtdicken (1000-fach) (Quelle: Anton Paar, Application Report)
Ein zusätzlicher Blick in die Tiefe ist durch die Messung akustischer Emissionen während der Mikroindentation möglich. Ein hochempfindlicher Sensor mit einer Frequenz von 150 kHz und einem großen Dynamikbereich zeichnet die plötzliche Freisetzung elastischer Energie exakt in dem Moment auf, in dem ein Riss entsteht oder sich eine Schicht ablöst. Messreihen zeigen: Höhere Belastungsgeschwindigkeiten führen zu heftigeren Sprödbrüchen. Selbst in progressiven Lastzyklen tritt das Knacken ausschließlich beim Belasten auf. Diese Signatur gibt zudem einen Hinweis auf die Bindung zwischen Beschichtung und Substrat: Schwach haftende Systeme setzen beim Ablösen weniger Energie frei.
Als Ergebnis erhalten Nutzer der Prüftechnologie für ihre Entwicklung reproduzierbare, anwendungsnahe Kennwerte, mit denen sich Konstruktionen absichern, Materialien vergleichen und Prozesse verkürzen lassen. Ob Touchscreens, flexible Solarzellen oder biegsame LED-Beleuchtung – die Kombination aus Nanoindentation, Nanoscratch und akustischer Emission macht die mechanischen Grenzen von Oxidschichten auf Polymeren mess- und beherrschbar. So schaffen Sie die Grundlage für robuste Produkte, die im Alltag bestehen.
Anton Paar liefert die passende, praxiserprobte Messtechnik dazu: vom Nano-Scratch-Tester mit hochauflösendem Cantilever bis zum Microindentation-Tester mit integrierter Akustiksensorik. Sprechen Sie mit unseren Expertinnen und Experten darüber, wie sich Ihr Schichtsystem am effizientesten charakterisieren lässt und mit welcher Prüfstrategie Sie an den schnellsten belastbaren Ergebnissen erhalten.
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