Auf den Gebieten der organischen und gedruckten Elektronik besteht ein wachsender Bedarf an funktionalen Schichten mit sehr homogener Oberflächentopologie. Die Schichtdicken bewegen sich hier im Rahmen zwischen 10 nm und 10µm mit einer zulässigen mittleren Abweichung von 1 – 2 % der Endschichtdicke. Die Oberflächenspannung der verarbeiteten Polymerlösungen besitzt eine Abhängigkeit von Feldgrößen wie Temperatur und Lösemittelgehalt (Abbildung 1).
Abbildung 1: Oberflächenspannung der binären Mischung Methanol-Poly(vinyl -acetat) als Funktion von Temperatur und Zusammensetzung.
Da diese Parameter durch die Trocknung beeinflusst werden führen inhomogene Verdunstungsraten zu einem Gradienten im physicochemischen Potential. Abhängig von Art und Ausbildung dieser Gradienten kommt es an der Oberfläche zu Scherspannungen, die zu Oberflächenströmungen und aufgrund der Viskosität zu Bewegung im Film führen.
Inhomogene Trocknungsraten können über lokal unterschiedliche Bedingungen im umgebenden Trocknungsmedium, oder über lokale Unterschiede im Substrat induziert werden (Abbildung 2).
Abbildung 2: Beispiele für inhomogene Trocknungsbedingungen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es die auftretenden Instabilitäten zu verstehen und mittels experimentellen und numerischen Methoden zu erfassen.
Experimentell
Oberflächenrekonstruktion während der Trocknung dünner Polymerfilme. Um die sich, als Reaktion des Systems auf inhomogene Trocknungsbedingungen, einstellende Deformation der Oberfläche zu visualisieren dient ein Versuchsstand, der es zulässt von der virtuellen Verschiebung eines Punktmusters und der Information der aktuellen Filmhöhe auf die Oberflächenstruktur rückzuschließen. In Abbildung 3 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt und in Abbildung 4 das zugehörige Messprinzip.
Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Oberflächenrekonstruktion. CCD Kamera zur Analyse der virtuellen Verschiebung des Punktmusters und Laser zur Schichtdickenmessung.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des Prinzips der Oberflächenrekonstruktion. Der Strahlengang des Lichtes ändert sich entsprechend der Oberflächenstruktur des transparenten polymerfilms.
Strömungsfeldvisualisierung. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe für Angewandte Mechanik des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (KIT) besteht die Möglichkeit der Partikelverfolgung mit einem invertierten Fluoreszenz-Mikroskop. Hieraus können Informationen über die Strömungsbedingungen im Film gewonnen werden, die während der Trocknung auftreten.
Numerisch
Basierend auf dem kommerziellen Solver ANSYS FLUENT ist ein Modell in der Entwicklung, dass es erlaubt den Trocknungsprozess von Mehrkomponenten Gemischen zu simulieren.
