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Beschichtung und Trocknung von OPV- und OLED-Mehrlagensystemen Dipl.-Ing. S. Raupp1) (E-Mail:
[email protected]), Dipl.-Ing. K. Peters1), Dipl.-Ing. L. Wengeler1), Dipl.-Ing. M. Schmitt1), Dipl.-Ing. F. Buss1), Dr.-Ing. P. Scharfer1), Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. W. Schabel1) 1)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Bereich Technologie dünner Schichten (TFT), Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250634
Nach der Entscheidung der EU im Jahre 2008, den Anteil der regenerativen Energien auf 20 % bezogen auf den Gesamtenergieverbrauch zu erhöhen sowie die CO2-Emissionen auf 80 % des Wertes von 1990 zu senken, sind neue Konzepte zur regenerativen Energieumwandlung sowie Technologien zur Senkung des Energieverbrauchs in den Fokus der Forschung gerückt. Die organische Photovoltaik (OPV) stellt hierbei ein zukunftsweisendes Konzept dar. Innerhalb der letzten neun Jahre konnte der Wirkungsgrad von 1 % auf 12 % gesteigert werden [1, 2]. Damit liegt man zwar immer noch unter dem Wirkungsgrad herkömmlicher SiliziumSolarzellen, doch bieten OPV-Zellen den Vorteil, dass sie mittels Rolle-zu-RolleVerfahren auf flexible Substrate appliziert werden können. Somit lassen sich günstige, leichte und großflächige Anwendungen realisieren.
Organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) sind analog den OPV-Zellen aus mehreren funktionalen Schichten mit Schichtdicken im Bereich von 20 – 200 nm aufgebaut. Neben der Anwendung von OLEDs in Displays ist vor allem der Einsatz als Leuchtmittel interessant, da OLEDs neben einer hohen Energieeffizienz als tageslichtähnliche, flächige Leuchtquellen eingesetzt werden können. Für die Herstellung von OPV- und OLED-Schichten werden verschiedene Beschichtungskonzepte aus der Flüssigphase untersucht und verglichen sowie die Parameter für die stabile Beschichtung bestimmt [3, 4]. Die im Labormaßstab hergestellten Einzel- und Multischichtsysteme werden anschließend auf Homogenität bzw. Vermischungen untersucht. Zur Optimierung der Bauteileffizienz werden die Trocknungsparameter verändert und Trocknungs-
kinetik sowie Restlösemittelgehalt analysiert. Anschließend soll eine Übertragung auf eine Pilotanlage (Rolle-zuRolle-Anlage) erfolgen. Die präsentierten Arbeiten werden im Rahmen des BMBF Spitzenclusters Forum Organische Elektronik gefördert und von der Philips Technologie GmbH, der DFG und der Landesstiftung BadenWürttemberg unterstützt. [1] M. Graetzel et al., Nature 2012, 488 (7411), 304 – 312. [2] Press release Heliatek, Heliatek achieves 12 % organic solar cell efficiency, 23.01.2013. http://optics.org/news/4/1/ 36 [3] L. Wengeler et al., J. Coat. Technol. Res. 2013, 1 – 9. [4] L. Wengeler et al., Chem. Eng. Process. Process Intensif. 2013, 68, 38 – 44.
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Ansätze zur numerischen Beschreibung des Mehrkomponenten-Stofftransports während der Trocknung dünner Polymerfilme D. Siebel1) (E-Mail:
[email protected]), Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. W. Schabel1), Dr.-Ing. P. Scharfer1) 1)
Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Bereich Thin Film Technology, Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250635
Zur Herstellung von technologisch anspruchsvollen Funktionsbeschichtungen werden vielfach Polymerlösungen mit mehreren Lösemittel benötigt. Für die effiziente Auslegung von Trocknungsprozessen ist ein umfassendes Verständnis des Mehrkomponenten-Stofftransports während der Polymerfilmtrocknung erforderlich. Für solche Systeme sind trotz der hohen praktischen
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Relevanz des Themas nur wenige Messdaten vorhanden, so dass es keine experimentell validierten, theoretischen Beschreibungen gibt. Ein Grund hierfür ist, dass die lokalen Massenanteile der einzelnen Lösemittel in trocknenden Polymerfilmen bislang nicht experimentell zugänglich waren. Die Anwendung der inversen Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS) auf die Trocknung von Mehr-
© 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
komponenten-Systemen ermöglicht die simultane Bestimmung der Beladungsprofile aller Lösemittel während der Trocknung mit einer hohen räumlichen Auflösung von 12 lm. In dieser Arbeit werden Vorarbeiten zur modellbasierten, numerischen Beschreibung der Trocknung quaternärer Polymerlösungen aus einem Polymer und mehreren Lösemitteln präsentiert.
Chemie Ingenieur Technik 2013, 85, No. 9, 1451–1467
Chemie Ingenieur Technik
Dabei müssen neben dem Phasengleichgewicht entsprechende Stofftransportansätze in Film und Gasphase berücksichtig werden, was in der Abbildung schematisch dargestellt ist. Zusätzlich muss die Beschreibung der sich bewegenden Phasengrenze ausreichend berücksichtigt werden. Die Validierung der Modellrechnungen erfolgt durch einen Vergleich von berechneten Lösemittelkonzentrationsprofilen im trocknenden Film mit über RamanSpektroskopie ermittelten experimentell bestimmten Daten. Im Rahmen dieser
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Abbildung. Modellhafte Beschreibung der Polymerfilmtrocknung.
Arbeit werden erste Lösungsansätze zur numerischen Beschreibung der Trock-
nung quaternärer Systeme vorgestellt und diskutiert.
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Sorptionsmessungen an nanoskaligen Polymerschichten F. Buss1) (E-Mail:
[email protected]), Dr.-Ing. P. Scharfer1), Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. W. Schabel1) 1)
Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Bereich Thin Film Technology, Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250721
Nanoskalige Funktionsschichten finden in weiten Bereichen der Sensorik, der organischen Elektronik und der Oberflächenfunktionalisierung Anwendung. Häufig werden die funktionalen Materialen in Lösung vorgelegt und über kostengünstige Rolle-zu-Rolle-Prozesse auf ein flexibles Trägersubstrat appliziert. Über die Prozessrandbedingungen können im anschließenden Trocknungsschritt unterschiedliche Schichteigenschaften und somit funktionsrelevante Parameter eingestellt werden. Für ein tieferes Verständnis des Trocknungspro-
zesses sind kinetische Größen und das Phasengleichgewicht notwendig. Für nanometerskalige Schichten ist dabei bekannt, dass der Diffusionskoeffizient aufgrund der zunehmenden Grenzflächeneffekte um Größenordnungen abgesenkt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur Bestimmung von Phasengleichgewicht und Diffusionskoeffizienten an nanometerskaligen Schichten in Betrieb genommen. Mit einer Quarzkristallmikrowaage wurden am Modellstoffsystem Polyvinylalkohol/
Wasser mit Filmen unterschiedlicher Schichtdicke (50 – 200 nm) erste Messungen zur Lösemittelsorption aus der Gasphase durchgeführt. Ein Vergleich mit Ergebnissen für Phasengleichgewicht und Diffusionskoeffizienten aus Experimenten an dickeren Schichten mit Bulk-Eigenschaften zeigt eine deutlich verlangsamte Sorptionskinetik sowie eine erhöhte Lösemittelaufnahme für Nanometerschichten.
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Wärmetechnische Charakterisierung eines Laborreaktors zur Polymerisation mithilfe faseroptischer Temperaturmessungen M. Sc. N. Entesari1) (E-Mail:
[email protected]), Prof. Dr.-Ing. M. Grünewald1) 1)
Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau, Institut für Thermo- und Fluiddynamik, Universitätsstraße 150, D-44801 Bochum, Germany
DOI: 10.1002/cite.201250726
Ein optimales Management der Wärme in teilweise hochviskosen Medien und von Reaktanden mit geringen Diffusionskoeffizienten ist der Schlüssel zur verbesserten Prozesssteuerung und gezielteren Einstellung der Produkteigenschaften, z. B. einem geringen Polydis-
persitätsindex der Endpolymere, im Vergleich zur Batchsynthese. Demzufolge ist die Ermittlung des axialen Temperaturprofils in Rohrreaktoren eine wesentliche Messaufgabe. Konventionelle Methoden, wie die beispielsweise entlang der Reaktorachse über Stutzen
Chemie Ingenieur Technik 2013, 85, No. 9, 1451–1467
in der Strömung platzierten Thermoelemente, besitzen den entscheidenden Nachteil, dass die Strömung innerhalb des Reaktors beeinflusst wird. Eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Methoden ist die faseroptische Temperaturmesstechnik. Der
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