Intelligente Oberflächen - Technologiestiftung Berlin

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11:12 Uhr
Seite 1
REGIOVERLAG
13.02.2012
TSB Technologiestiftung Berlin
Studien zu Technologie und Innovation
Zur Autorin
Ines Junge
Dipl.-Ing. Ines Junge, Maschinenbau-Studium in der Fachrichtung Technisches Design an der Technischen
Universität Dresden; von 2009 bis 2010 Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der TU Berlin
(Forschungsprojekt zu autostereoskopischer Darstellungstechnik am Fachgebiet Landschaftsarchitektur/
Freiraumplanung); seit 2010 wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der TSB Technologiestiftung Berlin im Bereich
Technologie und Innovation.
Intelligente Oberflächen
www.tsb-berlin.de
ISBN 978-3-929273-83-0
Dieses Projekt der TSB Technologiestiftung Berlin wird aus
Mitteln der Investitionsbank Berlin gefördert, kofinanziert
von der Europäischen Union, Europäischer Fonds für
Regionale Entwicklung. Investition in Ihre Zukunft!
Innovationen aus Wissenschaft und Wirtschaft in Berlin-Brandenburg
US_TSB_Oberflächen+Klappe
REGIOVERLAG
TSB_Oberflächen.indd 1
10.02.12 14:19
Eine Schriftenreihe der TSB Technologiestiftung Berlin
herausgegeben von Christian Hammel
10.02.12 14:19
Ines Junge
Innovationen aus Wissenschaft und Wirtschaft
in Berlin-Brandenburg
REGIOVERLAG
10.02.12 14:19
Herausgeber
Dr. Christian Hammel
Fasanenstraße 85 · 10623 Berlin
fon +49.30.46302-500
fax +49.30.46302-444
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Lektorat
Übersetzung
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Lithos und Fotosatz
Druck
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Text International GmbH, Berlin
Hans Spörri
typossatz GmbH Berlin
Druckhaus Köthen
Umschlagfotos
oben: www.pixelio.de, ›Platz für ein Bild‹ von Klicker
unten links: Sponceram, Zellwerk GmbH
unten Mitte: Fraunhofer IBMT Biochipprüfung,
Foto: Jochen Zick
unten rechts: Epitaxie, © JENOPTIK AG/Heiner MuellerElsner
Die Autorin weiß um die Bedeutung einer geschlechtergerechten Sprache und
befürwortet grundsätzlich den Gebrauch von Parallelformulierungen. Von
einer durchgehenden Benennung beider Geschlechter bzw. der konsequenten Verwendung geschlechtsneutraler Bezeichnungen wurde im vorliegenden
Text dennoch abgesehen, weil die Lesbarkeit deutlich erschwert worden
wäre.
Redaktionsschluss Dezember 2011
© TSB / REGIOVERLAG Alle Rechte vorbehalten
ISBN 978-3-929273-83-0
10.02.12 14:19
Inhalt
Norbert Quinkert
TSB Technologiestiftung Berlin sieht zunehmende Bedeutung der
Oberflächentechnologien für Entwicklung der regionalen Cluster
9
Zusammenfassung
11
Summary
14
1
1.1
1.2
Grundlagen
Fragestellung und Ziele der Studie
Methodischer Ansatz und Datenbasis
17
17
18
2
2.1
2.2
2.3
Politische Rahmenbedingungen
Nationale bzw. europäische Strategien
Regionale Verbünde und Netzwerke
Studien und Veröffentlichungen zur Querschnitttechnologie
Oberflächentechnik
Oberflächentechnologie im Rahmen der Innovationsstrategie
Berlin-Brandenburg
Schlussfolgerungen
21
21
28
2.4
2.5
3
3.1
3.2
3.3
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
28
31
32
Oberflächentechnologien in Wissenschaft
und Wirtschaft von Berlin-Brandenburg
Wissenschaft
Wirtschaft
Innovationsfähigkeit anhand des Patentierverhaltens
33
33
38
39
Das Technologiefeld Funktionale bzw. Intelligente
Oberflächen
Begriffsdefinition
Verknüpfte Themen
Oberflächen-Funktionalisierungen
Verfahren zur Oberflächenbehandlung
Anlagentechnik zur Oberflächenbehandlung
Oberflächen- und Schichtanalytik
41
41
43
46
48
51
51
5
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5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.4.6
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.6
5.6.1
5.6.2
5.6.3
5.6.4
5.7
Potenziale der Region Berlin-Brandenburg
in einzelnen Technologie- und Anwendungsfeldern
Branchen und Anwendungsgebiete
Life Science
Biokompatible und bioaktive Oberflächen
Oberflächentechnik im Tissue Engineering
Oberflächen in der Nano-Biotechnologie
Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik
Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik
Energietechnik
Solarthermie
Photovoltaik
Energiewandlung und -speicherung
Umwelttechnik
Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und
Kommunikationstechnologien
Optische Vergütung
Chromogene Dünnschichten
Lichtemission/Photonik
Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik
Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik
Funktionstextilien
Verkehr und Mobilität
Luft- und Raumfahrttechnik
Fahrzeugbau
Marine Technik
Werkstofftechnik/Chemie/Analytik
Verpackungstechnologie für die Lebensmittelindustrie
Printprodukte
Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation
Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik
Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E
53
53
53
54
70
76
88
102
105
105
108
126
142
151
151
156
159
178
215
229
234
235
242
246
247
248
252
254
292
311
6
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6
6.1
6.2
Erkenntnisse und Empfehlungen
Aussichtsreiche Handlungsfelder in Berlin-Brandenburg
Maßnahmen zur Stärkung des Technologiefelds Intelligente
Oberflächen in Berlin-Brandenburg
Anhang
Literatur
Stichworte
319
319
324
329
339
Umschlag-Ausklapptafel
Anwendungen und Anwendungsziele für intelligente Oberflächen
in Berlin-Brandenburg
7
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8
10.02.12 14:19
TSB Technologiestiftung Berlin sieht
zunehmende Bedeutung der Oberflächentechnologien
für Entwicklung der regionalen Cluster
Die Untersuchung der regionalen Kompetenzen und Potenziale bei den Oberflächentechnologien und die Empfehlung, dieses Gebiet zu stärken, sollte
nicht als eine Abkehr von der Forderung, Schwerpunkte zu setzen, verstanden
werden. Das Gegenteil ist der Fall: Die Technologiestiftung zeigt hier, dass und
wie die Querschnittskompetenz Oberflächentechnologie dazu beitragen kann,
den Aufbau von Clustern aus den vorhandenen Kompetenzfeldern sowie die
Schaffung von Arbeitsplätzen in Industrie und industrienahen Dienstleistungen
voranzutreiben.
Die Technologiestiftung wurde sowohl von der großen Zahl als auch von
der Exzellenz der vorgefundenen Kompetenzen positiv überrascht. Erfreulich
ist zudem, dass allein in Unternehmen, die sich fast ausschließlich mit Oberflächentechnologie befassen, rund 2.500 Personen beschäftigt sind. Dies gilt
umso mehr, als die Zahl der Unternehmen, die Oberflächentechnologien als
Teil ihres Hauptgeschäfts nutzen, bei einer solchen Querschnittstechnologie
naturgemäß erheblich höher ist als die Zahl der Unternehmen, bei denen
Oberflächentechnologie das Kerngeschäft darstellt.
Berlin hat begonnen, ein Profil herauszubilden, das von Spitzentechnologien geprägt ist, und bei dem kleine und mittlere Unternehmen eine wichtige
Rolle spielen. Diese Entwicklung ist erfreulich und, da mit Daten und Fakten
belegbar, mehr als nur eine Vision. Trotzdem dürfen die bisherigen Erfolge
nicht darüber hinwegtäuschen, dass Berlin bei der Erneuerung seiner wirtschaftlichen Basis auch 20 Jahre nach der Wiedervereinigung erst erste Schritte
geschafft hat:
■ Das Qualifikationsniveau der Beschäftigten und die Umsatzanteile, die die
Berliner Wirtschaft mit neuen oder verbesserten Produkten erzielt, sind
hoch. Gleichwohl bleiben Produktivität und Durchschnittseinkommen noch
hinter dem Niveau in anderen deutschen Wirtschaftszentren zurück.
■ Die Berliner Forschungsausgaben sind überdurchschnittlich hoch, und die
Forschung hat große fachliche Exzellenz. Dass Berlin eine von wenigen
europäischen Regionen ist, die die Lissabon-Ziele heute schon erreicht, ist
allerdings überwiegend auf die hohe Zahl öffentlicher Forschungseinrichtungen zurückzuführen. Innovationspotenziale, die in der Kooperation von
Industrieforschung und öffentlicher Forschung liegen, könnten durchaus
noch stärker ausgeschöpft werden.
■ Die Entwicklung regionaler Cluster hat begonnen, besonders deutlich im
Gesundheitssektor sowie im Informations- und Kommunikationsbereich.
Die über Jahrzehnte gewachsenen Kooperations- und Zulieferbeziehungen,
verbunden mit der hohen Spezialisierung und Wertschöpfung der Regio9
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nen, in denen die klassischen Exportbranchen Automotive, Maschinenbau
und Chemie dominieren, haben wir allerdings auch innerhalb der neuen,
zukunftsweisenden Cluster noch nicht erreicht. Kooperationspotenziale
zwischen Unternehmen bleiben ungenutzt.
Vor diesem Hintergrund wird den regionalen Unternehmen empfohlen, die
vorhandenen exzellenten Kompetenzen in Querschnittstechnologien wie
den Oberflächentechnologien sowohl in Forschungseinrichtungen als auch in
anderen Unternehmen der Region zur Verbesserung ihrer Produkte zu nutzen.
Und die Politik sollte entsprechende Aktivitäten unterstützen. Eine Erhöhung
des Kooperationsgrades in der Region kann wesentlich dazu beitragen, dass
mehr wertschöpfungsstarke Industriearbeitsplätze entstehen und die regionalen Cluster weiter an Bedeutung gewinnen.
Norbert Quinkert
Vorstandsvorsitzender
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Zusammenfassung
Oberflächentechnologien werden in nationalen wie internationalen Strategien
als wichtige Zukunftstechnologie bezeichnet. Allerdings sind Definition und
Einordnung des Technologiefelds uneinheitlich: Als Teil von Materialinnovationen werden intelligente bzw. funktionale Oberflächen je nach Gewichtung
unter Materialforschung bzw. Werkstofftechnik, Nanotechnologie oder Produktionstechnologie gefasst, verschiedentlich auch als F&E-Schwerpunkt in
den einzelnen Naturwissenschaften gesehen. Gemeinsamer Nenner ist jedoch
der starke Bezug zu den Treibern der Materialforschung – zur Ressourcen- und
Energieeffizienz sowie zur Nachhaltigkeit.
Über die Kompetenz von Wissenschaft und Wirtschaft im Technologiefeld
gibt es auf nationaler wie auf regionaler Ebene kaum Studien. Aus Förderstatistiken lassen sich hinreichend aussagekräftige Grundlagen für eine
regionale Strategie nicht ableiten. Die vorliegende Studie will diese Lücke für
die Hauptstadtregion schließen und damit zur Fundierung der Innovationsstrategie der Länder Berlin und Brandenburg beitragen.
Es wird eine systematische Darstellung der einzelnen zur Oberflächentechnologie gehörenden Technologien vorgenommen. Diese werden den
innovationspolitischen Clustern der Region und der Vielfalt der Oberflächentechnologie anwendenden Branchen zugeordnet und in ihrer Bedeutung
bewertet. Durch die detaillierte Analyse der Forschung und Entwicklung von
rund 350 Akteuren wird gezeigt, in welchen Bereichen von Wissenschaft und
Wirtschaft Berlin-Brandenburg über oberflächentechnologische Kompetenzen
verfügt, welche Kooperationen bereits bestehen und wie sich die Region profilieren kann.
Danach zeichnet sich folgendes Bild ab:
■ Im Bereich der öffentlichen Forschung befassen sich in Berlin 24, in
Brandenburg 14 wissenschaftliche Einrichtungen mit jeweils mehreren
Abteilungen und Akteuren mit oberflächenrelevanten Themen. Bei rund
200 identifizierten wissenschaftlichen Arbeitsgruppen mit durchschnittlich
fünf Mitgliedern ergeben sich 1.000 oberflächenrelevante Arbeitsplätze in
der Wissenschaft.
■ Im Bereich der Wirtschaft betreiben 93 kleine und mittelständische Unternehmen (davon 79 in Berlin) sowie 19 Großunternehmen (davon 16 in
Berlin) ausschließlich oder zum Teil Forschung und Entwicklung in den
Oberflächentechnologien. Dazu kommen 66 Unternehmen, die oberflächentechnologische Dienstleistungen anbieten ohne signifikant eigene
Forschung zu betreiben.
11
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■ Etwa 2.500 industrielle Arbeitsplätze bestehen in Unternehmen, die Oberflächentechnik als Kerngeschäft betreiben. Oberflächentechnologien sind
darüber hinaus für eine Vielzahl weiterer Unternehmen mit insgesamt rund
25.000 Mitarbeitern relevant.
■ Obwohl die Region nicht als Zentrum für Oberflächentechnologien gilt,
verfügt sie in wichtigen Themenfeldern über herausragende Kompetenzen
und Forschungsstärke sowie über eine entsprechende organisatorische,
personelle und apparative Ausstattung. Insgesamt wurden 356 Akteure –
wissenschaftliche Arbeitsgruppen, Unternehmen und Netzwerke – identifiziert.
■ In der Dünnschichttechnik, konkret bei Dünnschicht-Elektronik und -Messtechnik (Sensorik), Photonik und Dünnschicht-Photovoltaik, gehört BerlinBrandenburg zu den führenden Regionen in Deutschland. Vergleichsweise
gut aufgestellt ist die Hauptstadtregion auch bei Bauteilbeschichtung/
Verfahrenstechnik, Oberflächen- und Schichtanalytik/Anlagentechnik,
biokompatiblen und bioaktiven Oberflächen, Bio-Analytik und Diagnostik
sowie Nano-Biotechnologie. Hohe Forschungskompetenz bei gleichzeitig noch geringer Zahl industrieller Akteure haben die Wachstumsthemen
Energiewandlung und -speicherung sowie Umwelttechnik.
■ In der Bio-Analytik und Diagnostik, in der Dünnschicht-Messtechnik
(Sensorik) sowie in der Bauteilbeschichtung/Verfahrenstechnik haben Berlin
und Brandenburg ihre größten Schnittmengen. Themen wie Oberflächenund Schichtanalytik/Anlagentechnik, biokompatible und bioaktive Oberflächen sowie Energiewandlung und -speicherung werden dagegen überwiegend in Berlin bearbeitet.
■ Im Bereich der akademischen Aus- und Weiterbildung sind oberflächentechnologische Inhalte breit gestreut, und zwar sowohl über die verschiedenen natur- und ingenieurwissenschaflichen Fächer als auch über die
regionale Hochschullandschaft. Einschlägige Studiengänge werden nicht
angeboten. Im Rahmen der Studiengänge Verfahrenstechnik, Werkstofftechnik, Physik und Chemie bestehen jedoch vielfältige Möglichkeiten zur
Vertiefung des Themas Oberflächen. Von Nachwuchssorgen bzw. Fachkräftemangel berichten einige Akteure in den Oberflächentechnologien,
dem insbesondere bei hochspezialisierten Anforderungen mit dem Heranziehen des eigenen Nachwuchses begegnet wird.
Insgesamt kommt die Studie zu dem Schluss, dass die regionalen Kompetenzen
im Querschnittsthema Oberflächentechnologie dazu beitragen können, den von
der Innovationsstrategie der Länder angestrebten weiteren Aufbau der regionalen Cluster sowie die Schaffung von Arbeitsplätzen in Industrie und industrienahen Dienstleistungen, voranzutreiben. Die stärkere Bekanntmachung und
Vernetzung der über eine Vielzahl von Branchen und Wissenschaftsdisziplinen
verteilten Kompetenzen erscheint als geeignetes Mittel, Kooperationspotenziale
zu mobilisieren.
12
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Kernempfehlungen zur Weiterentwicklung der Kompetenzen in Berlin und
Brandenburg sind
■ die verstärkte Verbreitung von Informationen über die regionalen Kompetenzen in den Oberflächentechnologien mit dem Ziel, die interdisziplinäre
Vernetzung innerhalb der Forschungslandschaft sowie zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zu erhöhen,
■ das Aufgreifen der Oberflächentechnologien durch Intermediäre, im Technologietransfer und in den Clustermanagements mit dem Ziel, (Verbund-)
Projekte zu initiieren und dadurch die Cluster und die vom Berliner Masterplan Industrie adressierten Branchen zu stärken,
■ die verstärkte Einbeziehung der Kreativbranche zur Entwicklung von Anwendungsszenarien für neue Oberflächentechnologien und darauf basierende Oberflächeneigenschaften,
■ die Verbesserung des Zugangs zu oberflächentechnologischen Erkenntnissen und Entwicklungen, beispielsweise durch Gründung einer ›Oberflächenbibliothek‹,
■ das Offenhalten von Förderprogrammen für Forschung und Entwicklung in
Querschnittsgebieten wie Oberflächentechnik.
13
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Summary
In national and international strategies, surface technologies are seen as key
future technologies, yet there is no common agreement on the definition and
classification of this field of technology. Depending on the approach to material
innovation, intelligent or functional surfaces are categorized under materials
research or engineering, nanotechnology or production technology, and variously also seen as a focus of R&D in the different individual natural sciences.
One common denominator, however, is the strong link with the drivers of
material research – resource and energy efficiency and sustainability.
Very few studies investigating the competence of science and business in
this field of technology have been conducted on national or regional levels.
Funding statistics do not provide a significant basis for a regional strategy. The
study presented here aims to close this gap for the Berlin region and to make a
contribution to providing a foundation for the Berlin and Brandenburg innovation strategy.
The individual technologies associated with surface technology will be
systematically investigated. These technologies will be assigned to the innovation-policy clusters of the region and the diversity of industries utilizing
surface technology, and an assessment of their importance will be made. A
detailed analysis of the research and development being carried out by around
350 players will highlight the areas of science and industry in Berlin-Brandenburg with surface technology skills and expertise, the joint ventures already in
place, and show how the region can distinguish itself.
Following this approach, the following picture emerges:
■ In public-sector research, there are 24 scientific institutions in Berlin and
14 in Brandenburg with several departments and individuals involved
in surface-technology fields. Around 200 scientific workgroups were
identified, each with an average five members, resulting in 1,000 surface
technology-relevant jobs in science.
■ In industry, there are 93 small and medium-sized companies (including
79 in Berlin) and 19 major companies (including 16 in Berlin) involved solely
or partially in surface technology research and development. An additional
66 companies offer surface-technology services without carrying out any
significant research of their own.
■ There are around 2,500 industrial jobs in companies pursuing surface
engineering as their core business. In addition, surface technologies are
relevant for a large number of other companies, employing a combined
total of around 25,000 people.
14
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■ Although the region is not regarded as an area that specializes in surface
technologies, it does have some outstanding expertise and research
strengths in important areas, backed by the appropriate organization,
personnel and facilities. A total of 356 players – scientific workgroups, companies and networks – were identified.
■ Berlin-Brandenburg is one of the leading regions in Germany for thinfilm technology – more specifically, thin-film electronics and measuring
systems (sensor systems), photonics and thin-film photovoltaic engineering. The Berlin region is also in a relatively good position when it comes
to component coating/process engineering, surface and coating analysis/
plant engineering, biocompatible and bioactive surfaces, bioanalysis and
diagnostics and nano-biotechnology. There is a high level of research competence, but yet a low number of industrial players in the growth fields of
energy conversion/storage and environmental technology.
■ The key overlapping fields in Berlin and Brandenburg are bioanalysis and
diagnostics, thin-film measuring systems (sensor systems) and component
coating/process engineering. Surface and coating analysis/plant engineering, biocompatible and bioactive surfaces and energy conversion/storage
are focused primarily in Berlin.
■ In academic education and training, there is a wide distribution of surface-technology content in the various natural science and engineering
departments across the regional university environment, but there are no
dedicated programmes. However, numerous opportunities for an in-depth
study of surfaces are available in process engineering, materials technology,
physics and chemistry. Some players complain of an absence of qualified
employees and have concerns about the availability of young people with
an interest and skills in surface technologies. Especially in highly specialized
areas, they are meeting this challenge by training their own next-generation employees.
In general, the study reaches the conclusion that the regional competence
across the board in surface technology can make a contribution to driving the
further development of the regional clusters and creating jobs in industry and
industrial services, aimed for by the Berlin-Brandenburg innovation strategy. A suitable way of mobilizing cooperation potential would be to generate
increased awareness and network the expertise and skills distributed across a
large number of industries and science disciplines.
Key recommendations for further development of expertise in Berlin and
Brandenburg:
■ More widespread dissemination of information about the regional expertise in surface technologies, with the aim of increasing interdisciplinary
networking within the research environment and between science and
industry.
15
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■ Adoption of surface technologies by intermediaries in technology transfer
and cluster management with the aim of initiating (collaborative) projects
and thereby strengthening the clusters and the sectors targeted by the
Berlin Industry Master Plan.
■ Greater inclusion of the creative sector to develop application scenarios for
new surface technologies and the resulting surface properties.
■ Improvement of access to surface technology knowledge and developments, for example by establishing a ›Surface Library‹.
■ Retaining support programmes open for research and development in surface technology and other cross-disciplinary fields.
16
10.02.12 14:19
1
TSB Technologiestiftung Berlin (Hrsg.)
(2009), S. 15.
1
Grundlagen
1.1
Fragestellung und Ziele der Studie
Ziele der vorliegenden Studie sind die Darstellung der oberflächentechnologischen Kompetenz in der Region Berlin-Brandenburg und die Ermittlung
ihres Potenzials. Die Studie fungiert zum einen als Informationsquelle (Orientierungswissen) und zum anderen, ohne dabei einen Foresight-Ansatz (Vorhersage von Trends und Tendenzen) zu verfolgen, als Grundlage für die
Nachnutzung der Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen in Form konkret
ausgestalteter kompetenzausbauender Maßnahmen oder neuer F&E-Aktivitäten im Technologiefeld.
Voraussetzung für die koordinierte Behandlung der vorhandenen Expertise ist eine möglichst breite Erfassung der entsprechenden F&E-Tätigkeiten
in Berlin und Brandenburg. Dies wird dadurch erschwert, dass keine allgemeingültige Abgrenzung des Technologiefelds ›Oberflächen‹ existiert: Oberflächentechnologische F&E ist nicht an eine Branche oder ein bestimmtes
Equipment gebunden, sondern betrifft vielmehr eine Vielzahl von Materialien/
Werkstoffen, Herstellungsverfahren und Verwendungszwecken. Die Definition
von Begrifflichkeiten rund um das Themengebiet stellt deshalb eine der initialen Aufgaben der Studie dar.
Die Hauptfragestellung lautet, welche Akteure aus Wissenschaft (Forschung
und akademische Ausbildung), Wirtschaft (Hersteller, Entwickler, Zulieferer)
und von professioneller, öffentlicher oder privater Anwenderseite im Themengebiet vorhanden sind und inwieweit sie unter dem Fokus Oberflächen bereits
vernetzt sind.
Der Schwerpunkt der Analyse soll auf den Kompetenzen der regionalen
Wissenschaft und Wirtschaft in Hochtechnologien (Spitzentechnologie und
gehobene Gebrauchstechnologie1) liegen. Gesamtwirtschaftliche Betrachtungen, die den Bereich der Gebrauchstechnologie bzw. das zugehörige Dienstleistungsgewerbe einschließen und quantitative Untersuchungen erfordern,
werden lediglich punktuell angestellt. Die Arbeitsdefinition umfasst F&E an
Oberflächenphänomenen (Grundlagenforschung), Oberflächenfunktionalisierungen (angewandte Forschung), innovative Verfahren zur Herstellung (Oberflächenbehandlung, Präparation) und Analytik von Oberflächen und Schichten
sowie ihre Anwendungsmöglichkeiten im Endprodukt (Kapitel 4).
Für ein Stärken-Schwächen-Profil werden die einzelnen Technologien und
Anwendungsfelder aufbereitet, die jeweiligen Beteiligten diesen Feldern zugeordnet sowie deren Bedürfnisse und Vernetzungsgrad analysiert (Kapitel 5).
Damit können Wachstumsfelder innerhalb der Oberflächen- und Schicht17
10.02.12 14:19
technologien identifiziert und gezielte Fördermöglichkeiten benannt werden.
Chancen und Risiken der Förderung und darunter subsumierter Maßnahmen
werden ebenfalls erörtert.
1.2
Methodischer Ansatz und Datenbasis
Ausgehend vom wahrgenommenen Informationsbedarf sollen die erforderlichen Informationen in erster Linie durch Quellenstudien gewonnen werden.
Dabei beeinflusst die Suchperspektive (Inside-Out vs. Outside-In) die Relevanz
der Informationsquellen. Bei der Suche mit der hier herangezogenen OutsideIn-Perspektive (sogenanntes Scanning) muss oft auf Quellen zurückgegriffen
werden, die einen Überblick über einzelne Themenbereiche zulassen. In bisher
unbekannten Teilgebieten, die noch über die eigenen Suchroutinen erkannt
werden, wird auch auf der Basis von Detailinformationen nach relevanten
Trends und Technologien gesucht.2
Zur Informationsbeschaffung werden sowohl formelle als auch informelle
Quellen herangezogen:
■ Zu den formellen Quellen zählen vor allem umfassende Datenrecherchen
in Fach- und Einzelpublikationen, Vorträgen, Studien sowie frei verfügbare
Informationsquellen von wissenschaftlichen Einrichtungen, Unternehmen
und Verbänden.
■ Informelle Quellen sind persönliche und fernmündliche Gespräche zu Innovationsverhalten und Bedeutung des Technologiefelds in der Region.
Die Untersuchungsstrategie bedient sich vorrangig qualitativer Methoden, das
heißt aus einem gewissen Vorverständnis heraus wird mit den Befragungen in
der Gesamtheit iterativ Information gewonnen und interpretiert und so eine
›Theorie‹ entwickelt.
Das Expertengespräch als qualitative Methode bietet sich an, weil:
■ das Spektrum der möglichen Antworten im Vorhinein nicht überschaubar ist
und offene Fragen erforderlich sind,
■ es darauf ankommt, den individuellen Fall detailliert zu erfassen und damit
die Möglichkeit zu Nachfragen gegeben sein muss,
■ die Vermutung naheliegt, dass wegen der im Vergleich zur standardisierten Befragung größeren ›Natürlichkeit‹ der Interviewsituation wesentlich
authentischere Informationen gewonnen werden können.
Das individuelle Expertengespräch wurde wegen des vertretbaren Zeitaufwandes (geringer Vorlauf, sukzessive Wissensakquise) gegenüber einem Experten-Workshop bevorzugt. Dabei wurden die angemeldeten Interviews durch
spontane Gespräche am Rand von Fachveranstaltungen mit Vorträgen von Wissenschaftlern und Unternehmern ergänzt. Durch die aufeinanderfolgenden,
mit mehreren Akteuren durchgeführten Befragungen konnten Erkenntnisse aus
2
Vgl. Lichtenthaler, Eckhard (2008),
S. 9 f.
18
10.02.12 14:19
Tabelle 1: Zahl der Expertengespräche nach Zielgruppen und Regionen
Berlin
Brandenburg
andere
Standorte
Insgesamt
Wissenschaft
22
7
18
47
Wirtschaft
18
1
7
26
Intermediäre
9
1
2
12
Insgesamt
49
9
27
85
Zielgruppe
3
›Für die Expertenbefragung eignet sich
am besten das Leitfadeninterview, das
eine Mischform aus narrativem und
vollständig strukturiertem Interview
bildet. Es wird ein Leitfaden erarbeitet,
der das Interview thematisch strukturiert
und dafür sorgt, dass alle wesentlichen
Fragestellungen des Themengebietes
angesprochen werden. Der Interviewer
ist jedoch nicht gezwungen, diesem
Leitfaden in allen Punkten zu folgen,
sondern kann im Gespräch Teile des
Interviews weglassen, die Reihenfolge
verändern, zusätzliche Fragen integrieren
oder einzelne Punkte vertiefend behandeln.‹ Behrens, Stefan und Specht, Dieter
(2008), S. 5.
den ersten Gesprächen für die folgenden gewonnen werden; auf diese Weise
wurde der Befragungsgegenstand sukzessive vertieft.3
Andererseits dient der Leitfaden dazu, die Interviews vergleichbar zu
machen und die Auswertung zu erleichtern, wenngleich eine (quantitative)
Auswertung wie bei einer standardisierten Befragung nicht erreicht werden
kann. Der Leitfaden soll gerade offen gehalten werden, damit das vorhandene Expertenwissen voll ausgeschöpft wird. Ein Leitfadeninterview mit entsprechend offener Gestaltung stellt hohe Ansprüche an die Kompetenz des
Interviewers, an dessen Geschick und Verantwortung es liegt, relevante Informationen zu erhalten.
Die Gesprächspartner stammen zum größten Teil aus der Hauptstadtregion;
zu Vergleichszwecken wurden aber auch Vertreter auswärtiger (kooperierender
bzw. konkurrierender) Institutionen befragt. Insgesamt sind zwischen November 2010 und Juni 2011 85 ausführliche Interviews und punktuelle Gespräche
mit Kompetenzträgern aus Wissenschaft, Wirtschaft sowie Verbänden/Initiativen geführt worden (Tabelle 1).
Die Befragung stieß auf unterschiedliche, überwiegend jedoch positive
Resonanz. Einerseits waren die Gesprächspartner durchweg bereit, alle Fragen
ausführlich zu beantworten, eigene Gedanken und Vorstellungen zu äußern
und Thesen zu kommentieren; andererseits gab es auch skeptische Stimmen
hinsichtlich des Nutzens der Untersuchung und der angestrebten Maßnahmen
zur Verbesserung der Vernetzung in der Querschnittstechnologie.
Die Auswertung der Befragungsergebnisse ermöglicht neben der Einzelfallanalyse verallgemeinerte Aussagen und eine Typisierung, wie sie für die
Formulierung von Thesen, die Potenzialbeschreibung der Technologie und
die Formulierung von Handlungsempfehlungen benötigt werden. Die Darstellung der einzelnen Technologien und Anwendungen basiert auf den
Interviews sowie auf ergänzenden Recherchen in frei zugänglichen Quellen.
In den allgemeinen Kapiteln stützen sich die Ausführungen ebenfalls auf frei
verfügbare Informationsquellen sowie auf übergeordnete Erkenntnisse und
sich abzeichnende Vorstellungen, die im Rahmen der Expertengespräche
gewonnen wurden. Um die Anonymität zu wahren, wird darauf verzichtet, auf
Aussagen einzelner Interviewter Bezug zu nehmen.
Die ausgewiesenen Daten stellen die Situation zum Zeitpunkt der Veröffentlichung der Studie dar und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
19
10.02.12 14:19
Aufbau und Pflege des Verzeichnisses von Akteuren im Technologiefeld obliegen
ebenso wie die Handlungsempfehlungen weiterreichenden Überlegungen zur
Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse. Sofern quantitative Angaben gemacht
werden, sind Abweichungen in der Datenbasis toleriert: Da aus den Quellen
zu Zahlen, Daten und Fakten wie auch Patentveröffentlichungen meistens die
Klassifikationssysteme mit übernommen werden müssen, spielt deren häufige
Inkongruenz eine Rolle. Dieses Problem besteht auch schon bei der initialen
Begriffs- bzw. Definitionsproblematik. Kommerzielle Datenquellen wurden
nicht verwendet.
20
10.02.12 14:19
1
Vgl. BMBF, Referat Öffentlichkeitsarbeit
(Hrsg.) (2006a), S. 82.
2
Ebenda, S. 97.
3
BMBF, Referat Innovationspolitische
Querschnittsfragen, Rahmenbedingungen
(Hrsg.) (2010).
4
BMBF, Referat Öffentlichkeitsarbeit (Hrsg.)
(2006b).
2
Politische Rahmenbedingungen
2.1
Nationale bzw. europäische Strategien
Mehrere deutsche und europäische Fördereinrichtungen evaluieren Forschung
und Entwicklung in den jeweiligen Sparten und richten diese strategisch aus
(Forschungsprogramme, Förderrankings). Oberflächen- und Schichttechnologien tauchen dabei unter verschiedenen anderen Technologiefeldern auf, etwa
unter Werkstofftechnologie, Nanotechnologie oder Ressourcen- und Materialeffizienz.
■ In der Hightech-Strategie für Deutschland 2006 wird gefordert, die Nanotechnologie-Forschung und -Entwicklung im Hinblick auf Nanomaterialien, Systemintegration und Produktionstechnik (z. B. Photovoltaik, Lackproduktion) auszubauen, die Anwendung insbesondere im Umwelt- und
Ressourcenschutz zu forcieren und in bisher unbeteiligten Branchen (z. B.
Textilgüter-, Investitionsgüter- oder Bauindustrie) Produkt- und Verfahrensentwicklungen anzustoßen.1
Zur Beschleunigung der Entwicklung in den Werkstoffwissenschaften sollen
Simulation und Entwurf von maßgeschneiderten Werkstoffen, Verarbeitungstechnologien und Bauteileigenschaften mit informationstechnischer
Hilfe ausgebaut werden. Den Leistungsgrenzen bei Miniaturisierung und
Funktionsintegration in der Mikroelektronik soll mit neuen hochintegrierten, multifunktionellen Elektronikwerkstoffen (unter anderem elektroaktive und photokatalytische Oberflächen) begegnet werden. Dadurch
könnten Innovation und Umweltschutz gleichzeitig erreicht bzw. win-winSituationen erzeugt werden.2
■ Auch in der Hightech-Strategie Deutschland 2020 3 werden Werkstofftechnologie und Nanotechnologie als Schlüsseltechnologien herausgestellt.
Den hohen Kosten für die Entwicklung neuer Werkstoffe wird seitens des
BMBF mit der gezielten Förderung der Werkstoffforschung im Rahmen von
›WING – Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft‹ begegnet.
Das Programm umfasst Materialforschung, Chemie und Nanotechnologie als
wesentliche Bereiche, aus denen Werkstoffinnovationen im Produkt- und
Verfahrensbereich hervorgehen.
■ Eine schnellere Umsetzung von Forschungsergebnissen und die Schaffung
besserer Rahmenbedingungen fordert das BMBF mit dem Nano-InitiativeAktionsplan 2010. Darin werden geförderte Leitinnovationen beschrieben,
beispielsweise ›NanoMikroChem‹ als strategische Forschungskooperation
zwischen chemischer Industrie sowie der Energie- und Mikroprozesstechnik für Nanoschichten und -werkstoffe mit sicherheitsrelevantem Aspekt.4
21
10.02.12 14:19
Unter dem BMBF-Förderschwerpunkt ›Nano geht in die Produktion‹ finden
sich Themengebiete wie ›Beschichtung von Oberflächen mit nanoskaligen
Materialien‹ (schaltbare Oberflächen, industrieller Herstellungsmaßstab)
und ›Online-Analytik bei der Herstellung und Verarbeitung‹ (zuverlässige,
reproduzierbare Herstellung). Unter anderem Fokus, nämlich als Innovationen für eine ressourceneffiziente Produktion (Bereich Produktionssysteme
und Fertigungstechnologien), wurden vom BMBF Funktionale Oberflächen
als Themenschwerpunkt für die Suche nach und im Wettbewerb um Projektideen benannt.
■ Auf letztgenannte Förderschwerpunkte geht der Initiative Nanotechnologie
Aktionsplan 2015 ein, in dem hauptsächlich Bedarfsfelder und konkreter
Forschungsbedarf aufgezeigt werden. So wird im Bedarfsfeld Ernährung
und Landwirtschaft der ›Einsatz leicht zu reinigender nanobeschichteter
Oberflächen bei Lebensmittellagerung, -transport und -verarbeitung‹ als
Forschungsbedarf genannt, im Bedarfsfeld Mobilität geht es um katalytische Oberflächen mit geringem Edelmetalleinsatz (Nanotechnologie für
kostengünstige und ressourcensparende Mobilität).5
■ Zu Netzwerken und Einrichtungen der Nanotechnologie in Deutschland
veröffentlichte das BMBF in Nanotechnologie erobert Märkte eine Kompetenzkarte, aus der die vorhandenen Kapazitäten (universitäre und
außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, Unternehmen) in den Feldern
›Ultradünne Schichten‹ und ›Ultrapräzise Bearbeitung von Oberflächen‹
in Berlin und Brandenburg hervorgehen (Abbildung 1).6 Auch der
Kompetenzatlas Nanotechnologie in Deutschland (www.nano-map.de)
erlaubt das Recherchieren von Institutionen nach Anwendungsfeldern und
Technologien (hier speziell Nanobeschichtungen). Die eigentlich höhere
Instanz, eine Kompetenzkarte zu Werkstofftechnologien (www.werkstofftechnologien.de, Teil der Hightech-Strategie Deutschland) mit möglicher
Recherchefilterung nach Werkstoffklassen oder Technologien (von besonderem Interesse ›Oberflächen und Schichttechnik‹) liefert dagegen weniger
und kaum aktualisierte Ergebnisse.
■ Das Förderranking 2009 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
vermittelt Informationen zur regionalen Verteilung von Bundes-, EU- und
DFG-Förderung sowie zu den zugehörigen thematischen Profilen und
Kooperationsbeziehungen. Bei der Projektförderung des Bundes als Materialforschung, physikalische und chemische Technologien, bei der Förderung
im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm als Nanotechnologien, multifunktionelle Werkstoffe, neue Produktionsverfahren und -anlagen bezeichnet,
und bei der DFG-Bewilligung nach natur- und ingenieurwissenschaftlichen
Fächern gegliedert, lassen sich jeweils Werkstoffentwicklungen und deren
Fördervolumen regional aufgeschlüsselt bzw. auf einer Fächerlandkarte
ermitteln (Abbildungen 2 bis 5).
5
BMBF, Referat Schlüsseltechnologien;
Strategie und Grundsatzfragen (Hrsg.)
(2010).
6
BMBF, Referat Publikationen; Internetredaktion (Hrsg.) (2004), S. 14.
22
10.02.12 14:19
Abbildung 1: Netzwerke und Einrichtungen der Nanotechnologie
Quelle: BMBF, 2004.
7
BMBF, Referat Öffentlichkeitsarbeit (Hrsg.)
(2007), S. 7.
8
Vgl. Rainfurth, Claudia (2008); European
Commission (2011).
■ Auch im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm für den Zeitraum 2007 bis
2013 bilden Nanowissenschaften, Nanotechnologien, Materialien und
neue Produktionstechnologien einen Förderschwerpunkt. Auf ihn entfallen
3,475 Mrd. Euro, das sind gut zehn Prozent des Gesamtbudgets im ersten
Spezifischen Programm ›Zusammenarbeit‹.7 In den Ausschreibungen des
Förderschwerpunkts NMP finden sich Themen mit Bezug zu Oberflächen
oder Dünnschichten wie ›Self-healing materials for prolonged lifetime‹,
›Biomaterials for improved performance of medical implants‹, ›Materials
for data storage‹, ›Advanced materials for high-temperature power generation‹, ›Photocatalytic materials for depollution‹, aber auch zu Integration
und Vernetzung innerhalb der Materialwissenschaften, zum Beispiel mit
der Kreativbranche (›Novel materials and design-based solutions for the
creative industry‹).8
23
10.02.12 14:19
Abbildung 2: Projektförderung des Bundes
Quelle: DFG, 2009.
24
10.02.12 14:19
Abbildung 3: Förderung im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm
Quelle: DFG, 2009.
25
10.02.12 14:19
Abbildung 4: Fächerlandkarte für Naturwissenschaften auf Basis von DFG-Bewilligungen
Quelle: DFG, 2009.
26
10.02.12 14:19
Abbildung 5: Fächerlandkarte für Ingenieurwissenschaften auf Basis von DFG-Bewilligungen
Quelle: DFG, 2009.
27
10.02.12 14:19
2.2
Regionale Verbünde und Netzwerke
In einigen Bundesländern und Regionen Deutschlands existieren zur Oberflächentechnik bzw. zu den Materialwissenschaften mit einem Schwerpunkt
funktionale Oberflächen oder ähnlichem Forschungsverbünde bzw. Netzwerke/Verbände:
■ FOROB II, BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND für Oberflächentechnik,
■ NRW Netzwerk Oberfläche,
■ Nano- und Materialinnovationen Niedersachsen e.V. mit dem Leitthema
Oberflächen (neben Nano-Materialien und Leichtbau),
■ I-KON Ingenieur-Kompetenzzentrum Oberflächentechnik Norddeutschland,
■ NORO. Netzwerk Oberflächentechnologie Region Ostwürttemberg,
■ INNOB Innovative Oberflächen (Unterfranken),
■ COATINGTEC Beschichtungs- und Oberflächen-Engineering für Werkzeuge,
Bauteile, Maschinenkomponenten (Thüringen),
■ noa Netzwerk für innovative Oberflächentechnik und Anlagenbau (Ostsachsen).
In weiteren Regionen gibt es Bestrebungen, Kompetenzen in der Oberflächentechnik aufzubauen bzw. sich als Region entsprechend zu profilieren. So haben
mehrere ›Unternehmen Region‹-Projekte (Wachstumskerne, BMBF-gefördert)
oberflächentechnologische Entwicklungen zum Inhalt:9
■ Wachstumskern ›TeMaK‹ im Sächsischen Metall-Zentrum (SMZ), Zwickau,
■ Wachstumskern ›noa 2‹ (Zittau/Oberlausitz, 2005–2007), innovative Oberflächenbeschichtungen wie die Plasma-Vakuum-Bedampfung für den
Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau,
■ Wachstumskern ›ReaWeC 2‹, Reactive WetCoating (2004–2007), Bitterfeld/
Wolfen,
■ InnoProfile-Projekt ›Auftragschichten‹, Chemnitz,
■ Wachstumskern ›MolecularDesigned Biological Coating‹ MBC, Dresden, biologische Schichten für technische Oberflächen.
Auf Initiative der Panadur GmbH (2010) soll auch die Harzregion ›ein hoch
innovatives Kompetenzprofil rund um intelligente Oberflächen erhalten‹.10
2.3
Studien und Veröffentlichungen zur Querschnitttechnologie
Oberflächentechnik
Eine mit der vorliegenden Studie vergleichbare Untersuchung der Oberflächen- und Schichttechnologien auf Landesebene hat soweit bekannt lediglich
Thüringen vorgenommen.11 Auch hier besteht ein starker Bezug zur Nanotechnologie.
9
BMBF, Referat Regionale Innovationsinitiativen; Neue Länder (2009).
10
Oertel, Hans-Werner (2011).
11
Landesentwicklungsgesellschaft
Thüringen (2011).
28
10.02.12 14:19
Verschiedene Publikationen zu Oberflächentechnologien ohne regionalen
Bezug aus dem Zeitraum zwischen 1997 und 2010 wurden zum Vergleich herangezogen:
■ Aus der Publikation Ifo Studien zur Innovationsforschung – Evaluation des
Förderschwerpunktes Oberflächen- und Schichttechnologien (1997) gehen
technischer Stand und Innovationspotenzial, Verbreitung sowie Marktstruktur der Oberflächen- und Schichttechnologien (OSTec) in der deutschen
Industrie hervor. Dabei beschränken sich OSTec auf plasma-, vakuum-,
ionen- und laserunterstützte Verfahren, das Anwendungsfeld Mikroelektronik ist kein Bestandteil der Studie.
■ Mit einer Schriftenreihe im Auftrag und mit Unterstützung des BMBF
widmete sich das VDI Technologiezentrum einer Informations-, Qualifizierungs- und Normungsinitiative Oberflächentechnik (2000 –2002).12
Über Befragungen von produzierenden Unternehmen wurden eingesetzte
Verfahren, Schichtmaterialien, Oberflächenfunktionalitäten und Anwenderbranchen mit ihren jeweiligen Prioritäten ermittelt und dargestellt. Des
Weiteren wurde ein Patentüberblick gegeben, die Marktsituation anhand
der industriellen Plasmaoberflächentechnik beschrieben (Größe/Umsatz
der Unternehmen, Bekanntheitsgrad/Einsatztiefe/Nutzen der Technologie),
der Qualifizierungsbedarf aus Sicht der Großindustrie und der KMU identifi-
Abbildung 6: Anteile verschiedener Verfahren an der Oberflächenveredelung (in Prozent)
nichtmetallische
Überzüge
6,0
Vakuumverdampfung
5,0
Galvanisieren
26,0
Eloxieren
8,0
sonstige
metallische
Überzüge
11,0
Lackieren
12,0
sonstige
Verfahren
(i. W. mechanische
Bearbeitung)
19,0
Wärmebehandlung
13,0
12
VDI Technologiezentrum GmbH (2000);
VDI Technologiezentrum GmbH (2002).
Quelle: Statistisches Bundesamt. DFO, 2006.
29
10.02.12 14:19
Abbildung 7: Entwicklung der Umsätze in der Oberflächenveredelung
Mrd. EUR
5
4
3
2
1
0
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Quelle: FERI. DFO, 2006.
ziert, der Stand der Normung zusammengetragen sowie Normungsbedarfe
benannt.
■ Die Forschungsagenda Oberfläche, herausgegeben 2006 von der Deutschen
Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. (DFO) 13 steht für
eine branchen- und technologieübergreifende Untersuchung von Trends
und künftigen Anforderungen an Eigenschaften von Beschichtungen bzw.
deren Herstellungsprozesse (Befragung von 300 Experten deutschlandweit). Dabei wurde auch der Wirtschaftsfaktor Oberflächentechnik bzw.
die Bedeutung von Oberflächentechnologien beleuchtet (Abbildungen
6 und 7). Bei der Wertschöpfung der Oberflächentechnik geht man von
einem geringen Beitrag14 aus (geschätzt wurden drei bis sieben Prozent der
Produktkosten). Wegen des großen Anwendungsspektrums bei Investitionsgütern und vielen Konsumgütern (z. B. Textilien, Medikamente) ergibt
sich bei einem Umsatz der Industrie von 1,4 Bill. Euro und einem mittleren
Wertschöpfungsanteil von fünf Prozent für das Jahr 2005 ein Umsatz von
70 Mrd. Euro.
■ Die Fraunhofer Gesellschaft nahm sich des Themas mit der Studie Produktionstechnik zur Erzeugung funktionaler Oberflächen an.15 Ermittelt wurde
der Forschungs- und Handlungsbedarf, eingeteilt in die Handlungsfelder
›Energie- und Ressourceneffizienz in Prozess und Produkt‹, ›Fertigungsintegrierte Erzeugung funktionaler Oberflächen‹ und ›Produktionstechnologie
mit Hochleistungsprozessen‹ (inkl. Modellierung/Simulation und Prozesskontrolle/Analytik). Über eine Befragung von produzierenden Unternehmen wurden Relevanz (auch Reifegrad) und Bedarf an verschiedenen
Oberflächentechnologien (Verfahren) bestimmt sowie Defizite in der Werkstoffentwicklung sowie Relevanz, Reifegrad und Entwicklungsbedarf der
Schichtfunktionalitäten ermittelt.
13
Roths, Klaus und Gochermann, Josef
(2006).
14
Ohne dass der Mehrwert für einzelne
Produkte durch Oberflächentechnik
(Schutzfunktionen wie Korrosionsschutz) eingerechnet wäre.
15
Fraunhofer Gesellschaft (2008).
30
10.02.12 14:19
■ Im Technologie- bzw. Politikbericht Energietechnologien 2050 (2010)
behandelte das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
das Thema Oberflächentechnik im Hinblick auf Energieeffizienz.16 Dargestellt
wurde insbesondere der künftige Entwicklungsbedarf an energieeffizienter
Oberflächentechnik; außerdem wurden Entwicklungshemmnisse und
Relevanz öffentlicher Forschungsförderung unter dem Aspekt technischer
und wirtschaftlicher F&E-Risiken bewertet.
2.4
16
Wietschel, Martin (2010).
Oberflächentechnologie im Rahmen der Innovationsstrategie
Berlin-Brandenburg
Innerhalb der Gemeinsamen Innovationsstrategie der Länder Berlin und
Brandenburg ist das Technologiefeld Oberflächen- und Schichttechnologien
Teil des Querschnittsthemas Materialien und Werkstoffe. Produktions- und
Automatisierungstechnik, Clean Technologies und Sicherheit sind die anderen
drei Querschnittsthemen der Strategie (Abbildung 8).
Zur Kategorie Werkstoffe/Materialien gehören neben ›Funktionalen Oberflächen auch Smart Materials, Leichtbau sowie Be- und Verarbeitungstechnologien neuer Materialien. Thematische Überschneidungen oder Doppelungen
sind zu erwarten und in Kauf zu nehmen; eine gewisse Systematisierung erfolgt
durch die vorliegende Studie und ist im Kapitel Verknüpfte Themen dargestellt.
Abbildung 8: Übersicht der Cluster und Querschnittsthemen in Anlehnung
an die Innovationsstrategie innoBB
Quelle: ZAB ZukunftsAgentur Brandenburg, 2011.
31
10.02.12 14:19
2.5
Schlussfolgerungen
Die Oberflächentechnik ist in diversen nationalen und internationalen Strategien als wichtige Zukunftstechnologie genannt. Allerdings wird die Oberflächentechnik unterschiedlich eingruppiert, beispielsweise unter Material-/
Werkstoffforschung, Nanotechnologie oder Produktionstechnologie. An einer
systematischen Zuordnung zu strategischen Handlungsfeldern mangelt es,
uneinheitliche Abgrenzungen sind vorherrschend. Die eigene Definition und
Abgrenzung des Technologiefeldes erscheint daher als dringend notwendig.
Zur Kompetenz von Wissenschaft und Wirtschaft im Technologiefeld gibt es
auf nationaler wie auf regionaler Ebene kaum Studien. Aus Förderstatistiken
lassen sich hinreichend aussagekräftige Grundlagen für eine regionale Strategie nicht ableiten, da die Förderschwerpunkte bzw. -programme so stark
divergieren und sich überlappen, dass kein Gesamtbild gewonnen werden
kann. Die vorliegende Studie will diese Lücke zumindest für die Region BerlinBrandenburg schließen und damit zur Fundierung der regionalen Innovationsstrategie beitragen.
32
10.02.12 14:19
3
Oberflächentechnologien in Wissenschaft
und Wirtschaft von Berlin-Brandenburg
3.1
Wissenschaft
Forschungseinrichtungen
1
Vgl. ZAB (2011).
Wissenschaft und Forschung sind Stärken und zugleich Wachstumsfaktoren
der Region Berlin-Brandenburg. Bis zu 50.000 Wissenschaftler sind hier tätig,
davon rund 23.000 an Universitäten und Hochschulen. Es gibt 330 wissenschaftliche Einrichtungen und Institute: sieben Universitäten, 21 Hochschulen
sowie mehr als 250 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, unter anderem Forschungseinrichtungen des Bundes.1
Über Kompetenzen in der oberflächenrelevanten Forschung und Entwicklung verfügen sechs (Berlin vier) Universitäten, sieben (Berlin drei) Hochschulen und 25 (Berlin 17) Forschungsinstitute, insgesamt also 38 (Berlin 24)
wissenschaftliche Einrichtungen (Übersichten 1 und 2). Mit den rund 200
identifizierten wissenschaftlichen Arbeitsgruppen mit Oberflächenbezug sind
unter der Annahme von durchschnittlich fünf Arbeitsgruppenmitgliedern
(Wissenschaftliche Mitarbeiter, Doktoranden) rund 1.000 Arbeitsplätze verbunden. Eine themenspezifisch differenzierte Aufarbeitung der wissenschaftlichen
Kompetenzen erfolgt im Kapitel Potenziale der Region Berlin-Brandenburg in
einzelnen Technologie- und Anwendungsfeldern. Da im Mittelpunkt der Studie
technische Innovationen stehen, wird hauptsächlich naturwissenschaftliche und
ingenieurwissenschaftliche Forschung an funktionalen Oberflächen dargestellt.
Mathematische, informationstechnische und gesellschaftswissenschaftliche
Begleitforschung zu Material- und Oberflächeninnovationen werden soweit
Übersicht 1: Wissenschaftliche Einrichtungen mit Bezug zu Oberflächentechnologien in Berlin
Einrichtung
Homepage
Beuth Hochschule für Technik Berlin
Chemische und Pharmazeutische Technologie | Medizinphysik/Labor ›Optik und
Lasertechnik‹ | Labor Verpackungstechnik | Center of Food Packaging | Lebensmittelmikrobiologie: Technologie der tierischen Lebensmittel, Mikrobiologie
http://www.beuth-hochschule.de
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM
Fachgruppe 4.1: Biologie im Umwelt- und Materialschutz | Fachgruppe 5.4
Hochleistungskeramik | Fachgruppe 6.1: Korrosion und Korrosionsschutz |
Fachgruppe 6.2: Rastersondenmikroskopie, Tribologie und Verschleißschutz |
Fachgruppe 6.4: Oberflächentechnologien | Fachgruppe 6.5: Polymeroberflächen |
Fachgruppe 8.1: Mess- und Prüftechnik, Sensorik
http://www.bam.de/de/index.htm
33
10.02.12 14:19
Einrichtung
Homepage
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR
Institut für Antriebstechnik
http://www.dlr.de/desktopdefault.
aspx/tabid-28/
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik FBH
Geschäftsbereich GaN-Elektronik | Geschäftsbereich Diodenlaser | Geschäftsbereich
GaN-Optoelektronik | Abteilung Materialtechnologie | Abteilung Prozesstechnologie
http://www.fbh-berlin.de/
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Füge- und Beschichtungstechnik | Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik FAR |
Verbundprojekt AnSim | Berliner Zentrum für Mechatronische Medizintechnik
BZMM, a joint Excellence Center by Fraunhofer Gesellschaft and Charité
http://www.ipk.fraunhofer.de/
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
System Integration & Interconnection Technologies | High Density Interconnect &
Wafer Level Packaging
http://www.izm.fraunhofer.de/
Freie Universität Berlin FU
Institut für Experimentalphysik | Institut für Theoretische Physik | Institut für
Chemie und Biochemie
http://www.fu-berlin.de/
Fritz-Haber-Institut FHI
Inorganic Chemistry | Chemical Physics | Molecular Physics | Physical Chemistry
http://www.fhi-berlin.mpg.de/
Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik HHI
Department Photonic Components
http://www.hhi.fraunhofer.de/de/start/
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH HZB (ehemals
Hahn-Meitner-Institut)
Funktionale Materialien | Magnetische Materialien | Solarenergieforschung | BESSY |
AZM – Anwenderzentrum für Mikrotechnik
http://www.helmholtz-berlin.de/
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin HTW
Umweltanalytik und –messverfahren | Bekleidungstechnik/ Konfektion |
Modedesign | Industrial Design
http://www.htw-berlin.de/
Humboldt-Universität zu Berlin HU
Institut für Chemie | Institut für Biologie | Institut für Physik
http://www.hu-berlin.de/
Institut für angewandte Photonik e.V. (IAP e.V.)
Röntgenanalytik und photonische Kristallfasern
http://www.iap-adlershof.de
ISAS – e.V. (Institute for Analytical Sciences) – Leibniz-Institut für Analytische
Wissenschaften
Material- und Grenzflächenanalytik
http://www.isas.de
Kunsthochschule Berlin (Weißensee)
Fachgebiet Produktdesign | Fachgebiet Textil- und Flächendesign
http://www.kh-berlin.de/
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung IKZ
Kristalline Schichten & Nanostrukturen | Klassische Halbleiter | Dielektrika & Wide
Bandgap Materialien
http://www.ikz-berlin.de/index.php
34
10.02.12 14:19
Einrichtung
Homepage
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
(Leibniz-Gemeinschaft) MBI
Dynamik an Oberflächen und Strukturierung | Festkörper und Nanostrukturen |
Optoelektronische Bauelemente
http://www.mbi-berlin.de/
OUT e.V. – Optotransmitter-Umweltschutz-Technologie e.V.
Dünnschichttechnik | LED-Technik | Sensorik
http://www.out-ev.de/
Paul Drude Institut für Festkörperelektronik PDI
Epitaxy | Microstructure | Semiconductor Spectroscopy
http://www.pdi-berlin.de/
Technische Universität Berlin TUB
Institut für Chemie | Institut für Festkörperphysik | Institut für Optik und Atomare
Physik | Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik | Institut für Werkstoffwissenschaften und technologien | Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien | Institut für Energie- und Automatisierungstechnik | Institut für
Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb | Institut für Luft- und Raumfahrt | Institut
für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik | Institut für Architektur
http://www.tu-berlin.de
Universität der Künste Berlin UdK
Institut für Produkt- und Prozessgestaltung | Institut Architektur und Städtebau
http://www.udk-berlin.de
PVComB, Photovoltaik – Kompetenzzentrum für Dünnschicht – und Nanotechnologien Berlin
http://www.helmholtz-berlin.de/
projects/pvcomb/
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik WIAS
Hauptanwendungsgebiet ›Nano- und Optoelektronik‹ | Hauptanwendungsgebiet
›Optimierung und Steuerung technischer Prozesse‹ | Hauptanwendungsgebiet
›Phasenübergänge und multifunktionale Materialien‹
http://www.wias-berlin.de
Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin
http://www.zib.de
Übersicht 2: Wissenschaftliche Einrichtungen mit Bezug zu Oberflächentechnologien in Brandenburg
Einrichtung
Homepage
Brandenburgische Technische Universität Cottbus BTU
Institut für Physik und Chemie | Architektur | Institut Werkstoffe und Produktionsforschung
http://www.btu-cottbus.de
Fachhochschule Brandenburg
Mikrotechnologie
http://www.fh-brandenburg.de
Fachhochschule Potsdam
Fachbereich 4 Design
http://www.fh-potsdam.de
Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite PYCO
(Fraunhofer IZM)
Bistable Displays | Application Lab for Moisture and Oxygen Permeation/Application
Lab for the Thermophysical Characterization of Thin Transparent Films | Projekt
MULTIPOL
http://www.pyco.fraunhofer.de/
35
10.02.12 14:19
Einrichtung
Homepage
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Biopolymere | Funktionale Polymersysteme | Synthese- und Polymertechnik |
Wasserbasierte Polymersysteme | Security Lab Potsdam
http://www.iap.fraunhofer.de/
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT
Nanobiotechnologie und Nanomedizin | Zelluläre Biotechnologie & Biochips |
Molekulare Bioanalytik und Bioelektronik
http://www.ibmt.fraunhofer.de/fhg/
ibmt/
Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung HZG
Zentrum für Biomaterialentwicklung
http://www.hzg.de/
Hochschule Lausitz (Senftenberg und Cottbus)
Nanobiotechnologie | Labor Biopolymere | Labor Physikalische Chemie | Labor für
Tribologie und Oberflächenschutztechnik | Labor für Werkstoffprüfung/Metallographie
http://www.hs-lausitz.de/
Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik e.V. IDM
Synthesen | Mikrosensorik | Lithographie | Photoscience
http://www.idm-teltow.de/de/index.
php?id=Home
Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (Innovations for high performance
microelectronics ihp)
Abteilung Technologie | Abteilung Materialforschung
http://www.ihp-microelectronics.com/
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung MPI-KG
Abteilung Grenzflächen | Abteilung Kolloidchemie
http://www.mpikg-golm.mpg.de
Panta Rhei gGmbH – Forschungszentrum für Leichtbauwerkstoffe
Werkstoff- und Oberflächentechnik/Materialforschung und Sensorik
http://www.tu-cottbus.de/einrichtungen/de/pantarhei/
Technische Hochschule Wildau
Fachgruppe Physikalische Technik | AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien | Hochleistungswerkstoffe | Biosystemtechnik/Biohybridtechnik
http://www.tfh-wildau.de/
Universität Potsdam
Institut für Chemie | Institut für Biochemie und Biologie | Institut für Physik und
Astronomie
http://www.uni-potsdam.de/
vorhanden erwähnt. Um inhaltliche Zusammenhänge bei gegebener Themenspezifik zu wahren, sind einige Doppelungen in der Darstellung nicht zu vermeiden.
Wissenschaftliche Ausbildung
Im Wintersemester 2010/2011 waren in Berlin gut 143.000 und in Brandenburg
annähernd 51.000 Studierende an Universitäten und Hochschulen immatrikuliert.2 Einschlägige Studiengänge zum Thema Oberflächen- und Schichttechnologien werden jedoch in der Hauptstadtregion nicht angeboten. Das gilt auch
2
Amt für Statistik Berlin Brandenburg
(Hrsg.) (2011a); Amt für Statistik Berlin
Brandenburg (Hrsg.) (2011b).
36
10.02.12 14:19
Übersicht 3: Akademische Ausbildung (Bachelor/Master, Promotion)
in Oberflächentechnologie an deutschen Hochschulen
Einrichtung
Studiengang
Julius-Maximilians-Universität
Würzburg
Technologie der Funktionswerkstoffe
TU Chemnitz
Maschinenbau
Fachhochschule Gelsenkirchen,
Bocholt, Recklinghausen
Nano- und Materialwissenschaften
Hochschule Aalen –
Technik und Wirtschaft (HTW)
Vertiefung(en)
Abschluss
Semester
B. Sc., M.
Sc.,
Promotion
6, 4
3 Jahre
Werkstoff- und
Oberflächentechnik
B. Sc.
6
Oberflächen und
nanoskalige Funktionsmaterialien
B. Sc.
6
Oberflächen- und Werkstofftechnik
B. Eng.
7
Hochschule Aalen –
Technik und Wirtschaft (HTW)
in Kooperation mit Hochschule
Esslingen
Angewandte Oberflächenund Materialwissenschaften
M. Eng.
3
Hochschule Hof
Systemwerkstoffe (ehem. Dipl.
studiengang Werkstoff- und
Oberflächentechnik)
Oberflächentechnik
Kunststofftechnik
B. Eng.
7
Hochschule Mittweida
Maschinenbau
Fertigungs- bzw.
Oberflächentechnik
B. Eng.
6
Westsächsische Hochschule
Zwickau
Mikrotechnologie
Oberflächen- und
Mikrosystemtechnik
B. Eng.
7
Westsächsische Hochschule
Zwickau
Nano- und Oberflächentechnologien
M. Eng.
3
TU Ilmenau (mit ZVO
gemeinsam getragen)
Einzurichtender Masterstudiengang ›Elektrochemie
und Galvanotechnik‹1
Master
Akad. o.
berufs-begl.
1 König, Uwe (2010).
3
›... studieren künftige OberflächenIngenieure und -Ingenieurinnen zu
etwa 90 Prozent Fertigungs- oder
Verfahrenstechnik bzw. Industrial
Engineering, vorrangig an einer Fachhochschule‹, König, Uwe (2010).
für ähnliche Querschnittsfelder wie Nanotechnologie. Selbst deutschlandweit
gibt es nur wenige Standorte mit wissenschaftlichen Ausbildungsmöglichkeiten
im Bereich der Oberflächentechnologie. Als zukunftsweisend seien hier sowohl
der zum Wintersemester 2008/09 eingerichtete Masterstudiengang ›Nano- und
Oberflächentechnologien‹ an der Westsächsischen Hochschule Zwickau, als
auch die einschlägigen Bachelorstudiengänge der Hochschulen Esslingen und
Aalen sowie deren seit Sommersemester 2009 gemeinsam angebotener Masterstudiengang ›Angewandte Oberflächen- und Materialwissenschaften‹ genannt
(Übersicht 3).
Oberflächen- und beschichtungsrelevante Studienrichtungen (Vertiefungen) finden sich in Berlin und Brandenburg wie deutschlandweit in Studiengängen wie Fertigungs-/Verfahrens-/Produktionstechnik 3, Werkstoffkunde/technik/-wissenschaften/Materialwissenschaften oder Chemie (zum Beispiel
mit Schwerpunkt Elektrochemie) bzw. Chemieingenieurwesen.
37
10.02.12 14:19
Sowohl naturwissenschaftliche als auch ingenieurwissenschaftliche Fächer
bieten in den Studienrichtungen oder als Teilgebiet verschiedener Studiengänge entsprechende Lehrinhalte:
■ Biologie, Biochemie, Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik,
■ Organische (Polymer-), Anorganische, Technische, Physikalische und Festkörper-Chemie,
■ (Angewandte) Physik, Physik Weicher Materie (Soft Matter), Biophysik, Physikalische Technik,
■ Mikro(system)technik, Feinwerktechnik,
■ Halbleitertechnologien, Dünnschichttechnologien, Kristallzüchtung,
■ Fertigungstechnik, Beschichtungstechnik, Fügetechnik (Oberflächenvorbehandlung),
■ Werkstofftechnik (Metalle, Kunststoffe, Keramik, Verbundwerkstoffe),
■ Optik, Photonik, Laser- und Plasmatechnologien.
Verschiedenste wissenschaftliche Einrichtungen der Hauptstadtregion bilden
mit genau diesen, auch forschungsseitig relevanten Schwerpunkten ihr Profil.
Dies ermöglicht zumindest eine oberflächen- und beschichtungstechnologische Ausrichtung in der akademischen Ausbildung und Weiterqualifizierung.
Alle Kompetenzen sind innerhalb unterschiedlicher Studiengänge zugänglich
und erwerbbar.
Als Fazit kann festgehalten werden, dass die wissenschaftliche Ausbildung
eher dezentrale und branchenspezifische Bildungsmöglichkeiten bereithält,
vergleichbar mit der Charakteristik des Technologiefelds.
3.2
Wirtschaft
Der Wirtschaftsstandort Berlin-Brandenburg ist durch kleine und mittelständische Industriebetriebe gekennzeichnet; hinzu kommen einige international
agierende Großunternehmen, die ihren Hauptsitz oder eine Niederlassung/
Hauptstadtvertretung in Berlin bzw. Brandenburg haben.4
Mit Blick auf die industrielle Oberflächentechnik ist die regionale Betriebsgrößenstruktur insofern durchaus typisch, als das Technologiefeld generell
KMU-geprägt ist5 und viele Innovationen aus kleineren Betrieben hervorgehen
bzw. von diesen umgesetzt werden. Vergleichsweise geringe F&E-Kapazitäten
der KMU werden häufig durch Kooperationen mit wissenschaftlichen Einrichtungen und schnelleren Entwicklungsdurchsatz kompensiert.
Unternehmen, die sich ausschließlich (Anbieter) oder teilweise (Abnehmer) mit Oberflächentechnologien befassen, lassen sich wie folgt klassifizieren:
■ Anbieter oberflächentechnologischer Dienstleistungen (Lohnbetriebe),
■ Hersteller von Anlagen der Oberflächentechnik inkl. Labor- und Messgerätehersteller für die Oberflächen- und Materialanalytik,
4
Berlin Partner GmbH (2011).
5
ZVO (2011).
38
10.02.12 14:19
■ Zulieferer/F&E-Einrichtungen, forschend und entwickelnd, Kleinserien und
Spezialaufträge in Lohnauftrag nehmend und/oder beratend tätige Anbieter,
■ Nutzer oberflächentechnologischer Leistungen (Anwenderfirmen),
■ Inhouse-Lösung oder Zukauf oberflächentechnologischer Leistungen
(Fremdbezug),6
■ Kombinationen von zwei oder mehr Kompetenzen in der Oberflächentechnologie:
– Anlagenhersteller, die auch oberflächentechnologische Dienstleistungen
anbieten,
– Lohnbetriebe, die auch Anlagen herstellen,
– Anwenderfirmen mit Inhouse-Oberflächentechnik, die zur besseren
Equipment-Auslastung Lohnarbeit für Dritte anbieten,
– F&E-Einrichtungen, die zur Finanzierung Klein- und Spezialaufträge
bearbeiten, auch, wenn sich kein entsprechender Dienstleister findet,
– Zulieferer mit F&E an den Zulieferprodukten, die aber auch beratend in
Sachen Anwendung tätig sind.7
Über Kompetenzen in der oberflächenrelevanten Forschung und Entwicklung
verfügen in der Hauptstadtregion nach eigenen Recherchen 93 kleine und mittelständische Unternehmen, davon 79 in Berlin, sowie 19 Großunternehmen,
davon 16 in Berlin. Etwa 2.500 industrielle Arbeitsplätze sind unmittelbar mit
der Oberflächentechnik verbunden (reine Dienstleistungsunternehmen eingeschlossen), davon rund 1.000 in Großunternehmen. Weitere 25.000 Arbeitsplätze sind in Unternehmen vorhanden, für die Oberflächentechnologien relevant sind, davon 17.000 in Großunterneh-men.8
Im Kapitel Potenziale der Region Berlin-Brandenburg in einzelnen Technologie- und Anwendungsfelder werden die wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Kompetenzen in der Region themenspezifisch aufgearbeitet.
3.3
6
VDI Technologiezentrum GmbH (2000),
S. 22 bzw. Ochel, Wolfgang et al. (1997),
S. 43.
7
Vgl. VDI Technologiezentrum GmbH
(2000), S. 26.
8
Die Berechnung basiert auf Daten,
die für 80 Prozent der betrachteten
Unternehmen aus der markus Creditreform Marketingdatenbank ermittelt
werden konnten.
Innovationsfähigkeit anhand des Patentierverhaltens
Ohne eine länderweise Sonderauswertung des Patentiergeschehens in den
Oberflächentechnologien, wie es insbesondere dem Deutschen Patent- und
Markenamt (DPMA) als Herausgeber des Patentatlas möglich wäre, kann das
Patentierverhalten der Region zum Thema (das selbst wiederum einer Sonderauswertung der Patentstatistik bedürfte) nicht zufriedenstellend ermittelt werden. Eine auf vielen Ebenen präzisierte Suchstrategie im Patentrecherche-Tool
DEPATISnet des DPMA erbrachte für Berlin-Brandenburg und den Zeitraum 2000
bis 2011 grob geschätzt 1.600 veröffentlichte Patentschriften mit Oberflächenbzw. Beschichtungsbezug, im Mittel also rund 150 erteilte Patente jährlich.
39
10.02.12 14:19
Im deutschlandweiten Vergleich gehören Berlin und Brandenburg nicht zu den
Bundesländern mit großer Patentaktivität. Im Jahr 2009 belegte Berlin Rang 9,
Brandenburg Rang 12. Immerhin konnte Berlin seinen Anteil 2009 mit 965 von
insgesamt 47.859 Patenten von 1,8 auf zwei Prozent steigern; dabei war der
bundesweite Trend allerdings rückläufig.9 Innerhalb der Region hatten oberflächen- und beschichtungsrelevante Patente einen beachtlichen Anteil von
rund elf Prozent an allen erteilten 1.319 Patenten (354 bzw. 0,7 Prozent aus
Brandenburg 10).
Aufgrund der beschriebenen Schwierigkeiten einer statistischen Auswertung und eines unvertretbar großen Aufwands im Falle einer Einzelsichtung
der Patente wurde das Patentierverhalten der Region in den Oberflächentechnologien über die hier vorgelegte Schätzung hinaus nicht vertiefend untersucht.
9
Vgl. Wirtschaftswunder Berlin-Brandenburg (2010).
10
DPMA (2011), S. 3.
40
10.02.12 14:19
4
Das Technologiefeld Funktionale bzw. Intelligente
Oberflächen
4.1
Begriffsdefinition
Als Oberfläche wird die äußere Grenzfläche eines Werkstücks/Gegenstands
zu seinem Umgebungsmedium bezeichnet. Sie ist begrifflich eine Teilmenge
von Grenzflächen, die jegliche Grenze zwischen wohlunterscheidbaren Phasen (Stoffen, Medien) darstellt. Mit dem Attribut ›funktional‹ oder ›intelligent‹
werden diejenigen Oberflächen bezeichnet, die einen Unterschied der Oberfläche zum Grundwerkstoff funktioneller Art mit sich bringen. Meist wird dies
durch einen chemisch bzw. strukturell anderen Aufbau von Grenzfläche oder
Randzone (Funktionswerkstoff entspricht prinzipiell dem Grundwerkstoff) oder
einer relativ dünnen Außenschicht (Funktionswerkstoff auf einem Grundwerkstoff) erreicht.
Derartige Strukturgrößen bewegen sich zwischen wenigen nm und wenigen µm Schichtdicke in der Dünnschichttechnologie, zwischen 30 und 150 µm
für konventionelle und zwischen 200 und 2.000 µm für hohe Schichtdicken
in der Dickschichttechnik.1 Es gibt aber auch noch höhere Schichtdicken, etwa
in der Bautechnik. Die Grenzwerte sind dabei fließend (je nach verwendetem
Schichtmaterial) und nicht genau festzulegen. In der Literatur gelten Schichten häufig nur dann als dünn, wenn sie weniger als ein µm Schichtdicke
Abbildung 9: Tiefenbereiche an Oberflächen
1
Suppa, Manfred und Kollasa, Michael,
S. 5.
Quelle: Dzur, Birger (2007); Original aus: Pritzlaff, Dieter und Lautner, Volker (1997), S. 16.
41
10.02.12 14:19
aufweisen. Entscheidend ist jedoch, dass ihre Eigenschaften von denen des
kompakten (Schicht-)Materials abweichen. Dies liegt darin begründet, dass
das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stark vergrößert ist und durch die
zugehörigen Herstellungsverfahren eine mikroskopische Struktur implementiert wird.2
Die funktionale Oberfläche ›emanzipiert‹ sich förmlich vom Material. Als
Kontaktfläche zur Außenwelt kann sie die Beanspruchungen, die vielfach an
dieser Grenzfläche wechselseitig wirken, aufnehmen oder ihnen entsprechend begegnen. Vor allem diese Wechselwirkungen sind essenziell mit den
Tiefenbereichen an Oberflächen verknüpft (Abbildung 9). Hinzu kommt, dass
schwer berechenbare Grenzflächeneffekte auftreten und viele Stoffgesetze
an der Oberfläche nur eingeschränkt, das heißt nicht wie im Bulk-Material
gelten. Getreu dem Zitat von Wolfgang Pauli (Physiker und Nobelpreisträger,
1900–1958) »Das Volumen des Festkörpers wurde von Gott geschaffen, seine
Oberfläche aber wurde vom Teufel gemacht« werden diese beiden Werkstoffaspekte wohlweislich getrennt betrachtet – als Bulk-Material (auch:
Vollmaterial, Grundwerkstoff, Substrat) und als Randzone oder Schicht (auch:
Randschicht, Dünnschicht, Beschichtung).3
Es lassen sich drei Arten der Kombination bzw. der Integration beider Werkstoffe benennen:
■ Funktionswerkstoff (Nebenfunktion) auf (in/um) einem Grundwerkstoff
(Hauptfunktion),
■ Funktionswerkstoff (Hauptfunktion) auf einem Trägerwerkstoff (Nebenfunktion), auch dünne Filme in Sandwichstruktur (z. B. Flüssigkristalle),
■ Funktionswerkstoff ist prinzipiell gleich dem Grundwerkstoff (Haupt- und
Nebenfunktion integriert, beispielsweise freitragende dünne Schicht).
Für die Wahl von Grund- und Funktionswerkstoff kommen prinzipiell sämtliche
Materialklassen (Metalle, Kunststoffe, Glas, Keramik, Holz, Papier, Textil, Leder,
Minerale, Steine) in Betracht. Beinahe täglich wird die ohnehin große Zahl an
verfügbaren Werkstoffen durch Materialien mit veränderten und verbesserten
Eigenschaftsprofilen ergänzt.4 Funktionswerkstoffe zeichnen sich durch ihre
besonderen elektrischen, magnetischen, optischen, akustischen oder auch
biologischen Eigenschaften aus, die oft den Produkterfolg ausmachen. Das
Spektrum an Funktionswerkstoffen reicht von anorganischen über organische
(Lacke, organische Moleküle mit funktionellen Gruppen, Weiche Materie) bis
zu hybriden Werkstoffen und Werkstoffverbünden/-mischungen (Metalllegierungen, Kunststoff-Blends).5
Komplexere Eigenschaftsprofile als beim monolithischen Werkstoff lassen sich durch schichtweise aufgebaute Funktionswerkstoffe (oder Bauteile)
bzw. Eigenschaftsgradienten (in Schichten oder Randzonen) erreichen.6 Die
Beschichtungssysteme (Abbildung 10) reichen von Hart-/Weich-Kombinationen über gradierte und Mehrlagenbeschichtung bzw. Superlattice bis zu nanoskaligen Verbünden. In jedem Falle bietet die gezielte Oberflächenbehandlung
2
Vgl. Eisenmenger-Sittner, Christoph
(2008), S. 3.
3
Vgl. VDI-TZ Internetagentur Düsseldorf
(2010a).
4
Wanner, Alexander (2011).
5
Vgl. Langenbach, C.J. (Hrsg.) (1997),
S. 74.
6
Vgl. hier und im Folgenden VDI-TZ
Internetagentur Düsseldorf (2010a).
42
10.02.12 14:19
Abbildung 10: Beschichtungssysteme
Substrat
Quelle: Bertling, Jürgen und Rechberger, Marcus (2011), S. 18.
Chancen für ein effektives Materialdesign, denn Beschichtungen und Oberflächenveredelungen in Kombination mit günstigeren Grundmaterialien sind
oftmals Alternativen zu teuren Vollmaterialien oder verringern signifikant die
Folgekosten während der Lebensdauer eines Produkts.
4.2
Verknüpfte Themen
Die Funktionalen Oberflächen bzw. Oberflächen- und Schichttechnologien
sind untrennbar mit dem Bereich Neue Materialien und Werkstoffe verzahnt.
Hinzu kommen die Be- und Verarbeitungstechnologien von Bauteiloberflächen und Schichtmaterialien (Anlagentechnik, Verfahrenstechnik) – gemeinhin als klassische Oberflächentechnik bezeichnet. Die einzelnen Richtungen der
Werkstoffwissenschaften (Polymer-, Metall-, Keramikforschung, Hochdurchsatz- und wissensbasierte Werkstoffentwicklungsmethoden, Werkstoff- und
Prozesssimulation, Leichtbau, Adaptronik usw.) nehmen immer wieder Bezug
auf Oberflächenphänomene oder Lösungen durch Oberflächentechnik. Ebenso
steuern Oberflächen- und Schichttechnologien einen Großteil der Erkenntnisse
und Ergebnisse bei sog. Smart Materials (Intelligente Materialien) bei. Auch in
der Bionik (Technik nach dem Vorbild natürlicher Prinzipien) machen Oberflächenphänomene einen wesentlichen Teil der Forschungsbemühungen aus.
Mit der Thematik verknüpft sind schließlich Querschnittsthemen wie Energieund Ressourceneffizienz oder Nachhaltigkeit (Substitution von Gefahrstoffen,
Recycling). Überlappungen gibt es hier mit den Clean Technologies, in denen
sich oberflächentechnologische Fragestellungen mit Nutzen für die Energieund Umwelttechnik widerspiegeln (Übersicht 4).
43
10.02.12 14:19
Übersicht 4: Wissensgebiete in den Clean Technologies*
Energie
■ Biokraftstoffe
■ Brennstoffzellen
■ Mikro-BHKW
■ Fotovoltaik
■ Windeenergie
■ Solar-/Geothermie
Transport
■ Neue Batterien
■ Alternative Antriebe
■ Telematik
■ Logistik
■ H2-Infrastruktur Netzintegration
Materialien
■ Biobasierte Materialien
■ Dämmstoffe
■ ›Grüne‹ Chemie
■ Nanotechnologie
■ Recycling
■ CO2-Abscheidung
Wasser
■ Filtration
■ Dezentrale Aufbereitung
■ Mikro-Destillation
■ UV-Reinigung
* Oberflächentheoretische Fragestellungen: kursiv.
Quelle: Fleischhauer, Hoyer & Partner Private Equity Consultants (Hrsg.) (2010), S. 1.
Materialentwicklungen kommen kaum ohne naturwissenschaftliche Grundlagenforschung zur Synthetisierung, Formulierung und Adaption von Werkstoffen zustande. Zum Grundlagenverständnis, insbesondere bei der Entwicklung von Hochdurchsatzwerkstoffen und der Modellierung/Simulation, tragen
außerdem Mathematik und Informatik (Computational Material Science) bei.
Am häufigsten treten Funktionale Oberflächen im Zusammenhang mit der
universell eingesetzten Nanotechnologie in Erscheinung: Wie erwähnt, sind
Oberflächen und Schichten durch ihre geringe Ausdehnung in einer Dimension gekennzeichnet. Als nanoskalig gilt dies bei <100 nm Ausdehnung. Trifft
diese Definition auch in einer oder zwei weiteren Dimensionen zu, erhält man
sämtliche Beispiele nanotechnologischer Bausteine (Übersicht 5). In der Nanotechnologie spricht man von geometrischen Basisstrukturen, die null- (punktförmig), ein- (linienförmig) oder zweidimensional (flächenförmig) sind.7
Übersicht 5: Klassifizierungsansätze für Nanomaterialien
Einteilung nach
Beispiele
Dimensionalität
– 3 Dimensionen < 100 nm
– 2 Dimensionen < 100 nm
– 1 Dimension < 100 nm
Partikel, Hohlkugeln ...
Röhren, Fasern, Drähte ...
Filme, Schichten, Multilayer ...
Phasenzusammensetzung
– Einphasige Feststoffe
– Mehrphasige Feststoffe
– Mehrphasensysteme
Kristalline, amorphe Partikel und Schichten ...
Matrixmaterialien, beschichtete Partikel ...
Kolloide, Aerogele, Zeolithe ...
Herstellungsverfahren
– Gasphasenreaktion
– Flüssigphasenreaktion
– Mechanische Verfahren
Flammsynthese, Kondensation, CVD ...
Sol-Gel, Fällung, Hydrothermalprozess ...
Kugelmahlen, Plastische Deformation ...
Quelle: Luther, Wolfgang et al. (2004), S. 45.
7
Bullinger, Hans-Jörg (Hrsg.) (2006),
S. 42.
44
10.02.12 14:19
Die drei wesentlichen Eigenschaftsänderungen, die durch Nanoskaligkeit
erreicht werden können, sind das größere Oberfläche-Volumen-Verhältnis,
quantenmechanisches Verhalten und die molekulare Erkennung.8 Hier nähert
sich die Chemie mit ihrer Denkweise in Größenordnungen von Ångström
(1 Å = 0,1 nm) quasi ›von unten‹ der Nanotechnologie an. Die Supramolekulare
Chemie als Teilgebiet der Chemie, das sich mit der Assoziation von Molekülen
zu übergeordneten (Supra-)Strukturen, mit Prozessen der Selbstassemblierung
und der Wirt-Gast-Chemie beschäftigt, ist ein weiteres wichtiges verknüpftes
Thema im Zusammenhang mit intelligenten Oberflächen.
Die Überschneidung von Nanotechnologie und Oberflächen- bzw. Schichttechnologien ist offensichtlich, aber nicht zwingend exklusiv, keines der beiden Gebiete ist also eine echte Teilmenge des anderen (Abbildung 11). ›In der
überwiegenden Zahl der konkreten Einsatzfälle ist »nano« heute Oberflächentechnologie.‹9
Etabliert hat sich der Querschnittscharakter des Themas Oberflächen, das
verschiedenste Branchen und Wertschöpfungsketten verbindet und möglichst Synergien hervorbringen soll. Die Forschung zielt derzeit vor allem auf
Abbildung 11: Überschneidung von Nanotechnologie und Oberflächen/
Beschichtungstechnologie
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Nanostruktur der Oberfläche
nm-dünne Schichten
Oberflächen- und
Beschichtungstechnologie
(nm- bis mm-skalig)
Mikro- und Makrostruktur der Oberfläche
µm- bis mm-dicke Schichten
8
Bachmann, Gerd (2007), S. 10.
9
Deutsche Messe AG Hannover (2010).
Quelle: Eigene Darstellung basierend auf: Wilden, Johannes et al. (2006), S. 5.
45
10.02.12 14:19
die Entwicklung maßgeschneiderter Eigenschaften und den Aufbau neuer
Komponenten, Bauteile und Endprodukte mit Hilfe funktionaler Oberflächen.
Selten ersetzen diese konventionelle Materialien; vielmehr ermöglichen sie oft
völlig neue Technologien.10 Das Umdenken vom Vollwerkstoff zur Trennung
in Struktur- und Funktionswerkstoff liegt bereits weit zurück, während sich
nanotechnologische Entwicklungen erst in jüngster Zeit – vergleichbar mit der
Dünnschichttechnik in den 1980er Jahren – in vielen Anwendungsbereichen
durchsetzen.
Last but not least sei erwähnt, dass sich die intelligenten Oberflächen in der
vorliegenden Studie nicht auf immaterielle (virtuelle) Oberflächen, also insbesondere Benutzeroberflächen für Computeranwendungen oder auf die künstlerisch-philosophische Auseinandersetzung mit Wahrnehmung und Form von
Oberflächen oder ›Oberflächlichkeit‹ der Dinge beziehen.
4.3
Oberflächen-Funktionalisierungen
Die im Mittelpunkt der vorliegenden Studie stehenden Werkstoff- bzw. Produktfunktionen an der Oberfläche werden mittels Oberflächenbehandlung,
-strukturierung und -beschichtung realisiert. Welche Funktionen das sein
können, lässt sich anhand von Grenzflächenwechselwirkungen, die bis zu
einer Barrierewirkung reichen, festhalten: Sie sind in erster Näherung biologischer, chemischer, physikalischer, optischer, thermischer, elektrischer oder
sonstiger Art (Übersicht 6). Die bewusste Implementierung einer oder mehrerer Funktionen der Oberfläche kann als Funktionalisierung bezeichnet werden
und spiegelt die Zielsetzung jedweder oberflächentechnischen Maßnahme
wider.
Übersicht 6: Kategorien der Grenzflächenwechselwirkung bzw. Barrierefunktion
Grenzflächenwechselwirkung
Biologisch – Kompatibilität/Haftung
Chemisch – Bindung/Katalyse
Physikalisch – Anziehung/Berührung/Haftung/Energiewandlung
Optisch – Transmission/Absorption
Thermisch – Absorption
Elektrisch – Leitung
Barrierefunktion
Biologisch – Binde-/Anhafthemmung
Chemisch – Vermeidung von Reaktionen/Bindungen
Physikalisch – Vermeidung von Diffusion/Berührung/Reibung
Optisch – Reflexion/Streuung
Thermisch – Isolation/Strahlungsreflexion
Elektrisch/magnetisch – Abschirmung)
Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Bullinger, Hans-Jörg (Hrsg.) (2006), S. 46.
10
Gilt sinngemäß wie für Smart Materials:
VDI-TZ Internetagentur Düsseldorf
(2010b).
46
10.02.12 14:19
Biologisch
Biokompatibilität
Besiedelbarkeit, Zelladhäsion
Spezifische Bindung oder Abstoßung
Mimetik (zum Beispiel Virenimitation)
Chemisch
Korrosionsschutz
Chemikalienresistenz, Eignung pH-Umgebung
Spezifische chem. Bindung
Katalytische Eigenschaft
Elektrisch
Leitfähigkeit, Supraleitung
Isolierung, Superisolation
Anti-Statik (stat. Aufladung), Polarität
Halbleiter, mikrotechn. Funktionalität
Thermisch
Hitze-/Kälteresistenz, Hochtemperaturschutz
Wärmedämmung/thermische Isolation
Heizbarkeit , Wärmespeicherung
Optisch
Transmission (Transparenz), Refraktion
Reflexion (Verspiegelung, Totalreflexion – Schichtwellenleiter, Antireflex/Anti-Fingerprint)
Lumineszenz, Fluoreszenz
Dekoration (Mattierung/Glanz)
Stofflich/Tribologisch/Mechanisch
Diffusionssperre/Barrierewirkung
Oberflächenaktivierung (Benetzbarkeit):
Hydrophilie/Hydrophobie, Anti-Fog, Anti-Beschlag
Gefrierbeständigkeit/Enteisung
Oleophilie/Oleophobie
Selbstreinigung: Lotuseffekt
Selbstreinigung: Photokatalyse
Easy-to-clean (ETC)
Geruchs-/Schadstoffadsorption
Verschleiß-/Abriebfestigkeit
Akustisch
Schalldämpfung
Schallerzeugung/-leitung
Sensorisch
Sensorik biologischer Parameter
Sensorik chemischer Parameter
Sensorik elektrischer/magnetischer Parameter
Sensorik thermischer Parameter
Sensorik optischer Parameter
Sensorik mechanischer Parameter/Berührungsempfindlichkeit
Sensorik akustischer Parameter
Schaltbar
Übersicht 7: Oberflächenfunktionalitäten/-funktionalisierungen
Biologisch gesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit
biologischer Parameter
Chemisch gesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit
chemischer Parameter
Elektr./magn. Schaltbarkeit/Schaltbarkeit elektr./magn.
Parameter
Temperaturgesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit
thermischer Parameter
Opt. gest. Schaltbarkeit/Schaltbark. optischer Parameter
Stoffbasierte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit stofflicher
Parameter
Tribolog./mechan. Schaltbarkeit/Schaltbarkeit tribolog./
mechan. Parameter
Akustische Schaltbarkeit/Schaltbarkeit akustischer
Parameter
Wirkstoffdepot (organisch)
Keimhemmung
Hemmung von Inkrustierung
Permeabilität (Membran), Filtereigenschaft
Wirkstoffabgabe (anorg./technisch)
Flammschutz-/Brandschutzeigenschaft
Magnetische/Elektret-Eigenschaft
Informationsspeicherung (inkl. Sicherheitsmerkmale)
Energiegewinnung/Stromerzeugung, Energiespeicherung
Farbgebung, Dünnschichtinterferenz
UV-Beständigkeit
Photochemische Strukturierung
Informationsspeicherung (inkl. Sicherheitsmerkmale)
Reibungsarmut, Trockenschmierung
Strömungsoptimierung
Adhäsion: Antihaftverhalten, Haftvermittlung,
Traktion
Kratzresistenz
Härte, Schlagfestigkeit
Oberflächenrauheit, Abdruckgenauigkeit
Haptik
Witterungsbeständigkeit
47
10.02.12 14:19
Zu Oberflächen- und Schichtfunktionalitäten existiert eine breite Palette von
Veröffentlichungen, Tabellen und Rankings mit divergierenden Erkenntnissen
oder ›Gewinnern‹/Rangfolgen aus vergleichenden Untersuchungen.11
Ohne nach Häufigkeit der Verwendung zu sortieren, ist basierend auf diesen
Daten eine umfangreiche Systematisierung der Funktionalitäten erstellt worden
(Übersicht 7). Tendenziell werden Oberflächen nur einfach funktionalisiert,
teilweise findet aber auch eine Funktionsbündelung, also die Bereitstellung
mehrerer Funktionen durch eine Oberfläche/Schicht, statt (Abbildung 12).
Abbildung 12: Anzahl der umgesetzten Oberflächenfunktionen
drei Funktionen
2,0
mehr als
drei Funktionen
2,0
zwei
Funktionen
24,0
eine
Funktion
72,0
Quelle: Institut für Wissenschaftstransfer, Bremen. VDI Technologiezentrum GmbH (2000), S. 24.
4.4
Verfahren zur Oberflächenbehandlung
Noch vielschichtiger als die möglichen Oberflächen- und Schichtfunktionalitäten sind die Verfahren zu ihrer Erzeugung (Übersicht 8). Grundsätzlich
lassen sich unter dem Oberbegriff Oberflächenbehandlung die Teilgebiete
Oberflächenmodifikation, Randzonenmodifikation und Beschichtung unterscheiden.12 Daneben existieren Begrifflichkeiten wie Oberflächenveredelung
(Beschichten oder Entschichten zu einem funktionalen und/oder dekorativen
Zweck).
Zur Verarbeitungskette der Oberflächenbehandlung zu zählen sind auch
vorbereitende Maßnahmen wie Reinigung und Vorbehandlung (speziell Oberflächenaktivierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit), spezielle Verfahrenstechnik je nach Materialsystem und Verarbeitungsart (Galvanotechnik, Lackiertechnik, Spritztechnik, Emailliertechnik, Kunststoffbeschichtung, Plasma-Oberflächentechnik, Laser-Oberflächentechnik, Ultrapräzisionsbearbeitung usw.)
11
Luther, Wolfgang et al. (2004), S. 54;
Roths, Klaus und Gochermann, Josef
(2006), Abs. 2.2.
12
Dzur, Birger (2007), S. 3.
48
10.02.12 14:19
13
Deutsche Messe AG und Landesmesse
Stuttgart GmbH (Hrsg.) (2008), S. 4.
14
Fülbier, Manfred (2009).
und die angelagerte Mess- und Prüftechnik zur Analyse und Qualitätskontrolle,
aber auch Versorgungstechnik (Rohstoffe) und Umweltschutztechnik (zum Beispiel Bad-Recycling in der Galvanotechnik).13
Die einzelnen Oberflächenbehandlungsverfahren unterscheiden sich in der
Art der Anregung (thermisch, chemisch, Strahlung, Plasma), die zum Reinigen,
Aktivieren, Abtragen oder Beschichten angewandt wird (chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Beschichtungsverfahren). Weitere Unterscheidungskriterien sind die Phase der Ausgangsstoffe (fest, flüssig,
gelöst, gasförmig), Schichtmaterial und erzielbare Schichtdicken.14
Übersicht 8: Verfahren der Oberflächenmodifikation, Randzonenmodifikation und Beschichtung
Oberflächenmodifikation
Die Modifikation der Oberfläche eines Bauteils kann mit Anregung durch Laser-, Elektronen-, Ionenstrahlung, Plasma,
Flammen oder mechanisch (Strahlmedien) hauptsächlich zum Abtrag oder Umlagerung von Atomen/Molekülen erfolgen.
Schleifen, Polieren
Strahlverfahren
Mikrostrahlen
Beizen, Brünieren
}
Gängige Verfahren der Substratvorbehandlung (zum anschließenden Beschichten)
Silanisieren, Silikatisieren
Ätzen/Trockenätzen, Photoätztechnik
Laserstrukturierung (Laserbeschriftung, Freilasern)
Rastersondenmikroskopische Atommanipulation
Lithografie (optisch, Elektronenstrahl-, Röntgen-, extreme Ultraviolett-,
Elektronen- und Ionenprojektionslithographie, maskenlos)
Funkenerosion, Sprengprägen
Strukturierte galvanische Oberflächen, Galvanoformung im Rolle-zu-Rolle-Prozess
Nano-Imprint, Course4®-Technologie
Randzonenmodifikation
Die Modifikation der Randzone eines Bauteils erfolgt meist unter thermischer Anregung oder mechanisch.
Thermische Randschichthärtung
Thermochemische Diffusionsverfahren
zur Randschichthärtung
Mechanische Härtung
Härten
Vergüten
Bainitisieren
Aufkohlen (Carburieren)
Einsatzhärten (Aufkohlen und Härten
oder Direkthärten)
Nitrieren
Carbonitrieren
Chromieren
Borieren
Alumieren, Silizieren, Titanieren
Kugelstrahlen
Festwalzen
49
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Beschichtung (und Entschichtung)
Die Beschichtung eines Substrats kann unter Anregung durch Laser-, Elektronen-, Ionenstrahlung, Plasma, Flammen,
Induktion oder mechanisch erfolgen und findet teils unter Vakuumbedingungen statt.
Physikalische Gasphasenabscheidung
(PVD)
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Nasschemische Beschichtung
Thermisches Verdampfen
EBE Elektronenstrahlverdampfen
PLD Laserstrahlverdampfen, Pulsed
Laser Deposition
Arc-PVD Lichtbogen-Verdampfen
MBE Molekularstrahlepitaxie
IBAD Ionenstrahlgestützte Deposition,
ion beam assisted deposition
ICBD Clusterstrahltechnik
Ionenplattieren
Hochleistungskathodenzerstäuben
(Sputtern)
PECVD plasma enhanced CVD
HF CVD hot filament CVD
LPCVD low pressure chemical vapour
deposition
APCVD atmospheric pressure chemical
vapour deposition
MOCVD metal organic chemical vapour
deposition
MOVPE metal organic vapor phase
epitaxy
VPE vapor phase epitaxy
ALD Atomic Layer Deposition
CVI chemical vapour infiltration
Tauchbeschichtung (Dip-Coating)
Schleuderbeschichtung (Spin-Coating)
Rakeln
Sprühen (Spray-Coating)
(Sol-Gel-Verfahren)
Galvanik
Halbleiterdotierung
Drucktechnik
Anodische Oxidation (bei Al Eloxieren)
zur Passivierung/Färben von Metall
Chemisches Galvanisieren (außenstromlos oder per Reduktion)
Chromatieren (Passivierung)
Elektrolytisches Galvanisieren
Phosphatieren
Veralisieren
Verchromen
Verstahlen
Diffusion
Elektrophorese
Sublimation aus der Gasphase
Ionenimplantation (Beschuss mittels
hochenergetischen Teilchenkanonen
unter Vakuum)
Hochdruck
Flexodruck (Stempeldruck)
Flachdruck
Offsetdruck
Tiefdruck
Auflagendruck/Dekordruck/
nahtloser Endlosdruck
Tampondruck
Durchdruck
Siebdruck
Elektronische Druckverfahren
(Non-Impact-Printing)
Thermodirekt-, Thermotransfer-,
Thermosublimationsdruck
Plotten
Tintenstrahldruck
Digitaldruck (ohne statische Druckform)
Transferdruck
Wassertransferverfahren
Textildruck
Sublimationsdruck
Beflockung
Heißprägen (Prägefoliendruck)
IMD Inmold Decoration
Bandgalvanisieren
Gepulste Elektrodeposition
Gestellgalvanisieren
Kunststoffgalvanisierung
Tampongalvanisieren
Tauchverfahren (früher Sudverfahren)
Trommelgalvanisierung
Kombinationsverfahren
Plasma-Printing und Metallisierung
Laser-CVD
Galvanik und Lasertechnik
LIGA (Lithographie und Galvanik)
50
10.02.12 14:19
Auftragen
Lackiertechnik
Thermisches Spritzen
Schmelztauchen (Feuerverzinken,
-zinnen, Wirbelsintern)
Schmelzauftragsschweißen
Auftragslöten
Aufplattieren (Walzplattieren)
Emaillieren, Glasieren
Pinsel/Rolle
Tauchen/Fluten, Rakeln
Sprüh-/Spritzapplikation (Pistole,
Airlesszerstäuben, pneumatisches,
Hochrotationszerstäuben)
Vorhangbeschichtung
Pulverlackieren
IMC Inmold Coating
Folienhinterspritzen (Film Insert Molding)
Schmelzbadspritzen
Lichtbogenspritzen (Drahtlichtbogenspritzen)
Plasmaspritzen
Flammspritzen (Pulver-/Draht-/
Kunststoffflammspritzen)
Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen
Detonationsspritzen (Flammschockspritzen)
Kaltgasspritzen
Laserspritzen
Quelle: Eigene Darstellung basierend auf: VDI Technologiezentrum GmbH (2000); Lake, Markus (2009); Fraunhofer Gesellschaft (2008); VDI-TZ Internetagentur Düsseldorf
(2010c); Wikipedia (2010).
4.5
Anlagentechnik zur Oberflächenbehandlung
Die verschiedenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung bedürfen jeweils
entsprechender Anlagentechnik, die zusätzlich anhand verschiedener Parameter (Größe des Substrats/Bauteils, geforderte Güte/Materialreinheit, Fertigungsintegration usw.) variiert. Deutschland hat in diesem Anlagenmarkt ein breites,
international wettbewerbsfähiges Angebot. Eine ältere Studie, ›Evaluation des
Förderschwerpunktes Oberflächen- und Schichttechnologien (OSTec)‹ von 1996,
bescheinigt den deutschen Anlagenherstellern bei verschiedenen vakuumgestützten Oberflächenbehandlungsverfahren einen hohen bis mittleren Marktanteil. Anbieter sind weitgehend kleine und mittelständische Unternehmen.
Vor allem das in den östlichen Bundesländern vorhandene Know-how konnte
in den 1990er Jahren für Neugründungen genutzt werden und hat wesentlich
zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit des deutschen Anlagenangebots beigetragen.15
Über das in der Region Berlin-Brandenburg vorhandene Equipment zur
Oberflächenbehandlung existiert soweit bekannt keine vergleichbare Erhebung. In der vorliegenden Studie wird die bei Forschungsgruppen und Unternehmen vorhandene Ausstattung erfasst und dargestellt, ohne allerdings
Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben.
4.6
15
Vgl. Ochel, Wolfgang et al. (1997),
S. 92 ff.
16
Vgl. Kopnarski, Michael (2010).
Oberflächen- und Schichtanalytik
Für Produktentwicklung sowie Prozess- und Qualitätssicherung bei der Herstellung von Oberflächen und Schichten (Optimierung von technologischen Prozessen, Fehlersuche) ist eine instrumentelle Oberflächen- und Schichtanalytik
unverzichtbar.16 Dabei erstrecken sich die analytischen Aufgaben nicht nur auf
dezidiert oberflächentechnologische Erzeugnisse, sondern auch auf ›unbehandelte‹ Oberflächen von Bulk-Materialien, natürlichen Artefakten usw. ›Als
51
10.02.12 14:19
Werkzeuge für die Untersuchung von [...] grenzflächennahen Zonen stehen
[...] eine ganze Reihe von Analyseverfahren zur Verfügung, die in den vergangenen Jahrzehnten aus der modernen Oberflächenphysik heraus entstanden sind und mit denen Informationen über die chemische und strukturelle
Zusammensetzung von Festkörpern, Grenzflächen und dünnen Schichten auch
auf einer mikroskopischen Skala, [...] oder atomar dünner Schichten zugänglich werden.‹17 Fast allen Verfahren ist gemein, dass sie die zu untersuchende
Oberfläche einer bestimmten Primärstrahlung (aus Ionen, Elektronen oder
Photonen) aussetzen und die ›Antwort‹ des Festkörpers aus ausgesendeten
charakteristischen Sekundärteilchen (Atome, Ionen, Elektronen, Photonen ...)
messen (Übersicht 9) oder Informationen aus den rückgestreuten Primärteilchen
auslesen (›atomare‹ Sonden, zum Beispiel Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie RBS, Rasterelektronenmikroskopie REM, Transmissionselektronenmikroskopie TEM). Verfahren der analytischen Elektronenmikroskopie wie die energieoder wellenlängendispersive Röntgenanalytik (EDX, WDX) sowie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) liefern quantitative Informationen zur
chemischen Zusammensetzung von analysierten Mikro- und Nanobereichen.
Methoden, die sich von ihrem physikalischen Prinzip her nicht in die
benannte Systematisierung einordnen lassen, sind die Rastersondentechniken
Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie (STM, AFM), bei denen die Oberflächen auf atomarem Niveau abgebildet werden. Kamerabasierte Prüfsysteme
und Sichtprüfung sind ebenso selbstverständlich für die Qualitätssicherung in
der Oberflächentechnik wie alle gängigen Messtechniken zur Prüfung weiterer
physikalischer Parameter, insbesondere zu Eigenschaften oder Funktionen der
Oberflächen und Schichten.
Die regionale Kompetenz in der Oberflächen- und Schichtanalytik wird
im Rahmen der einzelnen Technologie- und Anwendungsfelder dargestellt.
Möglichkeiten und Equipment einzelner Forschergruppen oder Unternehmen
werden – wie schon das Equipment zur Oberflächenbehandlung/Präparation
von Schichten – an Ort und Stelle aufgezählt.
Übersicht 9: Einige Oberflächenanalyseverfahren nach Anregungsart
Information durch:
Anregung mit:
Photonen
Photonen
RFA/EXAFS
Elektronen
PES: XPS
(ESCA)/UPS
Elektronen
Ionen
SCANIIR
AES/EELS/LEED/
TEM
Neutralteilchen
SNMS
Ionen
SIMS/LEIS
EXFAS: Röntgenabsorptions-Feinstrukturanalyse, SCANIIR: Optische Spektroskopie zerstäubter Oberflächenteilchen,
SNMS: Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie, SIMS: Sekundärionen-Massenspektrometrie, LEIS: Rückstreuung langsamer Ionen von Oberflächen, XPS: Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. PES: PhotoelektronenSpektroskopie, UPS: Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie, AES: Augerelektronen-Spektroskopie, EELS:
Elektronenenergieverlust-Spektroskopie, RFA: Röntgenfluoreszenz-Analyse, LEED: Beugung langsamer Elektronen
an Oberflächen, TEM: Transmissionselektronenmikroskopie
Quelle: Kopnarski, Michael (o. J.), S. 3
17
Kopnarski, Michael (o. J.), S. 2.
52
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1
Vgl. Böger, Frank (o. J.), S. 1.
2
Vgl. Deutsche Messe AG und Landesmesse Stuttgart GmbH (Hrsg.) (2008),
S. 3.
3
ZukunftsAgentur Brandenburg GmbH
und TSB Innovationsagentur Berlin GmbH
(Hrsg.) (2009).
4
INPLAS – Kompetenznetz Industrielle
Plasma-Oberflächentechnik e. V. (2010).
5
Lütgens, Matthias (2005), S. 6; NeMa
(o. J.); HA Hessen Agentur GmbH (Hrsg.)
(2008), S. 5; BMBF, Referat Publikationen;
Internetredaktion (Hrsg.) (2004), S. 10.
6
Auswahl national bedeutender
Themenfelder laut Landesentwicklungsgesellschaft Thüringen (2011), S. 2.
5
Potenziale der Region Berlin-Brandenburg
in einzelnen Technologie- und Anwendungsfeldern
5.1
Branchen und Anwendungsgebiete
Die Oberflächentechnik fußt – typisch für eine Querschnittstechnologie – auf
sehr verschiedenen Basistechnologien. Sie kann mehreren Industriezweigen
zugeordnet werden, beispielsweise der Metallurgie, der Chemischen Industrie (Lacke und Farben), der Elektrochemie (Galvanik) sowie Glas und Keramik.
Gleichzeitig wird sie in vielen spezifischen Anwendungsfeldern und Branchen
eingesetzt. Trotz ihrer omnipräsenten Verwendung wird die Oberflächentechnik vielfach kaum beachtet, weil ihr Anteil am Umsatz der jeweiligen Branche
meist nicht ermittelbar, oft auch nur marginal ist.1 In der vorliegenden Studie
wird die regionale Oberflächenkompetenz auch bei geringem Wertschöpfungsanteil betrachtet.
Zu den Anwenderbranchen existieren – ebenso wie zu den Oberflächenfunktionalitäten – unterschiedlichste Aufzählungen und Rankings2. Hier erfolgt
die letztendliche Einteilung entlang der fünf Zukunftsfelder bzw. Cluster der
gemeinsamen Innovationsstrategie der Länder Berlin und Brandenburg 3
(Life Science, Energietechnik, IKT/Medien, Optik, Verkehrssystemtechnik), das
entspricht weitgehend der Einteilung nach INPLAS (Industrielles Plasmaoberflächentechnik-Netzwerk).4
In einem iterativen Prozess und mit Hilfe von Schaubildern5 zu branchenrelevanten Anwendungszielen (vornehmlich in der Nanotechnologie) wurden
die einzelnen Anwenderbranchen weiter differenziert. Auf eine Darstellung
entlang der Zeitachse (Reifegrad der Technologien) wurde jedoch verzichtet.
Aus der Darstellung (ausführlich: Ausklapptafel am Ende des Textes) gehen
konkrete F&E-Ergebnisse bzw. -Ziele hervor, die durchaus von unterschied–
licher Bedeutung hinsichtlich Wertschöpfung, Reife der Technologie oder Prozessierbarkeit sind. Auf diese Weise wird vermieden, Anwendungsbeispiele
für intelligente Oberflächen auf vorherrschende ›Trends‹ zu reduzieren, wie
sie vielfach in der Literatur beschrieben werden (selbstheilende Oberflächen/
Schichten, schaltbare, Multifunktions- und aktive Schichten)6.
5.2
Life Science
In den drei zu den Lebenswissenschaften gehörenden Branchen Biotechnologie, Medizintechnik und Pharma hat der Standort Berlin-Brandenburg
(ca. 30.000 Arbeitsplätze) in Deutschland eine Spitzenstellung inne und ist
von internationaler Bedeutung. Die Weiterentwicklung des Zukunftsfeldes
53
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konzentriert sich auf die Handlungsfelder medizinische Bildgebung, Telemedizin, Bioanalytik und Diagnostik, Wirkstoffentwicklung sowie regenerative
Therapien.7 In einigen dieser Bereiche finden sich spezifische Oberflächenund Beschichtungstechnologien, vor allem dort, wo Werkstoffoberflächen in
Wechselwirkung mit Zellen oder Gewebe stehen (›Werkstoffe im Zellkontakt‹,
Materialforschung trifft auf Medizin/Biotechnologie). Sie werden zur Entwicklung von Implantaten, Herzunterstützungssystemen, Knochenersatzwerkstoffen, Bioreaktoren und Biosensoren benötigt.8
5.2.1 Biokompatible und bioaktive Oberflächen
Abgrenzung
Der Bereich biokompatible und bioaktive Oberflächen lässt sich den Werkstoffen im Zellkontakt zuordnen und betrifft vor allem die Oberflächeneigenschaften Histokompatibilität (Gewebeverträglichkeit) und Hämokompatibilität
(Blutverträglichkeit) in biologischem Kontakt befindlicher Bauteile (Implantate, medizinische Hilfsmittel). Implantate wurden ursprünglich als biologisch
inaktiv und korrosionsresistent angesehen. Seit mehr als einem Jahrzehnt
werden sie jedoch stärker in eine biologische Wechselwirkung gesetzt, um
Einwachsen und Gewebeneubildung zu initiieren und um degradiert zu werden, sobald die Gewebeheilung vollzogen ist.9 Implantatoberflächen werden
in diesem Zusammenhang auch zu Wirkstoffträgern, die gewebeheilende
Hilfsstoffe langsam und kontinuierlich freisetzen (Drug Eluting) und damit von
der Zulassung als Medizinprodukt zur Zulassung als Arzneimittel übergehen
(verstärkt auch Medizinprodukt-Arzneimittel-Kombinationen). Oberflächenmodifizierungen an Diagnostik-Komponenten (zum Beispiel Katheter), die
Hydrophilie/Hydrophobie und Affinität für die Anlagerung von Biomolekülen/
Zellen betreffen, gewinnen an Bedeutung.10
Die regionale Kompetenz in biokompatiblen Oberflächen kann an folgenden konkreten Themen oder Produkten gezeigt werden:
■ Gelenk- und Knochenimplantate (Hüfte, Knie usw.),
■ Gefäßimplantate/Gefäßstützen (Stents), Herzunterstützungssysteme
(implantierbare Herzschrittmacher),
■ Intraokularlinsen,
■ Medizinische Geräte/Hilfsmittel (Katheter, Wundverbände),
■ Medizinische Geräte/Hilfsmittel (OP-Besteck, Blutkonservenbeutel
usw.).
7
und TSB Innovationsagentur Berlin
GmbH (Hrsg.) (2009).
8
Kompetenznetzwerk Bioaktive Oberflächen (o. J.).
9
Vgl. ZiG/TU Berlin (2009), S. 53.
10
Plasma-Oberflächentechnik e. V.
(2010).
54
10.02.12 14:19
Wissenschaft
Prof. Dr. Rainer Haag
Prof. Haag, Inhaber der Professur Organische Chemie am Institut für Chemie
und Biochemie der Freien Universität Berlin, forscht auf dem Gebiet organische und makromolekulare Chemie, speziell an dentritischen Polymeren, die
der Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen, unter anderem auf Oberflächen, dienen. Für Anwendungen mit Schwerpunkt Biokompatibilität sind
solche Strukturen von Bedeutung, um biologisch inerte Oberflächen herzustellen, die die Biofilmbildung und daraus resultierende Infektionen verhindern.
Aufbauend auf den Ergebnissen zu protein-resistenten selbstorganisierenden
Polyglycerol-Layern auf Goldsubstrat (Kapitel Oberflächentechnik in BioAnalytik und Diagnostik) werden diese auf ihre Zell- und Bakterien-Abstoßung
(Adsorptionsgrad) untersucht, um daraus biomedizinische Beschichtungen
– beispielsweise für Katheter und Implantate – entwickeln zu können, die
außerdem unabhängig von der Resistenzenausbildung von Bakterien (meist
gegen verschiedene sonst eingesetzte toxische Stoffe) funktionieren. Weitere
Anwendungsgebiete der Forschung an dendritischen Polymeren sind in
den Kapiteln Oberflächen in der Nano-Biotechnologie und Umwelttechnik
beschrieben.
Prof. Dr. Erhard Kemnitz
Prof. Kemnitz forscht im Fachgebiet Anorganische Chemie der HumboldtUniversität zu Berlin in der Fluor-Chemie zum einen an nanoskaligen Metallfluoriden für die Katalyse (Kapitel Energiewandlung und -speicherung), zum
anderen an Nanometallfluoriden für optische Zwecke (in Form von Beschichtungen) und deren Herstellung durch Fluorierung in einem Sol-Gel-Prozess
(Kapitel Optische Vergütung). Sol-Gel-Metallfluoride kommen als kratzfeste
transparente Schutz- oder Antireflexschicht, als Korrosionsschutz sowie als
punktuell härtender Fluoridzusatz für implantierbare Oberflächen im biologischen Kontakt (Knochenimplantate, insbesondere Gelenkpfannen, Dentalbereich, Augenheilkunde/Intraokularlinsen) in Frage.
Die weitere Applikationsforschung zu Sol-Gel-Metallfluoriden und die Vermarktung entsprechender Produkte bei Materialherstellern, Beschichtern und
Produktherstellern obliegt der ausgegründeten Firma Nanofluor GmbH.11
Prof. Dr. Helmut Schubert
Prof. Schubert vertritt das Fachgebiet Keramische Werkstoffe an der TU Berlin
und forscht an Einsatzmöglichkeiten dieser Werkstoffe in der Katalyse (Kapitel
Energiewandlung und -speicherung), in der Zellkulturtechnik (Kapitel Oberflächentechnik im Tissue Engineering) und als bioaktive/biokompatible Werkstoffe im Zellkontakt.
Eine solche biokompatible Beschichtung ist die mit Hydroxylapatit, die
besonders für perkutane Silikon- und Titanimplantate vorgesehen ist. Derartige unter die Haut oder mit einer Durchtrittsstelle durch die Haut implantierte medizinische Hilfsmittel gewährleisten entweder eine medizinische
Versorgung (etwa Silikonkatheter mit guter Blutverträglichkeit) oder fixieren
11
Vgl. Trechow, Peter (2011a).
55
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externe Epitesen (Titanimplantate/-abutments). Bisher wird die vorhandene
Infektionsgefahr an der Hauteintrittsstelle durch das Inkorporieren von Antibiotika oder antimikrobiellen Mitteln wie Silber in die Werkstoffoberfläche
reduziert.
Nach dem natürlichen Vorbild einer bakteriendichten Hautdurchleitung
(Zahn des Hirschebers ›Babyrussa‹) werden Silikonkatheter und Titanabutments im Sinne einer Implantatoberfläche, auf der Hautzellen während der
Wundheilung anwachsen können, mit dem bioaktiven Hydroxylapatit (HAp)
beschichtet: Nach einer Oberflächenmodifikation der Substrate durch ein RFGDVerfahren/Plasmaätzung, die die Keimbildung fördert, folgt die nasschemische
Beschichtung in einer wässrigen Kalziumphosphatlösung (Fällungsreaktion bei
Silicon und elektrochemisch im Falle Titan) mit anschließender Hydrothermalbehandlung, bei der die Kalziumphosphatschicht in die Apatitphase umgewandelt wird. Die konfluente Zellbesiedlung der hydroxylapatitbeschichteten
Oberflächen wurde in in vitro-Untersuchungen gezeigt.
Prof. Fleck am Fachgebiet Werkstofftechnik der TU Berlin setzt in ihrer Forschung
einen Schwerpunkt auf Werkstoffe für die Medizintechnik. Am Fachgebiet wird
das Werkstoffverhalten in biologischen Systemen untersucht; vor allem werden
medizinische Implantatwerkstoffe unter quasiphysiologischen Umgebungsbedingungen getestet. Ein komplexes, aber sehr wichtiges Phänomen ist die Biokorrosion. Hier wird das Werkstoffverhalten mechanisch beanspruchter technischer Bauteile unter korrosiven bzw. biokorrosiven Umgebungsbedingungen
ermittelt.
Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck
Prof. Fraatz vertritt das Fachgebiet Augenoptik mit Schwerpunkt Contact-Optik/
Sehhilfen an der Beuth Hochschule für Technik Berlin. Mit der ›Streifenprojektion zur Topometriebestimmung des vorderen Augenabschnitts‹ ist es ihm
und seinen Mitstreitern gelungen, ein etabliertes Verfahren zur Oberflächenvermessung, die Streifenprojektion, für die Bestimmung der Hornhauttopographie einzusetzen. Ein Prototyp eines solchen optometrischen Instruments
wurde an der Hochschule entwickelt und erprobt. Mit Hilfe dieser Messtechnik
entstanden erstmals individuelle Kontaktlinsen, die präzise auf die Vorderfläche der Hornhaut abgestimmte Freiformflächen und plasmabehandelte Oberflächen haben. Damit lässt sich der Abstand zwischen Contactlinsenrückfläche
und Hornhautvorderfläche minimieren (weniger Tränenflüssigkeit dazwischen, mehr Auflageflächen), wodurch sich die Trageeigenschaften gegenüber
marktüblichen Kontaktlinsen signifikant verbessern dürften.
Prof. Dr.-Ing. Manuel Fraatz
Die Arbeitsgruppe Biomaterialien und Implantate (Dr. Berger) in der Fachgruppe
5.4 Hochleistungskeramik an der Bundesanstalt für Materialforschung und
-prüfung widmet sich der Synthese und Charakterisierung von keramischen
Biomaterialien und Implantaten (biokompatible Struktur- und Konstruktionsmaterialien). Dabei geht es auch um biokeramische Schichten, die durch
Dr. Georg Berger
56
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Salzbad-Verfahren bzw. Sol-Gel-Synthese hergestellt (schutzgasgespülter Salzbadofen) und prozessbegleitend geprüft werden (Reaktor für hydrothermale
Bedingungen). Ein zusammen mit der Firma Merete Medical GmbH bearbeitetes
Projekt hatte zum Thema, ansonsten bioinerte Implantate aus Titanlegierungen
(Knochenschrauben) mit Calciumtitanat (Ca4Ti3O10) durch eine Salzbad-Behandlung zu beschichten, um damit den Kontakt zwischen Implantat und Knochen
ohne verbindendes Gewebe herzustellen.12
Dipl.-Phys. Erik Jung
Die Gruppe Medical Micro Systems (MMS, Dipl.-Phys. Jung) des FraunhoferInstituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration forscht und entwickelt zur
Miniaturisierung von implantierten Mikrosystemen und den Integrationsmöglichkeiten von Mikroelektronik, Mikrosensorik, Mikrofluidik und Mikrooptik,
wobei die Anbindung implantierter Geräte an biologische Gewebe ein zentrales
Thema ist. Bereits in der frühen Entwicklungsphase werden daher bioinerte,
biokompatible und biomimetische Materialien bzw. modifizierte Oberflächen
zur Verkapselung und zum Schutz mit Bezug auf die spätere klinische Anwendung evaluiert. Mit Partnern der Medizintechnik werden somit beispielsweise
Herzschrittmacher, Netzhaut-Implantate, Lab-on-Chip-Plattformen, neuroprothetische Geräte und Hörgeräte weiterentwickelt. Dazu gehören auch die
Umsetzung in Prototypen und die Weiterskalierung auf fertigungserprobte
Technologien für die Serienproduktion. Daneben arbeitet die Gruppe mit
Industriepartnern sowie in Drittmittel-Projekten an den Themen ›Ambient
Assisted Living‹ (Ambient Assisted Living Allianz) und ›Personal Assisted Health‹
(Produkte wie EKG T-Shirts oder Vitaldatenmonitore).
Prof. Dr. Matthias Ballauf
Mit dem Bereich Weiche Materie und funktionale Materialien am HelmholtzZentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der gleichnamigen Stiftungsprofessur am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin vertritt
Prof. Ballauf Forschungskompetenz zu Grenzflächen zwischen biologischem
und funktional-technischem Material. So werden mittels verschiedener Verfahren wie Layer-by-layer-Deposition, Schleuderbeschichtung (Spin-Coating),
Langmuir-Blodgett- und Langmuir-Schäfer-Technik Schichten präpariert, um
beispielsweise Prinzipien der ›Bio-Schmierung‹ (biolubrication) zu untersuchen oder pH-Wert-sensitive Diblock-Copolymerschichten (PDMAEMA-PMMA)
auf einem Siliziumsubstrat herzustellen und durch solche schaltbaren Polymere
gezielt die Zell-Oberfläche-Interaktion zu steuern. Weitere Anwendungsziele
dieser Steuerung sind im Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik beschrieben.
Dr. Waltraud Vorwerg
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) werden durch
Frau Dr. Vorwerg und den gleichnamigen Fachbereich Biopolymere untersucht
und entwickelt, die zum einen auf Stärke basieren (Stärkeprodukte vergleiche
Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation), zum anderen aber auch
Cellulose involvieren. Solche Celluloseprodukte werden anwendungsorientiert
12
Ploska, Ute und Berger, Georg (2003).
57
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erforscht und gewinnen in Form von Additiven und Beschichtungen durch ihre
Oberflächeneigenschaften Blutverträglichkeit oder -gerinnungsförderung vielfach Anwendungsmöglichkeiten in Medizin und Medizintechnik. Als selektive
Trägersysteme und Trennmaterialien können sie auch zur Blutentgiftung eingesetzt werden (Kapitel Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik).
Die Arbeitsgruppe Funktionspolymere für die Medizintechnik um Dr. Storsberg
am Fraunhofer-IAP entwickelt Polymere, die ihre Anwendung in biomedizinischen Materialien finden, insbesondere bei Implantaten in der Augenheilkunde. Für Intraokularlinsen (IOL) entwickelten die Wissenschaftler ein
Linsenmaterial mit einem höheren Brechungsindex (über 1,55), das wesentlich
dünnere, minimalinvasiv implantierbare Linsen ermöglicht. Außerdem haben
die Hochleistungspolymere eine hohe optische Transparenz im sichtbaren
sowie Absorption im UV-Spektralbereich, sind nicht toxisch, aber biokompatibel und langzeitstabil.13
Die Gruppe nimmt an den entwickelten biomedizinischen Materialien
vielfach gezielte nanotechnologische Oberflächenmodifizierungen vor, um die
Zelladhäsion (Besiedelbarkeit) und Integration in die biologische Umgebung
zu steuern. Bei Implantaten wie einer künstlichen Hornhaut werden speziell unterschiedliche Oberflächeneigenschaften in Bezug auf die Zelladhäsion
umgesetzt. Die kürzlich entwickelte künstliche Augenhornhaut (Cornea)
besteht aus einem hydrophoben Polymer, das nicht nur Wasser, sondern auch
Zellen abweist, damit die Cornea im Zentrum klar bleibt. Der Rand des Implantats soll dagegen an das vorhandene Gewebe angebunden werden und ist
daher mit einem zellenanziehenden Protein (Wachstumsfaktor) beschichtet.
Damit schließlich die Optik auch mit einem Tränenfilm benetzbar ist, wird diese
chemisch mit einem Polymerhydrogelfim an der Oberfläche modifiziert.14
Künstliche Hornhaut (Fraunhofer-IAP)
Dr. Joachim Storsberg
13
Fraunhofer-IAP (2006).
14
Sauser, Brittany (2011).
58
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Prof. Dr. Andreas Lendlein
Das Zentrum für Biomaterialentwicklung (Standort Teltow) des HelmholtzZentrums Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG) steht
stellvertretend für die regionale Kompetenz in der Biomaterialforschung und
-entwicklung. Geleitet wird es von Prof. Lendlein, der gleichzeitig eine von
HZG und Universität Potsdam gemeinsam berufene Professur Materialien in
den Lebenswissenschaften innehat. Die Forschungsthemen sind in das Querschnittsprogramm ›Regenerative Medizin‹ der Helmholtz-Gemeinschaft im
Forschungsfeld Gesundheit eingebunden. Neben der umfangreichen multifunktionalen Materialentwicklung (bestimmte mechanische oder zum Beispiel Formgedächtniseigenschaften) stehen viele medizinisch und biotechnologisch relevante Oberflächeneigenschaften und -phänomene im Fokus der
F&E.
Dr. Axel T. Neffe
In der Abteilung Biomimetische Materialien (Dr. Neffe) des HZG forschen Wissenschaftler an ebensolchen der Natur nachempfundenen Materialien. Dabei
interessieren besonders die chemische Struktur der Materialien, ihre mechanischen Eigenschaften und ihre biologische Aktivität. Die biologischen Wechselwirkungen werden anhand synthetisierter Materialien und bioaktiver
Substanzen, die der kontrollierten Freisetzung eingearbeiteter Wirkstoffe oder
Proteine (controlled release) oder der Material-Zell-Erkennung an bioaktiven
Peptid- und Kohlenhydratsequenzen dienen, analysiert und anhand von
Modellen auch vorhergesagt. Dies soll Biokompatibilität und Bioaktivität verschiedener Verbindungen/Substanzen aufklären.
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Jung
Prof. Jung führt sowohl in der Abteilung Biokompatibilität am HZG als auch
in der Forschergruppe Biointerface Engineering/In vivo-Testing am BerlinBrandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) breitgefächerte Evaluierungen von Polymersystemen hinsichtlich ihrer Biokompatibilität (Histo- und
Hämokompatibilität) und für den Einsatz als kurzoder langfristig resorbierbares Implantatmaterial durch.
Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf Gefäßstützen (Arterienprothesen) bzw. die polymeren Werkstoffe dafür, die mittels Laserbehandlung
mit der äußeren Blutgefäßwand verschmelzen können und an der inneren
Oberfläche durch Endothelialisierung, also der Bildung einer neuen Gefäßinnenhaut, blutverträglich sind. Die Regeneration der äußeren und inneren
Blutgefäßwand soll dabei durch eine Medikamentenbeschichtung und -freisetzung des Stents (Drug Eluting von Wachstumsfaktoren, Eikosanoiden und
Rezeptor-Agonisten) unterstützt werden. Außerdem werden biomimetische
Materialoberflächen erzeugt bzw. untersucht, die möglichst die Entstehung
von Blutgerinnseln im Gefäß und in der Gefäßstütze hemmen.
Die Untersuchung der Polymersysteme kommt außerdem Anwendungen in
der Regenerativen Medizin (Tissue Engineering, Kultivierung spezieller Zellen)
zugute (Kapitel Oberflächentechnik im Tissue Engineering).
59
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Weitere wissenschaftliche Kompetenzen mit mehr oder weniger direktem
Bezug zu oberflächentechnologischer F&E in der Medizintechnik finden sich
bei folgenden Akteuren:
■ Prof. Kraft (TU Berlin), Fachgebiet Medizintechnik: Entwicklung von Hilfsmitteln zur Rehabilitation, Aufbereitung von Medizinprodukten, minimalinvasive Techniken,
■ Prof. Hille (HS Lausitz), Werkstoffprüfung/Metallographie: Lehrveranstaltung
›Biokompatible Werkstoffe‹,
■ Prof. Schrader (TH Wildau), AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien: Entwicklung eines Herstellungsverfahrens von nm-dünnen hydrophoben PTFE-Schichten für medizinische Instrumente bzw. Prothetik,
■ Berliner Zentrum für Mechatronische Medizintechnik BZMM (Joint Excellence
Center von Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und Charité, Prof. Keeve): Entwicklung von Therapietechnologien, unter anderem chirurgische Instrumente und smarte Implantate.
Prof. Dr.-Ing. Marc Kraft
Prof. Dr.-Ing. Eva Hille
Prof. Dr. Sigurd Schrader
Prof. Dr.-Ing. Erwin Keeve
Wirtschaft
Die B. Braun Melsungen AG Vascular Systems Berlin entwickelt und produziert
Medizinprodukte für die Angioplastie und spezielle gefäßchirurgische Implantate. Der Behandlung von Gefäßstenosen per PTCA (perkutane transluminale
koronare Angioplastie) dient der Medikament-freisetzende Ballonkatheter auf
polymerfreier Trägermatrix SeQuent® Please. Die Wirkstofffreisetzung ist damit
nicht an einen Stent gebunden.
Zur neuen Generation von medikamentenfreisetzenden Stents gehört
Coroflex® Please, der mit dem bewährten anti-proliferativen Medikament
Paclitaxel und DES-optimierter Beschichtungstechnologie ausgestattet ist. Die
gleichmäßige Abdeckung der Gefäßwand, die die Coroflex® Stentplattform
kennzeichnet, die gleichmäßige und präzise Medikamentenabgabekinetik der
P-Matrix-Beschichtung (mit Polysulfon, sieben µm Schichtdicke gefäßseitig)
sowie die lipophile Eigenschaft des Paclitaxel sorgen für eine homogene Wirkstoffverteilung.
Die weiteren gefäßchirurgischen Implantate sind Gefäßprothesen und
Patches, die meist durch Imprägnierung, Beschichtung oder Ummantelung
biokompatible (hämo- und histokompatible), zelladhäsive oder zellabstoßende bis hin zu antimikrobielle Oberflächeneigenschaften erhalten:
■ Silver Graft ist eine gewirkte Doppelvelour-Gefäßprothese aus Polyester
(Polyethylenterephthalat), die mit resorbierbarer, modifizierter Gelatine
imprägniert ist. Zur nachhaltigen Hemmung der mikrobiellen Besiedelung der Textilprothese ist ihre Oberfläche von außen zusätzlich mit Silber
beschichtet.
■ Uni-Graft® K DV ist eine Doppel-Velour Gefäßprothese, gewirkt aus feinen
Polyestergarnen und anschließend imprägniert mit absorbierbarer, modi-
B. Braun Melsungen AG
60
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fizierter Gelatine. Die Imprägnierung reduziert die ursprüngliche Porosität,
das heißt die Prothese ist blutdicht. Das Uni-Graft® Imprägnierungsverfahren ist aldehydfrei und garantiert damit Biokompatibilität.
■ Uni-Graft® W ist eine gewebte, imprägnierte Gefäßprothese aus Polyester
(Uni-Graft® Imprägnierung, biokompatibel) mit guten Einheilungseigenschaften durch den externen Velours und die glatte innere Oberfläche, die
außen die Gewebeinfiltration und innen eine thrombenfreie Blutzirkulation ermöglichen.
■ VascuGraft SOFT ist eine aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehende Gefäßprothese zur Rekonstruktion von Blutgefäßen (periphere Arterien) mit einer
hochporösen Ummantelung für ein besonders weiches, ›venenartiges‹
Gefühl.
■ Uni-Graft® K DV Patch ist ein vom Aufbau her mit der Uni-Graft® K DV
Gefäßprothese vergleichbares Gefäß-Patch zur Verwendung in Schlagadern
(Schließen von Gefäßöffnungen).
Biotronik SE & Co. KG
Die Biotronik SE & Co. KG ist ein Medizintechnikunternehmen, tätig vor allem
auf dem Gebiet der Herztherapie mit den Geschäftsbereichen HerzrhythmusManagement (implantierbare Herzschrittmacher), Elektrophysiologie und Vaskuläre Intervention (Stents). Das Unternehmen entwickelt in Hinblick auf die
Biokompatibilität ihrer implantierbaren Produkte Dünnschichtsysteme, um
bei Verwendung neuer Werkstoffe Abstoßungsreaktionen zu vermeiden und
weitere Grenzflächenreaktionen zwischen Implantat und Gewebe, Stofftransportmechanismen und Gewebeveränderungen zu beeinflussen. Damit wird
versucht, der Forderung nach lebenslang funktionstüchtig im Organismus verbleibenden Implantaten zu entsprechen.
Für die oberflächentechnologische Kompetenz stehen Prinzipien und
Beschichtungsprodukte wie
■ die fraktale Beschichtung (Vergrößerung der bioeffektiven/elektrisch aktiven
Oberfläche von implantierbaren Elektroden),
■ die PROBIO®-Beschichtung, eine amorphe Siliziumcarbid-Beschichtung
als Barriere gegen die Ionenfreisetzung/Diffusion von Nickel und anderen
Metallionen; dadurch wird die Thrombozytenaggregation (Anlagerung
von Blutplättchen) vermindert und die Endothelialisierung (Bildung einer
neuen Gefäßinnenhaut) gefördert,
■ das hybride medikamentenfreisetzende Stentsystem Orsiro, eine Metallgefäßstütze, die durch Kombination der passiven PROBIO®-Beschichtung
und einer aktiven Komponente BIOlute® (bioresorbierbare mit LimusMedikament versetzte Polymermatrix) eine kontrollierte Wirkstoffabgabe
zur Behandlung der Koronarstenose sicherstellt und langfristig lediglich
PROBIO®-beschichtet im Körper des Patienten verbleibt.
61
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Die aap Implantate AG ist ein Medizintechnikunternehmen, das sich auf Entwicklung und Produktion von Implantaten für Gelenkersatz und Knochenfrakturheilung sowie Biomaterialien (Knochenzemente, Knochenersatzstoffe), die
dabei unterstützend wirken, spezialisiert hat.
Bei den Hüftimplantatteilen VarioLoc® Hüftschaft und VarioCup® pressfit
Hüftpfanne werden die Oberflächen, die mit dem Knochen in Kontakt kommen, oberflächenbehandelt, das heißt die Titanlegierung wird per Plasmaspray-Verfahren mit einer porösen Reintitanschicht versehen. Die Beschichtung
fördert die Anlagerung von Knochenzellen an die Oberflächenstruktur der
Prothese (rasches und stabiles Anwachsen des Knochens an den Titanschaft
bzw. die Titanschale) und führt zu einer langfristigen Verankerung, das heißt
sekundären Implantatstabilität nach der Einheilung.
aap Implantate AG
Die Biomet Deutschland GmbH ist ein auf künstliche Gelenke und orthopädische Implantate spezialisiertes produzierendes und entwickelndes Medizintechnikunternehmen. Zum Produktspektrum gehören künstliche Gelenke und
Gelenkersatz für Knie, Hüfte, Schulter, Ellenbogen, Fuß, Hand und Kiefergelenk
sowie Biomaterialien/Knochenenzemente. Biomet wendet auf die Implantatwerkstoffe verschiedene Technologien zur Oberflächenbehandlung an.
Biomet Deutschland GmbH
BoneMaster-Beschichtung auf einem Hüftimplantat-Schaft mit
Porous-Plasma-Spray-/PPS-Oberflächenstruktur (Biomet)
62
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Für Allergiepatentienten, also zur Prävention einer metallallergischen Reaktion
an Endoprothesen, ist die Titan-Niob-Nitrid-Beschichtung (Physical Vapour
Deposition/PVD-Verfahren) gedacht. Der bewährte Implantatwerkstoff KobaltChrom wird damit eingekapselt und ein Ausdiffundieren von bzw. der Kontakt
mit Metallionen vermieden. Die sehr dichte Titan-Niob-Nitrid-Beschichtung
zeichnet sich durch verbesserte Biokompatibilität, Reduzierung der Freisetzung
von Metallionen sowie durch Verbesserung von Abriebresistenz, Benetzbarkeit,
Korrosionsbeständigkeit und Halt am Ausgangsmaterial aus.
Eine biomimetische Beschichtungstechnologie namens BoneMaster wird bei
zementfreien Implantaten angewendet um deren Einwachsverhalten zu verbessern, indem damit die natürliche Physiologie des Knochens imitiert wird:
Aus nano-kristallinem Hydroxylapatit (stäbchenförmige Nano-Struktur, die in
Knochen nachgewiesenen Apatitkristallen ähnelt) besteht die etwa fünf Mikrometer dünne Beschichtung, die die zugrunde liegende Titan-Makrostruktur
(Porous-Plasma-Spray-/PPS-Struktur, für die mechanische Verankerung) beibehält. Durch Kombination von Chemie (Osteokonduktivität des Hydroxylapatits) und der dem Knochen nachempfundenen Oberflächenstruktur wird die
Heilung zwischen Knochen und Implantat gefördert und somit das Implantat
schneller fixiert und langlebig stabilisiert.
Capsulution Pharma AG
Die Capsulution Pharma AG hat sich auf die LbL-Technologie (Surflay Nanotec
GmbH) für pharmazeutische Zwecke spezialisiert. Je nach Verwendungszweck
werden durch Capsulution Nanokapseln mit speziellen pharmazeutischen,
biochemischen, elektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften ausgerüstet, um sie in den Lebenswissenschaften hauptsächlich als Drug DeliverySysteme einzusetzen (Kapitel Oberflächen in der Nano-Biotechnologie). Auf
Seiten der Medizinprodukte gehören funktionalisierte Implantate (auch Stents),
die Wirkstoffe über lange Zeiträume freisetzen können (Drug Eluting), zum
Anwendungsspektrum, aber auch medizinische Membranen mit neuen Oberflächenfunktionen bis hin zu diagnostischen Implantaten (in Entwicklung).
Die Beschichtung flacher Oberflächen von medizinischen Hilfsmitteln
(›CapsDevice™‹) erfolgt mittels des Layer-by-Layer-Verfahrens, wobei zwischen
die einzelnen Schichten der aus biokompatiblen Molekülen aufgebauten Multilayer-Struktur Wirkstoffe bzw. Medikamente in Molekül- oder Nanokristallform oder in einer Mischung aus beiden eingebracht werden. Die Wirkstofffreisetzung dient hauptsächlich dazu, Entzündungen oder eine Immunreaktion
auf das körperfremde Implantat zu verhindern und lässt sich durch den Ort der
Wirkstoffe und die Anzahl der Layer regulieren.
InnoRa GmbH
Die InnoRa GmbH ist ein 2001 gegründetes Unternehmen, das sich um Forschung, Entwicklung, Planung medizinischer Studien, Zulassung und Vermarktung von Produkten für die diagnostische und therapeutische Radiologie und
verwandte Anwendungen bemüht, unter anderem in Kooperation mit der
Charité Universitätsmedizin.
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In tierexperimentellen und Untersuchungen an Patienten konnte InnoRa eine
›Erste Restenoseprävention durch nichtstentbasierte lokale Medikamentenapplikation‹ evaluieren. Es wurden alternative Verfahren zur lokalen Wirkstoffabgabe in Gefäßen, beispielsweise Paclitaxel-beschichtete Ballonkatheter,
eingesetzt, um deren Wirksamkeit im Vergleich zu bekannten Stentsystemen
mit anhaltender lokaler Freisetzung antiproliferativer Medikamente festzustellen. Auch nach nur kurzer Exposition der Gefäßwand durch den medikamentenfreisetzenden Ballonkatheter konnte eine Langzeitwirkung erzielt werden.
Folglich ließen sich durch eine nichtstentbasierte lokale Gabe von Wirkstoffen einige Probleme der Stentbeschichtung vermeiden (diese ist potenziell
thrombogen und die Konzentration des antiproliferativen Medikamentes auf
den Stentstreben am höchsten, wo eigentlich eine rasche Endothelialisierung
erforderlich ist).
Die Lens Wista AG ist ein 2004 gegründeter Produzent von Silikon-Kontaktlinsen (Monatstauschsystem) und Dauertragelinsen. 2009 startete das Unternehmen die Produktion von oberflächenveredelten Silikon-Hydrogel-Linsen
(SHL) und Kontaktlinsen mit einer ununterbrochenen Tragedauer von bis zu
drei Monaten.
Das eigens entwickelte Beschichtungsverfahren (LensWista-Technology®)
reduziert Ablagerungen zwischen Kontaktlinsenkörper und Augapfel, indem
es den Abtransport von Verunreinigungen durch den sich ausbildenden
Wasserfilm bzw. den Austausch von Tränenflüssigkeit fördert. Basis der Oberflächenmodifizierung ist die physikalisch-chemische Behandlung der synthetischen Polymere (Poly(organo)siloxane) im Hinblick auf ihre Hydrophilie und
Biokompatibilität (vor allem Langzeitverträglichkeit), wobei ein gleichmäßiger
Übergang von der modifizierten Oberfläche zum Kontaktlinseninneren besteht
(Gradientenschicht).
Zukünftige, noch in der Entwicklung befindliche LensWista-Produkte sind
medizinische Kontaktlinsen zur Behandlung von Augenkrankheiten (zum
Beispiel Glaukomtherapie); darüber hinaus wird die LensWista-Technology®
auf weitere medizinische Produkte übertragen werden.
Lens Wista AG
Das Medizintechnik-Unternehmen Merete Medical GmbH fertigt Implantate
und Instrumente der Endoprothetik und der Osteosynthese und betreibt Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu Implantat- und Biomaterialien sowohl
metallischen und polymeren Ursprungs (resorbierbare und nicht resorbierbare
Kunststoffe) als auch biologischer Herkunft (Transplantate).
Die hauptsächlich auf metallische Implantatoberflächen angewandten
Oberflächenbehandlungen umfassen Strahlverfahren (Glasperl-/KorundStrahlen zum Aufrauen oder Glätten), Polierverfahren und Färben/Anodisieren
von Implantaten, um die Härte zu steigern und Kerbwirkungen zu reduzieren.
Funktionsflächen an Implantaten gilt es bezüglich ihrer Zelladhäsion einzustellen. So werden zementfrei einzusetzende MultiCup® Locking PressFit Pfannen
Merete Medical GmbH
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(Hüftendoprothetik) mit einer Porous-Coat-Titan-Plasmabeschichtung (auch
Porous-Plasma-Spray bzw. PPS genannt) versehen, die wegen ihrer Rauigkeit das Einwachsen des Knochengewebes fördert. Eine weitere Technik zur
Verbesserung des Einheilungsprozesses und der langfristigen Verträglichkeit
ist die elektrolytisch aufgebrachte Bonit®-Beschichtung, ein Komposit zweier
dünner, feinkristalliner CaP-Phasen (Hydroxlapatit) mit unterschiedlichen Löslichkeiten (koordinierte Bioaktivität zur Knochenbildung). An anderer Stelle
sollen die Flächen möglichst kein Zellwachstum bzw. keine Zellanhaftung
verursachen, etwa bei zeitweise im Körper befindlichen Implantaten. Solche
bioinerten Implantatwerkstoffe bzw. -oberflächen setzt Merete in Form der
TioFin®-Beschichtung für die Knochenfrakturheilung oder bei Schrauben für
die Plattfuß-Korrektur ein.
Ein zusammen mit der Arbeitsgruppe ›Biomaterialien und Implantate‹ der
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bearbeitetes Projekt hatte
zum Thema, ansonsten bioinerte Implantate aus Titanlegierungen mit einer
Calciumtitanatschicht (Ca4Ti3O10) auszustatten, um damit den Kontakt zwischen Implantat und Knochen ohne verbindendes Gewebe herzustellen. Die
Calciumtitanat-Oxid-Schicht, bei Merete unter dem Namen EPICAL® geführt,
wird durch einfaches Tauchen des Implantats in ein Salzbad hergestellt,
infolge dessen sich die oxidierte Oberfläche von Titan oder Titanlegierungen
zu Calciumtitanat umwandelt. Seit 2009 wird dieses Verfahren beispielsweise
für die zementfreien Hüftendoprothesen angewendet, und zwar ohne den
Nachteil herkömmlicher Oberflächenbeschichtungen, bei denen prinzipiell das
Risiko einer Schichtablösung besteht.
OHST Medizintechnik AG
Die OHST Medizintechnik AG stellt maßgeschneiderte Gelenkimplantate und
OP-Instrumente für Hüfte, Knie, Wirbelsäule und Schulter her. Darüber hinaus
betreibt das Unternehmen Entwicklung, Prototyping und Zulassung von Produkten nach neuesten Erkenntnissen und in Zusammenarbeit mit Hochschulen
und Forschungszentren.
In der Fertigung verfügt OHST hauptsächlich über Ausrüstung für die Gußteilherstellung und spanende Bearbeitung. Für die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit von Implantaten (Lebensdauer bestimmend) und OP-Instrumenten (insbesondere Korrosionsbeständigkeit) stehen Schleif-, Polier- und
Strahlverfahren bzw. -räume zur Verfügung. Zur Beschichtung mit allen etablierten Verfahren werden von OHST spezialisierte Dienstleister herangezogen.
Die Reinigung der Komponenten von Fertigungsmittelrückständen sowie die
Desinfektion und sterile Verpackung vervollständigen den Herstellungsprozess.
Zwei bei OHST angewandte Oberflächenbehandlungen bzw. Beschichtungstechnolgien und deren Funktion sind
■ der Ribbeck Hüftschaft, eine zementfreie Geradschaftprothese aus
Ti-6Al-7Nb-Legierung, proximal mit Edelkorund rau gestrahlt, distaler
Schaftbereich poliert, alternativ mit einer Hydroxylapatit-Beschichtung zur
Erhöhung der Biokompatibilität erhältlich,
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■ die Ribbeck Pfanne, ein zementfrei verankerbares Hüftpfannensystem,
Außenschale aus einer Ti-6Al-4V-Legierung, Oberfläche zur besseren
Osteointegration mit einer Titanplasmabeschichtung versehen.
Pioneer Medical Devices ist ein junges Berliner Medizintechnik-Unternehmen,
das sich auf die Entwicklung, Herstellung und Aufbereitung komplexer Medizinprodukte spezialisiert hat.
Neben entwickelten Systemlösungen wie dem mobilen Radiologie-System
CardiX, einem Messplatz-System und dem Elektrophysiologie-Katheter bietet
das Unternehmen das Stentsystem Tropheus mit einem Drug Eluting Stent (DES)
und einem Bare Metal Stent (BMS) an. Eine eigens entwickelte Doppelbeschichtung am Tropheus DES ermöglicht die kontrollierte Wirkstoffabgabe zum Schutz
vor Restenosen, indem das in der Deckschicht aus PLGA – poly(lactic-co-glycolic acid) – eingebrachte Paclitaxel durch Abbau der Polymermatrix freigesetzt
wird. Darüber hinaus bietet die dauerhafte Grundschicht (antithrombogene
Beschichtung mit Biomimicry-Effekt) Langzeitschutz vor In-Stent-Thrombosen
dadurch, dass sie nach Abbau der Deckschicht ihre die Endothelialisierung fördernde Wirkung entfaltet.
Pioneer Medical Devices AG
Die PlasmaChem GmbH ist zunächst Spezialist für Nanomaterialien, Abscheidungs-, Vakuum- und Plasmatechnologien sowie Dünnschichttechnik und
deren technische und biomedizinische Anwendungen (Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik). Eine enge Zusammenarbeit besteht
mit dem Lehrstuhl Physik von Makromolekülen der Humboldt-Universität zu
Berlin (Prof. Rabe) zu modifizierten Oberflächen und Nano-Objekten und der
Oberflächenanalytik (Rasterkraftmikroskopie AFM, Rastertunnelmikroskopie/
Rastertunnelspektroskopie STM/STS).
Mit der ›BioDiamond‹-Beschichtung für Stents hat die Firma eine Technologie entwickelt, metallische Stentmaterialien innen zu beschichten und damit
den Faraday’schen Käfig-Effekt zu überwinden, der sonst keine Beschichtung
mittels üblicher Sputter- oder Plasma-Prozesse erlaubt.
Die 100 nm dünne Multilayer-Beschichtung (Multi Nano-Layered Carbon,
MNLC) besteht aus vier Einzelschichten. Zuerst bindet ein Haftvermittler die
Beschichtung an das Grundmaterial Edelstahl, dann folgt ein mechanische
und thermische Spannungen ausgleichender Layer (verhindert auch weitere
Ausbreitung möglicher Risse). Die dritte Schicht aus Diamond-Like Carbon (DLC)
beschränkt die Schwermetallionendiffusion; die abschließende Lage kommt
direkt mit dem Blut und Gewebe in Kontakt, ist dazu biokompatibel und antithrombogen.
PlasmaChem GmbH
PolyAn ist ein auf Molecular Surface Engineering (MSE) und Surface Molecular Imprinting (SMI) spezialisiertes Unternehmen. Diese Technologieplattform
wird unter anderem für Antifouling-Anwendungen genutzt (Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik, Oberflächen in der Nano-Bio-
PolyAn GmbH
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technologie). Mit dem molekularen Prägen und der MSE-Technik lassen sich
Oberflächen so modifizieren, dass sie biokompatibel sind, gleichzeitig aber
Biofouling (auch Biokorrosion, Membranfouling oder Proteinfouling) vermeiden. Damit können in der Medizintechnik Folgeschäden aus unerwünschter
Adsorption und Bindung von Biomolekülen an Oberflächen, wie sie in Form
von verstopften Gefäßstützen (Thrombosen) oder Infektionen und Entzündungen an Implantaten auftreten, abgewendet werden, ohne dass Wachstum und
Vitalität der umgebenden/vorhandenen Zellen beeinflusst würden. Die modifizierten Oberflächen stoßen die Zellen ab, wirken dabei aber nicht cytotoxisch.
Surflay Nanotec GmbH Berlin
LEONI Fiber Optics GmbH
Berlin Heart GmbH
Oculentis GmbH Berlin
15
Dähne, Lars (Surflay Nanotec GmbH
Berlin) (2009), S. 10.
Die Surflay Nanotec GmbH ist ein kleines Unternehmen, spezialisiert auf eine
breitgefächert anwendbare Technologie zur Beschichtung und Funktionalisierung kolloidaler und planarer Materialien. Mit der Layer-by-Layer (LbL)-Technologie ist es möglich, geladene Polymere in Lösung selbstreguliert an Oberflächen (einem Substrat) adsorbieren zu lassen und so mehrere Layer (abwechselnd Polyanion und Polykation) mit reproduzierbaren Schichtdicken von ein
bis fünf Nanometer zu stapeln. Dabei lassen sich die verschieden geladenen
Materialien, auch Proteine, DNA oder Nanopartikel, miteinander kombinieren.
Die Anwendungen dieser Technologie in Nano-Biotechnologie und
Medizintechnik sind vielfältig (als Trennmaterialien, Pigmentverkapselungen,
sensorische/diagnostische Partikel, Farbstoff-gelabelte Polymere, fluoreszenzund magnetismusfunktionalisierte Partikel; Kapitel Oberflächen in der NanoBiotechnologie und Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik). Für die
biokompatible Ausstattung von medizinischen Produkten sind die strukturierten TiO2-Schichten mit hoher Hämokompatibilität geeignet. Allgemeiner
können beispielsweise superhydrophobe bis superhydrophile (stufenlos einstellbar) oder mittels Nano- und Mikropartikeln funktionalisierte Oberflächen
(zum Beispiel medikamentenfreisetzende Stentoberflächen) hergestellt werden.15
Weitere wirtschaftliche Akteure mit biokompatiblen Oberflächen als Produktmerkmal in der Anwendung sind
■ LEONI Fiber Optics GmbH: Serienproduktion chirurgischer, ophtalmologischer, urologischer, dentaler und endovaskulärer Lasersonden mit biokompatiblen Materialien,
■ Berlin Heart GmbH: Entwicklung und Herstellung implantierbarer mechanischer Herzunterstützungssysteme, aus biokompatiblem Titan mit Heparinbeschichtung (Axialpumpe INCOR®),
■ Oculentis GmbH Berlin: intraokulare Acryllinsen aus HydroSmart®-Material
(Kombination von hydrophilem Material und hydrophob wirkender Oberfläche, dadurch faltbar wie hydrophile Linsen, aber besseres Nachstarverhalten durch hydrophobe Oberfläche).
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Netzwerke
Der Deutsche Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische
Technologien e.V. (SPECTARIS) mit Sitz in Berlin vertritt mittelständische Hightech-Unternehmen und gliedert sich in die vier Fachverbände Consumer Optics,
Photonik+Präzisionstechnik, Analysen-, Bio- und Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Berliner und Brandenburger Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind Mitglied im Verband (hier OHST Medizintechnik AG, B. Braun
Melsungen AG), der Branchen- und Auslandsmarketing, Marktforschung, aber
auch Technologie- und Forschungsförderungsberatung betreibt. In den beiden
Fachverbänden Consumer Optics und Medizintechnik gibt es spezielle Angebote wie Seminare, beispielsweise zum Thema Reinigen in der Medizintechnik,
Trendforen zu Medizintechnik und Augenoptik oder Medizinproduktekonferenzen, außerdem Teilnahme an internationalen Fachmessen und Jahrbücher
über den deutschen Medizintechnikmarkt.
Deutscher Industrieverband
für optische, medizinische und
mechatronische Technologien
e.V. (SPECTARIS)
Der Bereich Medizintechnik (vormals TSB Medici, Bereichsleiter: Dr. Kunze) wirkt
an der Ausgestaltung der Hauptstadtregion zu einem Life Science Cluster mit
und bemüht sich
■ um die Verbesserung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der Medizintechnik-Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft und
■ um die Steigerung der Attraktivität der Region als Medizintechnik-Standort
vorwiegend in Form von Kompetenzfeldmanagement, Vernetzung, Technologietransfer, Beratung, Markt- und Technikanalysen.
TSB Medici/medtecnet
Berlin-Brandenburg
Im Medizintechniknetzwerk Berlin-Brandenburg (medtecnet-BB), das von der
TSB Innovationsagentur, Bereich Medizintechnik, koordiniert wird, haben sich
seit 2004 Medizintechnikunternehmen zusammengeschlossen, um in Kooperationen mit regionalen Kliniken neue und verbesserte Diagnose- und Therapiemethoden zu entwickeln. Mitgliedsunternehmen sind beispielsweise aap
Implantate AG, Merete Medical GmbH, MGB Endoskopische Geräte GmbH, OHST
Medizintechnik AG, W.O.M. WORLD OF MEDICINE AG.
Der VDI Bezirksverein Berlin-Brandenburg hat mit dem Arbeitskreis Biomedizinische Technik (unter Leitung von Prof. Keeve, BZMM) ein Forum für den
Wissens- und Erfahrungsaustausch zwischen Wissenschaftlern, Ingenieuren,
Anwendern und Ärzten geschaffen. Vorgestellt und diskutiert werden aktuelle
medizinische und technische Verfahren für Diagnose, Therapie und Rehabilitation sowie jüngste Forschungsergebnisse wie Entwicklungstrends und Evaluierung koronarer Implantate.
Verein deutscher Ingenieure VDI
Bezirksverein Berlin-Brandenburg – Arbeitskreis
Biomedizinische Technik
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Fazit
Der Bereich Biokompatible Oberflächen ist in Berlin-Brandenburg in Grundlagenforschung und wirtschaftlicher Anwendung kompetent besetzt. F&E sind
naturgemäß sehr anwendungsorientiert, wobei die Anwendung oft einen
Zulassungsprozess (Medizinprodukte- und Arzneimittelgesetz) erfordert und
Normierungsbemühungen nach sich zieht. Bemerkenswert ist, dass aus der
Grundlagenforschung heraus Firmen(aus)gründungen auf Basis einer Technologie mit Alleinstellungsmerkmal erfolgt sind. Die etablierten Unternehmen
aus der Medizintechnik forschen und entwickeln selbst und/oder kooperieren
intensiv mit Forschungseinrichtungen.
F&E-Trends zu Biokompatiblen Oberflächen bewegen sich zwischen häufig
konträren Verfahrensweisen, zum Beispiel zwischen zunehmend bedeutsamen
Beschichtungstechniken für Katheter und Stents, mit deren Hilfe neuartige und
individualisierte Arzneimitteltherapien möglich werden,16 und rein biokompatiblen oder oberflächenmodifizierten Konstruktionsmaterialien (Bare-MetalStents). Auch der Ersatz von Methoden, indem etwa eine antimikrobielle
Wirkung weniger mittels Biozidabgabe, sondern auf Werkstoffseite in Form
einer Strukturierung der Oberfläche funktioniert (vorteilhaft angesichts zunehmender Antibiotika-Resistenzen), gehört zum Vorgehen in der F&E.
Andere Forschungseinrichtungen und Regionen setzen weiterhin auf klassische Fragestellungen. Beispiele sind
■ das 2011 gestartete EU-Projekt zu biokompatiblen Titan-Werkstoffen BioTiNet
des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW)17,
■ der Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe der BIOPRO Baden-Württemberg mit
dem Thema Funktionalisierte Kunststoffe in der Medizintechnik18, unter
anderem mit dem Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an
der Universität Tübingen NMI).
16
IVAM (2011).
17
Langer, Carola (2011).
18
›Ob neuer Werkstoff oder intelligente
Form oder modifizierte Oberfläche:
ein Zusammenspiel der kunststoffbezogenen Werkstoffwissenschaften und
der medizintechnischen Anwendung
bietet die Möglichkeit für eine Vielzahl
von Innovationsansätzen.‹ Mack, Anette
(2011).
19
Imhof, Stephan (2010).
20
Laudien, Stephan (2011).
Maßgeblich für Initiativen sind aber auch neue Bedürfnisse wie
■ intelligente, heilungsfördernde Wundverbände oder biokompatible Materialien für Gesundheitsversorgung, Kleidung und darüber hinaus (MinervaForschungsgruppe Aktive Oberflächen und Materialien am Max-PlanckInstitut für Polymerforschung)19,
■ Werkstoffe/Inhaltsstoffe natürlichen Ursprungs (Kompetenzzentrum Polysaccharidforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena)20, zum Beispiel
für intelligente Wundverbände.
Die Hauptstadtregion ist bei Materialien für die Medizintechnik bzw. Biomaterialien etabliert, und zwar hauptsächlich in Feldern, bei denen es um
konstruktionswerkstoffliche Anforderungen und Lösungen geht. Eine zusätzliche Fokussierung und Vernetzung hinsichtlich der Oberflächenphänomene
wäre lohnenswert, um die Wertschöpfung zu vervollständigen. Dabei könnte
sich eine stärkere (regionale) Vernetzung auf das Gesamtthema Werkstoffe im
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Zellkontakt beziehen (siehe auch folgende Kapitel). Vernetzungen auf Bundesund EU-Ebene sind dabei von großer Bedeutung für die Grundlagenforschung.
Oftmals könnte allerdings die regionale Wirtschaft (als Pilotanwender) stärker
eingebunden werden. Auch die Eruierung der Übertragbarkeit von Erkenntnissen zu den klassischen Fragestellungen (Histo-, Hämokompatibilität, antimikrobielle Wirkung usw.) auf weitere Anwendungsfelder bzw. nicht besetzte
Themen und Medizinprodukte dürfte Vernetzung und Innovationen befördern.
5.2.2 Oberflächentechnik im Tissue Engineering
Abgrenzung
Das Tissue Engineering, als Zellkulturtechnik verstanden, verfolgt das Grundkonzept, Zellen außerhalb des Körpers in geeigneter Form zu kultivieren, um
sie danach als vororganisiertes Gewebestück in den menschlichen Organismus einzupflanzen und eine Selbstheilung zu provozieren. Die werkstoffwissenschaftliche Seite daran betrifft – ebenso wie bei Implantaten – die
Bauteile, Werkstoffe und Oberflächen in Zellkontakt, und zwar im Spektrum
von Zellkulturflaschen bis zu durch Zellen besiedelbaren und degradierbaren
3D-Tragstrukturen (Scaffolds) mit funktionalisierten Oberflächen.21 Dabei steht
die Zelladhäsion an Träger-Oberflächen im Vordergrund, die für die Zeit und
Bedingungen unter der Zellkultivierung aufrecht erhalten wird, aber zum Beispiel durch einen Schaltimpuls zur Zellernte aufgelöst werden kann. Im Fall
von besiedelten implantierbaren Tragstrukturen wird die Biokompatibilität an
das Interface Zellkultur-Gewebe bzw. Zellkultur-Organ geknüpft und durch das
schnelle Erkennen als ›körpereigen‹ das Einwachsen und der Abbau der überflüssig werdenden Tragstruktur beschleunigt. Die Grenzen zu biokompatiblen
und bioaktiven Oberflächen sind fließend, da sich die Implantattechnologie
in Richtung aktiver/interagierender Oberflächen entwickelt und die Lücke zu
Scaffolds im Tissue Engineering immer weiter schließt.
Wissenschaft
Im Fachgebiet Nanostrukturierte Biomaterialien des Instituts für Chemie der TU
Berlin, vertreten durch die Junior-Professorin Lensen, beschäftigt man sich mit
Biomaterialien, Strukturierungsmethoden an Oberflächen und Zellverhalten an
biologischen Grenzflächen. Zwei verschiedene Biomaterialien werden untersucht: ein sehr hydrophiles Hydrogel (aus Präpolymeren durch UV-Vernetzung
hergestellt), das zellkompatibel ist und lebendem Gewebe gleicht, und ein
hydrophobes sowie oleophobes Fluorpolymer (auf Basis von Perfluorpolyether
PFPE), das unerwünschte Protein-Adsorption und -Adhäsion unterdrückt. Mittels etablierter Methoden wie Mikrokontakt-Stempeldruck (soft lithography)
Prof. Dr. Marga Lensen
21
Vgl. ZiG/TU Berlin (2009), S. 54.
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Membran aus Gold-Nanopartikeln (Fachgebiet Nanostrukturierte Biomaterialien,
Jun.-Prof. Lensen, TU Berlin)
und Nanoimprintlithografie werden Oberflächenmuster chemischer oder
topographischer Art, Kombinationen aus den beiden und Gradientenmuster
erzeugt und Zellwachstum und -migration studiert. Daneben werden auch
supramolekulare Selbstorganisationsprinzipien untersucht, um hierarchische
Muster zu bilden. Mit Untersuchungen zum Adhäsionsverhalten von Zellen an
gewissen (Nano-)Topographien versucht man die abgegrenzte zelluläre Antwort (Ausrichtung an µm-Nuten, Verbreitung auf µm-Säulen, sog. ›contact
guidance‹) zu erklären, wobei die initiale Proteinadsorption und die Abhängigkeit von der Substratelastizität genauer in Augenschein genommen werden.
und forscht an Einsatzmöglichkeiten dieser Werkstoffe in der Katalyse (Kapitel
Energiewandlung und -speicherung) als bioaktive/biokompatible Werkstoffe
im Zellkontakt (Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen) und in der
Zellkulturtechnik.
Im gleichnamigen Projekt entstanden ›proteinbasierte biokompatible
Keramikstrukturen für Bioreaktoren‹. Um möglichst hochporöse (hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis) keramische Strukturen zu erzeugen, kommen
während eines Verschäumungsprozesses Biopolymere (Proteine) zum Einsatz,
die sich um die entstandenen Gasblasen legen und den Schaum stabilisieren.
Nach Ausbrennen und Sintern und je nach Rohstoffart, -anteil und Herstellungsparametern entstehen Scaffolds (aus biokompatiblem Aluminiumoxid)
mit unterschiedlichen Porenstrukturen. Die gut durchströmbaren Scaffolds
wurden am Fachgebiet Mess- und Reglungstechnik in einem Bioreaktor
Besiedlungstests unterzogen.
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Weitere Teilprojekte zu besiedelbaren/besiedelten Implantatmaterialien wurden im Projekt ›Kompetenznetzwerk Bioaktive Oberflächen‹ (2002 bis 2005)
zusammen mit regionalen und überregionalen Forschungspartnern initiiert:
■ Blut-Keramik-Hybridmaterialien als Leitstrukturen für die Knochendefektheilung (TU/Charité Campus Benjamin Franklin, Rehau, Otto Bock).
■ Gradierte Protein-Apatit-Hybridmaterialien und mechanische Stimulation
für die Knorpeldefektheilung (TU/Charité Campus Benjamin Franklin und
Campus Virchow-Klinikum).
Das Netzwerk diente allgemein der Erforschung von bioaktiven Oberflächen als
›Adapter‹ zwischen Werkstoff und Organismus, um beispielsweise cytotaktische
Aktivitäten umzusetzen oder Zellwachstum und -differenzierung zu fördern
und somit Heilungsprozesse zu beschleunigen.
Am Institut für Biochemie und Biologie der Universität Potsdam, Lehrstuhl für
Biotechnologie (Prof. Micheel), liefen bis 2006 im Rahmen von Promotionen
und einer Kooperation mit dem HZG (Teltow) Untersuchungen zu Wechselwirkungen von Immunzellen mit Oberflächen synthetischer und speziell
biomimetischer Art. Katja Heilmann beschreibt die Herstellung synthetischer
Oberflächen (Flachmembranen), die einen Einfluss auf Wachstum und Antikörperproduktion von Hybridomzellen haben. Die bei der Kultivierung eingesetzten Polymermembranen (PAN, NVP) führten zu einer um 30 Prozent
höheren Antikörpersynthese als bei herkömmlichen Zellkulturmaterialien
(Polystyrol). Offenbar besteht ein Zusammenhang zwischen der Produktivität
und dem Adhäsionsverhalten der Hybridomzellen. Um den Einfluss von Proteinen der extrazellulären Matrix auf Zellwachstum und Antikörpersynthese
von Hybridomzellen zu untersuchen, wurden proteinbeschichtete PolystyrolOberflächen (biomimetische Oberflächen) eingesetzt. Je nach Proteinart zeigten
sich Steigerungen in der Antikörpersynthese von bis zu 120 Prozent, was für den
industriellen Einsatz (Bioreaktoren) relevant sein könnte.
Neben der Herstellung synthetischer Oberflächen wurden Untersuchungen
zur in vitro-Immunisierung mittels Glasoberflächen mit einer adsorbierten
biomimetischen Lymphknotenmatrix durchgeführt. Diese Funktionalisierung
unterstützt Immunzellen bei einer künstlichen Immunreaktion – ein Ergebnis,
das für die Herstellung humaner Antikörper bedeutsam ist.
Prof. Dr. Burkhard Micheel
An der Hochschule Lausitz im Labor Biopolymere beschäftigt sich Prof. Salchert
mit chemisch und physikalisch funktionalisierten Oberflächen von Bulkmaterialien für präparative Zwecke in den Lebenswissenschaften wie zur Verbesserung
der Zelladhäsion, -proliferation und der Zelldifferenzierung. Dafür werden die
Materialien nach einer entsprechenden Vorbehandlung ihrer Oberfläche mit
funktionalen synthetischen oder natürlichen Molekülen im Sinne einer Immobilisierung ausgestattet. Die Nutzung von in der Natur bereits vorhandenen
polymeren Verbindungen wie Kohlenhydraten oder Proteinen, die sich schon
Prof. Dr. Katrin Salchert
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selbst durch Polyfunktionalität auszeichnen, bietet sich nicht zuletzt wegen
ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer Reorganisierbarkeit an.
Zusammenfassend werden folgende Methoden angewendet und Ziele verfolgt:
■ Methoden der Funktionalisierung polymerer und biopolymerer Oberflächen
– Erzeugung geeigneter funktioneller Gruppen,
■ Immobilisierung von Proteinen an polymeren und biopolymeren Oberflächen,
■ Nachweis der Immobilisierung, Proteinquantifizierung und Stabilitätsuntersuchungen, Funktionstests,
■ Präparation mikrostrukturierter collagenbasierter Zellkulturträger,
■ Definierte Rekonstitution (Präparation) artifizieller Extrazellulärmatrices für
Zellkulturanwendungen und
■ Zellkultivierung.
Das Projekt ›COLBAMA – Collagenbasierte dreidimensionale Membranen für
gerichtetes Zellwachstum‹, ein im Rahmen des Programms Ingenieurnachwuchs 2010 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziertes
Vorhaben, vereint die genannten Technologien. Ziel ist die Entwicklung eines
Zellkulturträgers für Tissue Engineering-Anwendungen, was eine Mikrostrukturierung von Matrices (Vliesen) auf der Basis von Collagen Typ I für die
Induzierung gerichteten Zellwachstums beinhaltet.
Entgegen der klassischen Kultivierung von Zellen an planaren polymeren
oder Glasoberflächen (keine in vivo-Bedingungen), soll die in vitro-Kultivierung primärer Zellen durch eine auf den jeweiligen Zelltyp anpassungsfähige
artifizielle extrazelluläre Matrix, bestehend aus Adhäsionsproteinen, Signalproteinen und Wachstumsfaktoren, gesteigert werden. Durch Abformung von
geeigneten Mastern werden mikrostrukturierte, pseudo-dreidimensionale,
zylindrische Konstrukte auf der Basis von Collagen erzeugt, zusätzlich biochemisch funktionalisiert und durch Gradierung signalgebender Proteine eine
möglichst gerichtete Adhäsion, Migration und Proliferation der Zellen erreicht.
Das Labor bietet Forschungskooperationen zur Polymerfunktionalisierung,
zur Erzeugung biopolymerbasierter Zellkulturträger sowie Beratungsleistungen
zur Analytik von Biopolymeren an.
Dr. Marc Behl
Dr. Karl Kratz
Die Abteilung Grenzflächen (Dr. Kratz) am HZG, Zentrum für Biomaterialentwicklung arbeitet in Kooperation mit den Abteilungen Polymerchemie
(Dr. Behl, Synthese bioabbaubarer oder nicht-degradierbarer biokompatibler
Polymere aus Monomeren/Precursoren) und Polymertechnologie an der Entwicklung funktionaler polymerer Werkstoffe mit nanoskaligen Eigenschaften
für den Einsatz in der regenerativen Medizin. Ein Forschungsschwerpunkt der
Abteilung sind funktionale und stimulisensitive Grenz- und Oberflächen für
den Kontakt mit biologischen Systemen. Hier widmet man sich der Topologie
von Polymeroberflächen (Biomaterialien), mit der sich Adhäsion, Proliferation
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und Differenzierung unterschiedlicher Zelltypen steuern lassen. Zur Strukturierung werden Gießtechniken aus Lösung, Heißprägetechniken und Elektrospinnen, für Modelloberflächen auch Schleuder- (Spin-Coating) und Tauchbeschichtung (Dip-Coating) eingesetzt. Analysen der Oberflächen erfolgen mittels
Raster-Elektronenmikroskopie (REM), Raster-Kraftmikroskopie (SFM), optischer
Profilometrie und Digitalmikroskopie, die Analyse von Grenzschichten zu wässrigen Umgebungen mittels SFM sowie Kontaktwinkel- und Strömungspotenzialmessungen. Weiterhin zählen Untersuchungen zum Einfluss von Sterilisationsverfahren auf die Grenzflächeneigenschaften polymerer Biomaterialien
zum Forschungsgebiet der Abteilung.
Die Forschungsaktivitäten zu polymerbasierten Biomaterialien am Zentrum
für Biomaterialentwicklung in Teltow (unter Leitung von Prof. Lendlein) sind
eingebunden in das Querschnitts-Forschungsprogramm ›Regenerative Medizin‹
der Helmholtz-Gemeinschaft im Forschungsfeld Gesundheit. Polymerbasierte
Biomaterialien werden zur gezielten Unterstützung der körpereigenen Regeneration (regenerative Medizin) eingesetzt und in der klinischen Anwendung
getestet. Dazu gehören Adsorber- und Trägermaterialien für die Apherese
(Blutwäsche) und das Tissue Engineering (Züchtung von Geweben); weitere
Anwendungsgebiete finden sich im Kapitel Oberflächen in der Nano-Biotechnologie. Die Materialien werden multifunktional entwickelt, sie weisen also
Kombinationen von Materialfunktionen wie Biokompatibilität und spezifische
Oberflächeneigenschaften (auch bestimmte mechanische Eigenschaften, Biodegradierbarkeit oder Formgedächtniseigenschaften) auf. Über das Verständnis, zum Beispiel mit Hilfe der molekularen Modellierung, soll es gelingen,
durch relativ kleine Änderungen von chemischer Struktur und Verarbeitungsbedingungen viele Eigenschaften einzustellen (unter anderem Oberflächenphänomene in Kombination mit Stimulisensitivität).
Prof. Jung führt sowohl in der Abteilung Biokompatibilität am HZG als auch
in der Forschergruppe Biointerface Engineering/In vivo-Testing am BerlinBrandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) breit gefächerte Evaluierungen von Polymersystemen hinsichtlich ihrer Biokompatibilität (Histo- und
Hämokompatibilität) durch. Dies ist zum einen mit dem Einsatzzweck kurzoder langfristig resorbierbaren Implantatmaterials verbunden (Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen), zum anderen für Gerüst- und Trägermaterialien im Tissue Engineering, als Komponenten von Systemen zur Organunterstützung, zur Kultivierung spezieller Zellen und damit für den Einsatz in der
Regenerativen Medizin gedacht.
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Jung
Im Forschungsfeld ›Polymer-based Biomaterials‹ (geleitet von Prof. Lendlein) des Berlin-Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) leitet
Dr. Scharnagl die 2009 etablierte Key-Technology-Plattform ›Cell and Tissue
Specific Materials‹ (CTSM). Sie dient dazu, anwendungsorientierte Projekte zum
Transfer von Biomaterialien in medizinische/klinische Anwendungen voran-
Dr. Nico Scharnagl
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zubringen. Dazu steht zunächst die Synthese von neuen Polymeren auf dem
Programm (auf Basis von klassischen Co-Monomeren durch Co-Polymerisation,
stimuli-sensitive, biomimetische, hydrophile oder hinsichtlich Oberflächenladung einstellbare Polymere). Dann folgen Tests dieser Materialien im Kontakt
mit Zellen/Gewebe hinsichtlich Toxizität, Biokompatibilität und Zellinterfacebzw. Abbauprozessen (Degradierbarkeit). Zu guter Letzt soll die Plattform dazu
beitragen, die Übersetzung in kommerzielle Produkte zu bewältigen, das heißt
Prototypen und Kleinserien für klinische Studien herzustellen. Solche Produktkonzepte für die Regenerative Medizin wären zum Beispiel Zellkulturhilfsmittel/geräte, funktionale (besiedelte) Implantate und Trägerstrukturen (Scaffolds)
sowie weitere Anwendungen im Tissue Engineering wie die Verhinderung von
Narbenbildung nach Hautverletzungen. Als erstes Produkt wurde 2009 die Cell
and Tissue Specific Material-Box, CTSM-Box© vorgestellt.
Mit dem BCRT verbunden ist die Graduiertenschule 203, Berlin-Brandenburg School for Regenerative Therapies (BSRT), in der passende Projekte wie
›Acrylonitrile-based polymeric biomaterials for cell-specific interaction‹ bearbeitet werden.22
Wirtschaft
Zellwerk GmbH
HiPer-Gruppe
Die Zellwerk GmbH (Teil der HiPer-Gruppe) ist ein Entwickler und Hersteller von
Zellträgern und Implantatmaterialien sowie Spezialist in der Zellkulturtechnik. Die sogenannte Z® RP-Technologie wurde hier für das adhärente Wachstum von Zellen auf dotierten anorganischen Sponceram®-Zellträgern (dünne
makroporige und zusätzlich mikroporige Scheiben, extrem saugfähig und mit
großer Oberfläche) entwickelt. Die Technologie ist für Vermehrung und Ernte
primärer Zellen und Stammzellen für Therapiezwecke oder für zellbesiedelte
Implantat-Gerüste, wie sie bei Zellwerk für Forschungszwecke aus Sponceram®
und anderen Werkstoffen angefertigt werden, geeignet.
Besiedlung von Zellträgern, Sponceram®-Scheiben (Zellwerk GmbH)
22
BSRT (2010), S. 5–6.
75
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Netzwerke
BioTOP Berlin-Brandenburg ist zentrale Anlauf- und Koordinationsstelle für die
Belange der Biotechnologie in der Hauptstadtregion und wird in Trägerschaft
beider Länder betrieben. Mit interdisziplinärer Vernetzung (in wissenschaftlichen Schwerpunktthemen wie Regenerative Medizin, Bioanalytik/Diagnostik, Wirkstoffentwicklung), Strategieberatung/Technologietransfer, Branchenreports, Standortmarketing usw. engagiert sich BioTOP für die Biotechnologieregion.
BioTOP Berlin-Brandenburg
Fazit
Das Forschungsfeld Tissue Engineering bzw. die regenerative Medizin ist ein
Forschungsschwerpunkt in der Hauptstadtregion, die Züchtung verschiedenster Zell- und Gewebearten zur Regeneration krankheitsbedingter oder sonstiger Organschäden wird hier vorangetrieben. Forschung und Entwicklung an
Oberflächen und Werkstoffen finden an mehreren Forschungseinrichtungen
der Region statt. Schwerpunktmäßig werden polymere Werkstoffe mit einstellbaren Oberflächeneigenschaften (bezüglich Zelladhäsion, -migration und
-differenzierung) untersucht. Anhand von funktionalen, besiedelten Trägerstrukturen (Scaffolds), beispielsweise als Knochenersatzimplantat, und mit
Zellen interagierenden Oberflächen (Signalübertragung) werden die fließenden Grenzen zu den Themen biokompatible und bioaktive Oberflächen bzw.
Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik deutlich.
Zusammen mit den anderen Fragestellungen innerhalb der ›Werkstoffe
im Zellkontakt‹-Thematik könnte die Oberflächentechnik im Tissue Engineering ausgebaut werden und von den querschnittsartigen Oberflächen- und
Schichttechnologieentwicklungen profitieren. Andere Forschungseinrichtungen
sehen werkstofftechnische Fragestellungen, insbesondere Oberflächenphänomene, und die medizinische/medizintechnische Anwendung in unmittelbarem
Zusammenhang. Dies gilt zum Beispiel für die TU Hamburg-Harburg mit dem
Forschungsschwerpunkt ›Regeneration, Implantate und Medizintechnik‹23.
5.2.3 Oberflächen in der Nano-Biotechnologie
Abgrenzung
Die Kenntnisse über Bau- und Wirkprinzipien biologischer Prozesse (Mustererkennung, Stoffwechsel/Energieumwandlung usw.), die sich auf nanoskaliger,
also Makromolekül-Ebene abspielen, werden zunehmend zum Interagieren
mit biologischen Systemen durch technische Mittel genutzt, die ebenfalls einen
nanoskaligen Aufbau erfordern.24 Die betrachteten Strukturen sind meist selbst-
23
TU Hamburg-Harburg (2011), S. 18.
24
Vgl. Fraunhofer Allianz Nanotechnologie (2011).
76
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organisierend (Doppelschichtmembranen, Mizellen und Ähnliche) und dienen
der Mikroverkapselung von Wirkstoffen, dem Wirkstofftransport (Drug Delivery)
und der kontrollierten Wirkstofffreigabe (Controlled Release). An einem natürlichen Vorbild orientiert (zum Beispiel Virenimitat), dienen die Oberflächen
nach dem Prinzip der molekularen Erkennung dazu, Wirkstoffe durch natürliche Membranen zu schleusen oder eine künstliche Immunreaktion hervorzurufen. Die Fachgebiete physikalische Chemie, Pharmazie und Biotechnologie
sind in die Fragestellungen am meisten involviert; zudem können die Erkenntnisse und Lösungen aus biologischen Wirkmechanismen auch auf technische
Prozesse übertragen werden. Permanent ist das ›nano‹-Technologiefeld mit
der gesundheitlichen und umweltbezogenen Vertretbarkeit ihrer Produkte
konfrontiert, was umfangreiche Begleitforschung zu Sicherheit, klinischen
Studien/Zulassungsprozessen (Arzneimittelgesetz) und Normierungsbemühungen nach sich zieht.
Wissenschaft
der Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen, unter anderem auf Oberflächen, dienen. Für die kontrollierte Einbringung und Abgabe aktiver Stoffe
in den (menschlichen) Organismus, also Drug Delivery, sind solche Molekülarchitekturen von Bedeutung. In Form von Nanokapseln (Nanocarrier) bewerkstelligen sie Verkapselung, Transport und kontrollierte Freisetzung von cytotoxischen oder instabilen Stoffen (Medikamenten) am Wirkort (zum Beispiel
Tumormedikation, auch DNA/RNA).
Dendritische Polymere können auch funktionale Biomakromoleküle nachahmen (Mimicry), die von therapeutischer Relevanz sind. So wurden bereits
spezielle Proteine (Histone zur DNA-Verpackung) oder Polysaccharide wie Heparin nachgeahmt, wobei hauptsächlich die Oberflächenladung ein Kriterium
darstellte. Die Anwendungen der Molekülarchitekturen reichen von proteinresistenten Beschichtungen (Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen,
Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik und Umwelttechnik), über
DNA-Transfektionsmittel (polykationische Systeme) bis zu Antigerinnungs- und
entzündungshemmenden Medikamenten (polyanionische Systeme).
Am Sonderforschungsbereich 765 ›Multivalenz als chemisches Organisations- und Wirkprinzip: Neue Architekturen, Funktionen und Anwendungen‹
ist Prof. Haag mit dem Teilprojekt A6 ›Modulare Synthese von biokompatiblen
Gerüstarchitekturen‹ beteiligt. Das Projekt befasst sich mit der modularen
Synthese von dendritischen Polyglycerinen bzw. Hybridträgersystemen, der
Funktionalisierung dieser Gerüstarchitekturen mit biologisch aktiven Oligosacchariden (Sialinsäurederivate bzw. Selektinliganden) und der Synthese
77
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linearer biokompatibler Oligoglycerinspacer. Untersucht wird der Einfluss der
Spacerstruktur, die die verschiedenen Bindungsstellen zu einem multivalenten
Bindungspartner verknüpft (für multivalente Wechselwirkungen mit biologischen Systemen wie Proteinen, Viren und Zellen). Der gesamte Projektbereich
A befasst sich mit den mittels chemischer Synthese erzeugten multivalenten
Wirt-Gast-Systemen und Multivalenz als Prinzip der molekularen Erkennung,
um neuartige Strukturen in deren Molekulararchitektur zu realisieren.
Am BMBF-Projekt ›Innovationsnukleus Polymere für die Biomedizin Berlin
Brandenburg‹ (Poly4Bio BB, Start 2011) ist die Arbeitsgruppe von Prof. Haag mit
dendritischen Polyglycerinen als biologisch sehr gut verträglichen Substanzen
(hochverzweigte Makromoleküle) beteiligt. Im Verbund aus dem Zentrum für
Biomaterialentwicklung Teltow (HZG), der Freien Universität Berlin, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM, der Charité-Universitätsmedizin Berlin sowie der Universität Potsdam sollen neue Biomaterialien für
Anwendungen in den Lebenswissenschaften (Bioanalytik/Imaging, Pharmazie
und Medizin) entwickelt, validiert und verwertet werden.
Im Bereich Physikalische und Theoretische Chemie – Struktur – Dynamik –
Umwelt (Prof. Rühl) der FU Berlin sind kolloidchemisch synthetisierte Nanopartikel unterschiedlicher Zusammensetzung und Architektur sowie Funktionalisierung der Oberfläche Forschungsgegenstand. Die physiko-chemische
Charakterisierung wird mit optischer Spektroskopie, Elektronenspinresonanz
EPR, Elektronenmikroskopie, Fluoreszenz-, Raman-Spektroskopie und Experimenten mit Synchrotronstrahlung, unter anderem zum zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (X-MCD), sowie Röntgenmikroskopie durchgeführt.
Am Sonderforschungsbereich 765 ist Prof. Rühl mit dem Teilprojekt C5
›Thermodynamik und Kinetik der Bindung multivalenter Verbindungen an
makroskopischen Grenzflächen und größenselektierten Nanopartikeln‹ beteiligt. Untersucht wird die Wechselwirkung multivalenter Systeme (zum Beispiel
Linker) mit planaren wie gekrümmten Grenzflächen. Vor allem sollen thermodynamische/kinetische Kenngrößen sowie verbesserte Modellvorstellungen zum quantitativen Verständnis der multivalenten Wechselwirkungen mit
Substraten abgeleitet bzw. gewonnen werden.
Prof. Dr. Eckart Rühl
Der Arbeitskreis Organische Chemie (Prof. Rück-Braun) der TU Berlin befasst sich
mit organischer und metallorganischer Chemie, speziell Fotoschaltern, metallvermittelten Reaktionen und Reaktionskaskaden bzw. Synthese und Funktionalisierung von Heterocyclen. Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung
und Synthese von Fotoschaltern für biologische Anwendungen (fotoschaltbare
Enzyminhibitoren, fotoschaltbare Peptide abgeleitet von Proteindomänen,
fotoschaltbare Ionenkanäle) und von Fotoschalter-Linker-Konjugaten für
nanostrukturierte Oberflächen.
Prof. Dr. Karola Rück-Braun
78
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In den Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen
Schaltern an Oberflächen‹ ist die Gruppe von Prof. Rück-Braun mit dem Teilprojekt B 6 ›Photoschalteinheiten für Elementarprozesse an Oberflächen‹ involviert. Darin werden Photoschalteinheiten und Photoschalter-Linker-Konjugate
als photochrome Systeme im Baukastenprinzip für die Anwendung an Oberflächen maßgeschneidert (Azobenzole, Fulgimide und Hemithioindigos sowie
Diarylethene, Spirooxazine, Benzo- und Naphthopyrane). Des Weiteren werden photoschaltbare Self-Assembled Monolayers (SAM) auf Siliziumoberflächen
präpariert (On-Chip-Synthese) und charakterisiert.
Prof. Dr. Joachim Koetz
Die Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls Kolloidchemie (Prof. Koetz) der Universität Potsdam betreffen insbesondere die Rolle von Polyelektrolyten in
selbstorganisierten Tensidsystemen, speziell die Wechselwirkung lamellarer
flüssigkristalliner Systeme, das heißt künstlicher Biomembransysteme mit geladenen Polymeren (Polyelektrolyte). Kationische Polyelektrolyte werden dazu
in ein ionisch geladenes Doppelschichtmembransystem (aus anionischem Tensid: Natriumdodecylsulfat SDS/Dekanol und Wasser oder phospholipidhaltige
Doppelschichtsysteme) eingebracht, ohne dass sich das System entmischt.
Vielmehr wird durch eine partielle Ladungsneutralisation die Doppelschichtmembran zu Kugeln (multivesikulare Überstruktur) aufgerollt. Diese finden
Anwendung insbesondere bei der Wirkstoffapplikation (Drug Delivery).
Prof. Dr. Mont KumpugdeeVollrath
Am Labor Chemische und Pharmazeutische Technologie (Prof. KumpugdeeVollrath) der Beuth Hochschule für Technik Berlin beschäftigt man sich mit
verschiedenen Arzneiformen, deren Herstellung und Charakterisierung. Ein
Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung kolloidaler Nano-Drug-DeliverySysteme, zum Beispiel von Liposomen, Niosomen, Mikroemulsionen und
Nanopartikeln. Für Strukturuntersuchungen werden verschiedene Charakterisierungsmethoden wie Streuungstechniken (Licht, Röntgen aus SynchrotronQuelle, Neutronen), Mikroskopie (TEM, REM, AFM, Fluoreszenz, Polarisation),
Kalorimetrie, Kern-Spin-Resonanz (NMR), UV-VIS-Spektroskopie und Chromatographie eingesetzt. Des Weiteren stehen pharmazeutische Verfahrenstechniken im Blickpunkt, darunter Coatingtechnologien für Pellets und Tabletten. Zur
Untersuchung der Eigenschaften werden wiederum physikalisch-chemische
Methoden wie Röntgen-Pulver-Diffraktometrie, Dünnschichtchromatographie
DC, Differenzscanning-Kalorimetrie DSC, NMR, Fourier-Transform-InfrarotSpektroskopie FTIR eingesetzt.
Überzugmaterialien für Arneistoffe haben die Aufgabe, Wirkstoffe bis zu ihrer
Freisetzung durch den Organismus (Verdauungstrakt) zu schleusen, kontrolliert
Wirkstoff über einen längeren Zeitraum freizusetzen sowie selbst zunehmend
gesundheitsfördernd und umweltfreundlich (unschädliche Lösungsmittel,
Coatingmaterialien auf Protein-/Biopolymerbasis) zu sein. Erzeugt werden
soll eine möglichst glatte, homogene Filmoberfläche auf dem Arzneigut, die
genauso abhängig von der Anlagentechnik ist wie ein rentabler und umwelt79
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freundlicher Zeit- und Energieaufwand beim Sprühprozess. Einige geeignete
Überzugsmaterialien (zum Beispiel Hydroxypropylmethylcellulose) wurden im
Rahmen einer Promotion hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit der Arzneiform und Schichtdicke des aufgetragenen Films experimentell untersucht. Ziel
war es insbesondere, biologische, umweltfreundliche Coatingmaterialien auf
der Basis von Proteinen und Peptiden zu entwickeln.25
Die Arbeitsgruppe Mikroverkapselung um Dr. Hahn am Fraunhofer-IAP hat
neben klarem Anwendungsbezug in den Bereichen Energiewandlung und
-speicherung, Umwelttechnik und Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation
(vergleiche entsprechende Kapitel) auch Kapazitäten bei biotechnologischen/
nanomedizinischen Anwendungen.
Die Mikroverkapselung als polymere Umhüllung wie auch immer gearteter
Kernmaterialien ist Thema und Arbeitsinhalt der Fachgruppe (Kenntnisse zu
Chemie, Technologie, Verarbeitung und Applikation von Polymeren). Die Veränderung der Oberfläche von Partikeln/Inhaltsstoffen durch Mikrokapseln, ein
Wandmaterial oder Matrixpartikel präpariert sie für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsgebieten, wo sie sonst nicht bleiben (sich auflösen, zu schnell
verbrauchen) würden, vor allem bei
■ bioabbaubaren Partikeln für Medizin/Pharmazie (Wirksubstanz vor der
Umgebung schützen oder umgekehrt; dosierte Wirkstoffabgabe/Controlled
Release),
■ pharmazeutischen Wirkstoffen (Peptid- und Steroidhormone, Zytostatika),
■ allgemeinen Life Science-Anwendungen (auch Kosmetik, Lebensmittel) mit
Kernmaterialien wie Peptiden, Parfümölen, Farbpigmenten.
Dr. Mathias Hahn
Mit dem Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) hat das
Fh-IAP 2009 die Technologieplattform Mikroverkapselung ins Leben gerufen.
Sie verfolgt das Ziel, das Potenzial der Technologie zu nutzen, in verschiedenen Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen, oder Unternehmen diese Chancen rechtzeitig nutzen zu lassen. Seit 2011 in der zweiten Phase
befindlich, bündelt, sammelt und bewertet die Plattform Informationen zur
Mikroverkapselung und gibt sie per Newsletter und in Foren (2008 bis 2010)
bzw. Konferenzen (zum Beispiel im Oktober 2011 in Berlin) an die teilnehmenden Firmenmitglieder weiter.
Die Abteilung Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide am Fraunhofer-IAP (Prof. Laschewsky, zugleich Professor für Angewandte Polymerchemie
an der Universität Potsdam) beschäftigt sich mit Polymeren und deren Grenzflächengestaltung auf Nanoebene.
Zum einen sind Polymere hydrophiler Art, die also mit hydrophilen Gruppen ausgestattet sind (Polyelektrolyte), oder auch Überstrukturen bildende,
amphiphile, mit schaltbaren Gruppen versehene Polymere (sowohl hydrophil
als auch lipophil) Forschungsgegenstand. Am Sonderforschungsbereich 448
Prof. Dr. André Laschewsky
25
Vgl. Thümer, Reinhard et al. (Hrsg.)
(2008), S. 46–50.
80
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›Mesoskopisch strukturierte Verbundsysteme‹ (Laufzeit 1998 bis 2009) waren
die Forscher (Prof. Laschewsky, Dr. Lutz) dazu mit dem Teilprojekt A 17 ›Selbstorganisation von amphiphilen Pfropf-Block-Copolymer-Hybriden in Lösung
und an Oberflächen‹ beteiligt. Derartige Nanostrukturen lassen sich zum
Wirkstofftransport bzw. zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung in natürlichen
(Medizin) und synthetischen Systemen nutzen.
Zum anderen stehen wasserunlösliche Vertreter im Blickpunkt, die sich
aber in Wasser verarbeiten lassen. Auch bei diesen nutzt man die Bildung von
Über- und Unterstrukturen, sei es in Form der Trennung von Reaktionsräumen
in wässrigen Dispersionen oder von kleinen kompakten Teilchen mit großer
Oberfläche. Daraus resultiert die medizinische Anwendung solcher Modellkolloide, indem Teilchenoberflächen für adsorptive und kovalente Beladung mit
Antikörpern, Antigenen, Enzymen, Lektinen usw. ›designt‹ werden und somit
Wirkstoffe definiert ›per Blutkreislauf zum Zielorgan‹ gelangen können.
Weitere Anwendungsgebiete nanodispersiver Polymerkolloide oder polymerer Oberflächen und Membrane finden sich in den Kapiteln Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik und Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/
Aktuatorik. Das Fh-IAP ist mit seinen Forschungsarbeiten auf Nanoebene Teil
der Fraunhofer Allianz für Nanotechnologie und damit mit anderen Fraunhofer-Instituten vernetzt.
Dr. Jean-François Lutz
Polymere Nanopartikel in der Medizin sind auch Arbeitsinhalt der Nachwuchsgruppe ›Polymere Nanotechnologie für Life Sciences‹ (Dr. Lutz, Dr. Wischerhoff),
die das Fh-IAP zusammen mit der Max-Planck-Gesellschaft 2002 ins Leben rief
und mit der grundlagenorientierte Kenntnisse (Grenzflächen, Kolloide am MPI)
zeitnah zu angewandten Polymersystemen (Polymere/neue Materialien für die
Medizin am IAP) umgesetzt werden sollen. Biologische Einheiten selbst liefern
zahlreiche Vorbilder für polymere Nanosysteme. So werden in der Nachwuchsgruppe
■ wohldefinierte makromolekulare Strukturen (Diblock-Copolymere zur DNAKomplexierung als nichtvirale Genvektoren),
■ die supramolekulare Selbstorganisation (amphiphil segmentiere BlockCopolymere als organisierte Nanostrukturen, Mizellen, MultikompartmentMizellen und damit als Vehikel für Drug-Delivery-Anwendungen) und
■ Kolloide (monodisperse Ferrofluide, inorganische Partikel aus Magnetit,
beschichtet mit molekularen Tarnkappen, also Diblöcken von synthetischen
Polymeren und Polypeptiden)
untersucht.
Die synthetischen, nach biologischen Bauprinzipien konzipierten Polymermaterialien eignen sich als Träger für medizinische Wirkstoffe (Drug Carrier), lassen
durch maßgeschneiderte Oberflächen einen zielgerichteten Transport durch
den Organismus zu (Drug Targeting) und setzen durch ihre Abbaubarkeit den
eingeschlossenen Wirkstoff zur richtigen Zeit wieder frei (Controlled Release).
81
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Die Abteilung ›Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide‹ (Prof.
Laschewsky) und die NWG ›Polymere Nanotechnologie für Life Sciences‹ sind
in der Forschungsinitiative ›Synthetische Bioaktive Oberflächen – Biologische
Modelle und neue Materialien für biotechnologische Anwendungen‹ aktiv. In
diesem Exzellenznetzwerk erforschen und entwickeln sieben sich ergänzende
Arbeitsgruppen im Wissenschaftspark Golm (Fh-IAP, MPI-KG/Theorie & BioSysteme, MPI-KG/Grenzflächen, MPI-KG/Kolloidchemie, Universität Potsdam
und Fh-IBMT) bioaktive Oberflächen. Im Mittelpunkt stehen kolloidale und
flache Modelloberflächen. Diese sind in der Lage, mit verschiedenen biologischen Substanzen wie DNA, RNA, Proteinen, Enzymen, Wachstumsfaktoren,
Viren, Bakterien, Membrankanälen oder Zellrezeptoren zu interagieren, also
spezifische und responsive Wechselwirkungen mit biologischen Verbindungen
einzugehen (synthetische Oberflächen mit aktiver Rolle). Das Fh-IAP leitet das
Teilprojekt ›Intelligente Polymeroberflächen für DNA oder Proteinbioseparationen‹ und kooperiert mit fast allen anderen Teilprojekten (vergleiche MPI-KG,
Fh-IBMT in diesem Kapitel bzw. in Oberflächentechnik in Bio-Analytik und
Diagnostik).
Am Berlin-Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT, Charité
Research Center) leitet Prof. Lendlein das Forschungsfeld ›Polymer-based Biomaterials‹ und darin die Key-Technology-Platform Controlled Drug Delivery
Systems (CDDS). Prof. Lendlein ist Leiter des Zentrums für Biomaterialentwicklung in Teltow (Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung HZG) und hat gleichzeitig
eine gemeinsam vom HZG und der Universität Potsdam/Institut für Biochemie
und Biologie berufene Professur Materialien in den Lebenswissenschaften
inne.
Die Forschung in der CDDS-Plattform konzentriert sich auf neue Konzepte
für Drug-Carrier-Technologien in der regenerativen Medizin, speziell bei
parenteraler Verabreichung von Medikamenten, also durch Injektion, Infusion oder Implantation. Insbesondere zur Anwendung bzw. präklinischen und
klinischen Evaluation neu entwickelter Wirkstoffe und ihres Potenzials für die
regenerative Therapie werden Pilot-Drug-Carrier-Systeme gebraucht, da DrugCarrier wirkstoffspezifisch und an die jeweilige Indikation oder Freisetzungsrate
angepasst hergestellt werden.
Die Forschungsaktivitäten zu polymerbasierten Biomaterialien am Zentrum für Biomaterialentwicklung sind eingebunden in das QuerschnittsForschungsprogramm ›Regenerative Medizin‹ der Helmholtz-Gemeinschaft
im Forschungsfeld Gesundheit. Polymerbasierte Biomaterialien werden zur
gezielten Unterstützung der körpereigenen Regeneration (regenerative Medizin) eingesetzt und in der klinischen Anwendung getestet. Darunter befinden
sich intelligente Drug-Delivery-Systeme für pharmazeutische Anwendungen
(zu weiteren Anwendungsgebieten vergleiche Kapitel Oberflächentechnik im
Tissue Engineering). Die Materialien werden multifunktional entwickelt, sie
Prof. Dr. Andreas Lendlein
82
10.02.12 14:19
weisen also Kombinationen von Materialfunktionen wie Biokompatibilität und
spezifische Oberflächeneigenschaften (auch bestimmte mechanische Eigenschaften, Biodegradierbarkeit oder Formgedächtniseigenschaften) auf. Über
das Verständnis, zum Beispiel mit Hilfe der molekularen Modellierung, soll es
gelingen, durch relativ kleine Änderungen von chemischer Struktur und Verarbeitungsbedingungen viele Eigenschaften einzustellen (unter anderem Oberflächenphänomene in Kombination mit Stimulisensitivität).
Am BMBF-Projekt ›Innovationsnukleus Polymere für die Biomedizin Berlin
Brandenburg‹ (Poly4Bio BB, Start 2011) ist das HZG, Zentrum für Biomaterialentwicklung beteiligt. Im Verbund aus HZG, Freier Universität Berlin, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM, Charité – Universitätsmedizin
Berlin sowie Universität Potsdam sollen neue Biomaterialien für Anwendungen
in den Lebenswissenschaften (Bioanalytik/Imaging, Pharmazie und Medizin)
entwickelt, validiert und verwertet werden.
Dr. Adam Lee Sisson
Im Forschungsfeld ›Polymer-based Biomaterials‹ (geleitet von Prof. Lendlein)
des Berlin-Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) findet sich
zur Key-Technology-Plattform ›Cell and Tissue Specific Materials‹ (CTSM) eine
gleichnamige Nachwuchsgruppe (Dr. Sisson). Auf Basis der synthetischen
Chemie werden nanoskalige Materialien mit Antwortverhalten in biologischer
Hinsicht entwickelt. So konnten mittels Polymerisation von Glycerinderivaten
in inversen Miniemulsionen biokompatible, hydrophile, verzweigte Polyether
einstellbarer Größe (25 bis 100 nm Durchmesser) erzeugt werden. Des Weiteren gelang die Präparation von bioabbaubaren Partikeln, die stimulisensitive
Verbindungen in der Polymerstruktur inkorporieren. Solche Nanogele werden
an ihrer Oberfläche verschiedentlich mit Farbstoffen, Wirkstoffen, auf Zellen
zielenden Liganden oder einer Kombination dieser drei funktionalisiert, insbesondere um als Nanovehikel für Drug Delivery zu dienen.
Prof. Dr. Helmut Möhwald
Prof. Möhwald ist Leiter der Abteilung Grenzflächen am Max-Planck-Institut
für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG) mit mehreren Forschergruppen ((Quasi) Planar Interfaces, Solid Interfaces und Non-planar Interfaces),
die an molekularen Grenzflächen im Spektrum von Biophysik bis Materialwissenschaften grundlagenorientiert forschen. In der Arbeitsgruppe Optical Manipulation of Capsules and Films (Dr. Skirtach) werden beispielsweise
Membranen aus synthetischen Polymeren und Lipiden auf ihre kontrollierte
Permeabilität hin untersucht, um Drug-Delivery-Systeme mit fernsteuerbarer
Freigabe (Controlled Release) zu entwickeln. Weitere Anwendungen der kontrollierten Freigabe werden in der Arbeitsgruppe Active Interfaces and Coatings
(Dr. Shchukin) bearbeitet und im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren,
Simulation beschrieben.
83
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Die Gruppe (Quasi) planar interfaces (Prof. Brezesinski) der Abteilung Grenzflächen des MPI-KG ist in der Grundlagenforschung von Peptiden (›Peptides
at Interfaces‹), Lipiden (›Lipid-DNA Interactions‹) und synthetischen bioaktiven Oberflächen tätig. Ein Forschungsschwerpunkt sind antibakterielle Peptide
(AP), die mit Zellmembranen direkt, ohne dass es eines spezifischen Rezeptors
bedürfte, interagieren (hauptsächlich zum Zweck der Abwehr in Einzellern oder
im Tier- und Pflanzenorganismus). Die Forschung konzentriert sich auf die
Interaktion mit membranmimetischen Systemen, welche den Lipidaufbau von
Säugetier- und bakteriellen Cytoplasmamembranen imitieren (zweidimensionale, Monolayer, als auch dreidimensionale Strukturen, Vesikel/Mizellen, aus
Phospholipiden). Bei Zugabe von APs wird eine Auflösung von Bakterienmembranen bewirkt, während eukariotische Plasmamembranen unbeeinflusst
bleiben. Offenbar adsorbieren die APs an die proteoglykan-reiche Cytoplasmamembran von Bakterien besonders gut und verändern die Membranintegrität.
Die antibakteriellen Petide werden als vielversprechende Alternative zu Antibiotika und zum zugehörigen Problem Resistenzenbildung angesehen.
Ziel der Forschungsrichtung ›Lipid-DNA Interactions‹ ist das Verständnis
der Interaktionen zwischen DNA und speziell formulierten Lipiden (mit Aminen in den Kopfgruppen der Moleküle), die in selbstorganisierten Monolayern
(Langmuir) an der Wasser-Luft-Grenzfläche oder als Vesikel in wässrigen Dispersionen vorliegen. Die DNA-Kopplung an einen Lipid-Monolayer führt zur
Ausrichtung der adsorbierten DNA-Stränge. Selbstorganisation und Ordnung
von DNA-Molekülen sind speziell für die Erarbeitung von Biomaterialien, funktionalen Nanostrukturen, DNA-Chips, Biosensoren usw. von Interesse, genauso
für die medizinische Gentherapie (Transduktion von Genmaterial in Zellen) zur
Behandlung von Gendefekten/entsprechenden Krankheiten.
Mit Untersuchungen der grundlegenden physikalischen und chemischen
Eigenschaften von Biomolekülinteraktionen mit synthetischen Oberflächen ist
die Abteilung in der Forschungsinitiative ›Synthetische Bioaktive Oberflächen
– Biologische Modelle und neue Materialien für biotechnologische Anwendungen‹ beteiligt. In diesem Exzellenznetzwerk erforschen und entwickeln
sieben Arbeitsgruppen im Wissenschaftspark Golm (Fh-IAP, MPI-KG/Theorie &
Bio-Systeme, MPI-KG/Grenzflächen, MPI-KG/Kolloidchemie, Universität Potsdam und Fh-IBMT) bioaktive Oberflächen. Im Mittelpunkt stehen kolloidale
und flache Modelloberflächen. Diese sind in der Lage, mit verschiedenen biologischen Substanzen wie DNA, RNA, Proteinen, Enzymen, Wachstumsfaktoren, Viren, Bakterien, Membrankanälen oder Zellrezeptoren zu interagieren,
also spezifische und responsive Wechselwirkungen mit biologischen Verbindungen einzugehen (synthetische Oberflächen mit aktiver Rolle). Die Abteilung
Grenzflächen (Leiter: Prof. Möhwald) leitet die Teilprojekte ›Charakterisierung
von bioaktiven Oberflächenwechselwirkungen‹ (Kontaktdynamik, spezifische
Wechselwirkungen, Bio-Adhäsion) und ›Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen und flexiblen bioaktiven Oberflächen‹ (Lipide, Polymere, Proteine,
DNA, Peptide) und kooperiert mit allen anderen Teilprojekten (vergleiche MPI-
Prof. Dr. Gerald Brezesinski
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KG, Fh-IBMT in diesem Kapitel bzw. in Oberflächentechnik in Bio-Analytik und
Diagnostik).
Wirtschaft
Bayer Health Care
Pharmaceuticals
Bayer HealthCare Pharmaceuticals, ein aus der Schering AG hervorgegangener
Unternehmensteil der Bayer AG, ist in der Forschung und Entwicklung nanomedizinischer Produkte aktiv. Speziell zur verbesserten Freisetzung und Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen und zur Verminderung von Nebenwirkungen
werden nanotechnologische Formulierungen untersucht. Die zielgerichtete
Therapie (Konzentration am Krankheitsherd, Kontrolle über Wirkstoffverteilung im Körper, Moleküloberflächen zur molekularen Erkennung) erfolgt mit
Hilfe wirkstoffhaltiger Nanopartikel (Nanocarrier). Im Arbeitskreis ›Responsible
Production and Use of Nanomaterials‹ der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie (DECHEMA) sowie in den BMBF-geförderten Projekten
›NanoCare‹ und ›Tracer‹ engagiert sich Bayer für den verantwortungsbewussten
Umgang mit Nanomaterialien in pharmazeutischen Anwendungen.
Capsulution Pharma AG
Die Capsulution Pharma AG hat sich auf die LbL-Technologie (vergleiche Surflay
Nanotec GmbH) für pharmazeutische Zwecke spezialisiert. Je nach Verwendungszweck werden durch Capsulution Nanokapseln mit speziellen pharmazeutischen, biochemischen, elektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften ausgerüstet, um sie in den Lebenswissenschaften, hauptsächlich als
Drug Delivery-Systeme, einzusetzen (zum Einsatz bei Medizinprodukten vergleiche Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen). Die Nanokapseln
(Nanocarrier) werden in mehreren Schritten layer-by-layer hergestellt, indem
jeweils Polyelektrolyt-Moleküle per Selbstorganisation einen ultradünnen
Polymerfilm bilden. Vier bis 20 dieser Layer bilden eine Schale von acht bis 50
nm Dicke, vielfach wird die Oberfläche zusätzlich mit Antikörper-Andockstellen
funktionalisiert. Der Kern der Kapsel kann optional entfernt werden oder die
leere Kapsel mit gewünschten Substanzen/Kernmaterialien gefüllt werden.
Verschiedene Technologien werden durch Capsulution vordefiniert: CapsMorph™ zur amorphen Verkapselung schlecht löslicher Wirkstoffe bei oraler
Einnahme, CapsInject™ zur verzögerten in vivo-Freisetzung biologischer Komponenten aus den LBL-Schichten und LBL PLUS, Multilayer-Nanokristalle zur
oralen Einnahme schlecht löslicher Wirkstoffe.
Ferropharm GmbH
Die Ferropharm GmbH ist ein 1998 gegründetes, in Entwicklung und Vertrieb von
superparamagnetischen Nanopartikeln tätiges Unternehmen. Die superparamagnetischen Nanopartikel (Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles
VSOP) bestehen aus Magnetit, Maghemit oder deren Mischoxiden, haben einen
Kern-Durchmesser im Bereich von drei bis 40 nm und werden zur Verhinderung von Aggregation im Schwerefeld der Erde oder in Magnetfeldern mit Sta85
10.02.12 14:19
bilisatorsubstanzen umhüllt. Letztere setzen sich aus organischen Substanzen
wie Citraten (Citronensäure) oder anorganischen Substanzen wie Phosphaten
(VSOP P) und Silikaten (VSOP Si) zusammen. Eine Stabilisierung mit Monomeren bietet Vorteile im Sinne einer besseren Beeinflussbarkeit physikalischer und
biologischer Parameter gegenüber herkömmlichen Eisenoxidpräparaten, die
mit polymeren Verbindungen wie Dextran stabilisiert werden. Die mit Phosphaten und Silikaten stabilisierten Nanopartikel sind thermisch sehr beständig und damit auch für technische Anwendungen geeignet (als magnetische
Ionenaustauscher oder als magnetische Adsorbentien bei technischen Separationsverfahren). Durch weitere Modifizierung der Oberfläche mit adsorptiv
oder chemisch gebundenen Substanzen (Fluoreszenzfarbstoffe, Komplexbildner, Peptide, Proteine, Genabschnitte oder positiv geladene Metallionen
verschiedener chemischer Elemente wie Kupfer, Silber, Gold, Eisenisotop,
Galliumisotop, Technetium-Isotop, Indium-Isotop) werden die Phasengrenzen der superparamagnetischen Nanopartikel den jeweiligen Anwendungen
angepasst. Hauptanwendungsgebiete der VSOP sind medizinische Aufgaben:
sie fungieren zum Beispiel als Magnetresonanztomografie-Kontrastmittel,
Radiopharmakon, für die in vitro-Diagnostik, zur Tumorschädigung, zum
magnetischen Drug Targeting, zum Gentransfer.
Die nanopartica GmbH fertigt und vertreibt Nanokapseln, die aus hochverzweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, damit
in verschiedenen Mitteln löslich sind und unterschiedlichste Moleküle, Metallionen, Metallnanopartikel usw. einschließen können. Je nach Anwendung wird
die Verkapselung zerstört oder die eingekapselte chemische Verbindung nach
und nach ausgelaugt, um eine spezifische Funktion zu erfüllen. Von Bedeutung
für die Anwendung im medizinischen, diagnostischen und biotechnologischen
Bereich sind eingekapselte Stoffe wie Arzneistoffe/Vitamine/sekundäre Pflanzenstoffe und Farbstoffe (zum Beispiel Nilrot zum Anfärben von Zell(bestandteil)en, Kongorot als pH-Indikator). Die Verkapselung wird so gewählt, dass
die Löslichkeit je nach Anforderung in Wasser, Blut, Serum, Salzlösung, Alkoholen gegeben ist. Sie kann aus dendritischen Polyclycerolen mit funktionellen Gruppen an der Oberfläche oder aus funktionalisierten Polyethyleniminen
(PEI) hergestellt werden und ist in einem weiten pH-Wert-Bereich stabil.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Wirkstoff-Verkapselungskombinationen finden sich in den Kapiteln Energiewandlung und -speicherung und
Umwelttechnik.
nanopartica GmbH
Die TOPASS GmbH arbeitet im Bereich Nanomedizin und ist vor allem in der
Entwicklung und Herstellung von Nano-Carriern für die medizinische Anwendung in Diagnostik und Therapie tätig. Auch die Beurteilung und Bewertung
von diagnostischen und therapeutischen Verfahren sowie die Planung, Koordination und Durchführung von (prä)klinischen Studien zählen zum Aktionsfeld
des Unternehmens.
TOPASS GmbH
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Die Nano-Carrier-Technologie umfasst auf therapeutischer Seite mehrere
Methoden zum Einschleusen, Freisetzen und Tarnen medizinischer Wirkstoffe:
■ Mit rekombinanten Antikörpern beladene Partikel (100 nm) haften an
(geschädigtem) Gewebe und setzen dort über mehrere Tage hinweg langsam Wirkstoffe frei. So können Arzneien bei gleicher Dosis länger wirken
und damit Risiko und Menge von unerwünschten Nebenwirkungen reduziert werden.
■ In der zellulären Therapie (beispielsweise Lymphozyten-Transfer) sollen
spezialisierte Zellen transplantiert werden (zum Beispiel zur Hormonproduktion), deren Oberfläche mit bestimmten Nanopartikeln verändert
wurde, um nicht vom Immunsystem angegriffen zu werden.
■ Zur Transduktion von Genmaterial in Zellen (Gentherapie) sollen Nano-Carrier (aus nanoskaligen Silikatpartikeln) Verwendung finden, was weniger
Risiko als die Einschleusung mit Viren birgt.
■ Mit der Nano-Imitation eines Virus (Nanoteilchen, die dessen Oberfläche
nachahmen) sollen Immunisierungen (Schutzimpfungen) mit besserer
Wirkung und geringeren Risiken umgesetzt werden.
Fazit
26
Vgl. BioPro Baden-Württemberg GmbH
(2004).
Im Bereich Oberflächen in der Nano-Biotechnologie sind relativ viele Akteure
in der Hauptstadtregion tätig, eine Tatsache, die nicht zuletzt auf die Vielfalt
an molekularen Erkennungungsmechanismen, Wirkstoffen und Verkapselungsmaterialien (Polymere, Biopolymere) zurückzuführen ist. Die Grundlagenforschung an Universitäten und Hochschulen ist stark besetzt. Hinzu
kommen Forschungsinstitute sowie Firmen(ausgründungen) mit einschlägigen
Kompetenzen in der Biomaterialentwicklung sowie bei Grenzflächen und
Kolloiden. Auf diese Weise sind beste Voraussetzungen für die Zusammenarbeit zwischen grundlagenorientierter und angewandter F&E gegeben. Einige
technische Einsatzmöglichkeiten sind kurz- und mittelfristig vielversprechend;
Forschung, Projekte und Vernetzungsaktivitäten sind zudem stark international
ausgerichtet.
Auf nationaler Ebene haben die frühen Maßnahmen und Förderungen
durch das BMBF, die zwischen 2000 und 2010 gezielt in vier Schwerpunkten,
darunter ›Funktionale biologisch-technische Oberflächen und Schnittstellen‹,
und mit einer Fördersumme von 60 Mio. Euro durchgeführt wurden, gegriffen.
Die Nano-Biotechnologie wird als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts
mit einem breit gefächerten Anwendungsspektrum betrachtet. Folgerichtig
werden nanotechnologische Phänomene und Funktionseinheiten (in den zwei
Richtungen nano2bio und bio2nano) auch in den hier definierten Gebieten
Tissue Engineering, Biochip-/Lab-on-Chip-Systeme, biokompatible Oberflächen, Agrar-, Lebensmittel- und Textiltechnologie oder Easy-to-cleanOberflächen gesehen.26
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In Bayern hat sich 2003 die Exzellenzinitiative ENNaB – Excellence Network
NanoBioTechnology an der Schnittstelle Nanotechnologie/Biotechnologie gebildet. Kernziel ist die Entwicklung eines landesweiten NanobiotechnologieClusters mit Schwerpunkt in der Region München. ENNaB ist Mitglied in der
Arbeitsgemeinschaft der Nanotechnologie-Kompetenzzentren in Deutschland
(AGeNT-D) und damit überregional vernetzt. Das Saarland und RheinlandPfalz haben zur Förderung der noch jungen Forschungsrichtung das gemeinsame Kompetenznetzwerk NanoBioNet gegründet, in dem Hochschulen,
Forschungsinstitute, Kliniken und Unternehmen aus beiden Bundesländern
kooperieren.
5.2.4 Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik
Abgrenzung
Im Mittelpunkt der Oberflächentechnologie für Bio-Analytik und Diagnostik
steht die Immobilisierung von bio(techno)logischen Substanzen (Biomolekülen) an Oberflächen, zum Beispiel sogenannte Immunoassays, bei denen
der Nachweis eines Analyten über die Bindung an einen immobilisierten
Antikörper erfolgt. Meist erfolgt das Auslesen der Information mit Hilfe von
Fluoreszenzmarkern auf optischem Wege durch Scannen der aktivierten Oberfläche (Glasträger mit einer Vielzahl an sensorischen Molekülsektionen auf
einer Ebene27, Microarray-/Biochip-/Lab-on-Chip-bzw. Biosensortechnologie).
In der Entwicklung befindlich sind Verfahren, welche die auf der Oberfläche
stattfindende Analytik direkt in einen darunter liegenden Mikroelektronikchip
einkoppeln (Schichtarchitekturen in der Form Halbleiter-immobilisiertes-Biomolekül, zum Beispiel organische Feldeffekttransistoren).28
Von oberflächentechnologischem Interesse ist in der Bio-Analytik außerdem die Verhinderung unspezifischer Bindungen, die die Messung verfälschen
würden (vergleichbar mit einem Signal-Rausch-Verhältnis). Dazu dienen proteinresistente oder antimikrobielle Substratoberflächen.
Wissenschaft
der Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen, unter anderem auf Oberflächen, dienen. Für biosensorische Anwendungen sind solche Strukturen
wichtig, um biologisch inerte Oberflächen herzustellen, die beispielsweise eine
unspezifische Proteinbindung verhindern. Polyethylenglycole, kurz PEG, werden derzeit am häufigsten angewendet. Am Institut wurden einfach-funktio-
27
ZiG/TU Berlin (2009), S. 56.
28
Vgl. Birkholz, Mario (2009), S. 5 –6.
88
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nalisierte Polyglycerol-Derivate in einem selbstorganisierenden Monolayer auf
Goldoberflächen aufgebracht; mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) wurde die Dicke des absorbierten Biofilms untersucht. Dabei zeigten Thiol-funktionalisierte Polyglycerole die beste Resistenz gegen Proteine.
Im Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹, Teilprojekt B 7 ›Funktionale Imin- und Diazo-Schalteinheiten‹ synthetisierten die Forscher licht-schaltbare funktionale Moleküle,
die auf Iminen und Azobenzolen basieren. Die Änderungen ihrer chemischphysikalischen (Leitfähigkeit, Hydrophilie, Dipolmoment, Förster-Resonanzenergietransfer FRET) und biochemischen (Proteinresistenz) Eigenschaften auf
Gold- und Kohlenstoffoberflächen wurden in Kooperation mit physikalischen
und theoretischen Gruppen des Bereichs untersucht.
Prof. Dr.-Ing. Roland Thewes
Am Fachgebiet Sensorik und Aktuatorik (Prof. Thewes) der TU Berlin werden
Halbleiter-/CMOS-basierte Sensoren und Aktuatoren erforscht und entwickelt,
wobei der Schwerpunkt auf biomedizinischen Anwendungen liegt. In einem
interdisziplinären Kontext von Mikroelektronik, Materialwissenschaften, Biochemie, Medizin usw. entstehen beispielsweise Micro-Arrays für die Biomoleküldetektion (DNA-Micro-Arrays) sowie in vivo- und in vitro-Plattformen
am Interface zu Nervenzellen oder -gewebe oder biologischen neuronalen
Netzwerken (Veröffentlichung ›CMOS Chips for Bio Molecule and Neural Tissue
Interfacing‹, 2009).
Je nach Anwendungszweck werden sowohl die biologischen Grundlagen
einer Detektionsaufgabe (Sensing) als auch die Umsetzbarkeit in CMOS-Technologie untersucht, das heißt elektronische Signalwandlungsmethoden (Transducer) implementiert und ein entsprechendes Schaltungsdesign und Systemintegration umgesetzt. Themen wie die elektrochemische Präparation von
Edelmetallelektroden, Selbsttestschaltkreise und Temperatursensoren in CMOSBiochips werden dabei auf Ebene der Chiptechnologie im Detail bearbeitet.
Der Fachbereich vermittelt in der Lehre allgemein Sensor- und Aktuatortechnik (auf Silizium- und CMOS-Basis, auch für Anwendungen wie CMOSImaging, CMOS-Kamera, integrierte Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Digital Micro Mirrors), aber auch speziell CMOS-Biosensorik.
Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Am Lehrstuhl Angewandte Physik II/Sensorik der BTU Cottbus forscht Prof.
Schmeißer mit seiner materialwissenschaftlichen Forschungsausrichtung (Kapitel Photovoltaik, Energiewandlung und -speicherung, Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik) auch an
biosensorischen Anwendungen mittels organischer Feldeffekt-Transistoren.
2003 wurde das Forschungsvorhaben zusammen mit Partnern wie dem CarlThiem-Klinikum Cottbus vorgestellt und kontinuierlich weiterverfolgt. Als
Grundlage der neuartigen medizinischen Nachweismethode wird ein organischer Feldeffekt-Transistor (OFET) als Dünnschicht-Halbleiterbauelement
hergestellt; er dient als Transducer (Signalwandler) für die auf ihm (bzw. der
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Gate-Elektrode) immobilisierten Antigene. Die hochselektive Anbindung spezifischer Antikörper an den Antigenen soll in den OFET-Signalen nachgewiesen
werden.
Mit dem allgemeinen Ziel, elektronische Eigenschaften und geometrische
Strukturen verschiedener Materialien wie WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen
aufzuklären, werden am Lehrstuhl Schichten und Schichtstrukturen präpariert
und spektroskopisch oder spektromikroskopisch untersucht (Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).
In der Professur für Molekulare Enzymologie ist die Arbeitsgruppe um Prof.
Wollenberger in Grundlagenforschung, Entwicklung und Anwendungen im
Bereich Biosensorik, Bioelektrochemie und Bioelektronik tätig. Dabei geht es
um Aspekte wie Grenzflächendesign für die Assemblierung, gerichtete Immobilisierung und Stabilisierung von Biomolekülen auf geeigneten Trägern sowie
um Elektronentransfer und Signalverstärkung für die Detektion der spezifischen
Bindung (Reaktion) am Biomolekül.
Für die Untersuchung von Elektronentransferreaktion und ihrer Nutzung in
Biosensoren, Biobrennstoffzellen und der Bioelektrokatalyse haben Material
und Chemie der Oberflächen entscheidenden Einfluss. Ein schneller, direkter,
heterogener Elektronentransfer zu Redoxproteinen und Enzymen erfordert eine
gerichtete Wechselwirkung mit der Elektrodenoberfläche.
In einer ersten Ausrichtung wendet sich die Arbeitsgruppe neuen Polymeren zu, die auf durch Biomoleküle ausgelöste Veränderungen reagieren,
beispielsweise ihre Leitfähigkeit verändern. Des Weiteren ist das Fachgebiet
in die Arbeiten im Exzellenz-Cluster unicat zum Thema Heterogene Katalyse
involviert. Man widmet sich dort Grenzflächenreaktionen (Enzymreaktionen),
die mittels nanoskopischer Strukturen beschleunigt werden können (durch
chemische Modifizierungen und Einführung nanostrukturierter Materialien
wird die Interaktion begünstigt).
Zur Unterstützung von diagnostisch ausgerichteten KMU in der Hauptstadtregion wurde 2006 die InnoProfile-Nachwuchsforschungsgruppe ›Integrierte
Proteinchips für die Point-of-Care Diagnostik – iPOC‹ an der Universität Potsdam eingerichtet (gemeinsame Initiative des Zentrums für Advanced Protein
Technologies an der UP und des Kompetenznetzes BioHyTec). Ziel des bis 2011
geförderten Projekts ist es, Kernprobleme bei der Entwicklung von sehr kleinen
und schnellen Proteinchips zu lösen. Thematische Schwerpunkte sind
■ optische und elektrochemische Signaltransduktion,
■ Parallelisierung/Immobilisierung,
■ Miniaturisierung/Integration,
■ Proteinexpression/Bindergenerierung.
Prof. Dr. Ulla Wollenberger
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Assoziierte Professuren der Universität Potsdam und Partner der auf dem Campus Potsdam-Golm angesiedelten Nachwuchsgruppe sind die Bioanalytik
(Prof. Scheller), Chiptechnologie (Prof. Bier), Lasertechnik (Prof. Löhmannsröben) und Molekularbiologie (Prof. Steup, Prof. Müller-Röber), das Fh-IBMT,
die Franz-Volhard-Klinik Berlin sowie die Firmen FILT Lungen- und Thoraxdiagnostik GmbH Berlin, BST Bio Sensor Technologie GmbH Berlin, Celltrend GmbH
Luckenwalde und In.vent Diagnostica GmbH Hennigsdorf.
Prof. Dr. Svetlana Santer
An der Universität Potsdam forscht das Fachgebiet Experimentalphysik (Prof.
Santer) an nanoskaligen Strukturen und Methoden, unter anderem für die
Lebenswissenschaften, speziell an der Mobilität von Nanoobjekten auf Oberflächen mit den Teilthemen
■ Nanomanipulation von absorbierten Partikeln,
■ Interaktion von Einzel-Nanopartikeln und Makromolekülen mit Oberflächen und deren Anwendung in Nanotechnologie/Lebenswissenschaften,
■ globale und koordinierte Einkopplung optischer Energie mit Hilfe nanostrukturierter Metallgitter: Surface Plasmone Interferenz-Nanolithografie
(SPINAL),
■ photochemisch induzierte Prozesse,
■ magnetisch modifizierte Polymerfilme (Magnetic-particle filled polymer
films, MPFPF),
■ Ordnungsphänomene an Grenzflächen.
Eingesetzte Untersuchungsmethoden sind Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und
Surfaceplasmonenresonanz (SPR) von Makromolekülen und Nanoobjekten an
Grenzflächen sowie Fourier-Transform-Infrared (FTIR)- und UV-Spektroskopie.
Einen Schwerpunkt bilden im Fachgebiet funktionale dünne Polymerfilme
(PMAA-Bürsten beispielsweise mit Azoseifen funktionalisiert), die durch ihre
Photosensitivität bei externer Belichtung ihre Eigenschaften stark verändern.
Auch Oberflächenstrukturveränderungen durch Einschalten äußerer Magnetfelder und somit magnetisch schaltbare Polymernanomembrane zählen dazu
(›Reversible structuring of azobenzene polymer films by surface plasmons‹,
›Tailor made nano-antennas for surface plasmon induced topography changes
in soft thin films‹). Durch Interaktion von Surface Plasmon-Wellen und AzoPolymeren werden Intensitätsverteilungen förmlich in die Topographie des
Polymerfilms geschrieben (mit Auflösung unterhalb des Beugungslimits und
reversibel). Neben diesen hauptsächlich für die Bio-Analytik/Sensorik wichtigen Steuermechanismen (vor allem DNA-Kondensierung und -Konstellation)
beschäftigt sich die Gruppe auch mit der kontrollierten simultanen Bewegung von Nanoobjekten mit Hilfe funktioneller Polymeroberflächen. Als eine
Art Nanoaktorik nutzt man Polymerbürsten, also Polymerketten, die kovalent
an ein Substrat gebunden sind, zum Nanotransport von Partikeln/Objekten an
Oberflächen.
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Die Arbeitsgruppe Nanobiotechnologie (Prof. Mirsky) an der HS Lausitz befasst
sich mit der Entwicklung von chemischen und biologischen Sensoren mit optischem bzw. elektrischem Messprinzip. Wissenschaftliche Projekte der Gruppe
haben Inhalte wie
■ Nutzung impedometrischer und anderer elektrochemischer Messverfahren,
■ Entwicklung chemischer Sensoren auf der Basis leitender Polymere,
■ Polymer-Nanopartikel-Komposite,
■ Entwicklung ultrasensitiver OberfächenPlasmonenResonanz (SPR)-Biosensoren.
Prof. Dr. Vladimir M. Mirsky
Insbesondere umfassen die Projekte die Optimierung oder Entwicklung entsprechender Technologien der Oberflächenchemie wie
■ Methoden der chemischen Immobilisierung von Biomolekülen,
■ räumlich gerichtete Immobilisierung,
■ molekulares Prägen von Polymeren,
■ Photografting-Polymerisation und Elektropolymerisation sowie
■ selbstorganisierende Monoschichten.
Für die Arbeit an Projekten wie ›Chemical sensors based on plastic antibodies‹
und ›µ-contact printing‹ stehen verschiedene Messeinrichtungen zur Charakterisierung von Sensoroberflächen zur Verfügung.
An der TH Wildau im Fachgebiet Biosystemtechnik/Biohybridtechnik widmet sich Prof. Lisdat den bioanalytischen Nachweisverfahren und untersucht
sowohl geeignete Materialsysteme in ihrer Funktion als Signalwandler (Elektronentransfer) als auch Verhalten und Charakter von Biomolekülschichten
und deren Wechselwirkung mit der Oberfläche, auf der sie immobilisiert
werden.
Arbeitsschwerpunkte und Forschungsprojekte beeinhalten hauptsächlich,
die Interaktion zwischen Biomolekülen (deren Bindungseigenschaften) und
modifizierten Oberflächen mit Methoden/Equipment wie Voltametrie, Impedanzspektroskopie, Quarzmikrowaage und Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie (SPR). Leitfähige oder schaltbare Polymere werden auf ihre
Anwendbarkeit als Signalwandler untersucht sowie Polymerfilme als Interface
für Redoxenzyme und der Elektronentransfer analysiert. Ziel ist die Entwicklung
bioanalytischer Nachweismethoden in Form von Micro-Array-/Biochip- und
Biosensor-Technik. Entsprechend dienen verschiedene Labore des Fachbereichs
Biosystemtechnik der Forschung und Lehre auf diesen Gebieten, insbesondere
ein Labor für Biosensorik, ein Labor für Biochiptechnologie (ausgestattet mit
Spotter- und Reader-Technik zum simultanen Nachweis einer hohen Zahl
von Molekülen auf einem Micro-Array) und ein Labor für Oberflächenanalytik
(inklusive Rasterkraftmikroskopie AFM, Kontaktwinkelmessgerät, Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie SPR, Sputteranalyse/SputterCoater, Plasmabehandlung von Oberflächen).
Prof. Dr. Fred Lisdat
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Laufende Forschungsprojekte zielen auf die Bestimmung von Orientierung und
Zusammensetzung von Biomolekülschichten auf Oberflächen mittels InfrarotReflexions-Absorptions-Spektrometrie (IRRAS) und die Etablierung von Präparationstechnologien modifizierter Nanopartikel im Projekt ›BioNapaTest‹, das
die Sensitivität von bioanalytischen Nachweisverfahren erhöhen soll. Metallische, polymere sowie anorganisch-nicht-metallische Nanopartikel werden
präpariert, um Biomoleküle zu binden und damit Multischichten auf Sensorelektroden aufzubauen, aber auch deren katalytische Eigenschaften für verstärkte Stoffumsätze auszunutzen.
Dr. Stefan Fiedler
Die Gruppe Biomimetik am Fraunhofer-IZM (Dr. Fiedler, Abteilung System
Integration & Interconnection Technologies) versucht mit dem wachsenden
Verständnis komplexer Lebensprozesse und der ihnen zu Grunde liegenden
Elementarprozesse eine technische Nach-Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse zu vollziehen, solange diese mit ethischen Grundsätzen vereinbar ist.
Neben ›Nachahmungen‹ aus der Nano-Biotechnologie für die Aufbau- und
Verbindungstechnik in der Mikroelektronik (vergleiche Kapitel DünnschichtElektronik und Optoelektronik) stehen die technisch-biologischen Interfaces
im Fokus – ebenso wie beim internationalen Verbundprojekt CellPROM (2004
bis 2007), an dem sich das IZM beteiligt hatte: Um das Ziel des wissenschaftlichen Verbundprojekts CellPROM (Cell Programming by nanoscaled devices),
das heißt die nicht-invasive Umprogrammierung individueller Zellen über
deren Kontakt zu spezifisch designten Oberflächen (NanoScapes) zu erreichen,
waren geeignet skalierte und biokompatibel beschichtete Werkzeuge gefragt.
Dies schloss angewandte Forschung zur Entwicklung technologischer Prozesse
für die stabile Beschichtung dielektrischer Materialien ein. Zu diesem Zweck
wurden durch die Abteilung in Kooperation mit GeSim und dem FraunhoferInstitut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert stromlose und galvanische
Abscheidetechniken kombiniert, Layouts optimiert und erreichte Ergebnisse
evaluiert.
Michael Zwanzig
Die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet Nanostrukturen (Herr Zwanzig, Abteilung System Integration & Interconnection Technologies des Fh-IZM) zeigen das
Potenzial metallischer Nano-Strukturen für die Entwicklung neuer Aufbauund Verbindungstechniken (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und
Optoelektronik), aber auch als interaktive Oberflächen in Kontakt mit biologischen Strukturen, speziell als biokompatible Substrate in Kontakt mit Zellen. Bei
den Strukturen handelt es sich um Nano-Kollonaden oder Nano-Drähte (bis
unter 100 nm Durchmesser) bis hin zu Nanorasen aus Gold, Nickel oder Platin,
die einkristallin auf die Oberfläche aufgewachsen werden, sehr oberflächenaktiv sind (hohes Oberfläche-Volumen-Verhältnis) und in ihrer magnetischen
Ausrichtung einstellbar sind. Solche Nanostrukturen sind als Kulturmedium
für Zellen anwendbar – für die Kryokonservierung, aber auch, um elektrische
Signale in Zellen hineinzugeben, von diesen zu empfangen oder die Zellen zu
93
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stimulieren. Ein am Fh-IZM entwickeltes Verfahren zur Goldgalvanik ermöglicht
außerdem die direkte maskenfreie Abscheidung erhabener kristalliner Strukturen – sogenannter Haizähne (mit breiterer Basis und nanoskaliger Spitze).
Diese können insbesondere mit Nervenzellen in Verbindung treten, das heißt
eine Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer bilden (Brain-ComputerInterface, Neurochip).
Mit dem Bereich Weiche Materie und funktionale Materialien am HelmholtzZentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) und der gleichnamigen
Stiftungsprofessur am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin vertritt Prof. Ballauf Forschungskompetenz zu Grenzflächen zwischen biologischem
und funktional-technischem Material. So werden mittels verschiedener Verfahren wie Layer-by-layer-Deposition, Schleuderbeschichtung (Spin Coating),
Langmuir-Blodgett- und Langmuir-Schäfer-Technik Schichten präpariert, um
gezielt die Zell-Oberfläche-Interaktion zu steuern (vergleiche Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen). An Multilayern aus Proteinkomponenten
(Myelin basic protein) und Lipiden wurden Grundlagenuntersuchungen zu
deren Assemblierung und Zerfall durchgeführt, um die Signaltransduktion von
Myelin-Membranen zu verstehen und in biomimetischer Form zu nutzen. Die
natürliche Myelin-Membran um ein Nervenzellen-Axon steuert die Signalweiterleitung oder führt bei Mangel zu einer Signalunterbrechung.
Prof. Dr. Matthias Ballauf
Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) betreibt in Potsdam
(seit 2006 im Wissenschaftspark Potsdam-Golm ansässig) mit seinen Abteilungen ›Molekulare Bioanalytik & Bioelektronik‹, ›Zelluläre Biotechnologie &
Biochips‹ und der 2007 ergänzten Abteilung ›Nanobiotechnologie & Nanomedizin‹ angewandte Forschung auf den Feldern der molekularen Diagnostik,
der Geräteentwicklung im Bereich Lab-on-Chip-Technologie und der NanoBiotechnologie.
Unter der Leitung von Prof. Bier agiert die Abteilung ›Nanobiotechnologie
und Nanomedizin‹ in mehreren Gruppen, darunter ›Biomolekulare Nanostrukturen‹ und ›Technische Molekularbiologie‹. Erstere forscht an Nanostrukturen
aus selbstorganisierenden biologischen Makromolekülen (DNA, Proteine) mit
dem Ziel, diese zu konkreten Sensoren zu entwickeln, die wenige Moleküle
aus einer einzelnen Zelle nachweisen können. Im Labor steht für diese
F&E-Arbeiten einiges Equipment für oberflächentechnologische Aufgaben
(Elektronenstrahlverdampfer – PVD, Spin-Coater, Sputtern, Plasma-Reinigung,
CO2-Laserplotter) wie auch zur mikround spektroskopischen Analyse (Fluoreszenz-, DIC-, Phasenkontrast-, Dunkelfeld-Mikroskope; konfokales Laserscanning-Mikroskop mit Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, hochsensitive CCDKameras mit Einzelphotonensensitivität, Rasterkraftmikroskope) zur Verfügung.
Die Arbeitsgruppe ›Technische Molekularbiologie‹ behandelt bioaktive
Moleküle an immobilisierenden Oberflächen, erarbeitet Strategien zur Selbstorganisation der Biomoleküle sowie zur Übertragung einzelner biologischer
Prof. Dr. Frank Fabian Bier
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10.02.12 14:19
und biochemischer Prozesse (Integration auf Oberflächen). Schwerpunkte sind
die Konstruktion und Generierung multimerer Zinkfinger (gentechnisch oder
synthetisch), die Modifikation dieser als DNA-Sonden für die Diagnostik sowie
biologische Prozesse wie PCR (Polymerase-Kettenreaktion), Transkription und
Translation an/auf Oberflächen. Je nach Anforderung werden mit den genannten Prozessen Strategien für Biochipanalyse/-diagnostik und therapeutische
Anwendungen (in vivo-Systeme) generiert.
Außerdem bearbeitet die vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe ›Biomimetische Materialien & Systeme‹ weitere Themenkomplexe im Bereich der
Nano-Biotechnologie – im Rahmen des Arbeitsschwerpunkts ›Biohybride
Redoxsysteme‹ etwa neuartige Lösungen für die funktionelle Kopplung von
biologischen Erkennungselementen zur elektrochemischen Signalwandlung
und damit zur Applikation als Biosensor.
Dr. Claus Duschl
In der Gruppe Zell-Assay-Entwicklung der Abteilung ›Zelluläre Biotechnologie & Biochips‹ um Dr. Duschl werden verschiedene Oberflächenmodifikationen angewandt, um den Informationsaustausch zwischen Zellen und ihrer
Mikroumgebung bzw. die Zellen selbst zu steuern, mit dem Ziel, zellbasierte
Diagnose- und Therapieansätze umzusetzen. Insbesondere zur Adhäsions-,
Mobilitäts-, und Differenzierungssteuerung von Zellen sowie zur Beeinflussung ihrer chemotaktischen Aktivität werden Oberflächenarchitekturen zu Hilfe
genommen. Dabei stehen strukturierte Oberflächen (molekulare, topographische Muster), schaltbare Oberflächen – schaltbare Polymere, die an Oberflächen für die Zellkultur gebunden sind und durch einen Temperaturreiz ihre
Konformation aus zellfreundlichen und zellfeindlichen Molekülanteilen verändern – oder Micro-Contact-Printing (µ-CP)-Technologie im Mittelpunkt des
Interesses.
Entwicklung und Herstellung solcher Oberflächen mit biologischen Eigenschaften werden vom Institut als Dienstleistung angeboten. Zudem stehen den
Wissenschaftlern wie auch Interessierten von außerhalb ein Labor für Oberflächenchemie und -biochemie sowie analytische und präparative Geräte
(Multiskop für abbildende Ellipsometrie, Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie, Bedampfungsanlage zur Herstellung dünner metallischer
Schichten, Excimer-Ablations-Laser zur Strukturierung von Substraten) zur
Verfügung.
Das IBMT beteiligt sich auch an der Forschungsinitiative bzw. am Exzellenznetzwerk ›Synthetische Bioaktive Oberflächen – Biologische Modelle und
neue Materialien für biotechnologische Anwendungen‹ zum Thema schaltbare Oberflächen mit dem Hauptziel neue Zellsubstrate (Teilprojekt 7, Oberflächenbeschichtungen mit schaltbaren Eigenschaften für Anwendungen in der
zellulären Biotechnologie). Die Initiative setzt sich aus sieben Arbeitsgruppen
(mit Beteiligten aus dem MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung/Theorie
& Bio-Systeme, MPI-KG/Kolloidchemie, MPI-KG/Grenzflächen und Fh-IAP) in
Potsdam-Golm zusammen.
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Erstellung von Microarrays im SciFlex-Spotter, Biochipspotter (Fraunhofer-IBMT), Fotos: Jochen Zick
Die Arbeitsgruppe Mikroarrays & Biochiptechnologie in der Abteilung ›Molekulare Bioanalytik & Bioelektronik‹ um Dr. Ehrentreich-Förster entwickelt
mikrometerskalig strukturierte Oberflächen zur adsorptiven und kovalenten
Kopplung (verschiedene Immobilisierungsmethoden) biochemischer Spezies
und komplette Mikroarray-Anwendungen. Zur Kopplung werden kontaktfreie
(InkJet) und kontaktierende Spotting-Verfahren (Kapillarpumpe, Stempler)
angewandt, mit denen variable Spotgrößen und Rasterabstände realisiert
werden. Nachgewiesen werden die erzeugten Strukturen mittels Fluoreszenzmarkierung oder photometrisch. Spezifische kopplungsfähige Oberflächen,
reversible Oberflächen zum Umschalten von verschiedenen Funktionalitäten
und damit spezifische DNA- und Proteinchips für hochparallele biomolekulare Wechselwirkungsanalysen sind genauso möglich wie Sensoroberflächen,
die durch Passivierung Hintergrundsignale aufgrund unspezifischer Bindungen
(zum Beispiel von Blutbestandteilen aus Vollblut) ausschließen. Diese vor Ort
einsetzbaren Analysesysteme eignen sich zur kostengünstigen Diagnose (Pointof-Care-Diagnostik, POC), Therapiekontrolle und Umweltüberwachung.
Dr. Eva Ehrentreich-Förster
Der Bereich Mikrosensorik (Dr. Köpnick) beschäftigt sich wie das Institut für
Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik (IDM) selbst seit Langem mit
der Erforschung neuer Materialien sowie deren Synthetisierung (chemisches
Know-how) und Analytik (Atomkraftmikroskopie, Kontaktwinkelbestimmung)
für die Oberflächenmodifizierung und Anwendung als dünne Schichten. Dazu
werden Druckverfahren (Micro-Printing), Sprüh- (Spray-Coating), Schleuder(Spin-Coating) und Tauchbeschichtung (Dip-Coating), Selbstorganisation/
Langmuir-Blodgett-Technik und Vakuumabscheidung eingesetzt. Der Einsatz
sensitiver organischer Materialien (Polymere) in dünnen Schichten für sensorische Bauelemente ist ein Schwerpunkt der F&E und wird neben der klassischen
Gassensorik (Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik) verstärkt
für die Biosensorik weiterentwickelt.
Dr. Thomas Köpnick
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Dr. Mario Birkholz
Ganz im Sinne der zunehmenden Konvergenz von Mikroelektronik und Biotechnologie ist die Entwicklung eines minimalinvasiven Glukose-Sensors am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) durch Dr. Birkholz (GlucoPlantProjekt), die vom BMBF im Rahmenprogramm ›Intelligente Implantate‹ gefördert
und gemeinsam mit Berlin-Brandenburger Partnern (AG Zellbiologie HU Berlin,
BST BioSensor Technologie GmbH, Charité Berlin, Schlosspark-Klinik Berlin und
andere) durchgeführt wurde. Der Sensor basiert auf einem MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), genauer einem Mikroviskosimeter, das durch die Miniaturisierung (Sensormaße 1.3 x 0.4 x 0.2 mm) auch des gesamten Bauteils für die
dauerhafte, halbinvasive Glukosemessung bei Diabetis-Patienten geeignet ist.
Auch die weiteren Projekttitel/Veröffentlichungen zeigen die Nutzung der
mikroelektronischen Entwicklungen (insbesondere Halbleiter-Dünnschichten)
für biosensorische und biotechnologische Anwendungen:
■ ›Ultrathin TiN membranes as a Technology Platform for CMOS-integrated
MEMS and BioMEMS Devices‹
■ ›Corrosion-resistant metal layers from a CMOS process for bioelectronic
applications‹
■ ›Separation of extremely miniaturized medical sensors by IR laser dicing‹
■ ›Structure of Biomembrane-on-Silicon Hybrids‹
■ ›Self-Organized Pattern Formation of Biomolecules at Silicon Interfaces‹
Die technische Basis bilden verschiedenste Dünnschichttechnologien der Mikroelektronik wie Photolithografie (Laser-Belichtung), Trockenätzen, physikalische
und chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD, CVD, PECVD, SACVD,
LPCVD), epitaktisches Schichtwachstum (Niedrigtemperatur- und Hochtemperatur-Si-Epitaxie), Ionenimplantation, Rapid Thermal Processing (RTP) für
Temperung, Oxidation und Silicierung sowie Messtechniken für Schichtdicken-,
Widerstands-, Defektdichten- und Topologiemessung (Rasterelektronenmikroskopie REM, Rasterkraftmikroskopie AFM) und Röntgendiffraktometrie.
Wirtschaft
BST Biosensor Technologie GmbH
Berlin
Die BST Biosensor Technologie GmbH produziert Biosensoren, deren Technologie seit den 1970er Jahren in unterschiedlichen Generationen entwickelt wird,
und zwar basierend auf Membran-, Dickschicht- und Dünnschicht- sowie
Sensorarray-Technologie. Mit derartigen Mehrwegsensoren ist es möglich,
millimolar bis pikomolar konzentrierte Stoffe (zum Beispiel Glukose im Vollblut
bzw. Hormone) zu detektieren. BST entwickelt jeweils geeignete Kombinationen von biologischer Rezeptorkomponente und Transducer für den entsprechenden Biosensor.
Auf ein Substrat aus Keramik oder Polymer (Standardsubstrat: Aluminiumoxid-Keramik) wird durch Siebdruck (Dickschichttechnik) der eigenliche
Detektor aufgebracht und mittels Dispensier- und Spottechniken biologische
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Erkennungsmerkmale (Rezeptor für Glukose- oder Laktatmessung) darauf
immobilisiert. Ein BST-Basissensor misst etwa 25 mm in der Länge, 7 mm in der
Breite und ist 0.635 mm dick. Die Mehrweg-Biosensoren haben eine Lebensdauer von über 2.000 Messungen und sollen verstärkt in der Point-of-CareDiagnostik direkt beim Patienten Anwendung finden.
Die PlasmaChem GmbH ist spezialisiert auf Nanomaterialien, Abscheidungs-,
Vakuum- und Plasmatechnologien sowie Dünnschichttechnik und deren
technische und biomedizinische Anwendungen (Kapitel Biokompatible
und bioaktive Oberflächen). Eine enge Zusammenarbeit besteht mit dem
Lehrstuhl Physik von Makromolekülen der Humboldt-Universität zu Berlin (Prof. Rabe) zu modifizierten Oberflächen und Nano-Objekten und der
Oberflächenanalytik (Rasterkraftmikroskopie AFM, Rastertunnelmikroskopie/
Rastertunnelspektroskopie STM/STS). Aus dieser Kooperation ist ein neuer
Ansatz hervorgegangen, Polymere (inkl. DNA, RNA) auf atomar glatten Oberflächen zu arrangieren und dies für molekulare DNA-Chips zu nutzen.
PlasmaChem GmbH
PolyAn ist ein auf Molecular Surface Engineering (MSE) und Surface Molecular
Imprinting (SMI) spezialisiertes Unternehmen. Diese Technologieplattform wird
für die Entwicklung von Biochips (zum Beispiel Microarray Slides) und Membranen für diagnostische Anwendungen genutzt (zu anderen Anwendungen
vergleiche Kapitel Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik, Biokompatible und bioaktive Oberflächen). Mit dem molekularen Prägen und der MSETechnik lassen sich Oberflächen maßschneidern, sodass verschiedene Zielstrukturen hergestellt werden können, die die molekulare Erkennung nutzen. An
ein Trägermaterial wie Glas, natürliche Polymere wie Cellulose oder künstliche
Polymere wie Polypropylen werden funktionelle Gruppen oder komplexe
Moleküle (Peptide, DNA) über Spacer kovalent gebunden. Diese funktionelle
Matrix kann in Bürsten-, Tentakel- und dendritischen Strukturen oder als quer
vernetzte Schicht ausgeführt werden (gezielte Belegungsdichte).
Speziell für diagnostische Anwendungen bietet PolyAn eine Reihe von
funktionalisierten Microarray Slides für die Immobilisierung von Biomolekülen
(DNA, Peptide, Proteine, Saccharide) an.
PolyAn engagiert sich außerdem im Verein BioResponse, einem Zusammenschluss von Unternehmen und Forschungseinrichtungen der Niederlausitz und
angrenzender Regionen zu dem Zweck, ihr synergistisches, multidisziplinäres
Know-how zur Kernkompetenz Multiparameterimmundiagnostik zu bündeln.
PolyAn GmbH
Die Scienion AG entstand 2001 als Ausgründung aus dem Max-Planck-Institut
für Molekulare Genetik. Das Unternehmen entwickelt und vermarktet Microarray-/Biochip-Technologie, die der DNA-Diagnostik, der Genom- und Protein-Forschung sowie der Wirkstoffentwicklung/Pharmazeutik dient.
Die Chipoberfläche wird von Scienion derart gestaltet, dass möglichst
universell wichtige Klassen von Biomolekülen in biologisch aktivem Zustand
Scienion AG
98
10.02.12 14:19
(als Sonde/Fängermolekül) auf dem Trägermaterial (Glas, Metall, Polymer;
planar, porös, Mikrotiter, Membran) immobilisiert werden können. Je nach
Material werden die Reaktivgruppen mit thermischen Verfahren aus der
Flüssig- oder Gasphase oder mit photochemischen Prozessen aufgebracht. Die
Biomoleküle haften an der Chipoberfläche, befinden sich aber gleichzeitig in
Nano-Tröpfchen, die als wandlose Reaktionsgefäße fungieren. Die möglichst
hochsensitive Detektion, weitere Miniaturisierung und damit Kostensenkung
sind Ziele in der fortlaufenden Entwicklung. Auch Themen wie die Einstellung
von Benetzbarkeiten (zum Beispiel bei Kapillaren in Lab-on-a-chip-Systemen)
sowie die Verhinderung von unspezifischer Anbindung, also Kontaminationen
(auf Membranen, Kapillaroberflächen, bis hin zu Kontaktlinsen) stehen auf der
Tagesordnung.
Scienion bietet seinen Kunden (hauptsächlich aus der Forschung) readyto-use DNA-Microarrays, daneben ready-to-spot-Systeme (sciCHIP – Slides mit
funktionalem Polysiloxan-Layer, die für DNA- und Protein-Microarray-Anwendungen optimiert sind), bis hin zu Protein-Microarrays sowie Instrumenten für
die Chipherstellung (Piezo-Spotter, Inkubationssystem für Biochips).
Netzwerke
DiagnostikNet | BB
29
Vgl. TSB Technologiestiftung Berlin (2007),
S. 39.
Im DiagnostikNet-BB haben sich Diagnostik- und Geräte-Hersteller, Zulieferer
und Anwender aus Kliniken und Laboren sowie Forschungseinrichtungen der
Region Berlin-Brandenburg zusammengeschlossen, um die Wertschöpfungskette der in vitro-Diagnostik möglichst weitgehend abzudecken. Als Vorläufer
des Netzwerks gilt der BioHyTec e.V. (Prof. Lisdat, TH Wildau); dieser Verein
bearbeitete in der Zeit von 2000 bis 2006 bereits vielfältige Projekte (Biochipentwicklungen), die sich nicht auf den Humanbereich beschränkten, sondern
auch Bereiche wie Lebensmitteltechnologie und Kosmetikaherstellung einbezogen.29
Die Kompetenzen der am Netzwerk DiagnostikNet-BB beteiligten Forschungseinrichtungen und Unternehmen (unter anderem BAM, BioTOP, BST,
Charité/ECRC, Fh-IBMT, FU Berlin, ihp, TH Wildau, Universität Potsdam) umfassen
■ Biomarker-Identifizierung und -Validierung,
■ Plattform-unabhängige Assay-Entwicklung und -Validierung,
■ Technologie-Forschung und -Entwicklung,
– Patientennahe Diagnosesysteme (Point-Of-Care), Schnelltests
– Biochip-basierte Analysesysteme (›Lab-on-the-chip‹)
– Microarrays
– Biosensor-Entwicklung
■ Produktion.
Partner des DiagnostikNet-BB ist unter anderem das Zentrum für Molekulare
Diagnostik und Bioanalytik, ZMDB.
99
10.02.12 14:19
Der Deutsche Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien e.V. (SPECTARIS) mit Sitz in Berlin vertritt deutschlandweit
mittelständische Hightech-Unternehmen und gliedert sich in die vier Fachverbände Consumer Optics, Photonik + Präzisionstechnik, Analysen-, Bio- und
Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus Berlin und Brandenburg sind Mitglied im Verband, der Branchen- und Auslandsmarketing, Marktforschung, aber auch Technologie- und
Forschungsförderungsberatung betreibt. Im Fachverband Analysen-, Bio- und
Labortechnik werden Veranstaltungen wie eine halbjährliche Tagung, das
LaborForum und Treffen einer technischen Kommission für den Austausch im
Bereich Normung, Richtlinien und Zulassungsfragen angeboten, außerdem
internationale Teilnahme an Messen und Jahrbücher über die deutsche Analysen-, Bio- und Labortechnik und ihre Exportmärkte.
mechatronische Technologien
e.V. (SPECTARIS)
Unter dem Namen ›Taschentuchlabor: Impulszentrum für Integrierte Bioanalyse‹ haben sich im Rahmen der Initiative ›Spitzenforschung und Innovation in den neuen Ländern‹ 14 vornehmlich Berliner und Brandenburger
Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammengefunden, um zwischen
2009 und 2014 gemeinsam neue Biosensoren, quasi die nächste Generation
in der Bioanalytik, zu entwickeln. Es soll eine neue Klasse von Sensor-AktorMolekülen generiert werden, in die einerseits die Bindung des Analyten aus
einer komplexen Umgebung und andererseits die Signalgenerierung integriert sind. Ziel ist die vollständige Integration aller bioanalytischen Prozessschritte zur Detektion und Analyse von Krankheitserregern auf molekularer
Ebene.
Aus Berlin und Brandenburg sind folgende wissenschaftliche Einrichtungen
involviert:
■ Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik, Institutsteil Potsdam
■ Universität Potsdam
■ Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, Potsdam
■ Charité – Universitätsmedizin Berlin
■ Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam
■ Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik e. V., Teltow
■ FH Wildau
Taschentuchlabor: Impulszentrum
für Integrierte Bioanalyse
Partner aus der Wirtschaft sind:
■ MicroDiscovery GmbH, Berlin
■ BST Bio Sensor Technology GmbH, Berlin
■ CONGEN Biotechnologie GmbH, Berlin
■ Scienion AG, Berlin
■ PolyAn GmbH, Berlin
100
10.02.12 14:19
Zentrum für Molekulare Diagnostik
und Bioanalytik (ZMDB)
c/o BioTOP Berlin-Brandenburg
Das Zentrum für Molekulare Diagnostik und Bioanalytik (ZMDB) dient als Plattform in Grundlagenforschung, Technologieentwicklung, klinischer Forschung
und industrieller Anwendung für innovative Diagnostika in Berlin-Brandenburg. Das Management des Zentrums liegt in der Verantwortung von BioTOP
Berlin-Brandenburg. Eine dichte Forschungs- und Kliniklandschaft (unter
anderem Fraunhofer-IBMT, Charité – Universitätsmedizin Berlin) sowie rund
80 Biotech-Unternehmen sorgen für die inhaltliche Ausgestaltung des breiten
Spektrums an in vitro-Diagnostik. Die gebündelten Kompetenzen umfassen:
■ Technologieentwicklung
– Biosensor-Entwicklung
– Patientennahe Diagnosesysteme (Point-of-Care-Testing, POCT)
– Design und Produktion von Biochips
– Innovative Spotting-Technologien
– Multiparameter-Analytik
– usw.
■ Innovative Biomarkerstrategien/klinische Studien
■ Industrielle Anwendungen
– Biochip-Produktion
– Minimal-invasive Glukosesensorik
– Micro-Arrays (DNA, RNA, Protein, Glycan)
– usw.
Fazit
Forschung und Entwicklung im Bereich Bioanalytik und -sensorik sind in der
Hauptstadtregion mit vielen Akteuren vornehmlich aus Berlin und Potsdam
besetzt, überregional bedeutsam und mit anderen schwerpunktsetzenden
Regionen vernetzt. F&E im Themenfeld geschieht stark anwendungsorientiert.
Grundlagenforschung wird vor allem zu spezifischen Bindungen (Analyt/Antigen-Antikörper) und zur Signaltransduktion betrieben. Damit soll die Pointof-Care-Diagnostik indikationsbezogen per Zielmoleküldedektion (Biochip/
Microarray) bzw. Massen-/Konzentrationsbestimmung (Biosensor) entwickelt
und insgesamt vorangetrieben werden. Kopplungstechniken bzw. Immobilisierungsmethoden von Biomolekülen an Substrate stammen häufig aus der
Region. Zusätzlich gilt es, diese bei der Entwicklung neuer Biochips/Microarrays
und Biosensoren an die spezifischen Anforderungen (Art von Substrat, Biomolekül und Analyt/Zielmoleküle) anzupassen. Für die direkte Signaleinkopplung
werden zunehmend metallische Nanostrukturen als Interface von Zelle und
Werkstoff herangezogen. Einige Vernetzungsaktivitäten und -möglichkeiten sind
durch die themenspezifischen und regionalen Netzwerkinitiativen gegeben.
Andere Regionen bilden ebenfalls Schwerpunkte und Verbünde rund um
die (Nano-)Bioanalytik und -sensorik. Beispiele sind die NanobioanalytikRegion Münster mit dem voraussichtlich 2012 fertiggestellten Nanobioanalytik101
10.02.12 14:19
Zentrum und der Thüringer Wachstumskern ›Bioanalytik und Oberflächen zur
Integration in Systemen (BASIS)‹ an den Standorten Jena, Ilmenau und Heilbad
Heiligenstadt.
Weiterhin gefragt und in der Entwicklung befindlich sind möglichst universelle Kopplungs- bzw. Immobilisierungsmethoden, wie sie weltweit als
Beschichtungsstrategie für neue DNA-Mikroarray-Techniken (Bindung von
DNA-Molekülen ohne deren biologische Aktivität zu beeinflussen) von Interesse sind.
5.2.5 Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik
Abgrenzung
Die Bioverfahrenstechnik (auch Bioprozesstechnik) ist der Bereich der Biotechnologie, der sich mit der verfahrenstechnischen Umsetzung von Stoffumwandlungen durch biologische Prozesse beschäftigt.
Dabei kommen Organismen (zum Beispiel Bakterien, Hefen) oder Enzyme
bzw. Enzymsysteme zum Einsatz. Von oberflächentechnologischer Relevanz ist
deren Immobilisierung (Adsorption an anorganischen Oberflächen, zum Beispiel Glas, Ton, Sand, Metalloxide, nichtrostender Stahl oder kovalente Bindung an polymere Träger/organische Stoffe wie Polysaccharide, Polyamide,
Vinylpolymere).30 Solche trägerfixierten Enzyme in Form einer Beschichtung,
eines Netzwerks oder einer (permeablen) Membran werden bei biokatalysierten Prozessen eingesetzt, etwa zur chemischen Synthese (Industrielle oder
Weiße Biotechnologie).
Da biologische Prozesse unter weniger extremen Bedingungen ablaufen,
können sie verschiedene chemische Verfahren mit ökonomischen und ökologischen Vorteilen ersetzen. Eine enge Verknüpfung der affinen oder katalytischen
Oberflächen besteht zu Schadstoffabtrennung, Filtrations- und Reinigungsprozessen (Graue oder Braune Biotechnologie/Umweltbiotechnologie), die Enzyme
und Mikroorganismen (jedoch auch in nicht-trägerfixierter Form) für die Aufbereitung von Trinkwasser, Abwasser, Abluft, Abfällen usw. nutzen (Kapitel
Umwelttechnik).
Wissenschaft
Das Fachgebiet Technische Chemie/Enzymtechnologie um Prof. Ansorge-Schumacher an der TU Berlin befasst sich mit der Nutzung biologischen Materials als
Katalysator für synthetisch bedeutsame chemische Reaktionen. Es ist Teil des
Exzellenzclusters ›Unifying Concepts in Catalysis‹ (UniCat) und steht in Verbindung mit dem Graduiertenkolleg ›Biokatalyse in unkonventionellen Medien‹
(GRK 1166, ›Bionoco‹) an der RWTH Aachen.
Prof. Dr. Marion AnsorgeSchumacher
30
Zukünftige Technologien Consulting
(ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH
(Hrsg.) (2006), S. 66.
102
10.02.12 14:19
Im Mittelpunkt der Forschung stehen vielversprechende kommerzielle Enzyme,
aber auch – vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit nachwachsender Rohstoffe – bislang wenig genutzte Biokatalysatoren. Die isolierten Enzyme gilt
es durch Immobilisierung, chemische Modifikation und molekularbiologische
Techniken an die Anforderungen ihres technischen Einsatzes in Gegenwart
nicht wässriger Medien anzupassen. Vorrangig ist dies für die chemische Synthese von Bedeutung, dem für die chemische Industrie ständig an Bedeutung
gewinnenden, interdisziplinären Feld der synthetisch-technischen Nutzung
von Biokatalysatoren.
Damit bestehen Bezüge zu Kosmetik, Pharmazeutik, medizinischer Diagnostik und Umweltanalytik – Bereiche, in denen Enzympräparate oder ganze
Zellen als Wirkstoffe oder als biologische Komponenten von Biosensoren
genutzt werden (›Rote‹ und ›Braune Biotechnologie‹ sowie Mikro- und NanoBiotechnologie).
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) werden am
gleichnamigen Fachbereich Biopolymere (Dr. Vorwerg) untersucht und entwickelt, die zum einen auf Stärke basieren (Kapitel Bauteilbeschichtung,
Verfahren, Simulation), zum anderen Cellulose involvieren (Kapitel Biokompatible und bioaktive Oberflächen). Als selektive Trägersysteme und Trennmaterialien können Celluloseprodukte zur Blutentgiftung eingesetzt werden;
weitere Anwendungen sind Symplex-Membranen für die destillationsfreie
Lösungsmitteltrennung in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie.
Die Abteilung Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide am Fh-IAP
(Prof. Laschewsky, zugleich Professor für Angewandte Polymerchemie an der
Universität Potsdam) beschäftigt sich mit Polymeren und deren Grenzflächengestaltung auf Nanoebene. Ein Arbeitsfeld ist die Latex-Synthese durch Emulsions- und Dispersionspolymerisation in wässrigen und organischen Systemen.
Die daraus resultierenden maßgeschneiderten Partikel und Funktionalitäten
dienen unter anderem Produkten wie der Latex-Kompositmembran – ein
effektives Trennmaterial, das durch an die Latex-Partikel gebundene, hochspezifische Liganden zur Wechselwirkung mit dem abzutrennenden Substrat
befähigt ist. Weitere Anwendungen sind in den Kapiteln Oberflächen in der
Nano-Biotechnologie und Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik beschrieben.
Das Fh-IAP ist mit seiner Forschung zur ›Verbesserung der Biokompatibilität
und Funktion von medizin- oder biotechnisch eingesetzten Materialien‹ im
Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile – MATERIALS aktiv, der die Kompetenzen von 13 materialwissenschaftlich orientierten Instituten der FraunhoferGesellschaft bündelt.
103
10.02.12 14:19
Wirtschaft
Die PolyAn GmbH ist ein auf Molecular Surface Engineering (MSE) und Surface
Molecular Imprinting (SMI) spezialisiertes Unternehmen. Diese Technologieplattform wird neben der Entwicklung von Biochips, diagnostischen Membranen und biokompatiblen Oberflächen (Kapitel Oberflächentechnik in
Bio-Analytik und Diagnostik und Biokompatible und bioaktive Oberflächen)
auch für Anwendungen in der industriellen Biotechnologie genutzt. Mit dem
molekularen Prägen und der MSE-Technik lassen sich Oberflächen so maßschneidern, dass verschiedene Zielstrukturen hergestellt werden können, die
die molekulare Erkennung nutzen. Poröse mit molekular geprägten Polymeren (MIPs) versehene Trägermaterialien werden somit als Nano-/Ultra-/Mikrofiltrationsmembran beispielsweise in der Festphasentrennung (solid phase
extraction SPE) oder in der Katalyse verwendet.
PolyAn hat außerdem für die Trennung flüssiger organischer Stoffgemische
durch selektive Pervaporation (organophile Nanofiltration oNF) HochleistungsKompositmembranen entwickelt. Bei diesen wendet man das ›pore-filling‹Konzept an, auf diese Weise können die Membranen auf spezifische Trennprobleme zugeschnitten werden. Ein dünner funktioneller Polymer-Film wird
dazu kovalent in der Separationsschicht einer asymmetrischen Ultrafiltrationsmembran immobilisiert. Das Design der Separationsschicht auf molekularer
Ebene stellt also entsprechend die Pervaporations-Selektivität auf spezifische
Anforderungen ein. Mit den lösemittelbeständigen oNF-Membranen ergeben
sich Möglichkeiten, alternativ zu oder in Kombination mit herkömmlichen
thermischen Trennverfahren, sehr effiziente Prozesse zur selektiven Trennung
flüssiger organischer Stoffgemische zu implementieren.
PolyAn GmbH
Fazit
Oberflächentechnologie spielt in der Bioverfahrenstechnik vornehmlich dann
eine Rolle, wenn biokatalytische Prozesse oder Filtrations- und Trennaufgaben
nicht in Lösung (vor allem wässrigen Medien) bzw. nicht direkt im Medium
stattfinden können oder sollen.
Die Hauptstadtregion weist auch in diesem kleinen Technologiebereich
einige Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft auf. Zu berücksichtigen ist
zudem, dass die mannigfachen Anwendungsmöglichkeiten der Technologien
viele Branchen bzw. Biotechnologiebereiche (medizinische, pharmazeutische,
lebensmitteltechnische oder Umwelt-Biotechnologie) betreffen.
Es erscheint als sinnvoll, den F&E-Bedarf zur Trägerfixierung von biokatalytischen bzw. affinen Substanzen (Membrantechnik) separat zu ermitteln. Dabei
sollte das Themenfeld über die Kategorie Life Science hinaus in Bezug auf weitere Anwendungsmöglichkeiten (vor allem biokatalysierte chemische Synthese,
Umwelttechnik/Bautechnik: Wasseraufbereitung, Schadstoffabtrennung, Luft104
10.02.12 14:19
reinhaltung) betrachtet werden. Die Thematik ist auch vor dem Hintergrund
der bioökonomischen Bestrebungen in der Region (Konzepte zur nachhaltigen
Nutzung von biologischen Ressourcen) bedeutsam.
5.3
Energietechnik
Zahlreiche wissenschaftliche Einrichtungen der Region betreiben energiebezogene Forschung. Und mit rund 47.000 Beschäftigten ist die Energiewirtschaft bedeutend für Wirtschaftsleistung und Beschäftigung in Berlin und
Brandenburg.31 Schwerpunkte setzt die Region bei Photovoltaik, elektrischen
Übertragungs- und Verteilungsnetzen/Energiespeicherung, Turbomaschinen/
Kraftwerksturbinen/Kraftwerkstechnik32, Energieeffizienztechnologien sowie
Erneuerbaren Energien.33
Aufgrund knapper fossiler Ressourcen und der mit fossilen Brennstoffen
verbundenen CO2-Emissionen werden neue effiziente Energietechnologien
bei Photovoltaik, Batteriesystemen, Windkraftanlagen, Kraftwerkstechnik und
Brennstoffzellen immer wichtiger. Eine Schlüsselrolle spielen dabei innovative Materialien und insbesondere Effekte in Nanodimensionen, die durch
die veränderten physiko-chemischen Werkstoffeigenschaften (größeres Oberfläche-Volumen-Verhältnis) zu Effizienzsteigerungen führen.34 Entsprechend
funktionale Oberflächen betreffen letztlich nicht nur die Energiegewinnung
und -speicherung in Form der genannten Bauteile, sondern auch bau- und
umwelttechnische Aspekte, die Energie- und Ressourceneinsparungen bedeuten (Reinigungsaufwand, Strömungswiderstand, Wärmeübertragung/Isolation, Witterungsbeständigkeit, Hochtemperaturschutz, Flamm-/Brandschutz).
5.3.1 Solarthermie
Abgrenzung
31
Ausführliche Informationen dazu in:
Vogel, Sebastian (2008).
32
Weitergehende Informationen dazu in:
Besinger, Frank et al. (2011).
33
34
Vgl. Eickenbusch, Heinz (2010), S. 150.
35
Remmers, Karl-Heinz (2000), S. 102.
In der Solarthermie gilt es die Wechselwirkung an der Oberfläche von Solarkollektoren zu optimieren. Funktionale Schichten werden hier zur Verringerung von Verlusten an einfallender Sonnenstrahlung (Antireflexbeschichtung)
und zur Absorption selbst, also zur Umwandlung von Lichtstrahlung in Wärme,
benötigt (Absorber/Absorberbeschichtung).
Anbieter von Solarkollektoren bauen auf unterschiedlichste Kombinationen
von Absorber, Absorberbeschichtungsmaterial und Beschichtungsverfahren,
sodass sich entsprechend unterschiedliche Absorptions- und Emissionsgrade
in Bereichen zwischen 90 und 98 Prozent bzw. 3 und 20 Prozent ausbilden.35
Während man noch vor wenigen Jahrzehnten Solarabsorber elektrochemisch schwärzte oder schwarz lackierte, um Lichtaufnahme und Kollektortemperatur zu maximieren, begann man um 1990 mit dem Einsatz selektiver
105
10.02.12 14:19
Absorberschichten wie Schwarzchrom auf Kupferabsorbern. Als selektiv werden
diese Oberflächen bezeichnet, weil sie zwischen hoher Lichtaufnahme einerseits (hohe Effizienz bei Aufnahme von Solarstrahlung mit Wellenlängen unter
2,5 µm) und geringen Wärmeverlusten andererseits (minimierte Abstrahlung
von Wärme mit Wellenlängen oberhalb 2,5 µm) trennen bzw. beide Effekte
vereinen. Seit Mitte der 1990er Jahre haben sich physikalische Depositionsverfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition) und Sputtern durchgesetzt
(Tinox-Beschichtung, Sunselect).
Wissenschaft
Solarkollektoren haben generell einen verhältnismäßig hohen Entwicklungsstand erlangt. Das damit einhergehende Lowtech-Image führt dazu, dass der
weiterhin vorhandene F&E-Bedarf tendenziell unterschätzt wird.
Speziell zu hochselektiven Absoberbeschichtungen sind jedenfalls in Berlin
und Brandenburg keine Forschungsaktivitäten bekannt.
Wirtschaft
In der Hauptstadtregion sind einige Solarkollektorenhersteller ansässig, die
Absorbertechnologien regionaler und auswärtiger Zulieferer in Kollektoren zur
Warmwasserbereitung oder Raumheizung einbauen.
Die KBB Kollektorbau GmbH als Entwickler und Hersteller von Solarkollektoren (Flachkollektoren, Vollflächenabsorber und Montagezubehör) operiert als
unabhängiger Erstausrüster, beliefert entsprechend OEM-Partner, die thermische Solartechnik unter eigenem Namen vertreiben. Die KBB verwendet
hochselektive Absorberbeschichtungen auf Aluminiumabsorberblech verschiedener Hersteller wie Sunselect TiNOX eta plus, Mirotherm Mirosol und
ARDIS (auf Absorberblech Kupfer 0,2 mm/Kupfer 0,3 mm/Aluminium 0,4 mm/
Aluminium 0,5 mm).36 Im Jahr 2011 übernahm die KBB Vermögen und Kernkompetenz der ehemaligen ARDIS Beschichtungs GmbH (Brandenburg/Havel) 37,
deren Beschichtungstechnologie erfolgreich in die Produktion integriert wurde.
Derzeit stellt die KBB neben ihrer High-tech-Produktlinie ein korrosionsbeständiges, salzwasserresistentes Niedrig-Preis-Produkt speziell für die
Märkte im Mittelmeerraum her.
Die 2007 in Brandenburg gestartete Serienproduktion von ARDIS-Absorbern
umfasste die Beschichtung von bis zu 1.250 mm breitem und 0,2 mm starkem
Kupferband mit Titan und Aluminium mittels eines speziellen PVD-Verfahrens,
das die Beschichtungsmaterialien unter Vakuum durch einen Lichtbogen
verdampft (sogenannte Arc Evaporation). Die entstehenden zwei Schichten
(Absorptions- und Entspiegelungsschicht) sorgen für einen hohen solaren
KBB Kollektorbau GmbH
36
KBB Kollektorbau (2006); KBB Kollektorbau (o. J.).
37
Murphy&Spitz Green Capital AG (2011).
106
10.02.12 14:19
Absorptionsgrad (α) von 95 Prozent +/- 2 Prozent. Das Trägermaterial sorgt
durch Reflexion im Infrarotbereich für einen möglichst geringen Emissionsgrad
(um 5 Prozent +/- 3 Prozent); wahlweise lässt sich die Produktion leicht auf
Aluminiumblech umstellen. Durch die Beschichtung ist der Absorber außerdem
gut korrosionsgeschützt, die hochselektiven Absorber sind für die Anwendung
in Flach- und Röhrenkollektoren geeignet. Die Serienfertigung erfolgte – ähnlich wie beim Konkurrenten TiNOX (München) – in einem Batchverfahren, das
heißt durch Beschicken der Vakuumkammern mit Blech-Coils. Die weiteren
deutschen Hersteller, Alanod (Lauenförde) und Bluetec (Trendelburg), bringen
eine Beschichtung auf Chrombasis durch Ionenstrahlbeschuss (Sputtertechnik)
im Durchlaufverfahren auf das Blechband auf.38
Phönix SonnenWärme AG
Die Phönix SonnenWärme AG stellt Solarkollektoren unter Verwendung von
Vollflächenabsorbern aus Aluminium mit der eta plus Al-Beschichtung des
Herstellers BlueTec (Trendelburg) her.39 Die Flachkollektoren Phönix HRK 2.1 und
Phönix Infinity 3 tragen diese hochselektive Vakuumbeschichtung und sorgen
für einen Absorptionsgrad von 95 Prozent bei fünf Prozent Emissionsgrad.40
FK Solartechnik GmbH
Die FK Solartechnik GmbH bietet Hochleistungs-Vakuum-Röhrenkollektoren an
– etwa das Modell FK Solinas 3®, das nach dem Heatpipe-Prinzip funktioniert.
Eine umlaufende Absorberrichtung auf der inneren Röhre (Triple-Layer-Röhre)
sorgt für entsprechende Absorption der Strahlungsenergie; Antireflexbeschichtung und Infrarotreflexionsschicht konzentrieren die Strahlung für eine maximale Absorption im Inneren.
Vakuum-Röhrenkollektor, FK Solinas 3® (FK Solartechnik GmbH)
Fazit
38
Bröer, Guido (2007).
39
BlueTec GmbH & Co. KG (2006).
40
PHÖNIX SonnenWärme AG (o. J.).
41
Fh ISE/ISFH/Alanod-Sunselect/
CentroSolar Glas: ›Optische Beschichtungen für Solarkollektoren‹, u. a.
Bandbeschichtung zur Herstellung
von solarselektiven Absorberschichten
mittels Sputtern; Gombert, Andreas
(Fh ISE) et al. (2007).
Anders als im bundesweit organisierten ForschungsVerbund Erneuerbare
Energien (FVEE)41 hat die Region in der wissenschaftlichen Forschung zur
Beschichtungstechnologie für Solarkollektoren keine spezialisierte Kompetenz. Wirtschaftsrelevante F&E-Kompetenz ist nur ansatzweise vorhanden.
Absorberbeschichtungen werden hauptsächlich von auswärtigen Anbietern
bezogen. Von einer geschlossenen Verwertungskette mit regionalen Beschichtungsdienstleistern für die Energietechnik insgesamt könnte die Solarthermie
aber durchaus profitieren.
Erforderlich ist, den Forschungs- und Entwicklungsbedarf zu Solar-Absorberbeschichtungen, also Material- und Verfahrensentwicklungen zur Wir107
10.02.12 14:19
kungsgradsteigerung und reproduzierbare, kostengünstige, energieund ressourceneffiziente Beschichtungstechnologien, im Einklang und in Zusammenarbeit mit angrenzenden Technologiefeldern (zum Beispiel optische Vergütung,
photovoltaische Schichttechnologien) zu bestimmen und Anwendbarkeit oder
Übertragbarkeit zu prüfen.
5.3.2 Photovoltaik
Abgrenzung
Die Materialforschung und -entwicklung für die Photovoltaik hat sich in jüngster Zeit von der etablierten waferbasierten Technologie (µm-dicke freitragende
Funktionsschichten) hin zur Dünnschichttechnologie mit wesentlich verringertem Materialverbrauch entwickelt.42 Noch haben die klassischen SiliziumWafer einen Wirkungsgradvorsprung gegenüber den Dünnschichttechnologien
(Abbildung 13). Letztere sind jedoch wegen ihrer weiteren Vorteile – integrierte
Fertigung mittels großflächiger Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren
für Absorber, Elektroden, Antireflexeigenschaft, Verkapselung und weniger
Energieverbrauch (Abbildung 14) – vielversprechend für die photovoltaische
Energiegewinnung.
F&E-Themen in der Photovoltaik mit oberflächentechnologischer Relevanz
sind im Einzelnen
■ waferbasierte klassische Silizium-PV,
■ Absorberbeschichtung (Dünnschicht-PV),
■ maximale Materialeffizienz, amorphe (a-Si), hybride (zum Beispiel µ-Si/
a-Si), Verbindungshalbleiter-Materialklassen (Cadmiumtellurid/CdTe; CIS 43),
■ organische (Kunststoffe, Farbstoffe) oder hybride Materialien (Tandem- oder
Multispektralzellen), Nanokomposite,
42
(2010).
43
CIS = Gruppe der Verbindungshalbleiter, die sich aus Kupfer, Indium
oder Gallium sowie Schwefel oder
Selen (CIGS/CIGSe) zusammensetzen,
entsprechende natürliche Minerale
heißen Chalkopyrite; typischerweise
tiefschwarze Absorberschicht, nur etwa
zwei µm dünn
Abbildung 13: Rekordwirkungsgrade von Laborsolarzellen
Quelle: Soltecture GmbH (2011a).
108
10.02.12 14:20
Abbildung 14: Vorteile der Dünnschichttechnologie
gegenüber konventionellem Solarsilizium
Quelle: Soltecture GmbH (2011b).
■ transparente leitfähige Schichten als Elektroden,
■ Antireflexbeschichtung und
■ Verkapselung gegen O2 und H2O.
Wissenschaft
Dr. Carlo Fasting
Im Fachgebiet Organische und Makromolekulare Chemie der Freien Universität
Berlin forscht unter Leitung von Dr. Fasting eine Nachwuchsgruppe an Farbstoffsolarzellen, vor allem an den zugehörigen Materialsystemen. Die Gruppe
synthetisiert wasserlösliche PBIs (perylene tetracarboxylic acid bisimides) mit
hochverzweigten Polyglyzerol-Molekülen. Diese Farbstoffe weisen eine hohe
Fluoreszenzquantenausbeute auf.
Prof. Dr. Jürgen P. Rabe
Im Fachgebiet Physik von Makromolekülen der Humboldt-Universität zu Berlin beschäftigt sich Prof. Rabe mit hybriden Materialsystemen, unter anderem
für Solarzellen. Diese Halbleiterschichten oder Schichtsysteme werden mittels
Layer-by-Layer-Abscheidung aus wasserlöslichen Komponenten gebildet. In
einem Fall besteht dieser Multilayeraufbau aus TiO2-Filmen mit kolloidalem
CdSe und CdTe-Quantenpunkten (II-VI-Verbindungshalbleiter) und polymeren
Lochleiterschichten.44 In einem weiteren Fall ist ein TiO2-Nanopartikel-Netzwerk mit PTEBS als Lochleiter förmlich befüllt. Sie bilden eine Typ II- Heterogen-Verbindung mit entsprechender Bandlücke; die Infiltration stellt sicher,
dass die durch Lichtabsorption im PTEBS gebildeten Elektron/Loch-Paare vor der
Rekombination die PTEBS/TiO2-Grenzfläche erreichen.45
Des Weiteren werden in einem BMBF-geförderten Verbundprojekt mit
dem MPI für Polymerforschung Mainz und der Universität Bielefeld Gra-
44
Vgl. Kniprath, Rolf et al. (2009b).
45
Vgl. Kniprath, Rolf et al. (2009a).
109
10.02.12 14:20
phenoid-Lagen als großflächige elektrisch leitfähige, optisch transparente
Beschichtungsmaterialien erforscht (Kontaktierung unter anderem für Solarzellen).
Das Fachgebiet Halbleiterbauelemente der TU Berlin, vertreten durch Prof.
Boit, führt in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und
der gemeinsamen Initiative PVcomB lokale Funktionscharakterisierungen von
Dünnschicht-Solarzellen durch. Am Fachgebiet befasst man sich allgemein
mit Simulation, Technologie, Charakterisierung und Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen mit speziellem Fokus auf Analyse und Reparatur von elektrischen Fehlfunktionen, unter anderem in Solarzellen (Kapitel DünnschichtElektronik und Optoelektronik).
Prof. Dr. Christian Boit
Das materialwissenschaftlich orientierte Forschungsfeld am Lehrstuhl Angewandte Physik II/Sensorik um Prof. Schmeißer (BTU Cottbus) widmet sich
unter anderem Erkenntnissen zu photovoltaischen Anwendungen (vergleiche
auch Kapitel Energiewandlung und -speicherung, Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik, Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik). Mit dem Ziel, elektronische
Eigenschaften und geometrische Strukturen verschiedener Materialien, wie
WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen aufzuklären, werden Schichten und
Schichtstrukturen präpariert und spektroskopisch oder spektromikroskopisch
untersucht. Dafür stehen den Forschern die elektronenspektroskopischen
Techniken Röntgen-Photoelektronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen(UPS), wellenlängendispersive Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und
Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) sowie die spektromikroskopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch
wird hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II
genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchungen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).
Zum Thema organische Solarzellen arbeitet der Lehrstuhl gemeinsam mit
dem HZB an kostengünstigen Herstellungsweisen aus organischen Lösungsmitteln, vor allem an der Optimierung der Solarzellenperformance (Wirkungsgrad) anhand von Präparationsbedingungen (Art der Halbleiter, Mischungsverhältnis, Lösungsmittel, Temperung). Forschungsergebnisse zu alternativen
PV-Materialien wurden in einschlägigen Veranstaltungen vorgestellt, so ›Ferroelectric layers in organic solar cells‹ durch Dr. Müller (BTU) bei der ›German
Polish Conference on Crystal Growth‹ im März 2011 in Frankfurt (Oder)/Slubice.
Aktuell wird unter dem Titel ›Präparation von technologisch relevanten Dünnschicht-Systemen unter praxisnahen Bedingungen und Analyse ihrer polykristallinen Materialeigenschaften‹ durch Ausbau einer Collaborating Research
Group (CRG) am Elektronenspeicherring BESSY II die Grundlagenforschung an
physikalisch-chemischen Prozessen an Oberflächen von polykristallinen Mate-
110
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rialien verstärkt. Dies impliziert die Herstellung von Halbleiter-Grenzflächen
nach elektrochemischen Prozessschritten für Dünnschicht-Solarzellen.
Der Lehrstuhl kooperiert vielfach mit regionalen und überregionalen
Forschungsinstituten und Industriepartnern, zum Beispiel mit HZB/BESSY, IKZ,
FBH, Fh-IAP, BAM, FHI, MBI; ihp, OderSun, BASF Schwarzheide.
Prof. Dr. Dieter Neher
Am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, Fachbereich
Physik Weicher Materie, um Prof. Neher forscht man am Thema ›Meso-structured Conjugated Polymeric Systems for Photovoltaic Applications‹, also an
organischen (polymeren) ultradünnen flexiblen Solarzellen und am Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen.
Halbleitende Polymere als aktive Layer in Solarzellen versprechen eine hohe
Quantenausbeute und einen viel höheren Absorptionsgrad als Siliziumsolarzellen. Innerhalb von einem Millimeter Dicke kann hier das gesamte einfallende Licht absorbiert werden; die Solarzellen sind damit flexibel/biegsam
einsetzbar. Für die halbleitende Eigenschaft werden je ein lochleitendes und
ein elektronenleitendes Polymer benötigt, die in Form von Polymer-Blends
oder Bi-Layer-Systemen hergestellt werden. Prof. Neher arbeitet daran, die bei
sonst üblichen Verfahren (Spin-Coating) auftretende Neigung zur Phasenseparation (Haufenbildung) zu verhindern, indem per Mikroemulsion Dispersionen
hergestellt werden, die entweder jeweils Nanopartikel (bis zu wenigen zehn
Nanometer klein) von zwei Polymeren oder Nanopartikel aus zwei Polymeren
(Nanocomposite) enthalten.
Vorlesungen hält Prof. Neher zum einen zu organischen Halbleitern, zum
anderen im Masterstudiengang Polymer Science zu physikalischen und technischen Eigenschaften der Polymere.
Prof. Dr. Jörg Acker
Bei der von Prof. Acker geleiteten Forschungsgruppe Siliziumchemie an der
Hochschule Lausitz stehen Gewinnung, Aufbereitung und Umsetzung von Silizium inklusive der instrumentellen Analytik in Fragen der Prozesschemie und
der allgemeinen Werkstoffforschung im Fokus.
Die konkreten Kompetenzen betreffen
■ chemische Präzisionsanalytik komplexer Materialien und dünner Schichten
(Werkstoffe, Mikroelektronik, Photovoltaik),
■ Strukturierung und Texturierung von Siliziumoberflächen,
■ Entwicklung und Untersuchung nasschemischer Ätzprozesse und Reinigungsverfahren an Siliziumoberflächen,
■ Aufbereitung und Recycling von Silizium,
■ Entwicklung von Aufschluss- und Analyseverfahren für die Siliziumanalytik
in der Photovoltaik,
■ Verunreinigungen und Defekte in Silizium.
Zur instrumentellen Ausstattung gehören ein hochauflösendes Continuum
Source-Atomabsorptionsspektrometer (AAS), ein Zeeman-Graphitrohr-Atom111
10.02.12 14:20
absorptionsspektrometer, ein Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-TransformSpektrometer (DRIFT) zur Charakterisierung der Oberflächenbindungen von
Silizium.46
Eines von zwei Projekten, die der Fachbereich Bio-, Chemie- und Verfahrenstechnik der Hochschule Lausitz im Rahmen des Förderprogramms ›IngenieurNachwuchs 2010‹ des BMBF einwerben konnte, ist ›ProSol – Prozesskontrolle für die Solarzellenfertigung‹. Damit verfolgt die Gruppe das Ziel, ein Verfahren zur kontinuierlichen Kontrolle und gezielten Beeinflussung des Ätzens
von Siliziumwafern zu entwickeln. Seit 2010 läuft das neue Forschungsprojekt
›Simpurem – Reines Silicium für die Photovoltaik‹ (anwendungsorientierte
Forschung im Rahmen des 5. Energieforschungsprogramms im Bereich Erneuerbare Energien) unter der Herausforderung, die Kosten für die Herstellung von
Solarsilizium zu senken, indem preiswerte alternative Materialien entwickelt
werden. Dafür werden ein Analyseverfahren etabliert, Kooperationen mit
regionalen und externen Partnern fortgeführt und allgemein die Siliziumchemie- und Photovoltaikforschung an der HS Lausitz stärker verankert. Vor dem
Hintergrund des noch vorhandenen Wirkungsgradvorsprungs von Solarsilizium gegenüber der Dünnschichtphotovoltaik und dem gleichbleibend hohen
Bedarf an Solarsilizium (2009 ca. 71.000 t) ist es für die PV-Industrie wichtig,
alle Prozessschritte, Material- und Verbrauchsmitteleinsätze zu optimieren, um
die Produktionskosten zu senken und wettbewerbsfähig zu bleiben.
Prof. Rech ist Leiter des Instituts für Silizium-Photovoltaik am Helmholtz
Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) und gleichzeitig
Inhaber der Professur Photovoltaik am Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien der TU Berlin. Durch diese Einrichtungen werden
Dünnschichtsolarzellen mittels Elektronenstrahlverdampfung (E-Beam, PVDVerfahren) von Silizium auf Glassubstrat bei hohen Abscheideraten von bis zu
20 Nanometern pro Sekunde hergestellt. Zur anschließenden Kristallisation
von amorph abgeschiedenem Silizium werden Laser- oder Festphasenkristallisationsverfahren getestet, aber auch das direkte Wachstum von kristallinem
Silizium angewendet. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung
von transparenten, leitfähigen Schichten als Frontkontakt mit sehr hohen elektronischen Mobilitäten und guter Temperaturstabilität. Derzeit ist Aluminiumdotiertes Zinkoxid (ZnO:Al) Mittel der Wahl.
Am Projekt PolySiMode (›Improved Polycrystalline-Silicon Modules on Glass
Substrates‹) der Europäischen Kommission ist das Institut seit 2009 beteiligt. Das
Konsortium will Wirkungsgrad und Rentabilität von Polysilizium-Dünnschichtsolarzellen (Festphasenkristallisation/Solid Phase Crystallization SPC von amorphem Silizium) steigern. Ziele sind ein Wirkungsgrad von zwölf Prozent und Kosten von 0,70 Euro pro Watt. Man produziert entsprechend Module als Demonstratoren und nutzt hochentwickelte Materialcharakterisierungsmethoden.
In der Lehrveranstaltung ›Dünnschichtsolarzellen und neue Konzepte‹ im
Modul Photovoltaik vermittelt Prof. Rech material- und systemtechnologische
Prof. Dr. Bernd Rech
46
Vgl. FH Lausitz (o. J.).
112
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Konzepte und Strategien zur Entwicklung von neuen Solarzellen an MasterStudenten der Fächer Elektrotechnik, Technische Informatik, Physik, Energietechnik und Wirtschaftsingenieurwesen.
Dr. Lars Korte
Die Gruppe Silizium-basierte Heterostrukturen um Dr. Korte (Abteilung Solarenergieforschung am HZB) interessieren Heterostrukturen mit Bedeutung für
verschiedene elektronische Bauelemente, darunter auch Hetero-Solarzellen.
Im Zentrum der Forschung steht derzeit die a-Si:H/c-Si-Heterostruktur. Sie ist
wegen der Abscheidung des amorphen Siliziums per CVD bei unter 300 °C für
Dünnschichtsolarzellen auf Glas sowie temperatursensitiven Siliziumwafern
(c-Si) geeignet und hat Potenzial für Hocheffizienzzellen (auf c-Si-Wafern)
mit Wirkungsgraden bis zu 24 Prozent. Hierfür spricht, dass dotierbares amorphes Silizium Hetero-p-n-Übergänge schafft und gleichzeitig eine sehr gute
Passivierung der c-Si-Oberfläche ermöglicht. Die Forscher zeigten mit numerischen Simulationen (AFORS-HET) darüber hinausgehende Wirkungsgrade für
alternative Designkonzepte. Das Heterostruktur-Konzept soll auch auf Dünnschichtabsorber aus polykristallinem Silizium (und kostengünstige SiliziumSubstrate) übertragen werden. In einem BMBF-Grundlagenforschungsnetzwerk bzw. -projekt untersucht die Gruppe seit 2005 die Umsetzbarkeit von
Siliziumquantenpunkten und nanoskaligen Si/SiO2-Verbunden als Konzept für
eine Photovoltaik der 3. Generation.
In der Lehre ist Dr. Korte durch die Leitung des Praktikums Herstellung einer
Silizium-Solarzelle an der TU Berlin tätig.
Prof. Dr. Martha Christina
Lux-Steiner
Prof. Lux-Steiner leitet das Institut für Heterogene Materialsysteme am HZB und
hat die gleichnamige Professur am Fachbereich Physik der Freien Universität
Berlin inne. Forschungsgegenstand des Instituts sind neue, hochabsorbierende Verbindungshalbleitermaterialien (CIS-Materialsystem, Chalkopyrite)
und industrierelevante Technologien zu ihrer Herstellung für den Einsatz in
Dünnschicht-Solarzellen. Zwei Industriestandard-Solarzellen sollen entwickelt werden, eine einschichtige CuInS2-Zelle und breitlückiges CuGaSe2 für
Tandemzellen. Depositionsmethoden wie MOCVD, PVD und CCSVT (chemical
close space vertical transport) werden dabei weiterentwickelt und analytische
Methoden wie Rastersondenmikroskopie, Ionenstrahlanalytik, (Ultraviolett-)
Photoelektronenspektroskopie (in-situ XPS/UPS) am Speicherring BESSY und
Elektronenbeugung (LEED, RHEED) zur Oberflächen- und Schichtcharakterisierung angewandt. Neben den breitlückigen Absorbermaterialien sind auch
Fensterschichten, speziell CdS- und ZnO-Layer, die in der am HZB zusammen
mit dem Institut für Technologie betriebenen CuInS2- und Cu(In,Ga)Se2-Baseline hergestellt werden, sowie Cd-freie Pufferschichten zur Passivierung von
Absorberoberflächen von Interesse. Alternative chemische Dünnschichtabscheidungsmethoden wie die Nicht-Vakuum-Verfahren Ion Layer Gas Reaction
(ILGAR) und Spray-Pyrolyse werden ebenfalls entwickelt und zweckmäßig eingesetzt.
113
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ZnO-Sputteranlage (HZB)
Von 2006 bis 2009 waren die HZB-Forscher am ATHLET-Projekt der Europäischen Kommission beteiligt, in dem sich 24 Forschergruppen gemeinsam den
beiden wichtigsten Materialansätzen für Dünnschichtsolarzellen (amorphes/
mikro-/polykristallines Silizium und Chalcopyrite/CIS-Technologie) widmeten.
Die Forschung an organischen Solarzellen am HZB begann 2001. Seit 2003
ist die Gruppe Organische Solarzellen (Dr. Fostiropoulos) etabliert und forscht
hauptsächlich Drittmittel-finanziert. Aus diesem Arbeitsgebiet des Instituts
für Heterogene Materialsysteme gehen Zweischicht- und Mischschichtsolarzellenkonzepte aus Zink-Phthalozyanin (ZnPc) und C60-Fulleren hervor, die
Indiumzinnoxid (ITO) als Frontelektrode, Aluminium als Rückkontakt und eine
zusätzliche Pufferschicht (Bathocuproin, BCP) bei der Zweischichtarchitektur
verwenden.
Am HZB betreibt das Institut für Technologie (Prof. Schock) der Abteilung Solarenergieforschung zusammen mit dem Institut für Heterogene Materialsysteme
eine Baseline, in der kontinuierlich Chalkopyrit-Solarzellen (CIS-Technologie)
und Kleinmodule bis zu einer Größe von 10x10 cm2 auf preiswerten Trägermaterialien/Substraten wie Fensterglas oder dünnen Folien hergestellt werden.
Diese Bauteile dienen als Basis zur Erforschung und Weiterentwicklung dieses
Solarzellentyps mit den Zielsetzungen Steigerung des Wirkungsgrades, Verbesserung der Langzeitstabilität gegenüber Umwelteinflüssen, Vereinfachung des
Herstellungsprozesses, also Optimierung der Präparation durch Prozesskontrolle, und Analytik der Schichtzusammensetzung (Tiefenprofile). Untersuchte
Prof. Dr. Hans-Werner Schock
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und verbesserte Prozessschritte oder Teilaspekte werden in den Baseline-Prozess übernommen, der damit kontinuierlich den neuesten Erkenntnissen entspricht. Die gesammelten Erfahrungen sind auch in Hinsicht auf die praktische
Prozessführung von Bedeutung.
Die Dünnschichtsolarzellen auf Basis von CuInSe2 werden in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt: Nacheinander werden Metallschichten aus
Molybdän, Kupfer und Indium durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf
Kalk-Natron Floatglas (Fensterglas) abgeschieden und anschließend in elementarem Schwefeldampf in einem Lampenofen in kurzer Zeit (man spricht
vom Rapid Thermal Processing RTP) zum Halbleitermaterial CuInS2 umgesetzt.
Das Institut für Technologie betreibt zwei derartige RTP-Öfen für Probengrößen
bis 10x10 cm2 bzw. 30x30 cm2. Der entstandene p-Halbleiter CuInS2 bildet
die lichtabsorbierende Schicht (Absorber), das Molybdän den rückseitigen
elektrischen Kontakt der Solarzelle. Nach Abätzen einer sekundären Kupfersulfidphase wird nasschemisch eine dünne n-leitende Cadmiumsulfid-Schicht
abgeschieden, die den pn-Übergang komplettiert. Anschließend wird als
transparenter leitfähiger Vorderseitenkontakt Zinkoxid wieder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht.
Zur Herstellung von Modulen, die aus mehreren integriert serienverschalteten Einzelzellen bestehen, werden zwischenzeitlich die Schichten strukturiert
(aufgetrennt). Durch diese integrierte Serienverschaltung lassen sich nicht nur
einzelne Solarzellen, sondern komplette Module herstellen. Im letzten Prozessschritt werden die Module verkapselt, um sie gegen Umwelteinflüsse zu
schützen. Die Verkapselung findet in einem Vakuum-Laminator statt, in dem
zwei Kammern evakuiert werden und gleichzeitig das Modul aufgeheizt wird.
Nach Erreichen einer bestimmten Temperatur wird die Kammer oberhalb der
Membran belüftet, woraufhin die Membran Druck auf das Paket aus Modul,
einer EVA-Folie und der Deckschicht (Glas oder Folie) ausübt, und diese sich
dauerhaft verbinden.
Seit 2002 entwickelte das HZB im Rahmen einer Kooperation mit der Firma
DutchSpace (Leiden/Niederlande) ultraleichte, flexible, für den Weltraum geeignete Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellenstrukturen. Es wurde ein BaselineProzess für die Präparation von flexiblen Mo/Cu(In,Ga)Se2/CdS/ZnO Solarzellen
auf 25 µm dicker Titan-Folie aufgebaut; dabei wurden bereits Wirkungsgrade
von 15 Prozent auf einer Fläche von 30 cm2 erreicht.
Die Arbeitsgruppe Material und Prozessentwicklung beschäftigt sich mit
Verbesserungen von Qualität und Prozessführung zur Herstellung der photovoltaisch aktiven Schichten durch Modifikation der Chalkopyrit-Verbindungshalbleiter. Hierzu gehören die Legierung anderer Verbindungen (CuGaS2,
ZnS ...) sowie das Bestreben, wertvolles Indium durch andere Metalle wie Zink
und Zinn zu ersetzen (Kesterit Cu2ZnSnS4).
Geeignete Dünnschichten werden mittels der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellt, ein langsamerer Prozess, in den Charakterisierungsmethoden wie die in situ-Laserlichtstreuung integriert werden können.
115
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Die in situ-Laserlichtstreuung zur Kontrolle der Bildung von CuInS2, Cu(In,Ga)
Se2 und verwandter Materialen wird gegenwärtig am Institut weiterentwickelt.
Die ex situ-Charakterisierung der hergestellten Dünnschichten erfolgt mit einer
Vielzahl von strukturell-materialwissenschaftlichen Verfahren.
Die Phasenbildung und Reaktionskinetik an Dünnschichten wird in situ
durch energiedispersive Röntgenbeugung (EDXRD) untersucht, das heißt es
stehen zwei Synchrotron-Experimente, eines davon bei BESSY (für typische
RTP-Prozesse), zur Verfügung. Oft kann mit Hilfe solcher in situ-Experimente
ein für industrielle Zwecke brauchbarer Prozess identifiziert werden, der im
Clustertool II mit entsprechenden Prozessparametern für große Substratflächen
(bis zu 10x10 cm2) umgesetzt werden kann.
Trotz großer Fortschritte im vergangenen Jahrzehnt ist das grundlegende
materialtheoretische Verständnis immer noch nicht vergleichbar mit etablierten
Halbleitermaterialien wie Silizium. Fortschritte in der Wirkungsgradsteigerung
waren nicht zuletzt das Ergebnis semiempirischer Optimierung der physikalischen und chemischen Präparationsschritte im Sinne von ›It worked first and
was explained later.‹ (Rau). In die Lehre ist das Institut durch die Leitung des
Praktikums Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle an der TU Berlin durch Prof.
Schock involviert.
Die Forschung am in Gründung befindlichen Institut Materialien für die Photovoltaik (Dr. Hannappel) fußt auf der ehemaligen Abteilung ›Dynamik von
Grenzflächenreaktionen‹ am HBZ. Ziel ist die Entwicklung von photovoltaischen
Bauelementen mit neuartigen Materialien sowie die Implementierung neuer
Dünnschichttechnologien (Photovoltaik der dritten Generation). Nano- und
Quantenstrukturen, organisch-anorganische Hybridsysteme sowie kritische,
anorganische, planare Solarzellenstrukturen und Grenzflächen, wie III-VHalbleiter-auf-Siliziumwafer, werden präpariert und mit analytischen Methoden strukturell, elektronisch und optisch untersucht. Zu den analytischen und
präparativen Methoden gehören gängige Ober- und Grenzflächenmessmethoden (Low Energy Electron Diffraction LEED, Ultraviolett-Photoelektronen- UPS,
Röntgen-Photoelektronen- XPS, Auger-Elektronenspektroskopie AES, Rastertunnelmikroskopie STM, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie FTIR), die
zeitaufgelöste Laserspektroskopie, nasschemische Präparation und die metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) von III-V-Halbleiterstrukturen. Die
Verfahren sind über ein mobiles Ultrahoch-Vakuum-Transfersystem kontaminationsfrei miteinander verbunden und lassen auch Messungen bei BESSY zu.
Dr. Thomas Hannappel
In einer Nachwuchsgruppe um Dr. Bär (Young Investigator Group Interface
Design) dreht sich die Solarenergieforschung am HZB um das Maßschneidern
von Grenzflächen zwischen den Layern stack-artig aufgebauter Dünnschichtsolarzellen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und elektronischen Struktur entstehen an den Grenzen der einzelnen Schichten Zentren
der Rekombination (von Elektron-Loch-Paaren). Zunächst werden Verhalten
Dr. Marcus Bär
116
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und Charakteristik der Solarzellen bestimmt, die anfängliche elektronische
und chemische Interface-Struktur untersucht und unvorteilhafte Oberflächenpaarungen identifiziert (Analyse), sodass um die Verluste zu reduzieren oder
zu eliminieren (Optimierung) maßgeschneidert Grenzflächenmodifikationen
vorgenommen werden können.
Dr. Torsten Boeck
Die Gruppe Si/Ge-Nanokristalle um Dr. Boeck in der Abteilung Kristalline
Schichten & Nanostrukturen des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ)
forscht in einem Schwerpunkt an der Züchtung von dünnen Siliziumschichten
zur Verwendung als kostengünstige Solarzellen. ›Silicium auf Glas‹ umschreibt
das Ziel, per Niedertemperatur-Kristallisation polykristalline Siliziumschichten
auf amorphem Substratmaterial (Glas) zu erzeugen. Dazu werden lokale Keimzentren durch Aufbringen von metallischen Tröpfchenfeldern, die als Lösungsmittel für Silizium dienen, gebildet (selektive Kristallisation) und Parameter wie
Tröpfchengröße und -abstände variiert.
Weitere Herstellungs- und analytische Methoden sind
■ Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) bei homogener frontseitiger
Strahlungsheizung des Substrats,
■ modifizierte Flüssigphasenepitaxie (LPE),
■ integriertes Rasterelektronenmikroskop zur in situ-Prozessdiagnostik,
■ massenspektrometrische Überwachung der Gasatmosphäre während des
Wachstums,
■ pyrometrische Messung der Temperatur der Schmelzenoberfläche zur Regelung des vertikalen Temperaturgradienten im LPE-Züchtungsgefäß.
Silizium-Nanosäulen auf vorstrukturiertem Silizium-Substrat (IKZ)
117
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Im Rahmen ihrer Promotion am IKZ und an der Humboldt-Universität beschäftigte sich Andrea Kramer mit Züchtung und Wachstum von Nanosäulen aus
Silizium und Germanium. Auf vorstrukturiertem Substrat aus übersättigten
Goldtröpfchen wuchsen Si-Nanosäulen bei hohen Temperaturen senkrecht zur
Substratoberfläche auf. Dies könnte ein Schritt in Richtung Solarzellen, aber
auch anderer optoelektronischer Bauelemente ›von morgen‹ sein. Bisher ist
Silizium für die Optoelektronik nicht geeignet, da es nicht leuchten kann. Das
grundlegende Verständnis der Oberflächenphysik, wenn nur wenige Atome
vorhanden sind (Quanteneffekte), wird am Institut weiter gewonnen werden.47
Im Bereich Silicium & Germanium (Abteilung Klassische Halbleiter) ist Dr.
Riemann am IKZ tätig. Für Anwendungen in der waferbasierten Photovoltaik
relevant sind seine schwerpunktmäßigen Untersuchungen von Solarsilizium
als Materialsystem und die Züchtungs-/Herstellungseinflüsse des Halbleitermaterials.
Kompetenzen und Arbeitsschwerpunkte sind
■ Silizium-Einkristall-Züchtung nach der Floating Zone (FZ)-Methode,
■ Züchtung nach Floating Zone-Methode aus Si-Granulat (GFZ),
■ ›quadratisches‹ einkristallines FZ-Silizium (QFZ) für die Photovoltaik,
■ Kristalle mit außergewöhnlichen Dotierungen, Orientierungen und Formen,
■ isotopenreine Siliziumkristalle,
■ experimentelle und numerische Untersuchungen der Prozesse,
■ Verbesserung der Regelung von FZ- und Czochralski-Züchtung,
■ Schmelzverhalten und Charakterisierung der Si-Ausgangsmaterialien,
■ Defektstruktur und Defektdynamik in ein- und multikristallinem FZ-Silizium,
■ Methoden der Kristalldiagnostik: Lateral Photovoltage Scanning (LPS),
2D-Widerstandsmessungen.
Dr. Helge Riemann
Prof. Rudolph arbeitete am IKZ an der Schmelzzüchtung von Halbleitermaterialien mit Hilfe von Magnetfeldern (Abteilung Klassische Halbleiter, Schmelzzüchtung im Magnetfeld). Durch Beeinflussung und Kontrolle der Strömungsverhältnisse in Halbleiterschmelzen industrieller Dimension mittels nichtstationärer Magnetfelder sowie Kenntnis konvektiver Temperaturfluktuationen
und der Kontaktsituation an der Tiegelwandung gelingt die Herstellung immer
reinerer und kostengünstigerer Halbleiterkristalle. Diese sind in Form von
daraus gesägten Wafern für die Silizium-Photovoltaik (neben der Elektronik
vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) von Bedeutung, da sie mit immer geringerem Verschnitt oder Randverlust, beispielsweise
durch einen quadratischen Querschnitt, erzeugt werden können. Forschung
und Entwicklung an der Produktionstechnik zur Halbleiterkristallzüchtung
(Heizer-Magnet-Module, Erprobung in Vertical Gradient Freeze-/VGF-, Liquid
Encapsulated Czochralski-/LEC- und Vapor Pressure-controlled Czochralski-/
VCZ-Anlagen) fanden in den entsprechenden, Zukunftsfonds-geförderten Projekten KristMAG (2005 bis 2008) und AVANT-Solar (2008 bis 2011) statt.
Prof. Dr. Peter Rudolph
47
Vgl. Wiemer, Gesine (2009).
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Dr. Rutger Schlatmann
Das Photovoltaik-Kompetenzzentrum für Dünnschicht- und Nanotechnologien Berlin PVcomB (Dr. Schlatmann) ist ein gemeinsam von HZB und TU Berlin
gegründetes Kompetenzzentrum in Dünnschicht- und Nanotechnologien für
die Silizium- und Verbindungshalbleiter-Photovoltaik.
Im Jahr 2010 erfolgte die erste eigene Beschichtung von mittelgroßen
Glasmodulen mit Silizium in einer PECVD-Clusteranlage (plasmaunterstützte
chemische Gasphasenabscheidung). Es werden sehr dünne amorphe und
mikrokristalline Siliziumschichten (a-Si/µc-Si) auf Trägermaterialien wie Glas
aufgebracht. Die Forschungslinie für Dünnschicht-Silizium am PVcomB befindet
sich im Aufbau.
An der PVcomB-Forschungslinie wird eine industrienahe Produktion von
Photovoltaik-Modulen möglich, die mit einer Größe von 30 x 30 cm² eine Verbindung zwischen kleinen Laborzellen (Ergebnisse der Grundlagenforschung)
und großen Industriemodulen schaffen.
Weitere Kompetenzen des PVcomB sind
■ polykristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen,
■ transparente und leitfähige Oxide,
■ ZnO/CdS-Fensterschichten,
■ Sputterdeposition, Abscheidetechniken/Produktionstechnologie,
■ Chalkopyrit-basierte Dünnschichtsolarzellen (CIS-Technologien, zum Beispiel Wachstum von Cu(In,Ga)Se2),
■ Plasmaphysik, Plasmadiagnostik,
■ Laser-Strukturierung,
■ Solarzellenanalytik, Charakterisierung von dünnen Schichten.
Das Kompetenzzentrum ist mit vielen weiteren Forschungs- und Bildungseinrichtungen sowie Solarfirmen vernetzt (Hochschule für Technik und Wirtschaft
Berlin; Joint Lab ihp/BTU; TUB – Berlin Laboratory for innovative X-ray Technologies BLiX; TUB – Institut für Optik und Atomare Physik IOAP, Prof. Lehmann/
Prof. Eisebitt; TUB – Fachgebiet Halbleiterbauelemente, Prof. Boit; Universität
Potsdam – Physik weicher Materie, Prof. Neher) und bietet anwendungsnahe
Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten, zum Beispiel im Masterstudiengang
›Global Production Engineering for Solar Technology‹ an der TU Berlin, im
Studiengang ›Erneuerbare Energien‹ an der HTW Berlin oder durch Dissertationen.
Dr. Jürgen Schneider
48
Vgl. MULTIPOL (FP6) (2010).
An der Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite PYCO
werden unter Leitung von Dr. Schneider, speziell im Projekt MULTIPOL48, multifunktionale Polymermaterialien mit maßgeschneiderten mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften erforscht und entwickelt. Solche Polymere
sollen aufbauend auf dem SOLID-Prozess hergestellt werden; dieser bezeichnet
die Abscheidung (Filmbildung) des Polymers Parylen auf ein flüssiges Substrat, wobei mit Hilfe des Parylens auch Flüssigkristallmischungen eingekapselt
werden können. Die Charakterisierung der Polymermaterialien erfolgt mittels
119
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spektroskopischer Verfahren (Fourier-Transform-Infrarot-/FTIR-ATR-, Nahes
Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungsindexbestimmung. Die Anwendungsgebiete sind neben organischen elektronischen Bauelementen (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik)
organische Solarzellen.
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), Bereich Polymere und Elektronik (Dr. Janietz) werden Polymere für den Einsatz in elektronischen Bauelementen erforscht und entwickelt (Kapitel Lichtemission/Photonik, Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik). Einen Teilbereich stellt die
Entwicklung von elektrisch aktiven Polymermaterialien für den Einsatz in der
organischen Photovoltaik dar: Sogenannte Low-Bandgap-Polymere (< 2 eV)
sollen das solare Energiespektrum besser ausnutzen (langwellenabsorbierend
sein) und als Fullerenersatz (PCBM als Akzeptor) fungieren. Copolyfluorene mit
Low-Bandgap-Charakter werden hergestellt und hinsichtlich ihrer Löslichkeit
verbessert.
PD Dr. Silvia Janietz
Wirtschaft
Die First Solar Manufacturing GmbH ist eine in Frankfurt (Oder) ansässige Tochter
des führenden US-amerikanischen Herstellers von Photovoltaik-Dünnschichtmodulen First Solar Inc. (Produktionskapazität 2008: 735 MW). Das im Jahr 2007
eingeweihte Werk betreibt die größte Dünnschichtsolarzellenproduktion in
Deutschland.
Die Module werden in einem durchgehenden Arbeitsprozess von der Halbleiterbeschichtung bis zur Endmontage und Produktprüfung gefertigt, wobei
Kosten für Rohstoffe und Herstellung möglichst niedrig gehalten werden:
Als Halbleiter dient Cadmiumtellurid (CdTe), das im Vergleich zu Silizium-PV
nur zwei Prozent entsprechender Halbleitermaterialmenge bedarf, geringste
Produktionskosten erzielt (2009 wurde die Marke von einem US-Dollar/Watt
unterschritten) und zudem wenig temperaturschwankungsempfindlich sowie
für die Absorption diffuser Lichtstrahlung prädestiniert ist.
Damit ließe sich Solarstrom in wenigen Jahren auf ein wettbewerbsfähiges
Niveau mit konventionellen Energien bringen (›grid-parity‹). Im Interesse eines
geschlossenen Produktlebenszyklus hat First Solar das erste umfassende Rücknahme- und Recyclingprogramm für Solarmodule eingeführt.
Auf einer Fläche von 162 Hektar des ehemaligen Truppenübungsplatzes
Lieberose (Spree-Neiße) wurde mit der Installation von 700.000 Solarmodulen ein Leuchtturmprojekt, das größte Photovoltaik-Kraftwerk Deutschlands
(53 MW Leistung, Strombedarf von ca. 14.000 Haushalten), geschaffen.49
First Solar Manufacturing GmbH
49
Vgl. innovations monitor berlin |
brandenburg (o. J.).
120
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Global Solar Energy
Global Solar Energy Inc. ist ein in Tucson (USA) und Berlin-Adlershof ansässiger Hersteller von flexiblen Solarzellen auf Basis der Kupfer-Indium-GalliumDiselenid- (CIGSe)-Dünnschichttechnologie. In einem Rolle-zu-Rolle-Produktionsprozess gefertigt, eignet sich das leichte, flexible PV-Material (PowerFLEX T)
für die Verwendung in herkömmlichen Glasmodulen und die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV-Produkte).
Einzelne flexible CIGS-Solarzelle (Global Solar)
Folgende Verfahrensschritte kennzeichnen die Herstellung des CIGS-PV-Materials:
■ Schritt 1 – MOLY: Abscheidung eines Molybdän-Layers (Rückkontakt) auf
Stahlband (Rollenware) mittels Sputtern.
■ Schritt 2 – CIGS: Gasphasenabscheidung von Kupfer, Indium, Gallium und
Selen; diese Materialkomposition bildet die spätere aktive (energieumwandelnde) Schicht.
■ Schritt 3 – CSD: Aufbringen eines sehr dünnen Pufferschicht auf den CIGSLayer (Chemical Solution Deposition CSD, chemische Abscheidung aus der
Lösung).
■ Schritt 4 – TCO: Sputtern einer transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO).
■ Schritt 5 – Print: Abrollen, Drucken eines Rasters mit Silberpaste (für die
Stromleitung), Trocknung des Drucks, Wiederaufrollen.
■ Schritt 6 – Slit/string: Schneiden des 700 bis 1000 m langen und 30 cm
breiten Bandes in einzelne Solarzellen von ca. 10 cm x 21 cm; elektrische
Reihenverschaltung der Zellen (1,85 m lang und 21 cm breit); Test und
Klassifizierung.
Die Weiterverarbeitung zu Solarmodulen erfolgt in ca. 150 Werken der Modulhersteller weltweit.
121
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Die Inventux Technologies AG ist ein 2007 gegründetes Unternehmen, das in
der siliziumbasierten Dünnschicht-Photovoltaik tätig ist. Inventux hat sich vom
reinen Modulhersteller zum Systemanbieter entwickelt, indem nicht nur die
Zell-/Modulproduktion umgesetzt ist, sondern auch Montagesysteme speziell
für Flachdächer, Wechselrichter und vorkonfektionierte Verkabelungen für PVAnlagen angeboten werden.
Inventux hat 2008 die europaweit erste Serienproduktion mikromorpher
Dünnschichtsolarmodule aufgenommen und eine Wirkungsgradsteigerung der
Module auf zehn Prozent erreicht. Als mikromorph gelten Tandemsolarzellen,
die amorphes und mikrokristallines Silizium kombinieren. Dies ermöglicht
eine bessere Ausnutzung der Sonnenstrahlung durch die unterschiedlichen
Bandabstände (sehr hohe spektrale Akzeptanz und damit höchstes Wirkungsgradpotenzial der siliziumbasierten Dünnschicht-PV), aber gleichzeitig ist dieselbe Technologie zur Herstellung der beiden Materialien nutzbar.
Inventux-Solarzellen bestehen aus in Superstratkonfiguration auffeinanderfolgend auf einem Frontglas abgeschiedenen Schichten (Superstrat-Konfiguration, da sich der Träger über der Zelle befindet und nicht unter der Zelle wie
in der Substrat-Konfiguration). Das Frontglas dient als Trägermaterial für die
dünnen Solarzellen und als Bestandteil der späteren Verkapselung des Bauelements. Für die Produktion der Absorberschichten wird die plasmaunterstützte
chemische Abscheidung (PECVD) mit gasförmigen Siliziumverbindungen ange-
Inventux Technologies AG
Dünnschichtsolarzellen- bzw. Modulproduktion (Inventux Technologies AG)
122
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wendet. Per Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) werden die Frontund Rückkontaktschichten (transparente leitfähige Oxide – TCO) aufgebracht.
Der Unterteilung in einzelne lange Zellen und deren Verschaltung dient
die Laserstrukturierung der beschichteten Flächen in Form ultradünner Streifen (jeweils bei Front-TCO, aktive Schichten, Rück-TCO), die sonst eine große
Zelle darstellen würden. Es entsteht ein monolithisch verschaltetes Modul ohne
Lötstellen, die errodieren könnten. Die länglichen Zellen gewähren maximale
Lichtausbeute auch bei Modulverschattung.
Das Modul wird ebenfalls per Laser randentschichtet, das heißt im Randbereich werden elektrische Schichten sublimiert (ohne Verletzung der Glasoberfläche), sodass das Modul elektrisch isoliert ist und damit Kurzschlussgefahr
sowie TCO-Korrosion ausgeschlossen werden können.
Abschließend wird das Rohmodul mit einer PVB-Folie und einem Rückglas im Druckautoklaven zu einem Sicherheitsglas verbunden, was eine hohe
Modullebensdauer involviert.
Odersun AG
Mit ihrem Hauptstadbüro und den Produktionsstandorten Sun1 in Frankfurt/
Oder und Sun2 in Fürstenwalde ist die Odersun AG ein wichtiger Vertreter der
PV-Branche in der Region. Die PV-Technologie basiert auf Modulen mit Dünnschichtsolarzellen aus einem hochfeinen CIS-Halbleiter (Kupfer-Indium-Disulfid), der auf Kupferband abgeschieden wird. Das Zelldesign mit der innovativen
CISCuT-Fertigungstechnologie (Kupfer-Indium-Disulfid auf Kupferband) ist aus
15 Jahren F&E-Tätigkeit hervorgegangen.
Das ein Zentimeter breite und 0,1 mm dünne Kupferband ist nicht nur Träger
der Solarzelle, sondern selbst Teil des Halbleiters. Die Schichtdicke der Zelle
beträgt nur 0,001 mm und entsteht in drei Hauptstufen in einem Rolle-zuRolle-Prozess. Die Zellstreifen werden dann zu verschiedenen Varianten kundenspezifischer Solarmodule weiterverarbeitet, das heißt in Streifen variabler
Länge geschnitten, leicht überlappt und mit leitfähigem Kleber zu so genannten Superzellen verschaltet. Module entstehen aus einer oder mehreren miteinander verbundenen Superzellen, die mit flexiblen Folien laminiert oder
starr im Glas-Folien- bzw. Glas-Glas-Verbund verpackt werden. Verschiedene
Beschichtungen werden durch Odersun umgesetzt, zum Beispiel zum Hitzeschutz, zur Selbstreinigung oder zur Blendfreiheit. Verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich durch Größe, Geometrie/Form, Musterung/Semitransparenz, Farbgebung und Bedruckung der Module.
Ca. 20 Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten bei Odersun in der Forschung und Entwicklung mit modernen Methoden der Materialforschung,
der Analytik, der Messtechnik und der Simulation – beispielsweise an der
Optimierung der photoelektrischen Parameter durch Einsatz neuer Materialien und Anpassung des Zelldesigns. Hinzu kommen intensive Kooperationen
mit wissenschaftlichen Instituten, Hochschulen und Industriepartnern sowie
öffentlich geförderte Projekte.
123
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Die Soltecture GmbH ist ein aus der Berliner Sulfurcell Solartechnik hervorgegangenes Unternehmen mit zehnjähriger Erfahrung in der CIS-Dünnschichtphotovoltaik. Entwickelt wurden zwei CIS-Technologien – eine auf Schwefelbasis (CIGS, chemisch Cu(In,Ga)S2) für Module mit maximaler Hitzetoleranz und
kostengünstiger Herstellung und eine auf Selenbasis (CIGSe, chemisch Cu(In,Ga)
Se2) für maximale Wirkungsgrade (höchste unter den Dünnschicht-PV-Technologien). Daneben hat die Firma Anlagen zur CIGS- und CIGSe-Beschichtung entwickelt sowie Verbesserungen der Technologie und Wirkungsgradsteigerungen
erreicht.
Der Herstellungsprozess ist eine Folge von Schichtabscheidungen auf einem
Glassubstrat, das zugleich als Trägermaterial und Bestandteil der späteren Verkapselung des Bauelements dient. Das Abscheiden der einzelnen Schichten erfolgt
weitgehend mit Prozessen wie Sputtern, das sich für großflächige homogene
Beschichtungen von Architekturglas in der Industrie seit Langem bewährt hat.
Auf einen Rückkontakt aus Molybdän folgen Vorläuferschichten aus Kupfer
und Indium, die mit Schwefeldampf in einem Lampenofen innerhalb kürzester
Zeit zum Absorbermaterial CIS umgesetzt werden. Darauf wird der Frontkontakt
abgeschieden und anschließend das Bauelement kontaktiert und verkapselt
(Schutz vor Witterungseinflüssen). Zwischen den einzelnen Abscheidungen
wird durch Laserschneiden und Nadelritzen eine Serienverschaltung vieler
einzelner Zellen erzeugt und integriert.50
Soltecture GmbH
Netzwerke
Im ForschungsVerbund Erneuerbare Energien FVEE mit Sitz in Berlin kooperieren deutsche außeruniversitäre Forschungseinrichtungen bei Forschung und
Entwicklung zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Die Photovoltaik hat
mit 27 Prozent den größten Stellenwert. Insbesondere bei neuen Ansätzen
in der Photovoltaikforschung (Tandem- oder Multispektralzellen; Organische
und Polymersolarzellen; Farbstoffsolarzellen; Nanokompositsolarzellen) ist das
Helmholtz-Zentrum Berlin maßgeblich beteiligt.
ForschungsVerbund Erneuerbare
Energien FVEE
Fazit
F&E für Photovoltaik, das heißt zugehörige Materialforschung, Oberflächenund Schichttechnologien, sind in der Hauptstadtregion ein Schwerpunkt von
überregionaler/internationaler Bedeutung und Vernetzung, ohne dass die
querschnittartig involvierten Oberflächentechnologien besonders betont werden. Es besteht eine ›in Deutschland einmalige Dichte von Kompetenzen in
der Dünnschichttechnologie‹51; vielfach kooperieren Unternehmen und Wissenschaftseinrichtungen. Insbesondere das Photovoltaik-Kompetenzzentrum
für Dünnschicht- und Nanotechnologien Berlin PVcomB gilt als Vorzeigeprojekt
50
Vgl. Meyer, Nikolaus (2004), S. 84.
51
PVcomB (2011).
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Abbildung 15: Positionierung der bestehenden Dünnschicht-Unternehmen
Quelle: EuPD Research (2011).
des Zukunftsfeldes Energietechnik im Rahmen der gemeinsamen Innovationsstrategie der Länder Berlin und Brandenburg.
Die vielschichtig betriebene grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung (Dünnschicht-, Silizium-, organische PV usw.) ist charakteristisch für
die Region und ein holistischer systematischer Ansatz, der mögliche Tendenzen
(Technologiedurchsetzung oder -führerschaft) kalkulierbar macht.
Forschungseinrichtungen in anderen Teilen Deutschlands erforschen Materialien für die Photovoltaik
■ ähnlich interdisziplinär mit Anwendungsmöglichkeiten im Solar- und
Halbleiterelektroniksektor (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
(ISE) Freiburg/Arbeitsgruppe Technologiezentrum Halbleitermaterialien
(THM) Freiberg zu Solarsilizium/ III-V-Halbleitern) oder
■ im gesamten Bereich der Energietechnik (TU Darmstadt, Material- und Geowissenschaften/Fachgebiet Oberflächenforschung zu Dünnschichtsolarzellen, Dünnschicht-Lithiumionen-Leitern, photoelektrochemische Energiewandlung).
Die Vertreter der PV-Wirtschaft verfolgen weltweit eine gewisse Differenzierungsstrategie (im gesamten Sektor einzigartiges Warenangebot) hinsichtlich
einer Alleinstellung in Technologie oder Preis, um Wettbewerbsvorteile zu
sichern (Abbildung 15, B-B-Vertreter: First Solar, Global Solar Energy, Inventux,
Odersun, PVflex Solar, Soltecture/ehemals Sulfurcell).
Gemessen an der Produktionskapazität anderer deutscher Solarstandorte
wie dem ›Solar Valley‹ (Sachsen/Sachsen-Anhalt) ist die Region Berlin-Brandenburg durchaus wettbewerbsfähig. Um das Grundlagen-Know-how der
Region auszuschöpfen, müssen allerdings die Zulieferketten gesichert und aus125
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gebaut werden. Dabei geht es unter anderem um Beschichtungsdienstleistungen und Anlagenbau, aber auch um Analytik zur Qualitätssicherung.
5.3.3 Energiewandlung und -speicherung
Abgrenzung
Neue Materialien und insbesondere dünne Schichten spielen auch in weiteren
Bereichen der Energietechnik eine Rolle, darunter bei Energiewandlung bzw.
Katalyse (Brennstoffzellen, Katalysatoren), elektrochemische Energiespeicherung (Batterien) und Wärmeenergiespeicherung/-bereitstellung (Latentwärmespeicher, heizbare Beschichtungen) bzw. Energiegewinnung aus der Umgebung (Energy Harvesting).
›Die Beschichtungstechnologie spielt in der Brennstoffzellentechnik eine
zentrale Rolle, da die Zellen einen schichtförmigen Aufbau besitzen. Dünne
Schichten von Elektrolyten und Elektroden mit ganz speziellen Eigenschaften
werden heute durch die verschiedensten Schichttechnologien hergestellt.‹52
Themen der Oberflächen- und Schichttechnologie im Bereich Energiewandlung und -speicherung sind
■ katalytische Beschichtungen (heterogene Katalyse) in Brennstoffzellen, Abgaskatalysatoren,
■ Ersatz von teuren Katalysatormaterialien wie Platin, alternative (biologische) Katalysatoren,
■ Materialien und Oberflächen für photoelektrochemische Energiewandlung
(›künstliche Photosynthese‹, ›mikrobielle Brennstoffzelle‹),
■ leitfähige, speicherfähige Trägermaterialien und isolierende Schichten für
Dünnschicht-Batterien,
■ Latentwärmespeicher und deren Verkapselungstechnologie (sogenannte
phase change materials/PCM, also Phasenwechselmaterialien unter anderem in Baustoffen für energieeffizientes Bauen),
■ heizbare Beschichtungen,
■ Energiegewinnung aus der Umgebung mittels Dünnschichtbauelementen
(Energy Harvesting).
Wissenschaft
An der Professur Physikalische und Theoretische Chemie – Oberflächenchemie
und Heterogene Katalyse der Freien Universität Berlin von Prof. Christmann
werden Metall- und Oxidoberflächenstrukturen (dünne epitaktische Filme) auf
ihre Wechselwirkung mit Gasen oder Dämpfen im Hochvakuum untersucht.
Einfache Modellsysteme und analytische Methoden werden angewandt, um
mehr Verständnis von den oberflächenchemischen Prozessen zu erlangen, aber
Prof. Dr. Klaus Christmann
52
Zentrum für Brennstoffzellentechnik
Duisburg GmbH (ZBT) (2003), S. 6.
53
Reißig, Hans-Ulrich (2008), S. 22.
126
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auch um Thermodynamik und Kinetik des Filmwachstums zu verstehen.53 Im
Einzelnen geht es um
■ Wechselwirkung Wasserstoff an Metalloberflächen/Lösen von Wasserstoff in
Speichermaterialien, Untersuchungsmethoden: niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), Thermodesorption (TDS), Schwingungsspektroskopie
und Photoelektronenspektroskopie,
■ Wachstum dünner Metallfilme auf Metalloberflächen, Untersuchungsmethoden: LEED, TDS und Rastertunnelmikroskopie (STM),
■ Koadsorption von Edelmetallatomen (Silber, Gold) und Gasen (Kohlenmonoxid) auf der Oberfläche hochschmelzender Metalle wie Rhenium; Dynamik
von Katalysatormaterialien,
■ katalytische Aktivität von reinen und mit Gold dotierten Titandioxidfilmen,
zum Beispiel Rutil(011)- (2x1) (orientierte epitaktische Filme); Aufklärung
von Ursachen der effizienten Katalysierung der Oxidation von Kohlenmonoxid.
Prof. Dr. Joachim Sauer
Die Arbeitsgruppe Quantenchemie der Festkörper/Katalyse (Prof. Sauer) der
Humboldt-Universität zu Berlin kombiniert quantenchemische Methoden und
Molekülsimulationen für Fragestellungen um Feststoffe und ihre Oberflächen;
im Fokus der Forschung stehen also Katalysatoren, speziell Zeolite (Alumosilikate) und Metalloxide. Die Arbeitsgruppe ist am Sonderforschungsbereich 546
›Struktur, Dynamik und Reaktivität von Übergangsmetalloxid-Aggregaten‹ (1999
bis 2011) beteiligt, dessen Sprecher Prof. Sauer ist. Dort ging es um Beziehungen zwischen der Struktur verschiedener Übergangsmetalloxid-Aggregate und
deren Funktion. Gasphasen- und Oberflächenuntersuchungen wurden dabei
gekoppelt, letztere beinhalten deponierte Cluster sowie epitaktische Schichten
und Einkristalle von Übergangsmetalloxiden, die charakterisiert wurden und
deren Reaktivität bestimmt wurde.
Im DFG-Exzellenz-Cluster ›Unifying Concepts in Catalysis‹ leitet Prof. Sauer
den Forschungsbereich A ›Schließen der Materiallücken in der Komplexen
Katalyse‹. Ziel der Arbeiten ist es, katalytische Mechanismen umfassend zu verstehen, um damit das Design und die Synthese neuer aktiver Materialen, unter
anderem heterogener Katalysatormaterialien, voranzubringen.
Beteiligt ist die HU zusammen mit den anderen Berliner Universitäten (FU
und TU) sowie dem Fritz-Haber-Institut und entsprechend assoziierten Professoren an der International Max Planck Research School (IMPRS) ›Complex
Surfaces in Material Science‹, in der physikalische und chemische Grundlagen
von Oberflächenphänomenen (insbesondere Heterogene Katalyse, Korrosion,
Miniaturisierung in der Elektronik und Biokompatibilität) an den wissenschaftlichen Nachwuchs vermittelt bzw. mit diesem erforscht werden.
Prof. Dr. Bärbel Friedrich
Die Abteilung Mikrobiologie am Institut für Biologie der HU Berlin ist mit ihrer
Forschung zu sauerstofftoleranten Hydrogenasen im Forschungsbereich B
›Intelligente natürliche und künstliche Enzyme‹ am Exzellenz-Cluster ›Unifying
127
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Abbildung 16: Bio-Brennstoffzelle auf Basis von biokatalysatorbeschichteten Graphitelektroden
Quelle: UniCat
Concepts in Catalysis‹ beteiligt. Prof. Friedrich leitet das Projekt B2 ›StrukturFunktionsbeziehungen von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen‹, in dem
– als Grundlage für die Anwendung als Wasserstoff aktivierendem Katalysator in Bio-Brennstoffzellen – NiFe-Hydrogenasen hinsichtlich des Reaktionsmechanismus, ihrer Sauerstofftoleranz und Kohlenmonoxidunempfindlichkeit
charakterisiert werden.
Im Projekt B1 ›Photosynthetische Oxidation von Wasser und Hydrogenasebasierte Bio-Brennstoffzellen‹ wendet Dr. Lenz in Kooperation mit Partnern
von der Oxford University die Hydrogenasen prototypisch in Bio-Brennstoffzellen an (Abbildung 16). Eine Anode aus Graphit wird mit dem Enzym
beschichtet, ebenso eine Kathode mit Laccase; ohne dass es einer Trennung
in zwei Kammern durch eine Membran bedarf, wird Strom aus der Umsetzung
von Wasserstoff und Sauerstoff (noch mit relativ geringer Energiedichte) gewonnen.
Die Arbeitsgruppe Anorganische Chemie/Metallorganische Chemie und Anorganische Materialien um Prof. Drieß an der TU Berlin widmet sich anorganischen Materialien für die Katalyse. Konkret werden molekulare Modelle für
heterogene Katalysatoren erstellt (zum Beispiel Metalloxide wie Magnesiumoxid als Platinersatz zur Umwandlung von Erdgas in Ethylen) und molekulare
Prof. Dr. Matthias Drieß
128
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Einkomponenten-Vorstufen (Precursoren) für nanoskalige anorganische Materialien (zum Beispiel für Zinnoxid als Ersatz für Indiumzinnoxid ITO) erzeugt.
Die Gruppe ist damit mehrfach in Projekten des Exzellenz-Clusters ›Unifying
Concepts in Catalysis‹ tätig, etwa in Projekt A3 ›Hierarchically organised solid
catalysts – Synthesis of advanced catalytic materials‹, und im BMBF-Projekt
Light2Hydrogen ›Energie für die Zukunft – Photokatalytische Spaltung von
Wasser zu Wasserstoff‹ (2009 bis 2014), das die direkte photokatalytische Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit einem Katalysatordesign auf Basis
neuer Hybrid-Materialien zum Ziel hat.54
Prof. Dr. Martin Lerch
Der Arbeitskreis Anorganische Chemie/Festkörperchemie von Prof. Lerch (Institut
für Chemie der TU Berlin) beschäftigt sich mit anorganischer Festkörper- und
Materialchemie. Neue Materialien (elektro-optische Materialien, Festelektrolyte, Katalysatoren, Farbpigmente etc.) werden mittels Anionensubstitution
erzeugt (Defektchemie), die Funktionsmaterialien als Einkristall gezüchtet
(›Skull-Schmelzen‹) und deren Struktur unter Nutzung von Neutronen- und
Synchrotronstrahlung analysiert.
Für die Anwendung in neuartigen elektrochemischen Sensoren und Brennstoffzellen werden in einem DFG-geförderten Forschungsverbund Mayenitbasierte ionenleitende Membranen entwickelt. Mayenit (Ca12Al14O33) ist ein
sogenannter ›Anti-Zeolith‹ und Bestandteil von Zement; er wird seit einigen
Jahren im Bereich der Elektrokeramik als Hightech-Material angesehen und
erforscht.
Prof. Dr. Arne Thomas
Die AG Funktionsmaterialien von Prof. Thomas (Institut für Chemie der TU Berlin)
beschäftigt sich mit Synthese und Anwendung nanostrukturierter Materialien.
Ein Fokus liegt dabei auf der Herstellung hochporöser Funktionsmaterialien,
welche vor allem für katalytische Anwendungen genutzt werden. Siliziumund Metalloxide können Poren zwischen zwei und 50 nm besitzen und
spezielle Funktionen erfüllen. Die Siliziumoxidoberfläche wird zusätzlich mit
organischen Verbindungen überzogen. Die reinen porösen Metalloxide erhalten aufgrund der großen Oberfläche (bis zu 1.000 m2/g) eine große katalytische
Aktivität. Die Materialien, welche in der Gruppe Funktionsmaterialien Verwendung finden, reichen von anorganischen bis zu organischen: Siliziumoxide
(Silicas) und Metalloxide, Kohlenstoffe und Kohlenstoffnitride, Organosilicas,
Polymere und organische Netzwerke.
Zusammen mit Prof. Drieß ist Prof. Thomas im BMBF-Projekt Light2Hydrogen ›Energie für die Zukunft – Photokatalytische Spaltung von Wasser zu
Wasserstoff‹ (2009 bis 2014) aktiv, das die direkte photokatalytische Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit einem Katalysatordesign auf Basis neuer
Hybrid-Materialien zum Ziel hat. Am Exzellenz-Cluster Unifying Concepts in
Catalysis ist die Gruppe im Projekt A3 ›Hierarchically organised solid catalysts
– Synthesis of advanced catalytic materials‹ beteiligt (Arbeitsbereiche ›Organic
frameworks, functional materials‹ und ›Porous conductive materials, surface
54
Light2Hydrogen ist ein interdisziplinäres
Netzwerk aus sieben PartnerEinrichtungen, darunter die Professoren
Thomas, Drieß, Blechert, Schomäcker
der TUB und die Forschungsinstitute
HZG und MPI-KG.
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functionalization‹); die Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Fischer erforscht im Projekt B5 ›Nanostructured electrodes for biocatalysis‹ Synthese und Konstruktion
von porösen Elektroden für die Immobilisierung von Enzymen (›Mesoporous
TCO thin films with variable pore sizes and pore structure; schitosan-gold bioelectrodes‹).
Die Arbeitsgruppe Technische Chemie (bzw. Elektrochemische Katalyse, Energie und Materialwissenschaften ECEMS) um Prof. Strasser an der TU Berlin
erforscht grundlegende atomare und molekulare Zusammenhänge von Struktur, Komposition und oberflächenkatalytischer Reaktivität nanostrukturierter
Partikel in gasphasenkatalytischen und elektrokatalytischen Prozessen. Gasphasenprozesse konzentrieren sich auf die Umwandlung von Methan zu Brennstoffen oder Zwischenprodukten. Die elektrokatalytischen Prozesse betreffen
unter anderem die Energieumwandlung in Wasserstoffbrennstoffzellen und
Methanolbrennstoffzellen, die photoelektrochemische Wasserspaltung (neue
Sauerstoff-Evolutions-Katalysatoren unter Verwendung von n-leitenden
photosensitiven Materialien mit niedrigeren Bandlücken), die katalytische CO2Entfernung und regenerative Brennstoffzellen (elektrochemische Energiespeicherung, auch Flow Battery oder Redox-Batterie genannt).
Das Forschungsinteresse an Niedrigtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFCs) gilt neuen Synthesetechniken, der Charakterisierung, dem mechanistischen Verständis von Mehrkomponenten-Elektrokatalysatorgemischen und funktionellen katalytischen Tests in elektrochemischen
Zellen, Brennstoffzellen oder Festbettreaktoren. Mit Hilfe von Synchrotronstrahlung (Röntgenstrahlenbeugung XRD, Kleinwinkelröntgenstrahlungsstreuung
SAXS) und Elektronenmikroskopie wird das Verhalten von neuen Elektrokatalysatoren in situ und unter reaktiven Bedingungen studiert. Von besonderem
Interesse sind Struktur-Wirkungs-Beziehungen bimetallischer Nanopartikel
oder Nanopartikelensembles, neue Kern-Schale-Katalysatorkonzepte (wie
durch einen Kupfer-Mischungs- und Entmischungsprozess hergestellte kompressiv verspannte Platin-Atomlagen55) und die Beziehung zwischen Korrosion
und Katalyse. Die Arbeiten der Gruppe sind Bestandteil im Exzellenz-Cluster
›Unifying Concepts in Catalysis‹, in den Projekten C1 ›Processing of solid catalysts‹ und C4 ›Design of integrated catalytic processes‹. In Vorlesungen, Praktika
und Seminaren zu den Themen ›Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologie‹
sowie ›Elektrokatalyse und Elektrochemische Energieumwandlung‹ werden
Studenten der Technischen Chemie unterrichtet.
Zur Technischen Chemie gehört zudem die Nachwuchsforschungsgruppe
›Catalytic Coatings‹ (Dr. Krähnert), die unter dem Projekttitel DEPOKAT (›Rationales Design Poröser Katalysatorschichten‹) im Rahmen des BMBF-Programms
Nanofutur (2006 bis 2011) Wandkatalysatoren herstellte. Dabei waren eine
definierte Synthese von mesoporösen Trägeroxidfilmen und Edelmetall-Nanopartikeln, deren Kombination zu Katalysatorschichten sowie die Charakterisierung der präparierten Materialien von Bedeutung. Nanokristalline Schichten
Prof. Dr. Peter Strasser
55
Exzellenzcluster UniCat (2010).
130
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verschiedener Metalloxide wurden auf mikrostrukturierten Substraten hierarchisch strukturiert präpariert, wodurch kontrolliert vernetzte Porensysteme
entstanden, die die Größe der spezifischen Oberfläche sowie die Stofftransporteigenschaften bestimmen (poröse Trägermaterialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie REM, Transmissionselektronenmikroskopie TEM, SAXS,
Weitwinkel-Röntgenstreuung WAXS, BET-Messung und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie XPS analysiert).
Bildungsmechanismen und -kinetik während der chemischen Synthese
kolloidaler Partikel (für aktive Zentren, zum Beispiel Metallatome auf der
Oberfläche von Edelmetall-Nanopartikeln) wurden mit ex-situ- (Sekundärelektronenmikroskopie SEM, TEM, XRD) sowie in-situ-Methoden (UV-VISSpektroskopie; SAXS, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie XANES
usw.) in Kooperation mit der BAM am Synchrotron BESSY II untersucht. Ziel ist
letztendlich, Katalysatorschichten künftig unter Einstellung und Kontrolle aller
relevanten Katalysatorparameter rational zu ›designen‹.
und forscht an Einsatzmöglichkeiten dieser Werkstoffe als bioaktive/biokompatible Werkstoffe im Zellkontakt (vergleiche Kapitel Biokompatible und bioaktive
Oberflächen), in der Zellkulturtechnik (vergleiche Kapitel Oberflächentechnik
im Tissue Engineering), aber auch in der Katalyse.
Im Sonderforschungsbereich 546 ›Struktur, Dynamik und Reaktivität von
Übergangsmetalloxid-Aggregaten‹ (1999 bis 2011), Teilprojekt B7 ›Technische
V2O5/TiO2-Modellkatalysatoren: Herstellung und Untersuchung der Aktivkomponente-Träger-Wechselwirkung‹ widmete er sich Vanadiumoxid(V2O5)-Pulverpartikeln als kristalline Aktivkomponente in Katalysatoren. Der Einfluss des
Trägers auf die Aktivkomponente sowie auf Aktivität und Selektivität wurden
untersucht.
Das materialwissenschaftlich orientierte Forschungsfeld am Lehrstuhl
Angewandte Physik II/Sensorik um Prof. Schmeißer (BTU Cottbus) zielt auf
verschiedenste Anwendungen (vergleiche Kapitel Photovoltaik, DünnschichtElektronik und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik
und Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik). Mit dem Ziel, elektronische Eigenschaften und geometrische Strukturen verschiedener Materialien, wie WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische
Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen aufzuklären, werden Schichten und
Schichtstrukturen präpariert und spektroskopisch oder spektromikroskopisch
untersucht. Dafür stehen den Forschern die elektronenspektroskopischen
Techniken Röntgen-Photoelektronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen(UPS), wellenlängendispersive Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und
Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) und die spektromikroskopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch
wird hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II
131
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als Anregungsquelle genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchungen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/
optisch).
Neuere Forschungsprojekte des Lehrstuhls betreffen den Schnittbereich von
Dünnschichttechnik und Energietechnik, darunter das Projekt ›Präparation von
technologisch relevanten Dünnschicht-Systemen unter praxisnahen Bedingungen und Analyse ihrer polykristallinen Materialeigenschaften‹, in dem
Dünnschicht-Systeme auch für den Anwendungsbereich Batterien vorgesehen
werden, sowie die Themen Materialforschung für Brennstoffzellen, SabatierProzesse, Katalyse und CO2-Reduktion. Beim 9. Cottbuser Leichtbauworkshop
(2011) wurde unter dem Thema ›Materialien für innovative Energietechnik/Statusseminar Innostructure‹ die Beteiligung des Lehrstuhls Angewandte Physik II/
Sensorik an der Verbundforschung GeoEnergie Phase II vorgestellt. Hierzu steuert der Lehrstuhl schwerpunktmäßig materialwissenschaftliche Forschung im
Bereich der Katalyse und Korrosion bei. Eine Kurzvorstellung des Verbundprojektes GeoEn II gab Prof. Schmeißer, über Katalysatoren für die CO2-Wandlung
zu C2H4 referierte Dr. Klaus Müller. Partner im GeoEn-Verbund sind die Universität Potsdam (UP), die Brandenburgische Technische Universität Cottbus (BTU)
und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ (Federführung.)
Der Lehrstuhl kooperiert(e) vielfach mit regionalen und überregionalen Forschungsinstituten und Industriepartnern, zum Beispiel mit HZB/BESSY, IKZ, FBH,
Fh-IAP, BAM, FHI, MBI; ihp, OderSun, BASF Schwarzheide.
Prof. Saalfrank, tätig am Institut für Chemie (Fachbereich Theoretische Chemie)
der Universität Potsdam, forscht in der Oberflächenchemie über Einzelmolekülmanipulation, Mikrostrukturierungen von Oberflächen und an der Oberfläche
stattfindende Reaktionen und Energietransfer (Heterogene Katalyse). Forschungsschwerpunkte und untersuchte oberflächenrelevante Phänomene sind
■ Photo- und Rastertunnelmikroskopie-induzierte Chemie an Oberflächen
für Anwendungen wie Mikrostrukturierung von Materialien, Oberflächenphoto- und -femtosekundenchemie, Einzelmolekülmanipulation,
■ Photodesorption von Atomen und kleinen Molekülen aus Metalloberflächen,
■ Rastertunnelmikroskopie-induzierte Desorption und Reaktionen (zum Beispiel Schalten) von Atomen und Molekülen an Halbleiter- und Metalloberflächen,
■ lasergestützte Kontrolle chemischer Reaktionen,
■ Quantenchemie photo- oder Rastertunnelmikroskopie-aktiver Adsorbate,
■ adiabatische Dynamik an Oberflächen,
■ Energietransfer angeregter Adsorbate an die Oberfläche (zum Verständnis
der heterogenen Katalyse beitragend).
Prof. Dr. Peter Saalfrank
Universitäre Forschungskompetenzen zur Energiewandlung/-speicherung sind
auch bei zwei weiteren Akteuren angesiedelt:
132
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Prof. Dr. Beate Paulus
Im DFG-Schwerpunktprogramm SSP 1386 ›Nanostrukturierte Thermoelektrika:
Theorie, Modellsysteme und kontrollierte Synthese‹ (2008 bis 2014) arbeitet
Prof. Paulus (Physikalische und Theoretische Chemie, FU Berlin) im Teilprojekt
›Nanokompositische Thermoelektrika: Synthesemethoden und Kompaktierung‹
an der Erforschung und Entwicklung von Te-basierten Materialien (Nanocomposite, ›vertikal‹ und ›lateral‹ nanostrukturierte thermoelektrische Systeme) zur
Stromerzeugung unter anderem aus Umgebungswärme.
Prof. Dr. Andreas Grohmann
Die AG Bioanorganische Chemie an der TU Berlin (Prof. Grohmann) ist in der
Oberflächenbeschichtung von Gold/Graphit mit funktionalisierten Liganden/
Komplexen sowie allgemein in der Koordinationschemie auf Oberflächen
tätig. Am Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen
Schaltern an Oberflächen‹ ist die AG mit dem Teilprojekt B5 ›Oberflächenfixierte schaltbare Metallkomplex-Ensembles‹ beteiligt. Neben der Bildung
und Untersuchung aktiver Enzymzentren und der Verwendung der Metallkomplexe für Krankheitsdiagnose/-therapie und Biomineralisation ist ein Anwendungsziel deren Einsatz zur Energiegewinnung, zur ›künstlichen‹ Photosynthese.
Dr. Robert Hahn
Die Gruppe Portable Power Supply (Dr. Hahn) des Fraunhofer-IZM entwickelt
mikrotechnische Systeme zur Energieversorgung von portablen Produkten
(Mobiltelefone, Wearables, autonome Sensoren), also Mikrobrennstoffzellen,
Polymerbatterien, piezoelektrische Generatoren. Hierzu werden Dünnschichtund Packaging-Technologien angewendet, um Energiespeicher in künftige
Elektronik miniaturisiert zu integrieren, wobei mit Mikrobrennstoffzellen eine
Erhöhung der Energiedichte und damit der Betriebszeit um Faktor 5 bis 10
gegenüber herkömmlichen Energiespeichern erreichbar wäre:
■ Integration und Verkapselung von dünnen, flexiblen Batterien
■ Miniaturisierte Folienbrennstoffzellen
■ Miniaturisierte DC-DC-Wandler (Deposition von weichmagnetischen Materialien und Dünnschichtspulen)
■ Untersuchung von Piezofolien (5-Layer-Stapel, rund 30 µWs Energiegewinn
auf etwa Chipkartenfläche pro Aktivierung) und Solarmodulen für die Energiegewinnung in Mikrosystemen
Dr.-Ing. Stefan Wagner
Eines von drei Projekten mit Berliner Beteiligung bei der Initiative Effizienzfabrik
– Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produktion‹ im Themenfeld
›Funktionale Oberflächen‹ ist das Verbundprojekt ›LOKEDEL – Effiziente Fertigungstechnik zur Oberflächenveredelung‹ (2009 bis 2012). Daran ist die Gruppe
Portable Power Supply des Fh-IZM mit Dr. Wagner beteiligt. Entwickelt werden
Massenfertigungstechnologien für Brennstoffzellen: Zur Rolle-zu-Rolle-Montage von Brennstoffzellen wird eine taugliche Rollenproduktion der Substrate
sowie ganzflächiger oder lokaler Oberflächenveredelungen (Korrosionsschutzund Kontaktschichten) entwickelt. Diese LOKEDEL-Technologien können auf
133
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die Fertigung anderer Bauteile, beispielsweise aus der Sensor-, Polymer- und
Medizintechnik übertragen werden.
Prof. Schlögl leitet am Fritz-Haber-Institut (FHI) die Abteilung Inorganic
Chemistry mit den Forschungsgruppen Reactivity, Electronic Structure, Nanostructures, High Temperature Catalysis, Electrochemistry und Electron Microscopy. Die Forschung der Abteilung an langjährigen Fragestellungen zur
Katalyse, speziell an der Aktivierung kleiner Moleküle wie Wasser, CO2 und CH4
ist im Energiekontext, speziell bei der chemischen Speicherung regenerativ
erzeugter Energie, von zunehmender Bedeutung. Die Gruppe Electrochemistry
konnte erfolgreich an der Abteilung etabliert werden. 2011 wurde Prof. Schlögl
zum Gründungsdirektor des geplanten Max Planck Institute for Chemical Energy
Conversion (CEC, Mülheim), benannt.
Die Gruppen der Abteilung Inorganic Chemistry forschen an folgenden
energieund oberflächentechnologisch relevanten Themen und Methoden:
■ Untersuchung von Katalysatoroberflächen in Bezug auf elektronische Struktur und funktionelle Gruppen
■ Korrelationen von Oberflächeneigenschaften und Performance von Katalysatoren
■ mechanistisches Verständnis von chemischen und physikalischen Oberflächen-Gas-Interaktionen bei der katalytischen Alkan-Oxidation auf
verschiedenen Katalysatoren (Metalle, Oxide) unter Hochtemperatur- (bis
1300 °C) und Hochdruckbedingungen (bis zu 5 MPa)
■ Entwicklung und Anwendung von Raman-Spektroskopie, Laser-Spektroskopie und Molecular Beam Mass Spectrometry (MBMS)
■ Elektrochemie für Energiewandlung und -speicherung, klassische elektrochemische Experimente mit Hilfe oberflächen- und nanotechnologischer
analytischer Instrumente; Nanocarbonmaterialien für Supraleiter, LithiumIonen-Batterie-Elektroden, Wasserspaltung an Edelmetall- und Kohlenstoff-basierten Katalysatoren
Prof. Dr. Robert Schlögl
Prof. Freund leitet die Abteilung Chemical Physics am FHI, die mehrere
Forschergruppen in der Grundlagenforschung zu katalytischen Reaktionen
an oxidbasierten Schichten (Materialstrukturen, analytische Methoden und
Modellsysteme) umfasst. Die Forscher behandeln Themen wie
■ Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in der Katalyse,
■ Modellsysteme für die heterogene Katalyse,
■ Eigenschaften und Modifizierung von Oxidoberflächen und MetalloxidClustern/funktionellen Gruppen an Grenzflächen und
■ Kinetik der heterogenen Katalyse.
Prof. Hajo Freund
Am Sonderforschungsbereich 546 ›Struktur, Dynamik und Reaktivität von Übergangsmetalloxid-Aggregaten‹ (1999 bis 2011) ist Prof. Freund mit dem Teilprojekt
C1 ›Adsorptions- und Reaktionsstudien an Vanadium- und Molybdän-gedop134
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ten dünnen TiO2-Filmen‹ beteiligt gewesen. Untersucht wurde die chemische
Aktivität von Molybdän- und Vanadium-gedopten dünnen TiO2-Filmen. Diese
stellen Modelle für Trägerkatalysatoren (für die oxidative Dehydrierung von
Methanol und Propan) mit starker Wechselwirkung zwischen Substrat (TiO2)
und aktiver Komponente (VxOy, MoxOy) dar.
Das Wachstum von organischen Dünnschichten auf Metalloberflächen wird
per elektronenmikroskopischer Abbildung, mit dem SMART-Instrument, einem
an einer Hochfluss-Strahlführung von BESSY installierten Spektromikroskop,
verfolgt (vergleiche Kapitel Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik).
Auf diese Weise lassen sich Einflüsse von Oberflächendefekten oder atomaren
Stufen auf zu bedampfenden Oberflächen auf das Wachstumsverhalten und
den Einbau großer Moleküle studieren.
Zusammen mit den Berliner Universitäten (FU, HU und TU) und entsprechend assoziierten Professoren betreibt das FHI die International Max Planck
Research School (IMPRS) ›Complex Surfaces in Material Science‹, in der physikalische und chemische Grundlagen von Oberflächenphänomenen (insbesondere Heterogene Katalyse, Korrosion, Miniaturisierung in der Elektronik und
Biokompatibilität) an den wissenschaftlichen Nachwuchs vermittelt bzw. mit
und durch diesen erforscht werden.
Prof. Dr. Sebastian Fiechter
Das Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien am HZB
(Prof. Fiechter) beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung
neuer (photo)-elektrochemischer Materialien und Materialkombinationen
für den effizienten Elektronentransfer an Festkörper- (Elektrode-) ElektrolytGrenzflächen. Im Vordergrund der Forschungsaktivitäten stehen Katalysatoren
für die lichtgestützte Wasserspaltung (solare Wasserstofferzeugung). Zu diesem
Zweck soll Wasserstoff in einem monolithischen Materialsystem erzeugt werden, bei dem halbleitender Absorber und Katalysator ineinander integriert
sind. Dadurch sind die Wandlung von Licht in elektrische Energie über photonische Anregung des Halbleiters und die katalytischen Vorgänge an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfäche zur Wandlung in speicherbare chemische Energie
(Wasserstoff als regenerativer Primärenergieträger) direkt gekoppelt.
Die Bewertung der Materialien erfordert entsprechende Charakterisierungsmethoden und interdisziplinäre Zusammenarbeit der Bereiche Photophysik, Oberflächen-, Grenzflächen- und Materialchemie, Photoelektrochemie,
beispielsweise um mittels Nanostrukturierung der katalytischen Materialien
höhere Effizienzen zu erlangen und eine möglichst hohe Katalysator-Stabilität
gegenüber dem Elektrolyten zu erhalten. Auch Anwendbarkeitskriterien, unter
anderem Umweltverträglichkeit, Ressourcenverfügbarkeit und Kosten finden
Beachtung.
Als Ersatz für Platin, das als Katalysator für die elektrochemische Reduktion
von Sauerstoff an Kathoden in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen/
PEM fungiert, wurden am HZB zwei alternative Materialsysteme für die technische Anwendung qualifiziert: pyrolysierte Übergangsmetall-Chelat-Verbin135
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dungen (insbesondere Kobalt-Tetramethoxyphenylporphyrin CoTMPP und
FeTMPPCl) sowie Chalkogen-modifizierte Ruthenium-Nanopartikel.
Die (weiteren) Dünnschichtmaterialsysteme sind:
■ Absorber
– Chalokopyrite (Cu(In,Ga)S2, Cu(In,Ga)S2)
– Schichtgitterverbindungen (WS2, MoS2, WSe2, MoSe2)
– Sonstige (RuS2, FeS2 und andere Sulfide und Selenide)
■ Schutzschichten
– Si3N4, C3N4
■ Kontaktschichten
– Rückkontakte (Mo, Ta, W, TiN usw.), Frontkontakte (ZnO:Al, ITO, SnO2,
TiO2:Nb)
Die Dünnschicht- und Materialpräparation erfolgt per Sputtern (reaktives
Magnetronsputtern), Aufdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD),
Katalysator- und Schichtsynthese in Durchflussöfen (Klappöfen mit eingelegten
Quarzrohren), in Temperöfen mit Temperatursteuerung (bis 1300 °C), Mehrzonenöfen und im Autoklaven (500 °C, 100bar).
Die Materialcharakterisierung oder das Grenzflächen-Engineering erfolgt
mittels FTIR-Spektroskopie, UV-VIS-Spektroskopie, Röntgenpulverdiffraktometer (XRD), Partikelgrößenmessungen, BET-Adsorptionsmessungen, Rastersonden-Mikroskopie (AFM, STM), kombiniertem Elektrochemie/UHV-Oberflächen-Analysesystem und Brewster-Winkel-Spektroskopie.
In der Lehre ist Prof. Fiechter mit der Vorlesung ›Solare Brennstoffe und
Energiespeicher: Materialien, Messmethoden und Konzepte‹ an der TU Berlin
aktiv.
Die Arbeitsgruppe Mikroverkapselung um Dr. Hahn am Fraunhofer-IAP hat
neben klarem Anwendungsbezug in den Bereichen Oberflächen in der NanoBiotechnologie, Umwelttechnik und Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation (vergleiche die gleichnamigen Kapitel) auch Kapazitäten bei katalytischen
und Energiespeicheranwendungen.
Die Mikroverkapselung als polymere Umhüllung wie auch immer gearteter
Kernmaterialien ist Thema und Arbeitsinhalt der Fachgruppe (Kenntnisse zu
Chemie, Technologie, Verarbeitung und Applikation von Polymeren). Die Veränderung der Oberfläche von Partikeln/Inhaltsstoffen durch Mikrokapseln, ein
Wandmaterial oder Matrixpartikel präpariert sie für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsgebieten, wo sie sonst nicht bleiben (sich auflösen, zu schnell
verbrauchen) würden, vor allem
■ bei Reaktivharzsystemen (Reaktivkomponenten, Katalysatoren, Initiatoren)
und
■ in der Bauindustrie (Wärmespeicher – mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien).
Dr. Mathias Hahn
136
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Die Latentwärmespeicherung mittels ›Phasenwechselmaterialien‹ in Mikrokapselform, inkorporiert in Baustoffe (Putz) oder sogar flexible Materialien, überführt Wärmespeicherung und Speicherkapazität aufgrund miniaturisierter Systeme zunehmend an die Oberfläche: Das hohe Oberfläche-Volumen-Verhältnis
sorgt für einen hohen und durch die zahlreichen Speicherkapseln raschen
Wärmeaustausch (auch mit strömenden Medien).56 Durch die Verkapselung
geschieht der Phasenwechsel fest-flüssig oder flüssig-fest in abgeschlossenen
Einheiten; anhand der Anzahl an Kapseln und der Einstellbarkeit der Phasenwechseltemperatur lässt sich die Wärmespeicherkapazität steuern und auch
›großflächig nutzbar‹ machen.
Mit dem Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) hat
das IAP 2009 die Technologieplattform Mikroverkapselung ins Leben gerufen.
Sie verfolgt das Ziel, das Potenzial der Technologie zu nutzen, in verschiedenen
Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen, oder Unternehmen
diese Chancen und Möglichkeiten rechtzeitig nutzen zu lassen. Seit 2011 in
der zweiten Phase befindlich, bündelt, sammelt und bewertet die Plattform
Informationen zur Mikroverkapselung und gibt sie per Newsletter und Foren
(2008 bis 2010) bzw. Konferenzen (zum Beispiel im Oktober 2011 in Berlin) an
die teilnehmenden Firmenmitglieder weiter.
Dr. Xinchen Wang
Am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung existiert seit
2008 das MPI-FZU International Joint Laboratory, geleitet von Dr. Wang, zum
Thema Artificial Photosynthesis. Über diese Einrichtung sollen internationale
Forschungskooperationen zum Thema künstliche Photosynthese aufgebaut
werden. Ziel sind geeignete effiziente, stabile, kostengünstige Katalysatoren
für die Energiegewinnung aus Umgebungslicht, allerdings nicht auf Basis
anorganischer Halbleitermaterialien, sondern über polymere und organischanorganische Hybridmaterialien mit Nanostrukturierung:
■ nanostrukturierte Photokatalysatoren,
■ neue Photoanodenmaterialien,
■ photokatalytische Wasserspaltung usw.
Die organischen oder Hybridmaterialien sind potenzielle Energiewandler für
die künstliche Photosynthese mit Anwendungsmöglichkeiten wie Energieumwandlung, Umweltreinigung (Luftreinhaltung) und Synthese von organischen
Verbindungen.
Außerdem existiert in der Abteilung Kolloidchemie des MPI die Arbeitsgruppe Sustainable Materials for Energy Storage, Catalysis and Separation
Science (Dr. Titirici) mit vielen assoziierten Forschern und Projekten zu Oberund Grenzflächenphänomenen in Energietechnik und chemischer Verfahrenstechnik.
56
Vgl. Wittwer, Volker et al. (2009).
137
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Wirtschaft
Im Gasturbinenwerk Berlin der Siemens AG werden Gasturbinen und entsprechende Kraftwerksanlagen entwickelt, produziert und Serviceleistungen
erbracht. Neue Technologien und Lösungen betreffen hauptsächlich Verbesserungen der Performance von Kraftwerksanlagen wie verlängerte Lebensdauer,
Emissionsreduktion, Leistungs- und Zuverlässigkeitssteigerungen. Modernisierungsprogramme, mit denen vorhandene Anlagen modifiziert oder aufgerüstet
werden, umfassen verschiedene oberflächen- bzw. beschichtungsrelevante
Maßnahmen:
■ verbesserte Verdichterbeschichtung,
■ Erhöhung der Feuerungstemperatur,
■ Massenstromerhöhung des Verdichters,
■ Heizgasvorwärmung, Wet Compression,
■ Brennstoffumstellung (Flexibilität bei eingesetzten Brennstoffen).
Siemens AG
Gasturbinenwerk Berlin
Am Thema Werkstoffe für den Hochtemperaturschutz wird im Siemens Gasturbinenwerk intensiv geforscht (zum Beispiel Hitzeschilder aus Keramik, mit
denen das Innere von Brennkammern ausgekleidet wird). Sämtliche Oberflächenphänomene wie Erosion an den Verdichterschaufeln, Korrosion und
Barrierewirkungen/Dichtungen sind im F&E-Bereich relevant.
Weitere Kompetenzen und Anwendungsbereiche, zum Beispiel bei Siemens
Corporate Technology finden sich in Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik.
Der Siemens Energy-Bereich Turbine Airfoil Coating and Repair TACR (zur
Siemens Beteiligungsgesellschaft Inland gehörend) beschäftigt sich mit der
Beschichtung und Reparatur von Gasturbinenschaufeln. Dabei werden neue
Schaufeln mit metallischen und keramischen Schutzschichten versehen, durch
den Betrieb beanspruchte Schaufeln repariert, das heißt im Säurebad entschichtet und neu beschichtet. Die Beschichtung von Gasturbinenschaufeln
stellt den Hochtemperaturschutz sicher; je höher die mögliche Verbrennungstemperatur, desto größer der Wirkungsgrad einer Gasturbine.
Bei TACR bestehen Kapazitäten von mehreren tausend Schaufeln pro Jahr,
die mit den jeweiligen Verfahren oberflächenvorbehandelt bzw. beschichtet
werden können:
■ HF-Wasserstofffluoridreinigung
■ Strahlanlagen zur Oberflächenaktivierung
■ äußere Maskierung vor der Innenbeschichtung
■ Innenaluminierung per CVD (NiAl-Oxid-Deckschicht)
■ MCrAlY-Korrosionsschutzschicht, gleichzeitig Haftvermittler, per VakuumPlasma-Spray VPS (sowohl Low Pressure Plasma Spray LPPS als auch Low
Vacuum Plasma Spray LVPS)
■ Wärmebehandlung
Siemens Energy/Turbine Airfoil
Coating and Repair (TACR)
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Turbinenschaufel in Behandlung (Siemens AG, München/Berlin, Siemens-Pressebild)
■ Thermal Barrier Coating TBC per Electron-Beam Physical Vapor Deposition
EB-PVD (auslaufende Technologie) bzw. per atmosphärischem Plasmaspritzen (APS-Coating) mit ZrO bzw. per Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
(High Velocity Oxygen Fuel HVOF) eine durch die kinetische Energie gut haftende Schicht
TACR war ursprünglich 1996 als Spin-off des Siemens-Gasturbinenwerks entstanden, der Einsatz der EB-PVD-Technik stellte 1998 einen Meilenstein dar. Ab
2000 operierte TACR als Joint Venture von Siemens und der US-amerikanischen
Chromalloy Gas Turbine Corporation und führte beispielsweise 2004 das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) ein.
nanopartica GmbH
Die nanopartica GmbH produziert und vertreibt Nanokapseln, die aus hochverzweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, somit
in verschiedenen Mitteln löslich sind und unterschiedlichste Moleküle, Metallionen, Metallnanopartikel usw. einschließen können. Je nach Anwendung
wird eine chemische Verbindung eingekapselt, die eine spezifische Funktion
erfüllt. Im Bereich der metallischen Nanopartikel (auch Legierungsnanopartikel) lassen sich insbesondere Gold, Rhutenium, Palladium und Platin für
katalytische Applikationen (Inkorporation von Nanokapseln in entsprechend
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funktionale Oberflächen/Schichten) nutzen – Rhutenium beispielsweise, um
die katalytische Aktivität in Brennstoffzellmembranen zu erhöhen. Nebenbei
ist der Verbrauch an Katalysatormaterial bereits bei der Applikation reduziert,
das Auslaugen durch die Verkapselung erschwert. Weitere Anwendungsmöglichkeiten von nanoverkapselten Metallpartikeln und anderen chemischen
Verbindungen sind in den Kapiteln Oberflächen in der Nano-Biotechnologie
sowie Umwelttechnik beschrieben.
Netzwerke
Energy Harvesting Net ist ein vom Projektträger VDI | VDE | IT betreutes und von
BKS Consult GmbH Berlin gemanagtes Netzwerkprojekt mit rund 20 Partnern,
die sich der Stromerzeugung direkt aus Wärmedifferenzen mittels thermischer
Transmitter und einer integrierten Kunststoff-Beschichtung widmen. Aus der
Region sind außerdem die Firmen codis GmbH (Fußbodenbeschichtungssysteme und dekorative Oberflächen) und DEVAD Development Advanced
GmbH sowie das Ingenieurbüro Ulf Briesenick beteiligt.
Die fertigungsintegrierte Beschichtung von Kunststoffteilen direkt in der
Werkzeugform als umweltfreundliches und lösemittelfreies Verfahren wurde
bereits im Vorgängerprojekt INMOULDnano.net (bis 2009) untersucht. Mit
einer Innovation der PANADUR GmbH, Halberstadt (in eine Matrix eingebettete
Carbon-Nanotubes und Nanopartikel) galt es, synthetische, funktionale, intelligente Oberflächen mit Hilfe der 16 interdisziplinären Partner zu entwickeln
und zu vermarkten.
Im Netzwerk Energy Harvesting Net entwickeln die Partner seit 2011 Technologie, Verfahren, Anlagen und Geräte zur Energiegewinnung aus der Umgebung. Das sogenannte Niedrigtemperatur-Thermo-Harvesting ist eine Technologie zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Mit
Hilfe eines thermischen Akkumulators – eine Kunststoffoberfläche mit extrem
hohen Absorptionsvermögen für Wärmeenergie (Infrarot) – wird thermische
Energie aufgenommen und zum eigentlichen Transmitter geführt. Die Kunststoffschicht (Polymermatrix) ist mit halbleitenden Partikeln dotiert und dient
zum einen der Thermokopplung (IR-absorbierende n-/p-leitende Pigmente
und/oder nanoskalige Boride und/oder nanoskalige kristalline Werkstoffe, zum
Beispiel modifizierte Titandioxid-Nanopartikel), zum anderen der thermischen
Leitung (Carbon-Nanotubes CNT bzw. Carbon-Nanofasern mit Wärmeleitfähigkeit von 6.000 W/(m•K) mit speziellem Dispergierverfahren in der Polymermatrix stabilisiert). Der thermische Transmitter besteht aus einer thermischen
Barriere (geringe Wärmeleitfähigkeit), um die thermische Energie zwangsweise
durch die eingebetteten Thermogeneratoren zu führen, die sie in elektrische
Energie umwandeln.
Energy Harvesting Net
c/o BKS Consult GmbH
140
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Energien FVEE
Im ForschungsVerbund Erneuerbare Energien FVEE (mit Sitz in Berlin) kooperieren deutsche außeruniversitäre Forschungseinrichtungen bei Forschung und
Entwicklung zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Neben dem Hauptgebiet photovoltaische Energiegewinnung (vergleiche Kapitel Photovoltaik)
ist das Helmholtz-Zentrum Berlin an dem kaum weniger gewichtigen Thema
›Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicher‹ im Verbund aktiv.
Unifying Concepts in Catalysis
(unicat), Exzellenz-Cluster
Am Exzellenz-Cluster ›Unifying Concepts in Catalysis‹ (UniCat, 2008 bis 2013) sind
Forscher aus vier Universitäten in Berlin und Potsdam (FU, HU, TU, UP), aus dem
Fritz-Haber-Institut, der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) und dem Max-PlanckInstitut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG) beteiligt. Sprecher
des Clusters ist Prof. Drieß (TU Berlin). Die Organisation des Forschungsclusters
unterscheidet inzwischen in chemische (Bereich D) und biologische Katalyse
(Bereich E) sowie in die daraus resultierenden Co-Projekte ›Aktivierung von
Methan‹, ›Aktivierung von Kohlenstoffoxiden‹, ›Aktivierung von H/O-Systemen‹
und ›Biokatalyse in zellulären Systemen‹. Ziel ist es, die verschiedenen Konzepte in der Katalyse (homogene, heterogene und biologische) zu vereinen;
das Spektrum reicht dabei von einfachen Gasphasenreaktionen bis zu Prozessen in komplexen biologischen Systemen, und von der Grundlagen- bis zur
angewandten Forschung. Von oberflächentechnologischem Interesse sind vorrangig die heterogene Katalyse und Katalysatormaterialien in Schichtform oder
als Partikel, die in Oberflächen/Randzonen inkorporiert werden.
Fazit
57
Aschenbrenner, Norbert (2003), S. 26.
58
Institut für Print- und Medientechnik,
TU Chemnitz (2011).
59
BMBF (2010).
60
Rohweder, M. (2010), S. 7.
Die Region Berlin-Brandenburg ist in der Grundlagenforschung zur heterogenen Katalyse stark aufgestellt (Exzellenz-Cluster). Materialien und insbesondere funktionale Oberflächen für die Energiewandlung und -speicherung
sind allgemein von großem Forschungsinteresse und zugleich ein noch junges
(wiedererstarktes) und hochinnovierendes Technologiefeld.
Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsstrategie anderer Standorte zu Katalyse, Energiespeicher- und Brennstoffzellentechnik sind
■ Hochsurchsatzsuche nach Katalysatoren mit Hilfe kombinatorischer Chemie,
Universität Saarbrücken57,
■ Verbundprojekt ›Druckbare Dünnschichtbatterien mit neuen Materialsystemen – BatMat‹ (Chemnitz/Jena/Bochum/Stuttgart/und andere, 2011 bis
2014)58,
■ Neugründung des Helmholtz-Instituts für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) in Ulm 201159,
■ Zentrum für Elektrochemie (CES) und Kompetenzverbund Nord (KVN):
Ausgewiesene Elektrochemiestandorte gibt es 4 in NRW, je 2 in Niedersachsen, Hessen, Baden-Württemberg und je 1 in Saarland, Bayern und
Sachsen)60,
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■ Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)-Industriecluster von europäischer
Bedeutung in Dresden61,
■ Nutzung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) für Wärmeübertragung an Flächen (zum Beispiel CNT-Heizbeschichtung Carbo e-Therm62) an diversen
Standorten.
Die Förderung der Oberflächen- und Schichttechnologien auf der Ebene der
gesamten Energietechnik erscheint für Berlin-Brandenburg als sinnvoll.
Speziell in der Elektrochemie/Batterieforschung herrscht ein Forschungsdefizit,
und auch die wirtschaftliche Seite zu Brennstoffzellentechnik und Energiespeichern (als Anwender von Dünnschicht- und Membrantechnologien) ist in
der Region unterrepräsentiert. Es gilt, das Beschichtungs-Know-how (Dünnschichttechnik) und entsprechende Kompetenzen im Anlagenbau für energetische Anwendungen (zum Beispiel synergetisch mit der Photovoltaik) besser zu
nutzen und die Entwicklungen aus dem Katalyse-Cluster und zu Nanopartikeln
(Ressourceneffizienz limitierter Werkstoffe, Nanopartikel in Beschichtungssystemen) als Grundlage für künftige Energietechnologien hervorzuheben, um
sie verstärkt einer Verwertung auf Anwendungsseite zuzuführen. Erkennbare
Ansätze bei der Energieversorgung für portable Anwendungen sollten in der
Region genutzt werden, um die Informations- und Kommunikationstechnik
darin zu bestärken. Nicht nur die Elektromobilität ist eng mit neuen Energiespeichertechnologien verknüpft; möglicherweise gelingt auch die Energieversorgung in weiteren Lebensbereichen durch Synergien zwischen Mikro- und
Makro-Systemen zu erreichen (bottom up-Strategie).
5.3.4 Umwelttechnik
Abgrenzung
Oberflächentechnologien sind in der Bau- und Umweltbranche dort in Anwendung zu sehen, wo es darum geht, den Reinigungsaufwand von Oberflächen
gering zu halten, den Strömungswiderstand (zum Beispiel in Rohrleitungssystemen) und damit kinetische Energieverluste eines strömenden Mediums zu
minimieren, eine barrierefreie Wärmeübertragung zu gewährleisten, Bauteiloberflächen vor Verwitterung und Korrosion oder auch Flammen bzw. Feuer zu
schützen. Die entsprechenden makro- und mikroskopischen Funktionalisierungen äußern sich in den folgenden ›Oberflächenprodukten‹:
■ Easy-to-clean- und selbstreinigende Oberflächen
■ Biozide Oberflächen (Anti-Fouling, Schädlingsbekämpfung), Biokorrosionsschutz
■ Witterungsschutzschichten, Flammschutzbeschichtungen
■ Korrosionsschutz für Stahlbetonbau und andere bautechnische Elemente
61
Jaeckel, Ralf (2011).
62
Peters, Sascha (2011).
142
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Wissenschaft
der Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen, unter anderem auf Oberflächen, dienen.
Aufbauend auf den Ergebnissen zu protein-resistenten selbstorganisierenden Polyclycerol-Layern auf Goldsubstrat (vergleiche Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik) werden diese auf ihre Zell- und Organismen-Abstoßung (Adsorptionsgrad) untersucht – zum einen für mögliche biomedizinische Beschichtungen (Verhinderung von Biofilmbildung und daraus
resultierender Infektionen (vergleiche Kapitel Biokompatible und bioaktive
Oberflächen), zum anderen für verschiedene Antifouling-Anwendungen, die
den Befall mit Organismen (zum Beispiel von Schiffsrümpfen durch Muscheln)
verhindern, wie es nicht einmal ausgesprochene Antihaft-Werkstoffe wie PTFE
(›Teflon‹) vermögen. Weitere Anwendungsgebiete der Forschung an dentritischen Polymeren sind im Kapitel Oberflächen in der Nano-Biotechnologie
beschrieben.
Prof. Dr. Peter Strauch
Prof. Strauch, tätig in der Anorganischen Materialchemie der Universität Potsdam, erforscht und synthetisiert mikround nanostrukturierte Hartmaterialien
auf Siliziumbasis in Hochtemperaturreaktionen.
Ein von 2003 bis 2005 bearbeitetes Projekt hatte neuartige Silan/SilanolSysteme zur Verkieselung von Holzoberflächen zum Gegenstand. Durch Hydrolyse zum Beispiel von Ethoxysilanen wurden Sole von SiO2 erzeugt, die teilweise
mit weiteren Zuschlägen auf Holz appliziert werden und chemische Bindungen
mit den OH-Gruppen der Cellulose knüpfen. Neben der Hydrophobierung der
Holzoberfläche durch die Oberflächenverkieselung sollen auch strukturelle
Unterschiede innerhalb des Holzes ausgeglichen werden. Als Gestaltungsmittel
und zum Schutz von Holz in der Möbelindustrie eingesetzt, ersetzt das Verfahren klassische Lacksysteme, ist deutlich haltbarer und ressourcenschonender.
Untersucht wurde durch die Forscher auch, ob die Synthese solcher oberflächenreicher Hartmaterialien aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo)
gelingt, das heißt es wurden siliziumreiche Einlagerungen in pflanzlichen
Materialien gesucht und charakterisiert. So gelang im Projekt ›Synthese von
β-SiC aus Pflanzenmaterial‹ (2002 bis 2004) mit nur einem Syntheseschritt
unter Schutzgasatmosphäre die Umsetzung des Siliziumanteils ausgewählter
mitteleuropäischer Pflanzen zu Siliziumcarbid, inkl. nasschemischer, granulometrischer, spurenanalytischer, röntgenographischer, licht- und rasterelektronenmikroskopischer sowie IR-spektroskopischer Charakterisierung des Pflanzenmaterials und des SiC.
Ein weiteres Forschungsprojekt (2001 bis 2003) zielte auf Photoinitiatoren,
um Lacksysteme auf der Basis wässriger Bindemittel (Ersatz für Lösungsmittel)
143
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herzustellen, die dann mittels photoinduzierter Polymerisation (UV-Härtung)
abbinden.
Prof. Reichert, Dozent im Studiengang Life Science Engineering und Leiter des
Laborkomplexes ›Engineering‹, vertritt an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) Expertise und Forschung zu Raumlufttechnik (Klima- und
Feinstaubmesstechnik, Mitgliedschaft im Kompetenzfeld Welterbe, Prävention
und Umweltanalyse), Abwasserreinigung, Membrantechnik sowie (bio)chemische Verfahrenstechnik. Von oberflächentechnologischem Interesse sind hin
und wieder auch Projekte mit Bezug zu Kontaminationen: Von 2000 bis 2002
leitete Prof. Reichert ein Projekt zur ›Entwicklung eines Biogut-Müllbeutels
zur sauberen und hygienischen Handhabung in Haushalten‹. Umfangreiche
Materialuntersuchungen waren hierbei bezüglich der gestellten Anforderungen Aufnahme von Flüssigkeiten und Geruchsstoffen (geeignete Sorbentien),
natürliche bzw. nachwachsende Materialien (Kompostierbarkeit) und antimikrobielle Wirkung durchgeführt worden. Zu einem geeigneten Papier- bzw.
Kunststoffsubstrat wurde eine kompostierbare Beschichtung gesucht und in
diesem Zusammenhang die antimikrobielle Wirkung von natürlichen Pflanzenölen getestet. Partner im Projekt waren unter anderem der INTUS e.V. und
die Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft.63
Prof. Frank Reichert
Im Lehr- und Forschungsgebiet Hochleistungswerkstoffe an der Technischen
Hochschule Wildau verfolgt Dr. Herzog unter anderem das Thema Beschichtungswerkstoffe, speziell für den Einsatz im Bootsbau (vergleiche Kapitel
Marine Technik). Im Mittelpunkt von F&E-Projekten standen hochglänzende,
kratzfeste Gelcoats für Bootskörper (Abnutzungsresistenz und allgemeiner
Schutz vor Umwelteinflüssen) und biozide, nicht auslaugungsfähige Unterwasseranstrichstoffe. Die langfristige biozide Wirkung der Anstrichstoffe basiert auf
nanoteilchengekoppelten biologisch wirksamen Verbindungen (biozid-wirksame Gruppen oder Verbindungen unmittelbar oder mittelbar nach der Herstellung von sogenannten Dispersionspolyolen (PHD) mittels chemisch aktiver
nanoskaliger Partikel an diese gekoppelt), die somit nicht aus der Beschichtung
ausgelaugt werden können.
Dr. Michael Herzog
Die BAM-Fachgruppe Biologie im Umwelt- und Materialschutz von Prof.
Gorbushina untersucht Biozide und Biozidprodukte (zum Beispiel Holzschutzmittel) auf ihre Wirksamkeit und Stabilität, analysiert Materialbeständigkeiten gegenüber Organismen (bzw. biogene Materialschäden) in Feldstudien,
gerafften Prüfverfahren und Langzeituntersuchungen. Außerdem werden die
Besiedlung von Materialoberflächen (Biofilmbildung) sowie deren mikrobiologische Seite erforscht.
Prof. Dr. Anna Gorbushina
63
FHTW (2004), S. 43–44.
144
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Dr.-Ing. Jürgen Mietz
In der Fachgruppe Korrosion und Korrosionsschutz (Dr. Mietz) der BAM-Abteilung Materialschutz und Oberflächentechnik widmet man sich vor allem den
Korrosionserscheinungen im Stahlbetonbau. Kompetenzen sind auf dem
Gebiet elektrochemischer Schutzverfahren (kathodischer Schutz, Chloridentzug)
vorhanden. Im gleichnamigen Projekt wurde dazu ein ›Kombiniertes Schutzsystem für chloridbelastete Betonflächen aus Spritzverzinkung mit abdichtender Beschichtung‹ (2004) für die Instandsetzung korrosionsgeschädigter Stahlbetonbauteile entwickelt. Mit der Spritzverzinkung der Betonoberfläche wird
bis einige Jahre nach Instandsetzung ein kathodischer Korrosionsschutz des
Bewehrungsstahls bewirkt, bis der Beton infolge des Oberflächenschutzsystems
soweit ausgetrocknet ist, dass auch ohne kathodischen Schutz kaum Korrosion
der Bewehrung stattfindet.64
Dr. Mathias Hahn
Die Arbeitsgruppe Mikroverkapselung um Dr. Hahn am Fraunhofer-IAP sei hier
neben anderen Anwendungen (vergleiche Kapitel Oberflächen in der NanoBiotechnologie, Energiewandlung und -speicherung und Bauteilbeschichtung,
Verfahren, Simulation) auch mit ihrem Anwendungsbezug zu umweltrelevanten Aufgabengebieten beschrieben.
Die Mikroverkapselung als polymere Umhüllung von gewissen Kernmaterialien ist Thema und Arbeitsinhalt der Fachgruppe (Kenntnisse zu Chemie,
Technologie, Verarbeitung und Applikation von Polymeren) und kommt einer
Werkstoffentwicklung für ›smart systems‹ gleich. Die Veränderung der Oberfläche von Partikeln/Wirkstoffen durch Mikrokapseln, ein Wandmaterial oder
Matrixpartikel präpariert sie für den Einsatz
■ bei Düngung und Pflanzenschutz, indem wasserlösliche Düngestoffe,
Insektizide oder Herbizide durch die Verkapselung Regengüssen standhalten und kontinuierlich über die ganze Saison wirken können,
■ bei der Schädlingsbekämpfung (kontinuierliche Abgabe von Schädlingsbekämpfungsmitteln),
■ als Farbe und Lack mit verkapselten Antifoulingstoffen zum Schutz vor Biofilmbildung.
das IAP 2009 die Technologieplattform Mikroverkapselung ins Leben gerufen.
Sie verfolgt das Ziel, das Potenzial der Technologie zu nutzen, in verschiedenen
Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen oder Unternehmen
diese Chancen und Möglichkeiten rechtzeitig nutzen zu lassen. Seit 2011 in
der zweiten Phase befindlich, bündelt, sammelt und bewertet die Plattform
Informationen zur Mikroverkapselung und gibt sie per Newsletter und in Foren
(2008 bis 2010) bzw. Konferenzen (zum Beispiel im Oktober 2011 in Berlin) an
die teilnehmenden Firmenmitglieder weiter.
64
Eich, Gerd et al. (2004).
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Wirtschaft
Das Unternehmen aeroix bewegt sich mit seiner Arbeit im Grenzbereich zwischen angewandter Luftfahrttechnik (vergleiche Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik), Maschinenbau und Architektur/Bauwesen. Ein Standbein des Unternehmens sind innovative technische Textilien: Die sogenannten AerofabríxMaterialien bieten unter anderem im Bereich Membranbau gute Eigenschaften
für effiziente Wärmeisolation und Schalldämmung (Dämmstoff aerofabríx [iso]
auf Membranbasis). Für die Wärmedämmung werden auf zwei Membranen
Filamentfasern aufgeflockt und dadurch ein Luftspalt erzeugt. Die Fasern sind
Abstandshalter und hemmen zugleich die Konvektion. Dieser Membranwerkstoff hat ein sehr geringes spezifisches Gewicht, ist reversibel komprimierbar,
einfach zu konfektionieren sowie transluzent ausrüstbar. Weitere Anwendungen im Bereich mobiler und stationärer Membranbauten sind in Vorbereitung.
aeroix GmbH
Die Firstwood GmbH ist Produzent von sogenanntem Thermoholz. Dieses Produkt wird aus heimischem Rohholz hergestellt (Alternative zu tropischen und
sibirischen Hölzern). Durch die Behandlung mit dem Stellac®-Verfahren kann
es als dauerhaft haltbares Holz im Außenbereich verwendet werden. In einem
mehrtägigen Fünf-Stufen-Prozess wird das Holz ›wärmebehandelt‹ (unter
Zuführung von Wasserdampf bei Temperaturen bis zu 230 °C) und damit gezielt
die innere Holzstruktur verändert. Neben der Dauerhaft-Haltbarmachung
(Lebensdauer von 25 Jahren) ohne chemische Zusätze und der resultierenden
einfachen Recyclierbarkeit des Werkstoffs werden spezifische Oberflächeneigenschaften umgesetzt wie
■ Witterungsbeständigkeit,
■ Schädlingsresistenz, da die Wasseraufnahmefähigkeit des Holzes deutlich
vermindert wird (Resistenzklasse 1 nach DIN 350-2),
■ keine Oberflächenverunreinigungen oder -beschädigungen (auch evtl.
beschichteter Holzoberflächen) durch im Nachhinein austretende Harze,
da diese mit der Behandlung beseitigt werden (geringer Wartungs- und
Pflegeaufwand),
■ gleichmäßig silbrige Patina der Holzoberfläche, falls keine weitere Oberflächenbehandlung geschieht,
■ langfristig bewahrte, durchgängig dunkle Farberscheinung der Holzoberfläche, falls diese mit Holzöl oder ähnlichen Stoffen behandelt wird.
Firstwood GmbH
Die HEMA Beschichtungstechnik ist ein 1986 gegründeter Berliner Ingenieurund Fachbetrieb für Dachbeschichtungen, insbesondere mit Sanierungsaufträgen. Im Unternehmen sorgen farben- und lackerfahrene Ingenieure und Facharbeiter für die Verarbeitung von Dachbeschichtungen aus dem hauseigenen
Produktsortiment (Rezepturen), das durch Forschungsarbeiten auf dem neuesten Stand der Technik gehalten wird; übliche Handelsprodukte werden nicht
für die Sanierungsmaßnahmen eingesetzt. Die Dachbeschichtungsprodukte
HEMA Beschichtungstechnik
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werden je nach Kundenvorgaben und Erfahrungen angewendet, erprobt und
weiterentwickelt.
Die Sanierungsmaßnahmen bestehen meist aus Reinigung und Beschichtung der Dachfläche, um die durch Witterungseinflüsse (Eis, Schnee, Hagel,
Sonneneinstrahlung) oder Bewuchs (Pilze, Algen, Flechten und Moose)
beeinträchtigte werkseitige Schutzbeschichtung des Eindeckungsmaterials zu
erneuern.
HEMA bietet Hochglanzbeschichtungen für verschiedene Eindeckungsmaterialien (Betondachstein, Asbestzement, Platten-Eindeckungen, Tonziegel,
Metalldächer), Flüssigkunststoffbeschichtung zur Flachdachabdichtung sowie
Fassaden- und Holzbeschichtungen an.
Largentec Vertriebs GmbH
Innovation Medizintechnik,
Hygiene- und Wassertechnik
GmbH
Die Largentec Vertriebs GmbH ist Hersteller eines bioaktiven Kontaktkatalysators zur Entkeimung wässriger Systeme. Behandelt werden damit sehr mobile
krankheitserregende Keime, die sich in Form von Biofilmen (besiedelnde und
schwärmende Mikroorganismen) auf die Funktion von Maschinen und Anlagen
auswirken. Zum Beispiel betrifft dies Wärmeübertrager oder Rohrquerschnitte,
die verengt und quasi wärmeisoliert werden oder deren Material zerstört wird
(Auflösung, Einfressen, Biokorrosion). Solche Biofilme in wässrigen Systemen
widerstehen hohen Temperaturen, allen pH-Werten, Druck, Nährstoffmangel,
UV-Licht, Radioaktivität und teilweise Bioziden (Resistenzen ausbildend) und
Schwermetall-Ionen. Einzig hoher Strömungsgeschwindigkeiten können sie
sich nicht erwehren.
Ausgehend von mehreren Strategien zur Abstoßung mikrobieller Zellen
(hydrophile, selbstauflösende und ultrahydrophobe, allerdings nicht in Wasser
anwendbare Oberflächen bzw. Schichten) und zur Abtötung dieser Organismen
(Freisetzungssysteme, photokatalytische Reaktionen, Spacersysteme mit Biozid,
multifunktionelle sterile oder selbststerilisierende kontaktkatalytische Oberflächen) hat Largentec mit AgXX eine solche kontaktkatalytische umgesetzt.65
Der Kontaktkatalysator schädigt Keime bei Berührung der Oberfläche durch ein
mikroelektrisches Feld, wobei sich das Oberflächenmaterial (der Katalysator)
kaum verbraucht; nur wenige Silberionen werden freigesetzt. Das Produkt zur
Entkeimung wässriger Systeme besteht aus einem Netz, das elektrochemisch
versilbert wird und dann eine Strukturierung mit Ruthenium-Clustern (in
einem Rolle-zu-Rolle-Prozess) aufgebracht bekommt, die mit einem Vitaminderivat reagieren. Die Wirkung des Kontaktkatalysators ist wegen der Ungiftigkeit auch für Implantate im menschlichen Körper und als Ersatz bisher zytotoxischer Elektronik-Materialien interessant.66
65
Vergleich von Strategien zur Abstoßung
und Abtötung von Mikroorganismen in:
Landau, Uwe et al. (2009), S. 15.
66
Aus Vortrag: Landau, Uwe (2011).
147
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Die nanopartica GmbH produziert und vertreibt Nanokapseln, die aus hochverzweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, somit
in verschiedenen Mitteln löslich sind und unterschiedlichste Moleküle, Metallionen, Metallnanopartikel usw. einschließen können. Je nach Anwendung
wird die Verkapselung zerstört oder die eingekapselte chemische Verbindung
nach und nach ausgelaugt um eine spezifische Funktion zu erfüllen. Im Bereich
der metallischen Nanopartikel lässt sich insbesondere Silber für antibakterielle
und fungizide Applikationen (Inkorporation von Nanokapseln in entsprechend
funktionale Oberflächen/Schichten) nutzen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten von nanoverkapselten Metallpartikeln, auch Legierungsnanopartikeln und
anderen chemischen Verbindungen, sind in den Kapiteln Oberflächen in der
Nano-Biotechnologie und Energiewandlung und -speicherung beschrieben.
nanopartica GmbH
SICC Coatings ist ein Berliner Hersteller und Entwickler von Farben (Anstrichstoffen für Gebäude im Innen- wie im Außenbereich), die über den dekorativen Aspekt hinaus zu Wohlbefinden und Gesundheit des Menschen beitragen
sollen. Dieser Anspruch äußert sich in der Produktlinie ›Climate active paint‹,
die Ziele wie
■ Moos- und Algenbeseitigung an Fassaden,
■ Schimmelpilzsanierung,
■ Beseitigung von Feuchtigkeitsproblemen,
■ Hygieneanforderungen von Allergikern,
■ Verbesserung des Raumklimas,
■ Energieeinsparung im Neu- und Altbau und
■ Risssanierung verfolgt.
SICC GmbH
Netzwerke
Der gemeinnützige Verein BIOKON (Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenz-Netz e.V.) ist die Organisationseinheit von mehr als 70 Universitäten, Forschungsinstituten, Unternehmen und Einzelpersönlichkeiten in Deutschland
und Europa. BIOKON bündelt Aktivitäten und Expertenwissen (als Informations-, Aus- und Weiterbildungsplattform) von Arbeitsgruppen, die auf dem
Gebiet der Bionik arbeiten. Ziel ist auch, dass biologische Problemlösungen
und Optimierungsstrategien zielgerichtet in die Entwicklung neuartiger Produkte und Technologien fließen. Berliner Mitglieder im Verein sind
■ TU Berlin, Fachgebiet Bionik (Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik),
Prof. Rechenberg,
■ EvoLogics GmbH,
■ INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in
der Fahrzeugindustrie mbH.
Forschungsgemeinschaft BionikKompetenz-Netz e.V. BIOKON
148
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Neben vielen bionischen Einzelthemen sind ›Oberflächen und Grenzflächen –
Strukturen und Funktionen‹ offenbar ein Dauerbrenner in der Bionikforschung;
die Kompetenzen dieses Fachgebiets sind allerdings eher in anderen Regionen Deutschlands vorhanden. BIOKON-Mitglieder sind etwa Universität Bonn
– Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen, ITV Denkendorf – Deutsches
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, TU Dresden – Institut für Botanik,
Hochschule Bremen – Bionik-Innovations-Centrum B-I-C.
Die verschlagworteten Kompetenzfelder zu Oberflächenbionik zeigen die
genutzten und möglichen Forschungsrichtungen (vor allem in der Schnittmenge Oberflächen und Umwelttechnik), in denen biologische Vorbilder
gesucht und gefunden werden:
■ Antiadhäsive Oberflächen
■ Antifouling/ Biofouling
■ Biologische Tribologie
■ Funktionalisierte Oberflächen/ Oberflächenfunktionalisierung
■ Oberflächen-Benetzungsphänomene
■ Oberflächenfiltration
■ Oberflächeninteraktion zwischen biotischen und abiotischen Verschmutzungen
■ Oberflächenrauigkeit
■ Oberflächentopographie von biologischen und technischen Oberflächen
■ Quantitative 3D-REM-Oberflächenanalyse
■ Quantitative Oberflächencharakterisierung
■ Selbstreinigende Oberflächen
■ Super- und ultraphobe Oberflächen usw.
Fazit
67
Leydecker, Sylvia et al. (2008); Klooster,
Thorsten et al. (2009).
Für Oberflächen- und Beschichtungstechnologien ist Bauen und Umwelt ein
vielfältiges und gewinnbringendes Einsatzfeld. Dies gilt insbesondere unter
dem Energieeffizienzaspekt und in Kombination mit dem Fokus Nanomaterialien. In teils populärwissenschaftlicher Form finden sich dazu einschlägige
Veröffentlichungen67, die die Kompetenz Deutschlands im Technologiefeld herausstellen.
Forschung und Entwicklung zu bau- und umwelttechnisch eingesetzten
intelligenten Oberflächen finden in der Region kaum schwerpunktmäßig statt.
Es gibt jedoch einige wichtige Einzelbeispiele und Akteure.
Das Potenzial von Oberflächenmodifizierungen wird insbesondere bei Antifouling-Anwendungen ansatzweise genutzt. Dabei sollte allerdings die dauerhafte physikalische Wirkung dieser Techniken gegenüber sonstigen chemischen
(toxischen, auslaugenden) Methoden mit begrenzter Wirkung und möglicher
(Multi-)Resistenzenausbildung herausgestellt werden.
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Das große Betätigungsfeld bionische Oberflächen wird in der Region BerlinBrandenburg kaum bearbeitet oder zu Rate gezogen. Es könnte jedoch der
systematischen Suche nach Analogien für Anwendungen, speziell (Selbst-)
Reinigung/Hygienisierung, Hydrophobie/Hydrophilie, Luft- und Wasserreinhaltung, Abstoßung/Antifouling, Selbstheilung, Wärmeisolierung, Strömungsoptimierung usw. dienen. In der Forschungsgemeinschaft BIOKON mit Sitz
in Berlin sind zwar Bionik-Forscher aus der Region beteiligt und vernetzt,
sie haben aber ihr Hauptbetätigungsfeld eher bei Strukturmaterialien in der
Bewegungsbionik, Konstruktionsbionik, Verfahrensbionik und nicht bei dem
›Dauerbrennerthema‹ Oberflächen. Nur wenige ältere F&E-Ergebnisse aus
der Region wie strömungsoptimierende Riblet-Strukturen (Kapitel Luft- und
Raumfahrttechnik) oder die Sandskinkhaut (Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation) fallen auf.
Andere Standorte greifen die Thematik systematischer auf (überwiegend im
Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme ›BIONA – Bionische Innovationen für
nachhaltige Produkte und Technologien‹):
■ ›Antiadhäsive Oberflächen‹ (Kempen/Dresden): Hierarchische Strukturierung, natürliche Oberflächen mit praktisch nie nur einer Strukturierungsebene, sondern zwischen 10 nm und etwa 100 µm in vielfachen Kombinationen genutzter Längenskala68
■ ›Bio-inspiriertes Antifouling‹ (Bremen)69
■ ›AptaSens‹, Aptamer modifizierte bakterielle Oberflächenstrukturen für
die Entwicklung neuer Sensoren: Wasserreinhaltung/Detektion von Reststoffen70
■ ›Lotus-Effect® auf Kunststoff-Formteilen‹, serientechnische Umsetzung von
Lotus-Effect®-Oberflächen, Kunststoffinstitut Lüdenscheid/Degussa AG71
Die Bedeutung der Nanotechnologie im Umweltsektor wurde 2010 vom BMBF
im Branchendialog ›NanoCleantech‹ zur Messe IFAT Entsorga hervorgehoben:
Mit Innovationen aus der Material- und Nanotechnologieforschung könnten
demnach industrielle Prozesse umweltfreundlicher gestaltet, Schadstoffe in der
Umwelt besser und schneller erkannt sowie wirksamer entfernt werden. Dies
beträfe unter anderem katalytische Verfahren zur Schadstoff- und Abfallvermeidung, Filtrations- und Membrantechnik zur Schadstoffabtrennung sowie
Nanosensoren und Schnelltestverfahren zur Identifikation und Überwachung
von Umweltkontaminationen. Auch hier sind bionische Konzepte erwünscht,
zum Beispiel die Nachahmung von Selbstreinigungsprozessen in der Natur, um
den Einsatz umweltschädlicher Reinigungs- und Beschichtungsstoffe zu minimieren.72
68
Wagner, Peter, S. 2.
69
Kesel, Antonia B. (o. J.).
70
Pollmann, Katrin (o. J.).
71
Kunststoff-Institut Lüdenscheid (o. J.).
72
Vgl. Nanowerk News (2010); bzw. VDI
Technologiezentrum GmbH (2010).
150
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5.4
Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnologien
Das breiteste Anwendungspotenzial von Oberflächenfunktionalisierungen gibt
es zweifellos bei Optik und Mikrosystemtechnik. Hauptzweck ist die Bereitstellung von optischen und elektrischen Funktionen in Form dünner Schichten
(›Dünnschichttechnik‹), um einerseits diffizile und miniaturisierte Komponenten herzustellen und andererseits Eigenschaften von Substratmaterialien zu
steuern.
Anhand der Oberflächenwechselwirkung lassen sich in der Optik zunächst
die klassischen, meist großflächigen optischen Beschichtungen (Kapitel Optische
Vergütung und Chromogene Dünnschichten) von der Lichtemission bzw. dem
Senden und Empfangen von Licht mit entsprechenden Dünnschichtbauelementen – als Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Information
verstanden (Kapitel Lichtemission/Photonik) – unterscheiden.
Die Mikrosystemtechnik und die auf deren Bauelementen aufbauende
Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) kennt ebenfalls Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Information, allerdings auf Basis
elektrischer oder magnetischer Parameter. Dabei sind die Grenzen zu optischen
Eigenschaften oftmals fließend oder optische und elektronische Eigenschaften ohnehin gemeinsam gefordert. In der Mikrosystemtechnik ist die Dünnschichttechnik augenfällig: Funktionen werden durch geringste Mengen an
Material, also dünne Schichten, erfüllt, die wiederum selbst – ebenso die
verwendeten Substrate – Oberflächenmodifikationen erfahren, um im Sinne
der Aufbau- und Verbindungstechnik hochgradig diffizile Strukturen zu generieren. Diese Miniaturisierung hat in der Vergangenheit die Verbreitung der
Mikrosystemtechnik stetig vorangetrieben (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und
Optoelektronik). Getrennt von dieser wird die Dünnschicht-Sensorik aufgrund
der herauszustellenden sensorischen Oberflächen- und Schichtwechselwirkungen betrachtet (Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik),
ebenso das Thema Funktionstextilien, das sich durch die Besonderheit eines
flexiblen Substratwerkstoffs auszeichnet.
5.4.1 Optische Vergütung
Abgrenzung
Die optische Vergütung ist eine seit den 1930er Jahren bekannte Methode zur
Veränderung von Materialoberflächen, vor allem von Glas, Kunststoff, Metall
und Keramik. Sie ist dazu geeignet, eine verbesserte Reflexion oder verbesserte Transmission von Licht bestimmter Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs (von UV bis IR) einzustellen bzw. Reflexions-, Transmissionsund Absorptionsgrad präzise zu definieren. Die Funktion der in Form dünner
151
10.02.12 14:20
Schichten aufgebrachten, optisch aktiven Materialien beruht auf Interferenzeffekten (destruktive Interferenz, Entspiegelung) bzw. auf der Reflexion metallischer Werkstoffe (Spiegel), wichtig für Anwendungsbereiche wie Architekturglas, Displays, aber auch für Solarglas.
Wissenschaft
An der Humboldt-Universität zu Berlin im Fachgebiet Anorganische Chemie forscht Prof. Kemnitz in der Fluor-Chemie – zum einen an nanoskaligen
Metallfluoriden für die Katalyse (Kapitel Energiewandlung und -speicherung),
zum anderen an Nanometallfluoriden für optische Zwecke und deren Herstellung in Form von Beschichtungen.
Die Metallfluoride (zum Beispiel MgF2, AlF3 und Na3AlF6) vereinen einen,
verglichen mit den sonst verwendeten Oxiden niedrigen Brechungsindex
mit hoher Transparenz, das heißt nahezu vollständiger Entspiegelung. Dies
befähigt sie zum Einsatz als kratzfeste Antireflexschicht73 auf Brillen, Linsen,
technischen Gläsern und Solarzellen. Auf Basis der Fluorierung mittels eines
Sol-Gel-Prozesses lassen sich Nanometallfluoridschichten leicht auf sämtlichen
benetzbaren Materialien herstellen, indem einfache Verfahren wie Tauchbeschichtung, Rakelstreichverfahren und Schleuderbeschichtung verwendet
werden und die Trocknung bei niedrigen Temperaturen erfolgt.
Ein innerhalb des 6. EU-Forschungsrahmenprogramms gefördertes Projekt
(Schwerpunktthema ›Nano-Technologies and Nano-Sciences, Knowledgebased Multifunctional Materials and New Production Processes and Devices‹),
das von Prof. Kemnitz geleitet wurde, ist ›Functionalised Metal Fluorides‹
(Akronym FUNFLUOS). Darin unternahmen zwischen 2004 und 2007 sechs
Partner aus vier Ländern den Versuch, den Forschungsrückstand bei anorganischen fluoridischen Systemen gegenüber oxidischen aufzuholen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die außergewöhnlichen Eigenschaften
von Sol-Gel-Fluoriden gelegt: So haben Sol-Gel-Aluminiumfluorid oder
-Magnesiumfluorid eine rund zehnfach größere spezifische Oberfläche als die
auf ›klassischem‹ Wege hergestellten Fluoride, weshalb sie HS-Materialien
(High Surface) genannt werden. Ziel war, das resultierende Potenzial einer
Nutzung in verschiedenen Anwendungen zugänglich zu machen.
Weitergehende Applikationsforschung zu Sol-Gel-Metallfluoriden und die
Vermarktung entsprechender Produkte bei Materialherstellern, Beschichtern
und Produktherstellern (zum Beispiel in der Medizintechnik) liegen in der Hand
der ausgegründeten Firma Nanofluor GmbH.74
Prof. Dr. Erhard Kemnitz
73
Vgl. Kemnitz, Erhard (2009).
74
Vgl. Trechow, Peter (2011a).
152
10.02.12 14:20
Wirtschaft
Berliner Glas KGaA
Herbert Kubatz GmbH & Co.
Die Berliner Glas Gruppe ist ein europaweit führendes Unternehmen für präzise
optische Komponenten, Baugruppen und Systeme sowie veredelte technische
Gläser. Im Geschäftsbereich Technische Gläser, speziell in den Marktsegmenten Displayglas (TV & Public/Mobile und Monitor) und Glass Processing (Surface Technology/Glass for Devices), sind vier Standorte tätig. Die angebotenen
Veredlungsleistungen sind Ätzen (für Glanz- und Reflektionsminderung),
Beschichten, Bedrucken, Chemisch Härten/Vorspannen, Laminieren. Konfektionierung bzw. Assemblierung schließen sich an.
Im Bereich Optische Komponenten bietet Berliner Glas folgende Beschichtungsprodukte (dünne Schichten/optische Beschichtung und Mikrostrukturierung) für den Spektralbereich von 190 nm bis 6.000 nm Lichtwellenlänge an:
■ Antireflexschichten
■ Breitband, V-Beschichtungen, W-Beschichtungen
■ Filter, Kantenfilter, Bandpassfilter, Verlauffilter (Neutral density filter)
■ Holografische Gitter
■ ITO-Schichten (Indiumzinnoxid)
■ Spiegel, metallische Spiegel, dielektrische Spiegel, Laserspiegel mit hoher
Zerstörschwelle
■ Strahlteiler (verkittet/unverkittet, polarisierend/unpolarisierend)
■ Strukturierte Schichten
■ Funktions-, Verschleißschutzschichten (zum Beispiel Härtung durch Titannitrit, Leitfähigkeit/chemische Beständigkeit durch Gold)
Dazu werden Beschichtungsverfahren wie Kalt- und Heißbeschichtung, plasmaunterstützte Kaltbeschichtung auf temperaturkritischen Materialien (plasmagestützte reaktive Elektronenstrahlverdampfung), Sputterverfahren und
die Sol-Gel-Tauchbeschichtung angewendet. Unter Reinraumbedingungen
werden reproduzierbar Schichten hergestellt, die auch durch hohe Packungsdichte, Temperatur- und Feuchtigkeitsstabilität, hohe Haftfestigkeit und Härte
gekennzeichnet sind. Der Geschäftsbereich Medizinische Anwendungen hat
2011 in Berlin eine neue Beschichtungsanlage mit optischem Breitbandmonitoring in Betrieb genommen, womit der Herstellungsprozess sehr komplexer
optischer Schichtsysteme auf Komponenten wie sphärischen Linsen, Asphären,
Planoptiken und Zylinderlinsen überwacht wird. Zur Qualitätskontrolle werden
bei Berliner Glas Schicht- und Oberflächeneigenschaften bestimmt, wie
■ Formabweichung (taktil/optisch, Interferometer),
■ Transmission/Reflexion (Spektrophotometer, Diodenarray),
■ Oberflächengüte (automatische Messmikroskope),
■ Mikro-Rauigkeit (Weißlicht-Interferometer, Rasterkraftmikroskopie AFM).
Berliner Glas ist unter anderem Mitglied bei OpTecBB und in der Europäischen
Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (EFDS).
153
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Die Frank Optic Products GmbH ist ein Berliner Unternehmen, das optische,
faseroptische, optomechanische und optoelektronische Komponenten, Bauelemente und Systeme bis hin zu Geräten fertigt, wie sie aus Medizin, Laserindustrie, Licht- und Beleuchtungstechnik, Sensorik, Biotechnologie, Automobilund Luftfahrtindustrie, Signal- und Kommunikationstechnik, Optoelektronik
sowie Forschung und Entwicklung nachgefragt werden.
Optische Komponenten und Bauelemente wie Plan- und Planparallelfenster, Keile, Prismen, Reflektoren, Linsen und Filter aus Glas, Quarz, Saphir,
Borosilikatglas, Floatglas, Farbgläsern und PMMA werden als Muster oder bis
hin zur Großserie gefertigt, wobei speziell sehr hohe Oberflächengüten und
andere oberflächenverändernde Maßnahmen implementiert werden. Dazu
zählen
■ funktionale Planoptiken (aus Quarzglas, Saphir und optischem Glas),
■ präzise, saubere Oberflächen, hohe Ebenheiten, exakte Geometrien,
■ Laseroptik (Laserstäbe, Laserrohre, Lasercavities),
■ Antireflex- (AR-)Beschichtungen im Spektralbereich von Ultraviolett bis
Infrarot,
■ optisch dünne Schichten für Präzisions- und Laseroptik, Faseroptik, Medizin
und Industrie,
■ dielektrische Interferenzbeschichtungen, Metallschichten, Spezialschichten,
■ optische und technische Keramikglasuren.
Frank Optic Products GmbH
Frank Optics ist Mitglied im regionalen Verbund für optische Technologien
OpTecBB und im Deutschen Industrieverband für optische, medizinische und
mechatronische Technologien Spectaris.
Netzwerke
Der Verein Optec-Berlin-Brandenburg (OpTecBB) e.V. ist im Jahr 2000 auf
Initiative von Firmen und wissenschaftlichen Einrichtungen in Berlin und
Brandenburg gegründet worden, um sich gemeinsam zu präsentieren. OpTecBB
e.V. ist mit acht weiteren regionalen Kompetenznetzen ›Optische Technologien‹
im OpecNet Deutschland e.V. zusammengeschlossen.
Vereinszweck ist die Förderung von wissenschaftlicher und industrieller Forschung, Entwicklung und Ausbildung im Bereich aller Technologien
zur Erzeugung, Verstärkung, Formung, Übertragung, Messung und Nutzbarmachung von Licht. Schwerpunkte setzt OpTecBB mit den zehn Kompetenzbereichen Aus- und Weiterbildung/UV- und Röntgentechnologien/Biomedizinische Optik/Innovative Augenoptik/Lasertechnik/Lichttechnik/Multisensorik,
Visualisierung und Signalverarbeitung/Optische Prozessmesstechnik/Photonik
für Kommunikation und Sensorik und Terahertz-Technologie. Diese Bereiche
enthalten querschnittartig Oberflächen- und Dünnschichttechnologien unterschiedlichster Art, die bei der Initiierung von interdisziplinären Kooperationen
OpTec BB e.V.
154
10.02.12 14:20
Übersicht 10: Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus dem
Bereich optische Technologien in Berlin-Brandenburg
Unternehmen
Forschungseinrichtungen
- AEMtec GmbH
- Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH
- Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co.
- Bruker Nano GmbH
- Crystal GmbH
- eagleyard Photonics GmbH
- LEONI Fiber Optics GmbH
- HOLOEYE Photonics AG
- IfG Institute for Scientific Instruments GmbH
- JENOPTIK Polymer Systems GmbH
- Laser Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH
- LayTec AG
- Lumics GmbH
- SENTECH Instruments GmbH
- sglux SolGel Technologies GmbH
- u2t Photonics AG
- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
- Fachhochschule Brandenburg, Fachbereich Technik
- Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
(FBH)
- Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite
- Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
- Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
Außenstelle Mikroproduktionstechnik
- Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM),
Optical Interconnections Technologies
- Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut
(HHI)
- Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB)
- Humboldt-Universität zu Berlin, Fachbereich Physik
- Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften – ISAS – e.V.
- Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
- Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
(MBI)
- OUT e.V.
- Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)
- Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Temperatur und
Synchrotronstrahlung
- Technische Hochschule Wildau
- Technische Universität Berlin, Institut für Optik und Atomare Physik
- Universität Potsdam, Institut für Physik, Lehrstuhl Photonik
- Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS)
und Technologietransfer durch den Verein nicht explizit, aber selbstredend in
Betracht kommen.
Insgesamt sind 98 Organisationen, davon 63 Firmen und 31 wissenschaftliche Einrichtungen Mitglied im Verein. Ausgewählte Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die in den Kapiteln Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnologien, Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik näher betrachtet werden, sind in Übersicht 10 aufgelistet.
mechatronische Technologien e.V.
(SPECTARIS)
Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Berliner und Brandenburger Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind Mitglied im Verband (hier Berliner
Glas und Frank Optic Products), der primär Branchen- und Auslandsmarketing,
Marktforschung, aber auch Technologie- und Forschungsförderungsberatung
betreibt.
155
10.02.12 14:20
Der Fachverband Photonik + Präzisionstechnik vertritt die Hersteller von optischen Komponenten, organisiert branchenspezifische und branchenübergreifende Arbeitskreise sowie Kongresse für seine Mitglieder und hält Informationen zum Weltmarkt sowie eine Datenbank für optische Komponenten
(OptoIndex) vor.
Fazit
Auch eine etablierte Technologie wie die optische Vergütung erfährt heutzutage neue Ansätze durch nanotechnologische Erkenntnisse, im Speziellen sogar
durch ein alternatives, aber wenig erforschtes Materialsystem (Fluoride). In
Berlin forschen und entwickeln nur wenige Akteure in der optischen Vergütung,
in der Anwendung stellt diese aber ein Massenprodukt dar. Auf nationaler und
europäischer Ebene ergibt sich ein ähnliches Bild. Forscher und Entwickler sind
in diesem Feld eher international ausgerichtet und organisiert.
In der Region sollte das Thema von einer Förderung der Dünnschichttechnik
im gesamten Sektor optische Technologien profitieren können.
5.4.2 Chromogene Dünnschichten
Abgrenzung
Als chromogen (smart) werden Materialien bezeichnet, die ihre Farbe bzw.
optischen Eigenschaften (insbesondere den Transmissionsgrad) reversibel oder
irreversibel auf einen bestimmten Stimulus hin verändern. Dieser kann ein
■ Lichtimpuls: Photochromie (Licht als Schaltimpuls),
■ thermischer Impuls: Thermochromie, Thermotropie (Transmissionsänderung),
■ elektrischer Impuls: Elektrochromie, Ionochromie,
■ mechanischer Impuls: Piezochromie, Tribochromie oder ein
■ chemischer Impuls: Chemochromie (Gaschromie, Halochromie, Solvatochromie, Hygro-/Hydrochromie)75 sein.
Für großflächige optische Schichten werden die ersten drei Gruppen angewandt, die letzten beiden haben an anderer Stelle Bedeutung (vor allem als
Sensor, Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).
Eine reversible Veränderung des Absorptions- und Reflexionsverhaltens
für elektromagnetische Strahlung, im Besonderen für sichtbares Licht und im
nahen Infrarot, durch Aufnahme/Abgabe elektrischer Ladungen (Elektrochromie) findet man bei einigen Übergangsmetalloxiden, organischen Polymeren und anorganischen Komplexverbindungen. Sie werden in Form dünner
Schichten zwischen Glassubstraten (Sandwichstruktur) zur manuellen Regulie-
75
Vgl. Ritter, Axel (2006), S. 72 ff.
156
10.02.12 14:20
rung des Lichteinfalls, etwa als Sonnenschutzverglasung eingesetzt, bis hin zu
selbstregulierenden Systemen (Photochromie für abtönende Brillengläser).
Wissenschaft
Dr. Arno Seeboth
Das Fraunhofer-IAP unterhält neben dem Standort in Potsdam-Golm eine
Außenstelle in Berlin-Adlershof mit dem Forschungsschwerpunkt Chromogene
Polymere. Die gleichnamige Forschergruppe um Dr. Seeboth beschäftigt sich mit
anwendungsorientierten Technologien zu reversibel und irreversibel in Farbe
und/oder Transparenz schaltbaren Polymeren. Die zugehörigen Prinzipien –
Thermochromie, Photochromie, Kombination derer miteinander, Piezochromie, Elektrochromie und Ionochromie – unterscheiden sich im die Schaltung
auslösenden Reiz und lösen einen Farbwechsel aus, während Thermotropie die
Änderung der Transparenz auf einen Temperaturreiz beschreibt.
In Form von thermoplastischen Kunststoffen, Folien, Duromeren, Elastomeren, Additiven, Lacken, Hydrogelen und Gießharzen kommen diese speziellen
Polymere auf entsprechendem Substratwerkstoff oder im Werkstoffverbund
zum Einsatz
■ als Sonnenschutzblende/Sonnenschutzverglasung zur Lichtregulierung von
Gebäudeglasflächen,
■ als Temperaturindikatoren/Farbfilter,
■ als optische Sensoren und
■ in anderen Anwendungen der Solartechnik, im Maschinenbau/Fahrzeugtechnik und in der Informationstechnik.
Die selbstregulierende Sonnenschutzverglasung SOLARDIM®-ECO wurde
gemeinsam mit der Firma Tilse Formglas GmbH entwickelt, die das Produkt
auch vertreibt.
Wirtschaft
Gesimat GmbH, Gesellschaft
für intelligente Materialien
und Technologien
Die Gesimat GmbH ist ein 1998 gegründetes Unternehmen, das in über zehn
Jahren Forschungs- und Entwicklungsarbeit ein elektrochromes Verfahren
für Gebäudeverglasungen zur Marktreife gebracht hat. In einer im Aufbau
befindlichen Pilotlinie können ab 2012 rund 15.000 m2 elektrochromes Glas
(›intelligente Fenster‹) pro Jahr hergestellt werden. Die Entwickler möchten der
Elektrochromie aufgrund ihres großen Anwendungspotenzials zum Durchbruch
verhelfen, insbesondere bei der Gebäude- und Verkehrsmittelverglasung.
Das intelligente Glas ist eigentlich ein Scheibenverbund aus zwei mittels
einer ionenleitfähigen Folie laminierten Glasscheiben. Beide Einzelscheiben
sind mit einer transparenten leitfähigen Zinndioxidschicht und jeweils einer
elektrochromen Schicht versehen. Über die transparenten Leitschichten wird
157
10.02.12 14:20
der zum Schalten notwendige Strom in das elektrochrome System eingekoppelt. Auf die Leitschicht folgen die elektrochromen Schichten Wolframoxid
(Scheibe 1) und Preußischblau (Scheibe 2) – ein 1706 in Berlin erfundener, resistenter und UV-blockender Farbstoff, der bei Stromzufuhr einen Farbwechsel
vollzieht. Zur elektrochemischen Beschichtung mit Preußischblau in verlangter
Größe und Güte dient Gesimat eine eigens konstruierte Glasbeschichtungsanlage. Mit der Laminierung beider Gläser ist das elektrochrome Verbundglas
analog zu herkömmlichem Sicherheitsglas mit entsprechenden Sicherheitsund Schallschutzeigenschaften fertiggestellt. Es lässt sich im Verdunkelungsgrad stufenlos und damit automatisch in Licht- und Wärmedurchlässigkeit
(Transmission im sichtbaren und infraroten Spektralbereich) steuern. Die aktive
Schaltbarkeit bringt ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 40 Prozent mit sich.
Installation, Reinigung, Wartung sowie Windanfälligkeit außen- oder innenliegender Beschattungen fallen weg, außerdem ist trotz Abdunkelung der Blick
nach draußen ungehindert möglich.
Die Tilse Formglas GmbH war in mehreren Projekten mit dem Fraunhofer-IAP
an der Entwicklung von elektrochromen und später thermotropen Gläsern
beteiligt (vergleiche Fraunhofer-IAP in diesem Kapitel) und vertreibt entsprechende Verglasungsprodukte unter den Markennamen SOLARDIM® und
SOLARDIM® ECO. Das elektrisch schaltbare Glas wechselt beim Anlegen einer
Spannung vom opaken in den transparenten Zustand. Haupteinsatzzweck sind
Räume, in denen zeitweilig ein Blickschutz gewährt werden soll (zum Beispiel
Besprechungsräume). SOLARDIM® ECO schaltet dagegen selbsttätig und ohne
Energiezufuhr von außen bei Überschreiten einer gewissen Umgebungstemperatur von klar nach opak und bei Unterschreiten automatisch zurück. Dieser
Dimmeffekt geschieht in einer Harzschicht in der Mitte der Sandwichstruktur.
Darin sind polymere Mikrokapseln verteilt, die das Licht ab 40 °C durch eine
Strukturveränderung streuen. Aufgabe von Tilse war es, die Partikel homogen
in der Funktionsschicht zu verteilen und in Glas einzubringen. Durch die Eintrübung des Glases werden 30 bis 50 Prozent der einfallenden Wärmestrahlung
reflektiert, die Lichtdurchlässigkeit ist dabei nur geringfügig reduziert. Dieser
Mechanismus eignet sich gut für passiven Sonnenschutz und bringt Einsparungen gegenüber einer aktiven Klimatisierung von Innenräumen mit sich.76
Die Tilse Formglas bietet ihre Dienste als Glasbiegerei und Glasveredeler für die
Bereiche Hoch- und Fassadenbau, Innenausbau (Atrien, Erker, Wintergärten),
Sicherheitsverglasungen sowie für den Schiff- und Yachtbau an.
Tilse Formglas GmbH
Netzwerke
Der OpTecBB-Verein für Akteure in den optischen Technologien ist bereits im
Kapitel Optische Vergütung vorgestellt.
OpTec BB e.V.
76
Vgl. Trechow, Peter (2011b).
158
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Fazit
Der Bereich chromogene Materialien zur Oberflächenfunktionalisierung ist ein
kleines, aber aufstrebendes Technologiefeld. In der Region sind nur wenige
Forschungseinrichtungen und KMU bzw. Firmenneugründungen bekannt.
Auch deutschlandweit wird das junge Forschungsgebiet durch wenige Forscher (hauptsächlich an Fraunhofer-Instituten) bearbeitet. Vielfach werden
Anwendungen konzeptionell (im Bereich Architektur/ Bauwesen/Design/Kunst)
vorgedacht, aber noch nicht massentauglich umgesetzt (Mangel an Langzeitstabilität, hohe Herstellungskosten).
Die F&E-Ergebnisse in Berlin-Brandenburg sind vielversprechend und von
überregionaler Bedeutung. Insbesondere in der Kooperation mit der Kreativbranche (Kapitel Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E) bestehen Möglichkeiten, Anwendungsszenarien zu Basistechnologien zu entwickeln sowie
umgekehrt aus Anforderungen visionärer Wohn-, Lebens- und Gesellschaftsvorstellungen Forschungs- und Entwicklungsbedarf abzuleiten.
5.4.3 Lichtemission/Photonik
Abgrenzung
Photonik steht im engeren Sinne für Optoelektronik, im weiteren Sinn auch für
nicht klassische optische Technologien. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind
mikround nano-strukturierte Komponenten/Bauelemente, also Lichtquellen
(LED, OLED, Laserdioden), Lichtwellenleiter (Schichtwellenleiter/Planar- und
Streifenwellenleiter, Photonische Kristalle als ›optische Halbleiter‹) und photonische Speicher (All Optical Flip-Flop, AOFF: photonische Informationsspeicherung ohne Umwandlung in elektrische Signale) bzw. photonische Schaltkreise.
Auch Lichtsensoren (zum Beispiel Photodioden, UV- und Röntgenbauelemente)
unter anderem für die Bildverarbeitung sowie optische Sicherheitsmerkmale
(holografisch) oder diffraktiv-mikrooptische Bauteile gehören in diesen Kontext. Bezüglich der Materialbasis wird an organischen Stoffen mit Eignung für
die Lichtemission (sogenannte Green Photonics) geforscht.
Wissenschaft
Prof. Dr. Petra Tegeder
Die Arbeitsgruppe Molekulare Prozesse an Oberflächen (Prof. Tegeder, Institut für Experimentalphysik) an der Freien Universität Berlin verfolgt mit ihrer
Forschung das Ziel, induzierte Elementarprozesse an Ober- und Grenzflächen
(Konformitätsänderungen, Ladungsträgerdynamik, Energetik an Grenzflächen)
zu verstehen und Oberflächenfunktionalitäten gezielt zu ändern (molekulare
Schaltprozesse).
159
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Schwerpunkte sind
■ optisch oder thermisch angeregte reversible Konformationsänderungen in
adsorbierten molekularen Schaltern,
■ Einfluss elektronischer Zustände, der Ladungsträgerdynamik und Energetik
an Grenzflächen auf die Effizienz von opto-elektronischen Bauelementen
mit organischen Materialien (wie organische Leuchtdioden OLED und organische Solarzellen),
■ Wechselwirkungen organischer Moleküle mit Substratoberflächen (Filmwachstum für elektronische Bauelemente möglichst geordnet, defektfrei
und mit definierten Grenzflächen).
Zur Untersuchung der Prozesse setzt die Gruppe zeit- und winkelaufgelöste
Zwei-Photonen-Photoemission (2PPE), hochaufgelöste Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (HREELS), Rumpfniveau-Spektroskopie sowie nichtlinear optische Methoden der Summenfrequenzerzeugung (SFG) und Frequenzverdoppelung (SHG) ein.
Die Forschungsarbeit zu molekularen Prozessen an Oberflächen ist eingebettet in den Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen
Schaltern an Oberflächen‹, Projekt B1 ›Molekulare Schaltprozesse an Oberflächen: Optisch induzierter Ladungstransfer und molekulare Orientierung‹,
sowie in das zentrale Projekt ›Photoelektronenspektroskopie zur chemischen
Analyse molekularer Schalter an Oberflächen‹. Im Sonderforschungsbereich
arbeiten die vier Universitäten FU, HU, TU und Universität Potsdam sowie drei
außeruniversitäre Forschungseinrichtungen (Fritz-Haber-Institut, Max-BornInstitut, Paul-Drude-Institut) zusammen.
Die Gruppe Elementaranregungen und Transport in Festkörpern von Prof.
Masselink am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin erforscht
die physikalischen Grundlagen und Anwendungen neuer Halbleiter-Heterostrukturen und -Nanostrukturen, speziell Wachstum und Zusammensetzung
von III-V-Halbleitern, die mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE)
erzeugt werden.
Die möglichen Anwendungen in der Photonik (neben elektronischen
Anwendungen, Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) drehen
sich um
■ Quantenkaskadenlaser (Wachstum von neuen spannungskompensierten
Materialien),
■ Phosphid-basierte LEDs,
■ selbstorganisierende Quantenpunkte und Quantendrähte (InAs auf InPSubstrat) mit Anwendungspotenzial als 1,55 µm-Laser.
Prof. Dr. W. Ted Masselink
Prof. Henneberger hat an der HU Berlin, Institut für Physik, die Professur
Physikalische Grundlagen der Photonik inne. Die Forschungsthemen umfassen
Halbleitermaterialien und -verfahren wie
Prof. Dr. Fritz Henneberger
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■ Molekularstrahlepitaxie (Radical-source MBE von ZnO-basierten Heterostrukturen, zum Beispiel ›ZnCdO/ZnO hetero- and quantum well structures for light-emitting applications‹ 2008),
■ Ladungs- und Spin-Anregung in Quantenpunkten,
■ organisch-anorganische Hybridstrukturen.
Die Professur war zwischen 2006 und 2009 mit dem Teilprojekt C4 ›Organischanorganische Halbleiternanostrukturen: Untersuchung von Energietransferprozessen und nichtlinear optischen Eigenschaften‹, und zwischen 2004 und 2006
mit dem Teilprojekt ›Hybride Anregungen in organisch-anorganischen Nanostrukturen: Epitaktisches Wachstum und optische Eigenschaften‹ am Sonderforschungsbereich 448 ›Mesoskopisch strukturierte Verbundsysteme‹ beteiligt.
Prof. Dr. Dieter Bimberg
Die Arbeitsgruppe von Prof. Bimberg am Institut für Festkörperphysik der TU
Berlin erforscht komplexe Heterostrukturen und laterale Nanostrukturen, speziell selbstorganisierte Quantenpunkte (aus Arsen-, Antimon-, Stickstoff- und
Phosphor-basierten III-V-Halbleiterverbindungen) im Hinblick auf deren
Wachstum, experimentelle und theoretische Grundlagen/Charakterisierung
und die Entwicklung neuartiger photonischer Bauelemente.
Zur Herstellung der Heterostrukturen dient die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE). Zur Untersuchung der strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften werden die Methoden
■ Photo-, Kathodo-, Elektro-, und Mikro-Lumineszenz,
■ Anregungsspektroskopie,
■ Kapazitätstransientenspektroskopie und
■ Tripelkristall-Röntgendiffraktometrie
genutzt.
Des Weiteren werden numerische Modellierungen von Materialverspannungen, Energieniveaus und Eigenschaften photonischer Bauelemente (basierend auf schmalbandigen und/oder stark piezoelektrischen breitbandigen
Halbleitern) erstellt. In dem 2004 eingerichteten Zentrum für Nanophotonik ist
das Equipment für Wachstum, Verarbeitung und Analyse der Materialien und
Halbleiterstrukturen vorhanden und für die Institutsabteilungen zugänglich.
Angewendet werden die Hetero- und Nanostrukturen für photonische
Bauelemente wie oberflächenemittierende Laser, Halbleiter-Scheibenlaser
(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser VECSEL), Einzelphotonenemitter
und neuartige Nanospeicher auf Quantenpunktbasis für Datenkommunikation,
-kryptographie und -speicherung.
Am Sonderforschungsbereich 787 ›Halbleiter-Nanophotonik‹ ist Prof.
Bimberg mehrfach beteiligt, mit den Teilprojekten A5 ›Elektronische Struktur
nanoskaliger Objekte‹, C1 ›QP-Oberflächenemitter: Laser, Verstärker, Einzelphotonenquellen‹ und C5 ›Halbleiterlaser hoher Brillanz‹.
Die AG Bimberg/Institut für Festkörperphysik ist Mitglied im NanOp – Competence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics.
161
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Die Arbeitsgruppe Experimentelle Nanophysik und Photonik am Institut
für Festkörperphysik der TU Berlin führt Prof. Kneissl, der zugleich Leiter des
Geschäftsbereichs GaN-Optoelektronik am Ferdinand-Braun-Institut für
Höchstfrequenztechnik (FBH) ist.
Die Forschungsaktivitäten richten sich auf das Wachstum von Verbindungshalbleiter-Nanostrukturen, vor allem von Halbleitern großer Bandlücke wie
Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AIN) und Indiumnitrid (InN), mittels
metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Ziel sind innovative Emittertechnologien wie
■ Epitaxie von (Al)GaN-Quantenpunkten für Emitter im ultravioletten (UV-)
Spektralbereich, Kontrolle des selbstorganisierten epitaktischen Wachstums
von AlGaN Quantenpunktstrukturen,
■ Epitaxie von InGaN-Quantenpunkten für grüne Laserdioden (für Projektionsdisplays und in der Biotechnologie, zum Beispiel DNA-Sequenzierung),
■ Leuchtdioden (LEDs) und Laser im nahen und fernen UV-Spektralbereich
für den Einsatz bei der Wasser-, Lebensmittel- und medizinischen Gerätedesinfektion, in der Analytik (zum Beispiel Fluoreszenzanalyse) und in der
medizinischen Diagnostik,
■ oberflächenemittierende Laserdioden (VCSELs) und Resonant-Cavity LEDs
(RC-LED) im sichtbaren Spektralbereich für kurzreichweitige Datenkommunikation und Displays,
■ GaN-basierte Distributed Feedback (DFB)-Laserdioden für den Einsatz bei
der digitalen holografischen Datenspeicherung,
■ Optical Microcavities für Einzelphotonen-Emitter mit möglichen Anwendungen in der Quantenkryptographie.
Prof. Dr. Michael Kneissl
Zur Charakterisierung des MOVPE-Wachstums dieser Nanomaterialien werden
verschiedenene in situ-Methoden (zum Beispiel spektroskopische Ellipsometrie) und hochauflösende Röntgenbeugung (XRD), Rasterkraftmikroskopie
(AFM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Photolumineszenz-Spektroskopie
und Hall-Messungen genutzt. Einige Forschungsschwerpunkte – etwa die
InGaN-Schichten im Teilprojekt A1 ›Materialien für grüne Laserdioden hoher
Brillanz‹ – sind eingebettet in den Sonderforschungsbereich 787 ›HalbleiterNanophotonik‹, dessen Sprecher Prof. Kneissl ist.
Im Bereich explorative Oberflächenphysik beschäftigt sich die AG außerdem mit der Funktionalisierung von Halbleiteroberflächen mittels organischer
Moleküle für zukünftige Anwendungen in Sensorik und Biophysik sowie mit
der Entwicklung eines Messverfahrens auf Basis der Rastertunnelmikroskopie
(STM), das die in situ-Beobachtung von Halbleiteroberflächen während des
MOVPE-Wachstums ermöglicht.
Das Fachgebiet Laseroptik und Photonik des Instituts für Optik und Atomare
Physik der TU Berlin (Prof. Eichler) hat seinen Forschungsschwerpunkt in
der Entwicklung und Anwendung von Festkörperlasern unter anderem für
Prof. Dr. Hans Joachim Eichler
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Materialbearbeitung, Glasstrukturierung, Ramanlaser/-streuung, Femtosekunden-Spektroskopie und Fluoreszenzspektroskopie, verfügt aber auch über
Kompetenzen in der Siliziumphotonik, Faseroptik und bei optischen Schichtsystemen.
Im zugehörigen Beschichtungslabor werden Faserendflächen reflexionsund antireflexionsbeschichtet; verschiedene Substratmaterialien und optische
Komponenten wie poliertes Glas, Laserkristalle, Keramiken, Wafer, Küvettenfenster, Diagläser, Deckgläser können mit dielektrischen Schichten versehen
werden und optische Vielschichtsysteme aufgedampft werden. Ab 2001 wurde
in der Arbeitsgruppe – unterstützt vom BMBF – die Dynamik der Wachstumsprozesse sowohl von Einzelschichten als auch von Multischichtstapeln auf
Glasssubstraten untersucht. Ziel war die Optimierung des Aufdampfprozesses
(Elektronenstrahlverdampfung von Schichten mit möglichst geringen Streuverlusten und hoher Reproduzierbarkeit, Untersuchung der Oberflächentopologie). Weiterhin wurden mit anderen Verfahren (Sputtern, ion assisted
deposition IAD) aufgebrachte Schichten mit ihrem Pendant aus Simulationen
verglichen.
Schichtsimulationen führt das Labor für Spiegel- und Antireflexbeschichtungen, die Transmission und Reflexion, Polarisationsrichtungen und verschiedene Einfallswinkel betreffend, durch.
Prof. Dr. Ingeborg Beckers
77
Eichler, Jürgen et al. (2007).
An der Beuth Hochschule für Technik Berlin leitet Prof. Beckers das Labor
Optik und Lasertechnik. 2007 wurde durch das Labor für Laseranwendungen
(damals noch der TFH Berlin) in Zusammenarbeit mit einem industriellen Partner ein PRO INNO II-Förderprojekt der AiF zum Thema Holographie durchgeführt (›Entwicklung von Dichromat-Schichten für industrielle Hologramme‹).77
Während herkömmlich zur Herstellung von Reflexionshologrammen vornehmlich Silberhalogenid-Schichten entwickelt und verwendet wurden,
untersuchte man in diesem Projekt holographische Dichromat-Schichten. Diese
haben einen wesentlich höheren Beugungswirkungsgrad (kornlose Schichten,
höhere Brechzahlunterschiede in den holographischen Gitterstrukturen, hohes
Auflösungsvermögen), aber den Nachteil einer geringeren Empfindlichkeit bei
der Hologrammaufnahme.
Zur Herstellung von holographischem Filmmaterial wird die Dichromatgelatine auf eine Glasplatte oder Kunststofffolie aufgetragen und getrocknet (rund zehn Mikrometer Dicke). Danach wird die Schicht chemisch oder
thermisch vorgehärtet, mit blauer oder grüner Laserstrahlung holographisch
belichtet und das unbelichtete Dichromat herausgewaschen. Durch die photochemische Reaktion bildet sich ein durch unterschiedliche Brechzahlen an
den belichteten Stellen gekennzeichnetes Hologramm (Phasenhologramm).
Die Dichromat-Hologramme eignen sich unter anderem für die Integration in
Gebrauchsgegenstände (Designobjekte, Schmuck), weiterhin in der Beleuchtungstechnik, in der Innenarchitektur und in der Sicherheitstechnik (Sicherheitshologramme an Produkten).
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In der AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien (Prof. Schrader) der
TH Wildau werden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen und Wirtschaftspartnern optische und photonische Komponenten
entwickelt. Die Projekte betreffen beispielsweise diffraktiv-optische Elemente,
optische Modulatoren, neuartige Lichtquellen, Photodioden sowie Komponenten für die Silizium-Photonik (Übersicht 11).
Mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) unterhält die
TH Wildau seit 2006 ein Jointlab, ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbildung
auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger siliziumbasierter Bauelementekonzepte und Technologien für HochgeschwindigkeitsElektronik und Photonik (SiliconLight).
Übersicht 11: Forschungsprojekte der AG für Photonik,
Laser- und Plasmatechnologien
Projekt
Regionale Partner
Ziel/Inhalt
ELSTER
Elektrisch schalt- und
einstellbare diffraktiv-optische
Elemente auf Basis neuartiger
Flüssigkristall-Polymer-Materialien (2010 bis 2013)
Fraunhofer- Institut für
angewandte Polymerforschung
IAP, Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik e.V.
IDM Teltow,
LTB Lasertechnik Berlin, Frank
Optic Products GmbH
elektrisch schalt- und einstellbare diffraktiv-optische
Elemente (DOE) durch holographische Strukturierung
neuartiger Flüssigkristall/Polymer-Kompositmaterialien; Schalter, Trimmer, Strahlteiler, Koppelgitter;
Material-, Prozess- und Device-Entwicklung
zusammengeführt
OMEGA
Materialien und Konzepte für
optische Modulatoren auf Basis
elektrooptischer Schaltprozesse
für den Gigabit-Datentransfer
und verwandte Anwendungen
(2009 bis 2011)
ihp Leibniz-Institut für
Innovative Mikroelektronik,
Frankfurt/Oder, TU Berlin (Institut
für Optik und Atomare Physik),
TU Berlin (Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien), (Merge Optics
GmbH, Berlin)
Entwicklung neuer, stabiler Polymer- und
Sol-Gel-Materialien mit hoher quadratischer
nichtlinearer optischer Suszeptibilität (Wirt-GastSysteme und kovalent gebundene Chromophore);
Herstellung von Planar- und Streifenwellenleitern
durch Spin-Coating; nichtlinear optisch (NLO) aktive
Gruppen durch elektrische und/oder optische Polung
in eine nicht-zentrosymmetrische Orientierung
gebracht bzw. nicht-zentrosymmetrische Abscheidung geeigneter Materialien mittels LangmuirBlodgett-Technik
SiliconLight
Neuartige Lichtquellen und
Komponenten für die SiliziumPhotonik, Teilvorhaben:
Experimentelle und theoretische
Untersuchungen zu Materialien
(2008 bis 2011)
TU Berlin
(Merge Optics GmbH, Berlin)
Leuchtdioden auf Siliziumbasis durch gezielt
eingebrachte Defektstrukturen, sog. Versetzungsnetzwerke, direkte elektronische Übergänge, welche
dann mit relativ großer Quantenausbeute Licht
emittieren; Integration optischer Wellenleiter,
Modulatoren, Verstärker und Frequenzwandler
UV-Photodioden
UV-Photodiodenchips auf Basis
von TiO2 – Teilvorhaben:
Elektronische, optische und
photoelektrische Eigenschaften
neuartiger Titandioxid-Funktionsschichten (2008 bis 2010)
sglux SolGel Technologies GmbH,
Berlin
Problemlösung aufgrund eines für die Massenanwendungen UV-Flammenüberwachung, UV-Entkeimungsüberwachung und Consumer-UV-Messung zu
langsamen und für die UVC-Strahlung zu anfälligen
Photodiodenchips (Sol-Gel-Chemie und Ti:TiO2:PtHalbleiterstruktur) mit zu geringer Visible Blindness
(Unempfindlichkeit im sichtbaren Spektralbereich)
164
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Dr. Götz Erbert
Der Geschäftsbereich Diodenlaser (Dr. Erbert) des Ferdinand-Braun-Instituts,
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) führt Forschungsarbeiten zu
neuartigen Diodenlasern/-systemen auf der Basis von III-V-Halbleitern durch.
Diese werden sowohl durch Verbesserung des Designs und der Materialeigenschaften, als auch maßgeschneidert für Kunden aus F&E in einem breiten
Wellenlängenbereich, vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot (NIR), entwickelt. Die verschiedenen Bauformen (Einzelbreitstreifenlaser, Laserbarren,
Stacks) basieren auf einer Folge chiptechnologischer Herstellungsschritte. Dies
sind
■ Halbleiter-Schichtstrukturen mit metallorganischer Gasphasenepitaxie
(MOVPE),
■ Laterale Strukturierung durch
– Projektionslithographie,
– (Nasschemische Ätzverfahren),
– Implantation und Isolatorschichten,
– (Kontakte durch Aufdampf- und Sputterverfahren)/Metallisierung,
– und andere
■ Abdünnen,
■ Ritzen, Brechen, Spalten,
■ Facettenbeschichtung und -passivierung.
Im Sonderforschungsbereich 787 ›Halbleiter-Nanophotonik‹ beteiligte sich der
Geschäftsbereich Diodenlaser an der Entwicklung der ›Halbleiterlaser hoher
Brillanz‹ (Teilprojekt C5).
Prof. Dr. Michael Kneissl
Im Geschäftsbereich GaN-Optoelektronik beschäftigt sich das FerdinandBraun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), in Person
von Prof. Kneissl, der gleichzeitig die Professur Experimentelle Nanophysik
und Photonik am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin inne hat, mit der
Realisierung von Hochleistungslasern, Diodenlasern (blau-grüner Spektralbereich) und Leuchtdioden (nahes und fernes UV). Bestandteile der Forschungsund Entwicklungsarbeiten sind
■ die Abscheidung defektfreier InGaN-Emitterschichten, InGaN-Vielfachquantenfilmstrukturen, die Epitaxie von InAlGaN-Heterostrukturen,
■ das Wachstum auf GaN-Substraten niedriger Defektdichte, Wachstum von
Laserheterostrukturen auf nicht- und semipolaren GaN-Oberflächen,
■ dielektrische Schichten für die Ent- und Verspiegelung von Laserfacetten,
■ die Entwicklung von Breitstreifen- und Rippenwellenleiterstrukturen
und
■ das letztendliche Bauelementedesign und anwendungsspezifische Bauelementstrukturen wie Distributed-Feedback(DFB)-Diodenlaser oder Superlumineszenz-LEDs.
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MOVPE-Planetenreaktor für bis zu fünf 4-Zoll-Wafer aus InP oder GaAs (FBH)
Das FBH ist mit diesen einschlägigen Forschungsarbeiten in der Initiative Berlin
WideBaSe und im NanOp – Competence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics Mitglied und aktiv.
Am Fraunhofer-IZM widmet sich eine Forschergruppe um Dr. Oppermann dem
Photonic Packaging, also Aufbau- und Verbindungstechniken für Packages,
Module/Subsysteme und Leiterplatten, die mindestens eine aktive opto-elektronische Komponente, eine Mikrooptik oder optische Interconnects enthalten.
Insbesondere zum Thema High Brightness LEDs und Ultra High Brightness LEDs
erfolgen hier angepasste Entwicklungen hinsichtlich neuer LED-Bauelemente
(GaN oder GaP auf SiC, Saphir, Metall). Essentiell ist dabei die Applikation
sogenannter Konvertermaterialien, die das von der Lichtquelle erzeugte, meist
monochromatische Licht in die benötigte spektrale Verteilung (weißes Licht)
konvertieren. Applikationsformen der Konverter sind Polymermatrix (Reaktivharze mit Konverterpulver) oder Filmtechnologien (Folien). In der Abteilung
wurden Folien mit aktiven Schichtdicken des eingebetteten Konvertermaterials
von 30 bis 200 µm entwickelt, die das Packaging von High Brightness LEDs auf
Wafer-Level erlauben. Die Folien können mit einem transparenten Folienträger
appliziert und mit oder ohne Träger weiterprozessiert werden.
Ein weiteres Forschungsthema ist GlassPack, Packagingtechnologien auf
Dünnglas für die Tele- und Datenkommunikation sowie Sensorik. Ziel ist es,
multifunktionale elektro-optische oder optische Baugruppen aus gestapeltem
Glas herzustellen, wobei Dünnglas als optisch transparentes Trägermaterial
dient. Damit können unter anderem Funktionsstrukturen wie Spiegelflächen
direkt integriert werden; die hohe Medienresistenz von Glas ist vorteilhaft
gegenüber einer Verkapselungstechnologie auf Polymerbasis.
Dr. Hermann Oppermann
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Dr. Martin Schell
Die Abteilung Photonic Components (Dr. Schell) des Heinrich-Hertz-Instituts
für Nachrichtentechnik (HHI) entwickelt und fertigt verschiedene photonische
Bauelemente, darunter
■ Photodetektoren,
■ Laser für optische Tele- und Datenkommunikation sowie Sensoren,
■ planare Lichtwellenschaltungen PLC oder optoelektronische integrierte
Schaltungen OEICs,
■ diffraktive optische Elemente DOE (Gitter, Linsen, Mikrolinsenarrays, Fresnellinsen, Computer-generierte Hologramme als Strahlteiler, -former und
Patterngeneratoren).
Die Bauelemente basieren vornehmlich auf dem InP-Halbleitermaterialsystem,
aber auch auf Silizium und optischen Polymeren. Die Epitaxie-Gruppe entwickelt und fertigt InP-basierte Wafer für die optischen und optoelektronischen
Komponenten; für die jeweiligen Materialsysteme InGaAsP und InGaAlAs stehen verschiedene Reaktoren zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE)
zur Verfügung. Technologieentwicklungsaspekte sind dabei
■ Wachstum von InGaAsP- und InGaAlAs-Basisschichten,
■ Abscheidung von semi-isolierenden Basis- und Sperrschichten,
■ Überwachsen (regrowth) und selektive Abscheidung für die Bauteilintegration,
■ Quantenpunktentstehung und -implementierung in Emitterstrukturen,
■ Entwicklung eines Wachstumsprozesses mit N2-Trägergas,
■ In situ-Analysemethoden für die Oberflächenpräparation und Überwachung des Wachstumsprozesses (Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie
RAS).
An ex situ-Analysemethoden werden unter anderem Röntgenbeugung, Photolumineszenz-Mapping, Hall-Messungen und Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) angewendet. Die Gruppe Processing behandelt die weiterverarbeitenden Verfahren zur Strukturierung, Kontaktierung der Wafer/optoelektronischen Komponenten. Das sind
■ Elektronenstrahllithographie zur Maskenherstellung oder direkten Belichtung (Hologramme),
■ Nasschemisches Ätzen und Trockenätzen von III-V-Halbleitern, Metallen,
Isolatoren (Si3N4, SiO2 und Polymere),
■ Abscheidung von Si3N4 und SiO2 mit induktiv gekoppelter plasmagestützter
chemischer Gasphasenabscheidung (ICPECVD),
■ Sputtern (Metalle) und Elektronenstrahlverdampfung (EBE),
■ Galvanik und Sputtern von Gold-Zinnlegierungen für Kontaktflächen (FlipChip bumps).
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Verwendete analytische Methoden sind Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Oberflächen-Profilmessung (Tastschnittgerät),
Ellipsometrie usw.
Das Heinrich-Hertz-Institut ist in Bezug auf die Forschung zu photonischen
Komponenten Mitglied im NanOp – Competence Centre for the Application of
Nanostructures in Optoelectronics.
Der Optotransmitter-Umweltschutz-Technologie e.V. (OUT e.V., Dr. Gruner) ist
eine Industrieforschungseinrichtung im Bereich optoelektronische Hochtechnologien mit Kompetenzen in Beschichtungstechnologien, Halbleiter- und
Mikrosystemtechnik, Messtechnik/Sensorik (Kapitel Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik und Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).
Der Bereich LED forscht und entwickelt an und mit Leuchtdioden, unter
anderem zu Hochleistungs- und LED im tiefen Ultraviolett- (DUV-) und nahen
Infrarot- (NIR-)Spektralbereich (250 bis 2000 nm), LEDs als Strahlungsquellen in Sensoren für Biologie, Medizin, Umweltanalytik. Auch die Allgemeinbeleuchtung mit LED bzw. Beleuchtungs- und Bestrahlungstechnik (2009
Demonstrator für eine Gasaufsatzleuchte auf LED-Basis, Forschungsprojekt
›Innovative Beleuchtung für Berlin‹) und andere Anwendungen in Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik sowie Spezialanwendungen als Gewächshausbeleuchtung oder Sonnensimulatoren sind Forschungsthemen. Der OUT e.V. involviert in die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
zur LED-Technik intensiv den wissenschaftlichen Nachwuchs (Praktika, Bachelor- und Masterarbeiten, Promotionen).
Dr. Klaus-Dieter Gruner
In der Abteilung Epitaxy (Dr. Geelhaar) des Paul Drude Instituts für Festkörperelektronik PDI (Leiter Prof. Riechert) erforscht man die Molekularstrahlepitaxie
(Optimierung der Parameter) und die Fertigung spezifischer nanostrukturierter Proben (aus III-V-Halbleitern) im Hinblick auf Wachstumsmechanismen,
Selbstorganisationseffekte und Kinetik der Grenzflächenbildung.
Um neue Materialkombinationen oder epitaktische Orientierungen für
maßgeschneiderte Materialeigenschaften zu schaffen, werden ungleiche Materialien (Hetero-Strukturen), Grenzflächen- und Defekt-Engineering angewandt (zum Beispiel niedrigdimensionale GaAs-basierte Heterostrukturen,
metastabile ternäre und quarternäre III-V-Halbleiterverbindungen und Verbindungen ungleicher Materialien mittels extremer Heteroepitaxie). Spezielle
Forschungsinhalte (Materialsysteme, Verfahren, Anwendungsgebiete optoelektronischer Art) sind:
■ Gruppe III-Nitride für die Optoelektronik
– mit plasmaunterstützter (N2) oder reaktiver (NH3) Molekularstrahlepitaxie
(MBE) gezüchtete breitlückige Gruppe III-Nitride: GaN-Filme mit unpolaren Oberflächen, Gruppe III-Nitrid-Heterostrukturen speziell (In,Ga)N/
GaN-Quantentröge und GaN-basierte Nanostrukturen
Dr. Lutz Geelhaar
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■ 2D-Systeme auf Basis von Gruppe III-Arseniden
– Quantenkaskadenlaserstrukturen (QCL)
Emitterschichten aus GaAs/(Al,Ga)As, gewachsen auf GaAs-Substrat
im Spektrum von acht bis 300 µm Wellenlänge; aktive Zone aus bis
>1000 Layern und ummantelt von Wellenleiter- und Kontaktschichten,
Gesamtdicke der Struktur ca. zehn µm
– Hohlraumstrukturen
Quantentopf- und Halbleiterhohlraumstrukturen zur Konversion
von Licht in Ladungsträger; GaAs/AlAs- oder GaAs/(Al,Ga)As-basierte
Schichtstapel auf GaAs (Distributed Bragg Reflector DBR, dielektrischer
Spiegel), in denen die relativ dicken AlAs- oder (Al,Ga)As-Komponenten
zugunsten der Defektfreiheit durch kurzperiodische Superlattice ersetzt
werden
Weitere Anwendungsgebiete finden sich in Kapitel Dünnschicht-Elektronik und
Optoelektronik.
Prof. Dr. Holger T. Grahn
Die Abteilung Semiconductor Spectroscopy (Prof. Grahn) des PDI untersucht
Halbleitermaterialien für optoelektronische (Erzeugung, Verstärkung, Übertragung und Manipulation von Licht) und spin-/magnetoelektronische
Anwendungen (Kodierung, Übertragung und Verarbeitung von Information,
vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) in entsprechenden Dünnschichtbauelementen. Spezifische Untersuchungsthemen sind
zum Beispiel
■ optische Eigenschaften von breitlückigen Gruppe III-Nitrid-Schichten,
-Hetero- und -Nanostrukturen,
■ optische und elektrische Eigenschaften von GaAs-basierten Quantenkaskadenlasern im THz-Bereich; GaAs/(Al,Ga)As- Quantenkaskadenlaser (QCL) für
fernes Infrarot (FIR) und mittleres Infrarot (MIR) usw.
Das experimentelle Equipment umfasst Labore und Analytiksysteme wie
■ SAW-Mikrooptik,
■ UV-Raman- und magnetooptische Spektroskopie,
■ Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR),
■ Photolumineszenz- (PL-), Photolumineszenz-Anregungs- (PLE-), Photostrom- und Photoreflectance- (PR-) Spektroskopie,
■ Kathodolumineszenz- (CL-) Spektroskopie im SEM usw.
PD Dr. Uwe Bandelow
Das Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) führt
mathematische Forschungsprojekte, insbesondere zur Modellbildung, zur
mathematischen Analyse der Modelleigenschaften, zur Entwicklung von Algorithmen und Software sowie zur numerischen Simulation konkreter Prozesse
aus Wirtschaft und Technologie durch. Im Hauptanwendungsgebiet Nano- und
Optoelektronik (Dr. Bandelow) beschäftigt man sich mit Analysis, Modellierung
169
10.02.12 14:20
und Simulation von Halbleiterproduktions- und -prüftechnik (Anwendungen
der diffraktiven Optik, Photoresists), Halbleiter-Nanostrukturen, Halbleiterlasern und anderen optoelektronischen Bauelementen (MQW-Laserdioden,
VCSELs, LEDs, Röntgen-Detektoren, Photovoltaik).
Das WIAS ist Mitglied im Kompetenznetzwerk für optische Technologien
OpTecBB.
Am Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB) widmet sich die
Gruppe Computational Nano-Optics (Dr. Schmidt) in der Abteilung ›Numerical
Analysis and Modelling‹ der Simulation von (nano-)optischen Komponenten
und Bauelementen, zum Beispiel photonische Kristalle, oberflächenemittierende Laser VCSEL, Halbleiterlaser, sowie von Lithographie- und Photomaskentechnologien (DUV/EUV).
Zusammen mit dem WIAS ist die Gruppe am Sonderforschungsbereich 787
›Halbleiter-Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente‹, Teilprojekt B4
›Multi-dimensional modeling and simulation of VCSELs‹ beteiligt, mit dem ein
grundlegendes Verständnis der physikalischen Effekte in photonischen Komponenten erlangt werden soll.
Dr. Frank Schmidt
in Teltow werden unter Leitung von Dr. Schneider speziell im Projekt MULTIPOL78 multifunktionale Polymermaterialien mit maßgeschneiderten mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften erforscht und entwickelt.
Solche Polymere sollen aufbauend auf dem SOLID-Prozess hergestellt werden.
Er bezeichnet die Abscheidung (Filmbildung) des Polymers Parylen auf ein
flüssiges Substrat, wobei mit Hilfe des Parylens auch Flüssigkristallmischungen
eingekapselt werden können. Die Charakterisierung der Polymermaterialien
erfolgt mittels spektroskopischer Verfahren (Fourier-Transform-Infrarot-/FTIRATR-, Nahes Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungsindexbestimmung.
Die Anwendungsgebiete sind neben der organischen Photovoltaik (vergleiche Kapitel Photovoltaik) elektronische und speziell opto-elektronische Dünnschichtbauelemente wie organische Leuchtdioden (OLED, PLED) und optische
Wellenleiter.
Aus den BMBF-geförderten Forschungsarbeiten zu polymerbasierten optischen Wellenleitern in Zusammenarbeit mit dem Heinrich-Hertz-Institut für
Nachrichtentechnik gingen Prototypen für Telekommunikationsanwendungen
hervor. Hierbei wurden für die relevanten Wellenlängenbereiche 830,1300 und
1550 nm Wellenleiterstrukturen mit spezifischen Polymeren wie
■ fluorierte oder unfluorierte Polyacrylate,
■ Polycyanurate,
■ neue triazinhaltige Polymere (zum Beispiel Triazinacrylate),
■ Perfluorcyclobutanpolymere (PFCB) oder
■ PFCB-Polycyanurat-Hybridpolymere
78
Vgl. MULTIPOL (FP6) (2010).
170
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durch Rotationsbeschichtung (Spin-Coating) entsprechender Prepolymerlösungen und anschließende Photolithographie sowie reaktives Ionenätzen (RIE)
hergestellt.
Dr. Armin Wedel
Dr. Wedel leitet am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
die Abteilung Funktionale Polymersysteme, deren Forschungs- und Entwicklungsinhalte (opto-)elektronische Bauteile bzw. Materialien sind.
Die Umsetzung von Fertigungstechnologien einer nächsten OLED-Generation (kundenspezifische OLEDs – OLED-OFIES®) zählt dazu, ebenso die Herstellung polymerer Nanocomposite (Dotierung optisch transparenter Polymermaterialien mit Laserfarbstoffen, Nanophosphoren und Quantenpunkten) zur
spektralen Lichtwandlung, großflächigen Strahlungsdetektion oder Lichtkonzentration.
Einige optische Bauelemente auf Basis der entwickelten Polymere sind
■ Leuchtdioden, Displays (OLEDs auf Basis von lösungsmittelbasierten Prozessen, elektrolumineszierende, photolumineszierende, flüssigkristalline
Polymere),
■ spektrale Lichtwandler,
■ Lichtsender und -empfänger,
■ holographische Bauelemente (holographisch erzeugte Oberflächenreliefgitter),
■ anisotrope Bauelemente und
■ optische Datenspeicher.
Dr. Wedel vertritt im Rahmen des im Jahr 2009 entstandenen FraunhoferInnovationsclusters ›Sichere Identität Berlin-Brandenburg‹ das Projekt ›SecMaTec – Materialien und Technologien für die Sichere Identität‹. Darin geht
es zum einen um die künftige Anwendung von Displays auf der Basis flexibler
OLEDs, die großflächige, dünne und energieeffiziente Anzeigen mit einem großen Blickwinkel und – in ein Dokument integriert – eine Selbstidentifikation
ermöglichen. Zum anderen werden für Sicherheitsmerkmale Spezialfarben und
deren Herstellung auf der Basis von Polymeren untersucht, die digital druckbar und kompatibel zu Hochsicherheitskarten sind. Im Innovationscluster sind
außer dem IAP aus der Region die Fraunhofer-Institute für Produktionsanlagen
und Konstruktionstechnik IPK, für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut
HHI), für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beteiligt, des Weiteren FU, HU
und TU Berlin, die Universität Potsdam, die TH Wildau und die Unternehmenspartner Deutsche Telekom Laboratories und Testing Technologies IST GmbH.
Mit der Bundesdruckerei GmbH verbindet das Fh-IAP seit 2008 eine
gemeinsame Initiative, das SecurityLab Potsdam. Ziel der Kooperation ist es,
funktionale Materialen auf organischer Basis für flexible ID-Dokumente und
personalisierbare Materialien und Devicestrukturen zu entwickeln/bereitzustellen, welche die eindeutige Identifizierung von Personen, ID-Dokumenten
und Prozessen sicherer und mobil machen. Der Aufbau einer Entwicklungslinie
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für flexible Displaytechnologien auf Basis von polymeren Leuchtdioden (OLEDs)
und organischen Transistoren (OFETs) sowie die Bereitstellung von Materialien
für holographische Projektionen und Bildanalysen ist vorgesehen.
Am Fraunhofer-IAP, Bereich Polymere und Elektronik (Dr. Janietz) werden ganz
allgemein Polymere für den Einsatz in (opto-)elektronischen Bauelementen
erforscht und entwickelt. Einen Teilbereich stellt die Entwicklung von konjugierten und phosphoreszenten Polymermaterialien für den Einsatz in OLEDs
(bzw. PLEDs) dar. Dort werden Triple-Emitter-Monomere (RGB, phosphoreszente Komplexe) entwickelt, aus diesen zusammen mit einem Matrix-, einem
Lochleiter- sowie einem Elektronenleitermaterial nach dem Wirt-Gast-Prinzip
Polymerblends synthetisiert. Die Emitterschichten bzw. Bauelemente werden
prototypisch mittels Schleuderbeschichtung (Spin-Coating) und Vakuumabscheidung hergestellt. Die Entwicklung weiterer elektrisch aktiver (auch halbleitender) Polymere für den Einsatz in der organischen Photovoltaik, bei organischen Feldeffekttransistoren (OFETs), Dioden und Sensoren ist in den Kapiteln
Photovoltaik und Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik beschrieben.
Die Gruppe Polymerphotochemie (Dr. Stumpe) am Fraunhofer-IAP beschäftigt sich mit Verfahren der Photochemie (Behandlung mit polarisiertem Licht,
lichtinduzierte Orientierung von Polymeren, Photoalignment, Photopolymerisation, Photovernetzung) an und für optische und photosensitive Funktionsmaterialien (Polymere, supramolekulare Systeme, Komposite).
Daraus hervorgehende Bauelemente oder Produkte können sein
■ holographische Materialien, Verfahren und Elemente (Oberflächenreliefgitter, schaltbare Gitter),
■ lichtinduziert hergestellte optische Funktionselemente (Filter, Retarder,
Polarisatoren, Diffuser, Gitter, optische Speicher, Orientierungsschichten,
Sicherheitsmerkmale),
■ optische Systeme auf Basis von Selbstorganisationseffekten (kolloidale Kristalle, photonische Kristalle, LC-Komplexe, Kombination lichtinduzierter
Prozesse und Selbstorganisation).
PD Dr. Joachim Stumpe
Die optischen und photosensitiven Materialien sowie Funktionselemente werden mittels Spektroskopie, Ellipsometrie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Polarisationsmikroskopie und Mikroskopspektrometrie charakterisiert.
Mit der Initiative ›OptoMat – Strukturierung optischer Funktionsmaterialien‹, deren Koordinator das Fh-IAP ist, wird versucht, institutsübergreifend
Kompetenzen aus den Regionen Berlin/Brandenburg und Thüringen zu verbinden und ein interdisziplinäres Kompetenzfeld ›Strukturierung optischer
Funktionsmaterialien‹ aufzubauen. Dabei geht es um photostrukturierbare,
druckbare, optische Funktionsmaterialien, die mit den Strukturierungstechnologen Photostrukturierung, Holographie, Plasmabehandlung, Inkjet-Drucktechniken, Micro-Contact-Printing und Nanoimprinting zu optischen Funk172
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tionselementen und funktionalen Oberflächen (der Mikrooptik, integrierten
Optik, Sensorik, Lasertechnik, IKT, Sicherheitstechnik) und strukturierten Oberflächen für biorelevante Anwendungen umgesetzt werden. Kooperationspartner in Berlin-Brandenburg sind neben dem Fh-IAP das Fraunhofer-Institut für
Biomedizinische Technik (IBMT), Institutsteil Potsdam-Golm, die Universität
Potsdam (Institut für Chemie und interdisziplinäres Photonik-Zentrum), das
Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik e.V. (IDM Teltow), das
Kompetenznetzwerk für optische Technologien OpTecBB e.V. sowie die micro
resist technology GmbH (MRT).
PD Dr. Dietmar Janietz
In der Gruppe Optische Funktionsmaterialien (Dr. Janietz) am Fraunhofer-IAP
werden neue funktionelle flüssigkristalline Materialien entwickelt, die zur
Herstellung ultradünner anisotrop strukturierter Filmkomponenten mit komplexen optischen Eigenschaften (lichtmodulierend, Erzeugung und Wandlung von polarisiertem Licht) dienen. Auf Basis neuer Fluoreszenzfarbstoffe
(Chromophore), die bei Anregung mit UV-Licht im sichtbaren Spektralbereich
emittieren, galt es dünne Filme der Farbstoffe mit einer co-vernetzbaren Matrix
durch in situ-Fotopolymerisation zu stabilisieren. Realisiert wurden solche
Filme mit lateraler Strukturierung (lithographische Zweilagen- bzw. Einlagenstrukturierung und Optimierung der co-vernetzbaren/polymeren Matrix) auf
Glas-, Silizium- und Aluminiumsubstraten und mit blauer, grüner und roter
Photolumineszenz.79 Durch das Einbringen chiraler Gruppen können außerdem
helicale Schichtarchitekturen mit selektiver Lichtreflektion aufgebaut werden.
Die Arbeiten beinhalten die Entwicklung geeigneter Synthesen, Analysen der
thermischen Eigenschaften, makroskopischen Orientierung und der Mikrostrukturierung sowie die permanente Fixierung der inneren Filmstruktur. Ziel
ist die Anwendung von Farbstoffen bzw. dünnen Emitterschichten in flexiblen
Displays und von ultradünnen, lichtmodulierenden strukturierten Funktionsschichten als Schlüsselkomponenten in den optischen Technologien.
Wirtschaft
JENOPTIK Diode Lab GmbH
79
Fraunhofer-IAP (2010), S. 62.
Die JENOPTIK Diode Lab GmbH ist ein 2002 als Spin-off aus dem FerdinandBraun-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH) gegründetes und zur JENOPTIKGruppe gehörendes Unternehmen der Sparte Laser & Materialbearbeitung. Es
ist auf die Fertigung von Halbleitermaterial, das für Entwicklung und Fertigung
von Hochleistungsdiodenlasern benötigt wird, spezialisiert. Kompetenzen
der Jenoptik Diode Lab GmbH liegen demnach bei epitaktischem Wachstum
von Halbleiterschichtstrukturen auf 2”- bis 6”-Wafern mittels MOCVD/MOVPE
(Kompetenz durch Erwerb des Berliner Unternehmens TESAG, Three-Five
Epitaxial Services Aktiengesellschaft 2008), weiterhin bei der Prozessierung und
Facettenbeschichtung von aktiven (emittierenden) Komponenten verschiedener Bauform wie Laserbarren und Einzelemitter, die in Bauelemente wie
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Epitaxieschichten und Laserbarren (JENOPTIK Diode Lab)
■ Laserdioden (Wellenlängen von 630 – 1200 nm),
■ Oberflächenemitter (VCSELs und VECSELs) und
■ Leuchtdioden (RCLEDs und LEDs)
münden.
Die JENOPTIK Diode Lab GmbH ist Mitglied der Initiative Berlin WideBaSe zur
Erforschung und Entwicklung optoelektronischer und elektronischer Bauelemente auf Basis breitlückiger Halbleiter.
LEONI Fiber Optics Berlin ist seit 2010 in die LEONI Fiber Optics GmbH integriert (bis dahin FiberTech GmbH). Am Standort werden Lichtwellenleiter
(Lichtleitfasern/-faserbündel unter der Marke FiberTech®) produziert und
kundenspezifisch entwickelt. Die Fasern werden mit drei bis zehn Mikrometer
für Singlemode- und 20 µm bis zwei Millimeter Durchmesser für MultimodeAnwendungen (mit Stufen- oder Gradienten-Index) aus Quarz gezogen und
mit unterschiedlichen (Spezial-)Beschichtungen und Ummantelungen versehen, das sind
■ Coating aus Acrylat, Doppelacrylat, Silikon oder Polyimid,
■ weiterer Mantel aus Nylon® oder Tefzel® (ETFE) extrudiert, Schichtdicke 50
bis 500 µm, für den Einsatz in verschiedenen Temperaturbereichen und
chemischen Umgebungen,
■ Spezialfasern (synthetisches Quarzglas, Saphir, nichtoxydische Gläser,
diverse dotierte Fasern, Germanium-Oxid-Fasern) und spezielle Beschichtungen (Metall, Hochtemperaturdoppelacrylat) unter anderem für den
Hochtemperatur-, Vakuum- und Nuklearbereich.
LEONI Fiber Optics GmbH
Für die Lichtübertragung vom Ultraviolett- bis in den Infrarot-Bereich werden
die Fasern eingesetzt; in Form von Faser-Optik-Kabeln dienen sie industriellen
und wissenschaftlichen Anwendungen, als Lasersonden auch in der Medizin
(Serienproduktion chirurgischer, ophthalmologischer, urologischer, dentaler
und endovaskulärer Lasersonden mit biokompatiblen Materialien).
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Im Rahmen des überregionalen Verbundprojekts ›Innovative Beschichtungssysteme für optische Spezialfasern auf Basis von nanoskaligen, hybridpolymeren Materialien (BEOS)‹ widmet sich LEONI Fiber Optics der Erforschung neuer
Beschichtungsmaterialien mit besseren optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften.
LEONI Fiber Optics ist Mitglied im Kompetenznetz OpTecBB.
eagleyard Photonics GmbH
Auf der Basis von GaAs-Wafern stellt die eagleyard Photonics GmbH – ein 2002
gegründetes Spin-off aus dem Ferdinand-Braun-Institut für Hochfrequenztechnik FBH – Halbleiterlaserdioden im Wellenlängenbereich von 650 bis
1120 nm her. Als Partner des Ferdinand-Braun-Instituts und Mitglied in der
Initiative Berlin WideBaSe ist eagleyard in F&E-Projekte, zum Beispiel zur Entwicklung von Nitrid-Halbleiterlasern (AlInGaN), involviert.
Eagleyard photonics ist Mitglied der Initiative Berlin WideBaSe zur Erforschung und Entwicklung optoelektronischer und elektronischer Bauelemente
auf Basis breitlückiger Halbleiter.
EPIGAP Optronic GmbH
Die EPIGAP Optoelektronik GmbH ist ein Unternehmen der Jenoptik-Gruppe;
es entwickelt und fertigt am Standort Berlin Standard- und kundenspezifische
optoelektronische Sender- und Empfängerbauelemente wie LED-Chips, LEDs,
Photodioden und CoB-Module (kleine bis mittlere Stückzahlen), zum Beispiel
■ Photodioden im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Spektralbereich
(selektiv empfindlich zwischen 150 nm bis 2600 nm) auf III-V-Halbleitermaterialbasis mit relativ großer Bandlücke (GaP, GaAs und InGaAs, GaN
bzw. SiC),
■ LED-Chips im Spektralbereich von 280 bis 1050 nm, Beleuchtungen und
Scheinwerfer für rote und infrarote Anwendungen.
Zur Fertigung der optoelektronischen Bauelemente stehen Reinraum, Flüssigphasenepitaxieanlagen (LPE), Chipprozesstechnik (Metallisierung der Wafer,
Photolithographie, Vereinzeln der Chips) und entsprechende Messtechnik zur
Verfügung. Die Anwendungen der Sender- und Empfängerbauelemente bewegen sich im Bereich industrielle Sensorik, Mess- und Regeltechnik, Automatisierungs- und Sicherheitstechnik sowie Biotechnologie und Medizintechnik.
Lumics GmbH
Die Lumics GmbH ist ein spezialisierter Hersteller von Hochleistungshalbleiterlaserkomponenten und -subsystemen. Die besondere Chiptechnologie für
möglichst hohe Leistungsdichte zeichnet sich durch die spezielle Laserfacettenpassivierung aus.
Die Laserdioden basieren auf GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen mit aktiven
Quantentopfschichten aus InGaAs oder GaInAsP je nach gefragter Wellenlänge.
Nachteil dieses Materialsystems mit Aluminium ist die Oxidation oder Entstehung von Defekten an den Chipfacetten bei Luftkontakt (kantenemittierende
Rippenwellenleiterlaser). Um die resultierende Degradierung oder Zerstörung
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(catastrophic optical mirrow damage, COMD) an der Vorder- und Rückfacette
zu verhindern, kommt eine nahezu defektfreie kristalline Passivierungsschicht,
die die Lichtenergie bis unter 750 nm Wellenlänge nicht absorbiert, auf den
Facettenflächen zum Einsatz, wodurch die Leistungsdichte des Lasers hoch
gehalten werden kann.
Die OSA Opto Light GmbH, ein 2002 aus der SLI Miniature Lighting GmbH (ehemals OSA-Elektronik GmbH, 1991 hervorgegangen aus dem Werk für Fernsehelektronik) neu geformtes Unternehmen, widmet sich der Entwicklung und
Herstellung von LED-Chips (sichtbarer, Infrarot- und Ultraviolettspektralbereich), SMD-LEDs (Surface Mounted Devices), LED-Leuchtmitteln und -Modulen. Das Innovationsgeschehen ist an vielen neu- und weiterentwickelten
Produkten des Unternehmens wie hocheffiziente AlInGaP-Chips (1998),
warmweiße/RGB-LED-Module (2005), keramische Hochtemperatur-SMD-LEDs
(2006), grüne, UV- und Infrarot-LEDs/LED-Chips (2009/2010) abzulesen. Als
Mitglied in der Initiative Berlin WideBaSe ist die OSA Opto Light GmbH zusammen mit der LayTec AG, dem Ferdinand-Braun-Institut, dem Leibniz-Institut
für Höchstfrequenztechnik und der Technischen Universität Berlin im Verbundprojekt ›Power LED 350 – 300 nm‹ aktiv und mit der Chip-Herstellung (ChipBewertung, Chip-Prozess) und dem Packaging bis hin zur Primäroptik (zur
Kollimation des Lichts) beschäftigt.
OSA Opto Light
Die u²t Photonics AG ist ein 1998 als Spin-off aus dem Heinrich-Hertz-Institut
für Nachrichtentechnik gegründetes Unternehmen mit Expertise in InP-basierter Optoelektronik. Unternehmenszweck ist die Herstellung und Kommerzialisierung opto-elektronischer Komponenten nach neuestem Stand der Technik
und den Entwicklungen aus Forschungslaboren. An ultraschnellen opto-elektronischen Komponenten oder auch Systemen der Mikrowellen-Photonik (Frequenzen >40GHz) für die faseroptische Datenkommunikation bietet das Unternehmen Photodioden (Photodetektoren, Photoreceiver), seit 2009 auch Photomodulatoren (GaAs-basiert) an. Deren Entwicklungs- und Herstellungsprozess
umfasst Bauteil-Design, Chipherstellung, Systemkonfigurationen und Prüfung,
während für Indiumphosphid-Halbleiter-Epitaxie und Wafer-Prozessierung
Anlagen beim F&E-Partner, dem Heinrich-Hertz-Institut, genutzt werden.
Packaging und Prüfung werden bei u2t selbst durchgeführt.
u2t ist Mitglied im NanOp – Competence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics.
u²t Photonics AG
Netzwerke
Der OpTecBB-Verein für Akteure in den optischen Technologien ist bereits im
Kapitel Optische Vergütung vorgestellt.
OpTec BB e.V.
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PhotonikBB e.V.
PhotonikBB ist ein Netzwerk zur Förderung von Wirtschaft und Wissenschaft
sowie zur Bildung von Kooperationen in Brandenburg und Berlin im Technologiefeld Photonik, und zwar innerhalb der vier Innovationsfelder
■ Anwendungen in der Photovoltaik,
■ Angewandte Lasertechnik,
■ Messtechnik und Sensorik,
■ Photonische Komponenten.
PhotonikBB hat sich zum Ziel gesetzt, mit den vorhandenen Kompetenzen in
der Region die Innovationskraft und Wertschöpfung zu vertiefen und zu verbreitern, eine Marke ›Photonik made in Brandenburg-Berlin‹ aufzubauen und
international als Photonik-Region Brandenburg-Berlin aufzutreten.
(SPECTARIS)
Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Unternehmen und Forschungseinrichtungen der Region sind Mitglied im Verband (hier Fraunhofer-Institut für
Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, JENOPTIK Diode Lab GmbH und
CRYSTAL GmbH, vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik),
der primär Branchen- und Auslandsmarketing, Marktforschung, aber auch
Technologie- und Forschungsförderungsberatung betreibt.
Der Fachverband Photonik + Präzisionstechnik vertritt die Hersteller von
optischen Komponenten (auch der Lasertechnik), organisiert branchenspezifische und branchenübergreifende Arbeitskreise sowie Kongresse für seine Mitglieder. Außerdem bietet er Informationen zum Weltmarkt sowie eine Datenbank für optische Komponenten (OptoIndex).
Fazit
80
LMU München (o.J.).
81
Fraunhofer Gesellschaft (2007).
82
Fraunhofer Gesellschaft (2011b).
In Deutschland gibt es sowohl auf regionaler als auch auf institutioneller Ebene
Bemühungen zur Profilierung im Bereich der Photonik, und zwar in Form von
Clustern zur Technik selbst (Munich-Centre for Advanced Photonics, MAP, Cluster
of Excellence80), in Verbindung mit Oberflächentechnik (Fraunhofer-Verbund
Oberflächentechnik und Photonik81) oder auf ein Teilgebiet wie organische
Werkstoffe fokussiert (Innovationscluster ›Green Photonics‹, Jena82).
In der Hauptstadtregion ist Material- und Systemforschung für photonische
Anwendungen schwerpunktmäßig verankert. Eine Reihe miteinander vernetzter Akteure widmet sich in vielfacher Hinsicht der Thematik dünne Schichten
sowie Materialsystemen und Herstellungsverfahren, wobei diese mit einer
deutlichen Selbstverständlichkeit als wesentliche Bausteine für die Photonik
angesehen werden. Viel Aufmerksamkeit entfällt auch auf die Analytik zum
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Verständnis von Grenzflächenphänomenen und zur Prozessoptimierung.
Akteure aus mehreren einschlägigen Forschungsinstituten verfolgen gemeinsame Ziele, etwa zur Halbleiter-Nanophotonik und zu polymerbasierten
photonischen Komponenten. Auch führen spezifische Forschungsergebnisse
häufig zu Firmenausgründungen.
5.4.4 Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik
Abgrenzung
Die Dünnschicht-Elektronik bewerkstelligt Übertragung, Speicherung und
Verarbeitung von Information auf Basis elektrischer oder magnetischer (und
angrenzend auch optischer) Parameter. Elektrische Leitfähigkeit oder Isolierung/elektromagnetische Abschirmung (Hochohm- und Isolationsschichten als
EMV- und ESD-Schutz), Leitfähigkeit in Kombination mit Transparenz (TCO) und
Speicherung von Daten (binäre Zustände) sind die wichtigsten Materialeigenschaften, die mittels dünner Schichten und einer Strukturierung zu Bauelementen umgesetzt werden. Die klassische Elektronik baut auf den Halbleiter
Silizium. Aber auch andere Halbleiter-Materialien (Verbindungshalbleiter)
werden verwendet und weiterentwickelt, etwa um Elektronik aus organischen
Materialien (Polymere, Graphen) zu erzeugen oder sogar auf molekularer Ebene
anzusiedeln (mit entsprechend hoher Ortsauflösung der Schalt- und Speicherprozesse). Elektronik zu drucken ist eine weitere Entwicklungsrichtung, die vor
allem für die Sicherheitstechnik Anwendungspotenzial aufweist.
Wissenschaft
In der Gruppe Physics of Micro and Nano-structures based on Carbon (PMNC)
um Dr. Casiraghi (FU Berlin, Institut für Experimentalphysik) werden verschiedenste Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen wie Diamond-like-carbon (DLC-)
Filme, Nano-Diamant-Filme und Graphen (auch Kohlenstoffnanoröhrchen,
CNTs) hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur, mechanischer Schwingungen
und optischer Prozesse untersucht. Die wohl wichtigste Anwendung der aus
der Familie der amorphen Kohlenstoffe stammenden DLC-Schichtmaterialien
sind Bauteile zur (magnetischen/optischen) Datenspeicherung. Graphen
beweist enormes Potenzial für die Anwendung als ultraschneller Transistor. Des
Weiteren könnte es als Composite-Material, wegen seines hohen OberflächeVolumen-Verhältnisses und Leitfähigkeit in Batterien, in Feldemittern, als
transparente Membran, in Mikroresonatoren und als chemischer Sensor (selektive Reaktivität) Anwendung finden. Auch Quantenpunkte aus Graphen sind
möglich und würden Einzelelektronen-Transistoren erlauben.
Dr. Cinzia Casiraghi
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Die Untersuchung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erfolgt mittels RamanSpektroskopie, einer schnellen, zerstörungsfreien und etablierten Methode
zur Charakterisierung von Kohlenstoff-Materialien, und wird zusätzlich mit
Rasterkraftmikroskopie (AFM) kombiniert. Um die Spektroskopie-Signale zu
verbessern, werden neue Untersuchungsmethoden wie Surface Enhanced
Raman Scattering (SERS) und Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) genutzt.
Themen wie diese Untersuchungsmethoden sowie Synthese und Aufbau von
Nanomaterialien, Dünnschichtabscheidung, Langmuir-Blodgett-Schichten,
Dielektrophorese und Lithographie werden in der Lehrveranstaltung ›Introduction to Nanoscience‹ in Seminarform vermittelt.
Prof. Dr. Paul Fumagalli
An der FU Berlin forscht die Gruppe Dünne Schichten (Prof. Fumagalli) der
experimentellen Festkörperphysik an Schichten von wenigen Atomlagen Dicke.
Untersucht werden deren Wachstum und magnetische Eigenschaften, zudem
Eigenschaften von Nanopartikeln und daraus aufgebauten Schichten, weitere
nanoskalige Systeme und deren magnetische und optische Eigenschaften.
Veröffentlichungstitel aus den Jahren 2004 bis 2010 weisen auf spezifische
Forschungsthemen hin:
■ Magneto-optic enhancement and magnetic properties in Fe antidot films
with hexagonal symmetry
■ Photochromism of Spiropyran-Cyclodextrin Inclusion Complexes on Au(100)
■ Optical and Magnetic Properties of Hexagonal Arrays of Subwavelength
Holes in Optically Thin Cobalt Films
■ Magnetic, Magneto-optic and Magnetotransport Properties of Nanocrystalline Co/Au Multilayers with Ultrathin Au Interlayers
■ CoCr/Pt multilayers with adjustable perpendicular anisotropy
■ Structural, magnetic, and magneto-optical properties of nanocrystalline
face centered cubic Co70Cr30/Pt multilayers with perpendicular magnetic
anisotropy
■ Switching of nonfunctionalized spiropyran thin films on single crystalline
MgO(100)
■ Magnetism and magneto-optics of nanocrystalline Ni/Pt multilayers grown
by e-beam evaporation at room temperature
■ Evidence of exchange-induced spin polarization in the seminconductor EuS
at 300 K
■ Structure and magneto-optic Kerr measurements of epitaxial MnSi films on
Si(111)
■ Ni/Pt multilayers: growth and magneto-optics
■ Growth of Mn-Bi films on Si(111): targeting epitaxial MnBi
Prof. Dr. Nikolaus Schwentner
Die Gruppe Photochemisches Ätzen (Prof. Schwentner) am Institut für Experimentalphysik der FU Berlin analysiert unter anderem photochemische Reaktionen und strukturiert Oberflächen durch photochemisches Ätzen, indem
durch kurzwellige Strahlung ein photochemischer Prozess an angelagerten
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Halogenen und damit ein Materialabtrag an belichteten Stellen ausgelöst wird.
Derartige Maskenabbildungen (Lithographie) werden auf ihre Eignung für die
Halbleiterstrukturierung untersucht.
Die Arbeitsgruppe Nanoscale Physics of Molecules and Surfaces von Prof.
Pascual am Institut für Experimentalphysik der FU Berlin untersucht Grundlagen der Molekular- und Oberflächenphysik (elektronische, magnetische,
Schwingungs- und strukturelle Eigenschaften von Oberflächen und Adsorbaten, Selbstorganisation) mittels Rastertunnelmikroskopie (STM, temperaturvariabel) bzw. Low Energy Electron Diffraction (LEED) in atomarer Auflösung.
Das Verständnis der Materie und die Manipulation an den Eigenschaften sollen
Erkenntnisse und Methoden für die Entwicklung molekularer Elektronik liefern.
Mit ihren Arbeiten ist die Gruppe Teil des Sonderforschungsbereichs 658
›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹ (Projekt A1
›Schaltprozesse in Molekülen an Metalloberflächen, untersucht mit Rastertunnelmikroskopie‹), außerdem des Schwerpunktprogramms 1243 ›Quantum
transport‹ und des ESF-Netzwerks EIPAM ›Electron induced processes at the
molecular scale‹.
Prof. Dr. Jose Ignacio Pascual
Prof. Reich und die Gruppe Physik von Nanostrukturen an der FU Berlin erforscht
schwerpunktmäßig eindimensionale Nanostrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren, Halbleiternanodrähte und andere kohlenstoffbasierte Materialien wie
Graphen. Dazu werden experimentelle Methoden wie optische Spektroskopie
und numerische Simulationen genutzt. Funktionalisierte und hybride Systeme
sowie die Entwicklung neuartiger Komposite, mit denen die Eigenschaften
von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen für makroskopische Materialien
nutzbar gemacht werden sollen, sind weitere Forschungsschwerpunkte. Am
Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern
an Oberflächen‹ ist die Gruppe mit dem Teilprojekt A6 ›Molekulare Schalter
an Kohlenstoffoberflächen‹ beteiligt. In diesem Projekt werden photochrome
molekulare Schalter untersucht, die an Kohlenstoffnanoröhren gebunden sind,
außerdem Kohlenstoffnanoröhren als ideale Oberfläche mit variablen elektronischen Eigenschaften (metallisch/halbleitend, Größe der Bandlücke) und
die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Molekülen (Beeinflussung der
Photoisomerisierung).
Prof. Dr. Stephanie Reich
Am Institut für Theoretische Physik (Prof. Oppen) der FU Berlin werden im
Rahmen des Sonderforschungsbereichs 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹ Grundlagen von Schaltprozessen systematisch
untersucht. Durch externe Stimuli an molekularen Systemen im Kontakt mit
Festkörperoberflächen ausgelöste reversible Übergänge von Zuständen bewirken eine messbare Änderung der optischen, elektronischen oder magnetischen
Funktionalität des Systems (Teilprojekt C4 ›Konformationsänderungen und
magnetisches Schalten in deponierten molekularen Strukturen‹). Sowohl Kon-
Prof. Dr. Felix von Oppen
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formationsschalter (zum Beispiel Azobenzol, Spiropyran) als auch magnetische
Schaltermoleküle werden untersucht und der Einfluss des Substrats am Beispiel
von kohlenstoffbasierten Substraten (Nanoröhren/Graphen, Experimente in
Teilprojekten A3, A6) bestimmt, um eine systematische Theorie von Schaltermolekülen in der molekularen Elektronik zu erlangen.
Prof. Dr. Stefan Hecht
Die Gruppe Organische Chemie und funktionale Materialien (Prof. Hecht) an der
Humboldt-Universität zu Berlin widmet sich der Entwicklung von organischen
nanoskaligen Strukturen für Anwendungen als
■ allgemein smarte Materialien oder Oberflächen,
■ Transportsysteme zur Signalverstärkung und Wirkstofffreigabe (Controlled
Release),
■ lichtempfindlich schaltbare und ansteuerbare Katalysatoren,
■ Sensoren, Molekularelektronik, optoelektronische Komponenten.
Dazu werden organische Nanotubes (hohle/spiralförmige Oligomere und Polymere) hergestellt, Konstellationen, Selbstorganisationsprozesse und chemische
Reaktivität von einzelnen Molekülen auf festen Substratwerkstoffen beeinflusst
sowie Makromolekül- und supramolekulare Architekturen gebildet.
Zusammenarbeit besteht mit Forschern aus dem Fritz-Haber-Institut, der
HU Berlin und der BAM sowie internationalen Partnern. Im Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹
leitet Prof. Hecht das Teilprojekt B8 ›Schalterarchitekturen für kollektive Schaltprozesse und Kontrolle von Ladungstransport‹.
Prof. Dr. W. Ted Masselink
Die Gruppe Elementaranregungen und Transport in Festkörpern von Prof.
Masselink am Institut für Physik der HU Berlin erforscht die physikalischen
Grundlagen und Anwendungen neuer Halbleiter-Hetero- und -Nanostrukturen, speziell das Wachstum und die Zusammensetzung von III-V-Halbleitern,
die mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) erzeugt werden.
Neben den möglichen Anwendungen in der Photonik (Kapitel Lichtemission/Photonik) drehen sich die elektronischen Anwendungen um
■ Micro-Hall-Sensoren,
■ Universalsubstrate (Wachstum von dickeren epitaktischen Layern auf Substraten mit signifikantem Gitterversatz) und
■ verdünnte magnetische Halbleiter (DMS), mit ferromagnetischen und halbleitenden Eigenschaften.
Prof. Dr. Jürgen P. Rabe
Im Fachgebiet Physik von Makromolekülen der HU Berlin beschäftigt sich
Prof. Rabe mit hybriden Materialsystemen, die Anwendung in Solarzellen
(Kapitel Photovoltaik), aber auch in der Spin- und Optoelektronik finden.
Entsprechende Projekte und Beteiligungen an Verbundvorhaben sind
181
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■ der Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen
Schaltern an Oberflächen‹ mit dem Teilprojekt A3 ›Kontrolle des elektrischen
Transports durch Einzelmoleküle und Graphene‹,
■ das BMBF-geförderte Verbundprojekt ›Graphenoid-Lagen als großflächige
elektrisch leitfähige, optisch transparente Beschichtungsmaterialien‹ (Kontaktierung in elektronischen Bauelementen) und
■ ein DFG-Projekt mit japanischen Forschungspartnern zu Nanoelektronik mit
großen konjugierten Makromolekülen (zum Beispiel Dioden und Transistoren auf Basis einzelner konjugierter Moleküle).
Prof. Rabe erforscht vor allem Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von synthetischen (polymeren) Makromolekülen bzw. Bio-Makromolekülen sowie zweidimensional vernetzte Systeme wie Graphen. Die Möglichkeiten, Atome und
Moleküle gezielt auf Oberflächen zu manipulieren, soll zum Aufbau miniaturisierter Funktionselemente genutzt werden (bottom-up-Strategie). Neue molekulare Hybridsysteme können somit hergestellt und untersucht werden und
sich mit Hilfe von Selbstorganisationsmechanismen zu einem makroskopischen
System weiterentwickeln. Hybride Strukturen sind in erster Linie ElektronenDonor und -Akzeptor-Verbindungen, aber auch supramolekulare Systeme in
Verbindung mit ausgedehnten anorganischen Festkörpern.
An der Produktion, Verarbeitung und Charakterisierung von Graphen für
die organische Elektronik arbeiten junge Wissenschaftler im Marie Curie Network for Initial Training (ITN) ›Graphene-Organic Hybrid Architectures for Organic Electronics: A Multisite Training Action – GENIUS‹, an dem das Fachgebiet
mitwirkt. In der 2001 eingerichteten ›International Humboldt Graduate School
on Structure, Function and Application of New Materials‹ gestaltete man eine
›Research Training Group: Fundamentals and functionality of size and interface
controlled materials: spin- and optoelectronics‹.
Das Fachgebiet ist außerdem Mitglied im NanOp – Competence Centre for
the Application of Nanostructures in Optoelectronics.
Die Gruppe Supramolekulare Systeme (Prof. Koch) am Institut für Physik der HU
Berlin widmet sich organischen Halbleitermaterialien und deren Anwendung
in optoelektronischen Komponenten (zum Beispiel Transistoren). Dabei stehen
Morphologie und kristalline Strukturen/Texturen von organischen Dünnschichten (Sexithiophen/6T, alpha,omega-Dihexylsexithiophen/DH6T; PEDOT:PSS),
Grenzflächen zwischen organischen und anorganischen Layern (Au, SiO2),
epitaktische Adsorbate an definierten anorganischen Substraten (SiO2 auf hochdotiertem Silizium, Mylar®) und elektrische Eigenschaften von elektroaktiven
konjugierten organischen Materialien im Mittelpunkt.
Prof. Dr. Norbert Koch
Die AG Atomare Struktur und elektronische Eigenschaften von Oberflächen,
Grenzflächen und Nanostrukturen (Prof. Dähne) am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin beschäftigt sich mit der Untersuchung von Nanodrähten
Prof. Dr. Mario Dähne
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und Clustern auf Siliziumoberflächen sowie III-V-Halbleiter-Nanostrukturen (zum Beispiel Quantenpunkte). Themen bzw. spezielle Materialsysteme
sind
■ Silizid-Dünnschichten, Silizid-Nanodrähte und -Cluster,
■ InAs/GaAs-Wetting-Layer (atomare epitaktische Startschicht für Quantenpunkte oder Dünnschichten),
■ InAs- und InGaAs-Quantenpunkte, Quantenstriche (InAs InGaAsP), -ringe
(GaSb) und
■ GaN-Oberflächen.
Molekularstrahlepitaxie (MBE) wird zum Aufwachsen der Nanostrukturen
genutzt, Photoelektronenspektroskopie (PES) am Speicherring BESSY II zur
Untersuchung der elektronischen Eigenschaften, außerdem Rastertunnelmikroskopie (STM, auch an Querschnittsflächen: XSTM) sowie entsprechende Spektroskopien (STS, XSTS).
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Bock
Das Fachgebiet Polytronische Mikrosysteme (Prof. Bock) am Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien der TU Berlin erforscht polymere
Werkstoffe für elektronische Bauelemente. Betrachtet werden Herstellung und
Charakterisierung technologischer Oberflächen und Grenzschichten, die Mikround Nanostrukturierung polymerer Werkstoffverbunde, Mehrlagentechnologien, additive Strukturierungsverfahren und Selbstorganisation. Außerdem
werden Kontaktierungen zwischen Metallen und organischen Leitern zu organischen Halbleitern untersucht sowie Oberflächenbedingungen polymerer
Materialien und hybrider Materialverbunde charakterisiert.
Der Lehrstuhl Polytronische Mikrosysteme ist Partner des ›Berlin Center of
Advanced Packaging‹ (BeCAP), einer Kooperation zwischen dem Forschungsschwerpunkt ›Technologien der Mikroperipherik‹ der TU Berlin und dem Fraunhofer-IZM.
Das materialwissenschaftlich orientierte Forschungsfeld am Lehrstuhl Angewandte Physik II/Sensorik um Prof. Schmeißer (BTU Cottbus) ist unter anderem
dem Erkenntnisgewinn für elektronische Anwendungen gewidmet (andere
Themen in den Kapiteln Photovoltaik, Energiewandlung und -speicherung,
Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik und Oberflächentechnik in
Bio-Analytik und Diagnostik). Mit dem Ziel, elektronische Eigenschaften und
geometrische Strukturen verschiedener Materialien, wie WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und
Legierungen aufzuklären, werden Schichten und Schichtstrukturen präpariert
und spektroskopisch oder spektromikroskopisch untersucht. Dafür stehen den
Forschern die elektronenspektroskopischen Techniken Röntgen-Photoelektronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen- (UPS), wellenlängendispersive
Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) und die spektromikroskopische Abbildung mittels
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Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch wird hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II als Anregungsquelle genutzt. Zur
Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchungen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).
Aktuelle Forschungsprojekte mit Anwendungsbezug zu Dünnschicht-Halbleiter-Elektronik sind:
■ ›Writing Graphene: Ion-beam modification of thin polymer layers‹ (2010
bis 2013, Kooperation mit Universität Erlangen-Nürnberg, im DFG-Schwerpunktprogramm 1459 ›Graphene‹): neuer Ansatz zur Graphenherstellung,
›horizontales‹ Graphenwachstum anstelle von Exfoliation oder Oberflächenreaktionen. Dazu wird eine Monomerschicht eines Polymers als Prekursor benutzt (Atomlagenabscheidung von Polyimid im Monomerdickenbereich ist zu entwickeln) und soll durch Niedrigenergie-Ionenbeschuss in
eine Graphenschicht verwandelt werden (Graphenwachstum in Fahrtrichtung des Strahls wird initiiert).
■ ›Steigerung der Effizienz der Graphitisierung dünner Polyimidschichten‹
■ ›In-situ ALD-Wachstum‹: Das Schichtwachstum von Hafniumoxiden auf
Si(001) wird im Anfangsstadium mit spektroskopischen und mikroskopischen Methoden analysiert, sowie der Einfluss von Pufferschichten auf die
thermische Stabilität von Hafniumoxiden untersucht.
■ ›Transparente Elektronik‹: Auf der Basis oxidischer Halbleiter wie ZnO oder
TiO2 lassen sich elektronische Bauelemente auf flexiblen Substraten, auf
Glas herstellen (mit dem Vorteil Langzeitstabilität in Raumluft gegenüber
organischer Elektronik). Langfristig ist die Herstellung bzw. Stabilisierung
oxidischer Halbleiter vom p-Typ ein Forschungsziel.
Abgeschlossene Forschungsprojekte mit Anwendungsbezug zu DünnschichtHalbleiter-Elektronik sind:
■ ›Pr-O-N-Schichten: Dielektrika für 4H- und 3C-SiC-Oberflächen‹ (2003
bis 2008, DFG-Schwerpunktprogramm 1157 ›Integrierte elektrokeramische
Funktionsstrukturen‹): Die Grenzflächeneigenschaften von 4H- und 3C-SiCOberflächen werden durch ein funktionales Hetero-Oxid optimiert. Dessen
Aufbau beginnt mit einer zwei Nanometer dünnen Oxynitrid-Schicht, in
der der Stickstoff in geringer Konzentration zur Passivierung von Grenzflächenzuständen fungiert, während der Sauerstoff durch die Wechselwirkung
mit dem anschließend aufgebrachten Praseodymoxid (Pr2O3) eine reaktive
Silikatphase bildet. Die dielektrischen Eigenschaften des Hetero-Oxids
werden wesentlich durch die Dielektrizitätskonstante des Seltenerd-Oxids
bestimmt.
■ ›Organische Ferroelektrika für nichtflüchtige Speicher‹ (2005 bis 2009, DFGSchwerpunktprogramm 1157 ›Integrierte elektrokeramische Funktionsstrukturen‹).
■ ›PEEM- und Kelvin-AFM-Untersuchungen an dielektrischen Schichten für
organische Feldeffekttransistoren‹ (2003 bis 2007, DFG-Schwerpunktpro184
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gramm Organische Feldeffekt-Transistoren: strukturelle und dynamische
Eigenschaften).
■ ›Funktionale Materialien für die Nanoelektronik – Praseodymoxid als
Dielektrikum auf Silizium und Siliziumkarbid‹ (2004 bis 2006).
■ ›Investigations of ultra-thin Pr2O3 films on Si(111) by XSW/XPS measurements‹
(2005).
Der Lehrstuhl kooperiert vielfach mit regionalen und überregionalen Forschungsinstituten und Industriepartnern, zum Beispiel mit HZB/BESSY, IKZ, FBH,
PD Dr. Christoph Janowitz
Die anwendungsorientierten Forschungsaktivitäten der Experimentalphysik (Festkörperphysik, Dr. Janowitz) der BTU Cottbus betreffen Einkristalle,
dünne Schichten und keramische Formkörper im Themenkreis Supraleitung
und Magnetismus. Die Eigenschaften der Festkörper werden bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern untersucht und dienen der Technologieentwicklung für Hochtemperatur-Supraleiter und magnetische Materialien, unter anderem mit Hilfe der Präparation und Charakterisierung dünner
Schichten.
Solche Schichten werden aus Hochtemperatur-Supraleitermaterialien, zum
Beispiel YBa2Cu3Oy, durch reaktives HF-Sputtern auf unterschiedlichen einkristallinen Substraten (wie SrTiO3, ZrO2, LiNbO3) erzeugt. Der Schicht-Strukturierung
für Messungen der kritischen Stromdichte und des Magnetowiderstands dient
ein selbstentwickeltes Photolithographie-System (optisches Schreiben in photoempfindlichen Lack). Weitere Charakterisierungen erfolgen mit Hilfe der
Wechselfeld-Suszeptibilität (Fähigkeit zur Polarisierung in einem eingeprägten
Magnetfeld) und mit akustischen Oberflächenwellen. Mit letzteren werden
elastische Eigenschaften dünner Schichten bestimmt, indem Oberflächenwellen mit Interdigitalwandlern auf einkristallinem Lithiumniobatsubstraten
(LiNbO3) erzeugt werden und bei ihrer Ausbreitung durch dünne Schichten auf
dem Substrat hinsichtlich ihrer Dämpfung und ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflusst werden. So können durch Messung dieser Größen unter
Variation von Temperatur (bei tiefen Temperaturen bis 0,3 K) und Magnetfeld
(Stärke bis neun Tesla) Rückschlüsse auf die elastischen, elektrischen/piezoelektrischen Eigenschaften der zu untersuchenden Schichtstrukturen gezogen
werden.
Prof. Dr. Jürgen Reif
Der Lehrstuhl Experimentalphysik II/Materialwissenschaften (Prof. Reif) der
BTU Cottbus forscht schwerpunktmäßig an nichtlinearer Optik an der Oberfläche von Festkörpern (Wechselwirkung von Laser-Strahlung mit Materie), also
an nichtlinearer Photoemission, laserinduzierter Desorption und Ablation, der
(nichtlinear-)optischen Materialanalyse, der Spektroskopie von Defekten und
Verspannungszuständen in Halbleitern, laserinduziertem Plasma usw.
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Gegenwärtige Forschungsprojekte bzw. Arbeitsthemen sind
■ Dynamik der Mehrphotonen-Anregung an der Oberfläche von transparenten Ionenkristallen,
■ Emission von Elektronen und Ionen aus der laserbestrahlten Oberfläche von
transparenten Ionenkristallen,
■ Metalle in Photovoltaik-Silizium,
■ Baufehler und Verspannungen in 30-cm Silizium-Wafern,
■ High-k-Gate-Oxide,
■ nichtlineare Optik an (der Oberfläche von) Bariumfluorid – Ultraschnelle
optische Schalter,
■ Femtosekunden-Laser-Ablation von Saphir.
Anwendungsseitig gehen aus den Untersuchungen Dünnschicht-Funktionsmaterialien für Halbleiter-Bauelemente hervor. Ein erheblicher Teil der Arbeiten ist eingebettet in das Joint Lab, das gemeinsame Labor von BTU und ihp.
Durch den Lehrstuhl Leichtbaukeramik (ehemaliger Inhaber: Prof. Scheffler)
der BTU Cottbus wurden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen
Einrichtungen Projekte bearbeitet, die neue Verkapselungsmaterialien oder
Schutzschichten zum Inhalt hatten. Mit dem Fraunhofer-IZM Berlin entwickelten die Forscher ein Verfahren zur Einbringung von Schichtsilikaten in polymere
Matrices zur Verringerung der Wasserdampfdiffusion, gedacht für die Verkapselung von mikroelektronischen Bauteilen (Speicher, Prozessoren) und deren
dadurch verlängerte Betriebsdauer und höhere Zuverlässigkeit.
Weitere Anwendungsfelder von Leichtbaukeramiken, besonders im Hochtemperaturschutz, sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation
erläutert.
Prof. Dr. Michael Scheffler
Am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, Fachbereich
Physik Weicher Materie um Prof. Neher forscht man an organischen (polymeren) halbleitenden Materialien (Polymerelektronik, zu solaren Anwendungen
vergleiche Kapitel Photovoltaik) und an Struktur-Eigenschaftsbeziehungen.
Insbesondere für die Anwendung in organischen Feldeffekttransistoren (OFET),
deren aktive Schicht sich großflächig aus Lösung per Schleuderbeschichtung
(Spin-Coating), Inkjet-Druck oder Siebdruck auf Substrate abscheiden ließe,
werden bessere polymere Materialien mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit
entwickelt.
Bisher konnten bei Poly(3-hexylthiophene) als Halbleiterpolymer (p-Typ,
P3HT-Layer) Beweglichkeiten bis zu 0,1 cm2/Vs nachgewiesen werden, was vergleichbar mit amorphem Silizium ist. Weiterhin wird der Einfluss von Molekulargewicht und Abscheidungsbedingungen auf die Performance von OFETs
untersucht. Zusätzlich sollen ausgerichtete Flüssigkristallpolymerschichten auf
Basis von Polyfluorenen im Hinblick auf die Anisotropie des Ladungstransports
erforscht werden.
Prof. Dr. Dieter Neher
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Am Fachbereich werden des Weiteren Studien zu licht- und temperaturinduzierten Eigenschaftsveränderungen (mechanische, dielektrische) bei Azobenzol-Dünnschichten durchgeführt (per elektromechanischer Spektroskopie).
Solche Dünnschichten können durch Absorption von Laserlicht strukturiert
werden (Oberflächenreliefgitter), wobei das Material weit unterhalb der Glasübergangstemperatur zu fließen vermag. Zusammen mit weiteren spezifischen
Eigenschaften befähigt dies das Material, speziell für hochdichte optische Speicher eingesetzt zu werden.
Vorlesungen hält Prof. Neher zu organischen Halbleitern und im Masterstudiengang Polymer Science zu physikalischen und technischen Eigenschaften
der Polymere.
Dr.-Ing. Friedhelm Heinrich
TH Wildau werden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen und Wirtschaftspartnern hauptsächlich optische und photonische
Komponenten entwickelt (Kapitel Lichtemission/Photonik).
Mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) unterhält
die TH Wildau seit 2006 ein Jointlab, ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbildung auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger
siliziumbasierter Bauelementekonzepte und Technologien, unter anderem für
die Hochgeschwindigkeits-Elektronik. Im Projekt ›Funktionale Kohlenstoffschichten‹ (2009 bis 2011, Dr. Heinrich) lag das Interesse besonders bei Graphen,
daraus aufzubauenenden Höchstfrequenzbauelementen und deren Anwendungen. Insbesondere wurden Verfahren zur Erzeugung von Graphenschichten untersucht und anschließend versucht, mit den Schichten höhere Grenzfrequenzen im Terahertz-Bereich zu erreichen und damit neue Anwendungen
wie kohlenstoffbasierte elektronische und optoelektronische Schaltkreise oder
ultraschnelle Modulatoren und Terahertz-Bauelemente zu erschließen.
Prof. Dr. Günther Tränkle
Prof. Tränkle ist seit 1996 Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, LeibnizInstitut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Schlüsseltechnologien in der
Mikrowellentechnik und Optoelektronik erforscht und dazu HöchstfrequenzBauelemente und Schaltungen für Kommunikationstechnik/Sensorik, Leuchtdioden (im UV-Bereich) sowie Diodenlaser für verschiedene Anwendungsbereiche entwickelt. Hohe Kompetenz hat das Institut in der III-V-Halbleitertechnologie – speziell bei Halbleitern großer Bandlücke – und der entsprechenden Reinraumfertigung mittels Gasphasen-Epitaxie.
Seit 2002 hat Prof. Tränkle die Professur für Mikrowellen- und Optoelektronik am Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien der
TU Berlin inne.
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Die Abteilung Mikrowellentechnik am FBH – geleitet von Prof. Heinrich, der
gleichzeitig eine Professur (Fachgebiet Höchstfrequenztechnologien) an der TU
Berlin innehat – erforscht die spezifischen Technologien und Werkzeuge, die
zur Entwicklung von Mikrowellenschaltungen und -modulen benötigt werden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf III-V-Halbleitertechnologien (GaAs, GaN)
und Hochleistungsanwendungen. Der zugehörige Geschäftsbereich Mikrowellenkomponenten und -systeme ist auf Kommunikations- und Radar-Anwendungen im Frequenzbereich von ein bis 100 GHz sowie auf Quellen zur Erzeugung von Mikroplasmen ausgerichtet. Die Aktivitäten gliedern sich in die Felder
■ Frontend (monolithisch integrierte Transmitter und Receiver), Sende- und
Empfänger-MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuit), im Allgemeinen auf SiGe-HBT- und Si-RF-CMOS-Prozessen basierende Schaltungen, die
in Zusammenarbeit mit Externen realisiert werden,
■ Leistungsverstärker (effiziente Mikrowellen-Verstärker, basierend auf
MMICs),
■ rauscharme Komponenten (Vorverstärker mit niedriger Rauschzahl),
■ Mikroplasmen (halbleiterbasierte Quellen und Resonatorstrukturen zur
Erzeugung atmosphärischer Mikrowellenplasmen mit geringer räumlicher
Ausdehnung).
Prof. Dr. Wolfgang Heinrich
Ziel des Geschäftsbereichs GaN-Elektronik (Dr. Würfl) des FBH ist es, GaNbasierte elektronische Bauelemente zu entwickeln und reproduzierbar herzustellen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Mikrowellen-Leistungsbauelemente (diskrete Leistungstransistoren und MMICs) für Anwendungen
in Mobilfunk-Basisstationen und der Satelliten-Kommunikationstechnik
sowie um Hochspannungs-Leistungstransistoren für schnelle Schalter in der
Leistungselektronik. Das aus dem FBH ausgegründete Spin-off BeMiTec bietet
GaN-Bauelemente als Forschungsprototypen an.
Dr.-Ing. Joachim Würfl
GaN-MMICs auf SiC-Substrat (FBH)
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PD Dr. Markus Weyers
Die Abteilung Materialtechnologie (Dr. Weyers) ist am FBH das Kompetenzzentrum für die Umsetzung von optoelektronischen und elektronischen Bauelementekonzepten. Hier werden die ultradünnen Halbleiter-Schichtstrukturen
mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE, sechs Anlagen) basierend
auf den Materialsystemen (Al,Ga)As, (Al,Ga,In)P, (Ga,In)(As,P) und (Al,Ga,In)N
erzeugt. Zur Herstellung dicker Schichten aus GaN und AlGaN als Substrate bzw.
Pseudosubstrate für Schichtstrukturen aus (Al,In)GaN wird das Verfahren der
Hydrid-Gasphasenepitaxie erforscht (mehrere hundert µm/h Wachstumsrate).
Die Optimierung des Schichtwachstums wird durch entsprechende Analytik
unterstützt, das gesamte Equipment auch Externen zur Realisierung kundenspezifischer Schichtstrukturen inklusive materialanalytischer Untersuchungen
an Halbleiterschichten und Bauelementen angeboten.
Dr. Olaf Krüger
Die Abteilung Prozesstechnologie (Dr. Krüger) des FBH verarbeitet die epitaxierten Wafer und unterschiedliche Substrate (GaAs, InP, Si, SiC, Saphir, GaN) mittels
Ätz- und Metallisierungstechniken (Chipvereinzelung, Aufbautechnik) weiter
zu Bauelementen. Folgende Prozessmodule/Equipment (für die Bearbeitung
auf Waferebene, Frontend) sind vorhanden:
■ Lithographie (Fotolithographie, Elektronenstrahllithographie, Mikrostrukturierung mit Lacken und Polymeren)
■ Ätztechniken (Nasschemisches Ätzen, Trockenchemisches Ätzen)
■ Depositionstechniken (für metallische Kontakte und Leiterbahnen, isolierende Schichten oder dielektrische Spiegel)
■ Ionenimplantation
Die eingesetzten Depositionstechniken reichen vom physikalischen Vakuumverdampfen über Sputterverfahren und die plasmagestützte chemische
Abscheidung aus der Dampfphase (PECVD) bis zur nasschemischen Galvanik:
■ Isolatorabscheidung per RF-Sputtern (Ta2O5, Al2O3, SiO2, Si3N4) oder PECVD/
Parallelplattenreaktor (SiNx)
■ Metallisierung (Kontakte, Leiterbahnen und passive Schaltungselemente
wie Spulen oder Kondensatoren) per Vakuumbedampfung (mit Ge, Au, Pt,
Ni, Ti, Ir, Al, Mo, Sn, In), UHV-Bedamfpung (mit Ti, Pt, Au, Ni) oder Sputtern
(mit WSiN, AuGe, NiCr, Ni, TiW, Au) bzw. Kombinationsverfahren (Al, Ge, Mo,
Pt, Ti, Au, Ni gedampft, WSiN, Pt gesputtert)
■ Galvanik (Mikrogalvanik besonders für dicke Goldschichten von ein bis
20 µm) für verstärkte Leitbahnen in passiven Strukturen, verstärkte Kontaktflächen und Leitbahnen zur Wärmeableitung
Die Ionenimplantation dient der Modifikation der Werkstoffeigenschaften. In
den Wafer eindringende Ionen beeinflussen sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die Mikrostruktur des implantierten Bereichs (Aktivierung der
Implantation durch thermische Behandlung, Rapid Thermal Annealing; laterale Strukturierung durch Photolackmasken).
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Die Abteilung Biomimetik am Fraunhofer-IZM (Dr. Fiedler) versucht mit dem
wachsenden Verständnis komplexer Lebensprozesse und der ihnen zu Grunde
liegenden Elementarprozesse eine technische Nach-Nutzung der gewonnenen
Erkenntnisse – zum Beispiel bei der Aufbau- und Verbindungstechnik in der
Mikroelektronik – zu vollziehen, solange diese mit ethischen Grundsätzen
vereinbar ist. Ein aktueller Forschungsgegenstand, dem das IZM gern mehr
Aufmerksamkeit widmen würde (Stand: 2008) ist die Nutzbarmachung biomimetischer Nanokapseln für die Metallisierung und Schichtabscheidung in der
Mikroelektronik, insbesondere zur Modifizierung von Substrat-Oberflächen.
Wie beim gezielten Medikamententransport in der Pharmazie praktiziert, sollen
Liposomen, das heißt eine aus Phospholipiden gebildete Membran (selbstorganisierende Lipid-Doppelschicht) Lösungs-Tröpfchen umhüllen, also ein
Vesikel bilden. Dies dient entweder zur Stabilisierung gewünschter Lösungsbestandteile (Barrierewirkung), zum Transport von Nanopartikeln oder erfüllt in
fester Phase verschiedene chemische Funktionen (abgeschlossenes Reaktionssystem).
Dr. Stefan Fiedler
Die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet Nanostrukturen (Abteilung System
Integration & Interconnection Technologies des Fh-IZM, Dipl.-Ing. Schmidt/
Herr Zwanzig) zeigen das Potenzial metallischer Nano-Strukturen sowohl als
interaktive Oberflächen in Kontakt mit biologischen Strukturen, speziell als biokompatible Substrate in Kontakt mit Zellen (vergleiche Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik), als auch für die Entwicklung neuer Aufbau- und Verbindungstechniken in der Dünnschicht-Elektronik (und -Messtechnik). Bei den Strukturen handelt es sich um Nano-Kollonaden oder NanoDrähte (bis < 100 nm Durchmesser) bis hin zu Nanorasen (0,2 ... 1,0 µm ∅)
aus Gold, Nickel oder Platin, die einkristallin auf die Oberfläche aufgewachsen
werden, sehr oberflächenaktiv (hohes Oberfläche-Volumen-Verhältnis) und in
ihrer magnetischen Ausrichtung einstellbar sind. Solche Nanostrukturen und
bekannte Prinzipien der Oberflächenstrukturierung wurden am Institut auf ihre
Anwendbarkeit in der mikroelektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik
und für verwandte Einsatzgebiete (als elektrischer Signaltransducer in der Bioanalytik) geprüft. Die Nanorasen-Oberflächen mündeten in der Nutzung als
stoffschlüssige Verbindung (Verschweißung), die sie paarweise ohne Bildung
einer intermetallischen Phase eingingen und die übliche Lötverfahren in der
Aufbau- und Verbindungstechnik ersetzen könnte.
Des Weiteren ist am Institut die ionengestützte Abscheidung von Metallen
(Pt, W) zur Erzeugung von Leiterbahnen und SiO2 als Isolatorschicht etabliert.
Diese Technologie kann genutzt werden, um Chipstrukturen zu reparieren oder
auch einzelne Mikrostrukturen als Funktionsmuster volladditiv herzustellen.
Außerdem hat das Fh-IZM in einem Projekt zu besonders reibungs- und verschleißarmen Oberflächen mitgewirkt (Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren,
Simulation, TU Berlin, Prof. Rechenberg).
Dipl.-Ing. Ralf Schmidt
Michael Zwanzig
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Die Fortsetzung von metallischem Nanorasen stellen sogenannte Haizahnschichten dar, kristalline Goldstrukturen, die galvanisch, direkt und maskenfrei abgeschieden werden. Diese haben nanoskalige Spitzen und eine breitere
Basis (deshalb ›Zähne‹) und zeichnen sich durch ihr hohes Anwendungspotenzial für grenzflächenaktive Analytik (Signalverstärkung) und für das Fügen
(Ineinanderpressen) derartiger Oberflächen aus. Die gegenüber Nanorasen
verbesserte mechanische Stabilität, die stoffliche Interaktion bei einfacher
Herstellungstechnik sowie die gute chemische Beständigkeit favorisieren Haizahnschichten für die Niedrigtemperaturverbindungstechnik (<200 °C Verarbeitungstemperatur, Bumphöhen <10 µm, für Chip/Chip-, Chip/Wafer- und
Chip/Flex-Verbindungen).
Zur Herstellung bzw. Abscheidung beliebig geformter Strukturen auf planaren Oberflächen wurde ein gravitationsgestütztes Galvaniksystem entwickelt,
das durch eine geschlossene schwenkbare Prozessbox eine horizontale Ausrichtung des zu beschichtenden Wafers (4’’ bis 8’’-Wafer) mit parallel darüber
ausgerichteter Anode im Abscheidungsbetrieb (mit weitgehend reproduzierbaren Konvektionsverhältnissen) gewährleistet. Diese Konfiguration ermöglicht
es, die für optimale Abscheidungsbedingungen erforderlichen Konzentrationsgradienten und Diffusionsschichtdicken ausschließlich über Metallionenkonzentration, Stromdichte und Temperatur einzustellen.
Dipl.-Ing. Schmidt ist am Fh-IZM allgemein für die Verfahren der elektrolytischen und außenstromlosen Beschichtung mit Metallen zuständig: Beschichtungen mit Kupfer, Nickel, Eisen, Zinn, Blei, Silber, Gold und Platin sowie
diversen Legierungen wie SnAg3 oder NiPx können im Gleich- oder Pulsstrombetrieb realisiert werden (Lotdepots, Sperrschichten, magnetische Schichten),
verschiedene Verfahren zur (selektiven) Oberflächenaktivierung/Bekeimung
sowie Metallisierungssysteme zur Abscheidung von Kupfer, Zinn, Silber, NiP,
NiB, Palladium und Gold sind nasschemisch außenstromlos anwendbar (Startschichterzeugung, Bohrlochmetallisierung, Kontakte).
Peter Semionyk
Zur Erzielung optimierter Verbindungs- oder Haftfestigkeiten ist oftmals eine
Oberflächenvorbehandlung notwendig: Um die Oberfläche von Substraten zu
beeinflussen/zu reinigen, werden in der Abteilung System Integration & Interconnection Technologies des IZM Reinigungstechnologien (Herr Semionyk) wie
das Plasmaätzen mit Sauerstoffplasma genutzt. Mit einem Ablationslaser (drei
Wellenlängen, Spotgrößen zwischen zwei und 100 µm) ist es außerdem möglich, Mikrostrukturierungen vorzunehmen, sei es zum Trimmen von gedruckten
Widerständen oder zum selektiven Entfernen von Schichten (Passivierungen
und Lötstopplacke).
Dr. Christine Kallmayer
Die Gruppe System on Flex (Dr. Kallmayer) am Fh-IZM betreibt neben den F&EArbeiten zur Integration ultradünner Elektronik in Textilien (Kapitel Funktionstextilien) in Zusammenarbeit mit der Bundesdruckerei das ›Security Lab Berlin‹,
in dem die Integration ultradünner Komponenten in Sicherheitsdokumente
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(mobile Elektronik) im Mittelpunkt steht. Auch im Rahmen des 2009 entstandenen Fraunhofer-Innovationsclusters ›Sichere Identität Berlin-Brandenburg‹
widmet man sich
■ der Integration mikrosystemtechnischer Komponenten in Chipkarten,
■ ultradünnen Chips (< 20 µm),
■ Polycarbonat als Mehrlagensubstrat in Druck- und Laminiertechnik,
■ der Integration neuartiger Displays (E-Ink, OLED) in Dokumente und
■ neuartigen Sicherheitsmaterialien und -strukturen für die Manipulationssicherheit von Schaltungen,
um erstmals ein multifunktionales, manipulationssicheres eID-Dokument
(›System on Card‹) entstehen zu lassen.
In der Abteilung High Density Interconnect & Wafer Level Packaging am FhIZM wendet die Gruppe Photolithography and Thinfilm Polymers (Dr. Töpper)
photolithografische und Verfahren zur Abscheidung von polymeren Dünnschichten an, um die vielfältigen Anwendungsaufgaben (Wafer Level Packaging
WLP, Multi-Chip Module Deposition MCM-D, Wafer Bonding, Thinfilm on MLC,
MEMS usw.) zu erfüllen.
Fotoresiste werden durch Schleuder- (Spin-Coating), Sprühbeschichtung
(Spray-Coating), Metallisierung (Plating) und Lamination im Falle von Abdeckfolien aufgebracht und photolithografisch strukturiert. Im Einzelnen sind
dies
■ Novolak-basierte positive Resiste (Single Pass Coating: zehn bis 30 µm,
Multiple Pass Coating: 40 bis 70 µm),
■ negative Resiste (Single Pass Coating: bis 100 µm),
■ Dry Films (100+ µm Dicke),
■ electrodeposited Photo-Resist (EDPr, fünf bis 15 µm).
Dr. Michael Töpper
Ultrafeines Wafer-Bumping an SnAg (Fraunhofer-IZM)
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Dünnschichtpolymere (Benzocyclobuten- [BCB], Polyimid- [PI], Polyphenylen2,6-benzobisoxazol- [PBO] und Epoxidharze) werden in Form von permanenten dielektrischen Schichten (von 100 nm bis 100 µm Dicke) zur Passivierung,
elektrischen Isolierung (speziell bei Multi-Layer-Wiring) oder als Kleber/Haftschichten verwendet.
Außerdem werden an der Abteilung alle möglichen Halbleiter- (Si, SiGe,
GaAs, InP), Keramik- und Quarzsubstrate per Wafer-Bumping (Sputtern der
Under Bump Metallurgy UBM, lithographisches Drucken des PhotoresistMusters, Galvanisieren von Mikrostrukturen mit SnPb63-, PbSn5-, SnAg3.5-,
SnCu0.7-, AuSn20-, Sn-, Cu/Sn-, Ni/Au- oder Au- Bumps, Differenzätzen, …)
verarbeitet.
Prof. Dr. Gerard Meijer
In der Abteilung Molecular Physics (Prof. Meijer) des Fritz-Haber-Instituts (FHI)
findet in vielfältigen Gruppen Grundlagenforschung in der Molekularphysik
statt – sowohl anhand der Infrarotstrahlung zu Eigenschaften und Dynamik
von Molekülen, Clustern und Cluster-Adsorbaten als auch an ›kalten‹ Molekülen. Die Gruppe Electronic Structure of Surfaces and Interfaces (Prof. Horn)
erforscht Grundlegendes zum epitaktischen Wachstum von Graphen und Graphen-Stapeln (wenige Layer) und zur Funktionalisierung von Graphen.
In einem SiC-CVD-Reaktor wurden Graphen-Layer per Festphasen-Graphitisierung auf glatten SiC-Oberflächen erzeugt, indem bei Erhitzung über
1150°C Silicium freigesetzt wird und Kohlenstoff auf der Oberfläche zurückbleibt. Per Cracken von Propen-Gas konnte auf einer Nickel-Oberfläche ein
geordneter passivierter Graphen-Layer (monolayer of graphite, MG) hergestellt werden. Die so passivierte Nickel-Oberfläche könnte als Quelle spinpolarisierter Elektronen dienen, die keine reaktiven Gase adsorbieren. Der
Elektronen-Spin im Graphen-Layer kann manipuliert und kontrolliert werden, sodass graphen-basierte Bauelemente für Spintronic-Anwendungen in
den Bereich des Möglichen rücken. Rastertunnelmikroskopische Aufnahmen
von Graphen-Monolayern auf Rhodium-Substratoberflächen zeigen ihr weitgehend defektfreies Wachstum in Domainen und Moiré-Struktur aufgrund des
Gitterunterschieds zwischen Substrat und Graphen. Dies weist darauf hin, dass
es für graphen-basierte Nanosysteme wichtig ist, Effekte durch das Substrat
einzubeziehen.
Im Forschungsschwerpunkt ›Graphene functionalization‹ werden Funktionalisierungen von Graphen im Hinblick auf viele Anwendungen in der
Elektronik erarbeitet (graphenbasierte elektronische Bauelemente wie Feldeffekttransistoren). Modifizierungen der elektronischen Eigenschaften durch
Adsorbate wie Wassermoleküle an einfachem und zweischichtigem Graphen,
Wasser bzw. Luftbestandteile als wichtige Komponente für die Haftung von
Graphen am Substrat sowie Funktionalisierungen des Graphens auf Nickel und
Cobalt durch verschiedene Moleküle (H2O, NH3) werden per winkelaufgelöster
Photoemissionsspektroskopie ARPES und Röntgen-Nahkanten-AbsorptionsSpektroskopie NEXAFS untersucht.
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In der Abteilung Physical Chemistry (Prof. Wolf) des FHI findet in vielfältigen
Gruppen Grundlagenforschung zu molekularen Prozessen an Oberflächen statt.
Die Forschergruppe Nanoscale Science (Dr. Grill) charakterisiert und manipuliert nanoskalige Strukturen, einzelne Atome und funktionelle Moleküle auf
Oberflächen. Mittels Rastertunnelmikroskopie und spektroskopischen Verfahren werden Abbildungen und Informationen über elektronische Eigenschaften gewonnen. Ziel ist auch, per bottom-up-Ansatz, also mit supramolekularem Wachstum und Direkt-Polymerisation auf der Oberfläche, molekulare
Nanostrukturen zu erzeugen. Die Gruppe ist am Sonderforschungsbereich 658
›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹, am Sonderforschungsbereich 951 ›HIOS – Hybrid Inorganic/Organic Systems for Opto-Electronics‹ sowie an den EU-Projekten ARTIST (›Alternative routes towards information storage and transport‹) und AtMol (›Atomic scale and single molecule logic
gate technologies‹) beteiligt. In der Gruppe Interfacial Raman Spectroscopy
(Dr. Pettinger) werden Adsorption und katalytische Reaktivität von Molekülen
an Oberflächen auch mit Beeinflussung durch das Substrat studiert. Dazu werden Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) und Surface enhanced Raman
scattering (SERS) eingesetzt bzw. methodisch und technisch weiterentwickelt.
Die Musterbildung auf Elektrodenoberflächen, Struktur und Reaktivität von
modifizierten Elektroden und Muster von katalytischen Oberflächenreaktionen
sind Arbeitsinhalte der Gruppe Spatiotemporal Selforganization (Dr. Eiswirth).
Prof. Dr. Martin Wolf
Dr. Leonhard Grill
Die Gemeinsame Forschergruppe Funktionale Nanomaterialien des HelmholtzZentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) und der TU Berlin
(Prof. Eisebitt, Fachgebiet Nanometer-Optik und Röntgenoptik) widmet sich
den Grundlagen für ein wissensbasiertes Design neuer Materialien durch
Untersuchung des Struktur-Funktions-Zusammenhangs bei insbesondere
magnetischen Nanomaterialien. Primäre Untersuchungsmethoden sind Spektroskopie und resonante (elastische und inelastische) Streuung/Abbildung mit
weicher Röntgenstrahlung. Des Weiteren werden Methoden und Instrumente
für BESSY II-Nutzer entwickelt. Magnetische Nanostrukturen (in heutigen
Komponenten für Festplatten oder magnetische Speichermedien aus dünnen
magnetischen Schichten aufgebaut) werden hinsichtlich ihrer magnetischen
Parameter (switching field distribution) je nach Form, Anisotropie und Gefüge/
Mikrostruktur untersucht.
Innerhalb der Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie (ZELMI) der TU
Berlin wird 2011 ein Focussed Ion Beam Gerät (Helios NanoLab) zum Abtragen
von Material und zur Deposition von Metallen (Pt, W) mit Nanometerpräzision
in Betrieb genommen und damit die ›Nano-Werkbank‹ als Plattform zur
Analyse und Strukturierung von Festkörpern auf der Nanometerskala eröffnet,
die Wissenschaftlern und Unternehmen zur Verfügung steht und die Grenze
zwischen Grundlagenforschung und Anwendungsentwicklung überwinden
helfen soll.
Prof. Dr. Stefan Eisebitt
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Dr. Eugen Weschke
Die Gruppe Dünne magnetische Schichten und Nanostrukturen (Dr. Weschke)
am HZB bearbeitet aktuelle Fragestellungen zu neuartigen magnetischen Materialien in nanoskaligen Dimensionen wie extrem dünne Schichten, Schichtsysteme und lateral strukturierte Schichten. Diese spielen eine Rolle in der Grundlagenforschung zum Magnetismus und in der Entwicklung neuer Materialien
für technologische Anwendungen wie Magnetsensoren, Leseköpfe in der magnetischen Datenspeicherung, Magnetoelektronik.
Maßgeschneiderte Schichtproben werden in UHV-Anlagen präpariert, wobei
die Einzelheiten der Struktur einen entscheidenden Einfluss auf das mikround makroskopische magnetische Verhalten haben. Zur in situ-Charakterisierung für Struktur und Wachstum werden LEED (Low Energy Electron Diffraction),
Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und Rastertunnelmikroskopie (STM) sowie
für magnetische Untersuchungen der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE),
ein SQUID-Magnetometer und Magnetowiderstandsmessplätze eingesetzt.
Die internationale Forschungsgruppe Elektronische Eigenschaften von
Schichtsystemen (Dr. Rader) führt an BESSY II spektroskopische Untersuchungen
mit Synchrotronstrahlung sowie Rastertunnelmikroskopie zu elektronischen
und magnetischen Eigenschaften von Oberflächen und Quantenfilmen durch.
Dr. Jutta Schwarzkopf
Die Gruppe Oxidschichten (Abteilung Kristalline Schichten & Nanostrukturen)
unter Leitung von Dr. Schwarzkopf am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
widmet sich der Präparation, Prozessentwicklung und Charakterisierung oxidischer Schichten. Zu den bearbeiteten Themen und angewandten Methoden
zählen
■ Abscheidung von bleifreien Oxidschichten mit guten ferro-/piezoelektrischen Eigenschaften auf Pt/Si-Substraten (höhere Informationsdichte von
Speichermedien auf Basis ferroelektrischer Dünnschichten als bei ferromagnetischen); Abscheidung per Spin-MOCVD (rotierendes, bis zu 900 °C
erhitztes Substrat),
■ Abscheidung von epitaktischen Schichten auf Oxidsubstrate mit abweichenden Gitterkonstanten (Gitterverspannung, ›Strain engineering‹; in Zusammenarbeit mit der Gruppe Oxide),
■ Untersuchungen zum Zusammenhang von Struktur und dielektrischen
Eigenschaften mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Ellipsometrie, Glimmentladungsspektroskopie, optischer Mikroskopie, in Zusammenarbeit mit
der Gruppe Charakterisierung auch Röntgendiffraktometrie, Raman-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), elektrische Messungen,
■ Präparation von gestuften Substratoberflächen mit ca. 200 nm breiten, atomar glatten Terrassen: SrTiO3, NdGaO3, Seltenerd-Scandate (Summenformel
REScO3),
■ Entwicklung eines liquid-injection MOCVD-Prozesses und Untersuchung der
Epitaxie- Wachstumsbedingungen (Simulation des Wachstumsprozesses in
Zusammenarbeit mit der Gruppe Numerische Modellierung).
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Prof. Rudolph arbeitete am IKZ an der Schmelzzüchtung von Halbleitermaterialien mit Hilfe von Magnetfeldern (Abteilung Klassische Halbleiter, Schmelzzüchtung im Magnetfeld). Durch Beeinflussung und Kontrolle der Strömungsverhältnisse in Halbleiterschmelzen industrieller Dimension mittels nichtstationärer Magnetfelder sowie Kenntnis konvektiver Temperaturfluktuationen und
der Kontaktsituation an der Tiegelwandung gelingt die Herstellung reinerer
und kostengünstiger Halbleiterkristalle. Diese sind in Form von daraus gesägten
Wafern für die Elektronik (neben der Silizium-Photovoltaik, vergleiche Kapitel Photovoltaik) von Bedeutung, da sie mit immer geringerem Verschnitt oder
Randverlust, beispielsweise durch einen quadratischen Querschnitt, erzeugt
werden können. Forschung und Entwicklung an der Produktionstechnik zur
Halbleiterkristallzüchtung (Heizer-Magnet-Module, Erprobung in Vertical Gradient Freeze-/VGF-, Liquid Encapsulated Czochralski-/LEC- und Vapor Pressurecontrolled Czochralski-/VCZ-Anlagen) fanden in den Zukunftsfonds-geförderten Projekten KristMAG (2005 bis 2008) und AVANT-Solar (2008 bis 2011) statt.
Prof. Dr. Peter Rudolph
Die Gruppe Zinkoxid (Dr. Schulz) am IKZ (Abteilung Dielektrika & Wide Bandgap Materialien) beschäftigt sich mit dem breitlückigen Halbleiter ZnO und
seinen zahlreichen technischen Anwendungsmöglichkeiten als transparentes leitfähiges Oxid in opto- und akustoelektronischen Bauelementen sowie
Sensoren. Insbesondere die stabilen piezoelektrischen Eigenschaften bis zu
hohen Temperaturen, die Biokompatibilität, die Vielfalt von Nanostrukturen
und die empfindlichen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften je nach
umgebender Gasatmosphäre befähigen Zinkoxid zu diesen Anwendungen.
Am IKZ betrachtete man verschiedene mögliche ZnO-Einkristallzüchtungsverfahren, darunter Hydrothermalzüchtung aus wässriger Lösung, Sublimation/
chemischer Transport und Schmelzzüchtung unter Druck. Trotz extremer Anforderungen konnte Letztere am IKZ erfolgreich implementiert werden (Vorteil:
hohe Wachstumsgeschwindigkeit in Kombination mit hoher Materialreinheit).
Die Vergrößerung des Kristalldurchmessers und die Entwicklung einer geeigneten Politur-Technologie zur Herstellung von Wafern (in Kooperation mit externen Partnern wie CrysTec GmbH) stellen derzeit Schwerpunkte der Arbeiten
dar.
Dr. Detlev Schulz
Am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
in der Gruppe Dynamik an Oberflächen und Strukturierung (Prof. Dr. Weinelt,
Leiter des Department A1, außerdem Professor am Institut für Physik der FU
Berlin) werden zwei Forschungsschwerpunkte bearbeitet, zum einen ›Timeresolved photoelectron spectroscopy‹ (Elektronendynamik an Halbleiteroberflächen, Time of Flight/TOF-Spektroskopie) und zum anderen ›Smarte Materialien‹ (molekulare Schalter, Nanopartikel und femtosekundenlaser-strukturierte
Oxide). Mit der Kopplung photochromer Schaltermoleküle an Oberflächen
beschäftigten sich die Forscher im Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹, Teilprojekt B2 ›Einfluss der
Prof. Dr. Martin Weinelt
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Kopplung photochromer Schaltermoleküle an Oberflächen auf Ladungstransfer
und Schalteffizienz‹.
Die Materialstrukturierung mit Femtosekundenlasertechnologie (Dr. Rosenfeld) ist Forschungsgegenstand der Gruppe im DFG-Schwerpunktprogramm 1327
›Optisch erzeugte Sub-100 nm Strukturen für biomedizinische und technische
Applikationen‹. Ziel ist es, die grundlegenden physikalischen, optischen und
chemischen Prozesse, die in der Nanostrukturierung und Nanofunktionalisierung von Werkstoffen und Oberflächen mit nicht-linearen photonischen
Methoden auftreten, durchgängig beschreiben zu können. Das gemeinsam
mit der BAM, Arbeitsgruppe Impulslaser-Technologien, Lasersicherheit um
Dr. Krüger bearbeitete Projekt ›Erzeugung, Kontrolle und Mechanismen der
Entstehung von periodischen Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich
durch die Bestrahlung von Festkörpern mit Femtosekunden-Laserpulsen‹
liefert die Basis für zielgerichtet ortsselektive und reproduzierbare Nanostrukturierungen (laser-induced periodic surface structures, LIPSS) für unterschiedliche
technische und biomedizinische Anwendungsfälle. Vorteile dieser Laserstrukturierung sind
■ Strukturbreiten unterhalb der Beugungsbegrenzung der klassischen Optik,
■ kein Bedarf an Masken,
■ gegenüber lithographischen Techniken höhere Flexibilität hinsichtlich der
erzielbaren Geometrien.
Der Optotransmitter-Umweltschutz-Technologie e.V. (OUT e.V.) ist eine
Industrieforschungseinrichtung im Bereich optoelektronische Hochtechnologien mit Kompetenzen in Beschichtungstechnologien, Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, Messtechnik/Sensorik (Kapitel Lichtemission/Photonik und
Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).
Im Bereich Dünnschichttechnologie werden physikalische und chemische
Niedertemperatur-Vakuumbeschichtungen erforscht. Im Dünnschichtlabor des
OUT e.V. können Kontakt- und Isolatorschichten für Anwendungen der Mikroelektronik und Optik abgeschieden werden, beispielsweise
■ Magnetronsputtern mit DC- oder AC- (13,56 MHz und 80 MHz) Anregung,
in situ-Reinigung der Probe mittels Diodenplasma, Substratgröße bis 3‘‘,
Substratdicke unter einem Mikrometer, Abscheidung metallischer (Al, Ag,
Au, Cr, Cu, In, Ni, NiV, Pb, Pd, Pt, Si, Sn, Ti, TiW, W, Zn, ZrY), oxidischer
(insbesondere TCO, ITO, ZnO, Al, SiO2, SnO2, ZrO2) und nitridischer Materialien
(AlNx, Six, Ny, CrNx),
■ plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) mit einem
Parallelplattenreaktor, Abscheidung von Si3N4 aus SH4+N2.
Verfahren und Struktureigenschaften, vornehmlich optische, elektrische und
mechanische Eigenschaften fester Stoffe mit ebenen Flächen, werden mit entsprechender Messtechnik charakterisiert:
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■ Messung optischer Eigenschaften
– Spektrophotometrische Messung von Transmission, absoluter Reflexion
und Absorption im Spektralbereich 0,2 µm bis 1,25 mm
– UV-VIS-2-Strahlspektrometrie
– Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)
– Ellipsometrische Messungen im Wellenbereich 0,28 bis 2,4 µm zur
Dickenbestimmung transparenter Schichten
– Spektralellipsometrie
■ Messung mechanischer Eigenschaften
– Dynamische Mikrohärtemessung (Indenter) für minimale Schichtdicke
von einem Mikrometer
– Haftfestigkeitsmessung an µm-dicken Schichten (Abzugs- oder Abrisstest), an dünnen Schichten im Bereich 0,01 bis 0,1 µm (Kratztest)
– Oberflächenprofilometrie
– Oberflächenprofil-/Schichtdickenbestimmung durch Stufenhöhenmessung zwischen zehn Nanometer und zehn Mikrometer
F&E-Projekte in der Vergangenheit befassten sich mit der ›Entwicklung ohmscher Kontakte für p-InGaAs‹ (2009 bis 2011), der ›Entwicklung spezifischer
Dünnschichttransistoren‹ (2007 bis 2009), der ›Entwicklung einer Technologie
zur Herstellung hochsensitiver Schichten‹ (CrNx als Bolometerschicht, 2006 bis
2008) und mit dem Thema ›Plasmaprozessparameter und Schichteigenschaften‹ (im Rahmen des Kooperationsprojektes ›Anlage und Verfahren für die Herstellung von Barriereschichten mittels flüssiger Precursoren und hochdichten
Plasmen‹, unter anderem mit Sentech Instruments GmbH, 2005 bis 2007).
OUT e.V. ist Mitglied der Netzwerke OpTecBB und Security and Safety made
in Berlin-Brandenburg e.V. (SeSamBB).
In der Abteilung Epitaxy (Dr. Geelhaar) des Paul Drude Instituts für Festkörperelektronik PDI (Leiter: Prof. Riechert) erforscht man die Molekularstrahlepitaxie
(Optimierung der Parameter) und die Fertigung spezifischer nanostrukturierter Proben (aus III-V-Halbleitern) im Hinblick auf Wachstumsmechanismen,
Selbstorganisationseffekte und Kinetik der Grenzflächenbildung.
Um neue Materialkombinationen oder epitaktische Orientierungen für maßgeschneiderte Materialeigenschaften zu schaffen, werden ungleiche Materialien (Hetero-Strukturen), Grenzflächen- und Defekt-Engineering (zum Beispiel
niedrigdimensionale GaAs-basierte Heterostrukturen, metastabile ternäre und
quarternäre III-V-Halbleiterverbindungen und Verbindungen ungleicher Materialien mittels extremer Heteroepitaxie) angewandt. Spezielle Forschungsinhalte (Materialsysteme, Verfahren, Anwendungsgebiete elektronischer Art sind:
■ 2D-Systeme auf Basis von Gruppe III-Arseniden
– Hohlraumstrukturen
Quantentopf- und Halbleiterhohlraumstrukturen zur Konversion von
Licht in Ladungsträger; GaAs/AlAs- oder GaAs/(Al,Ga)As-basierte Schicht-
Dr. Lutz Geelhaar
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stapel auf GaAs (Distributed Bragg Reflector DBR, dielektrischer Spiegel),
in denen die relativ dicken AlAs- oder (Al,Ga)As-Komponenten zugunsten der Defektfreiheit durch kurzperiodische Superlattice ersetzt werden
■ Ferromagnet-Halbleiter-Hybridstrukturen
– Heusler-Legierungen (Fe3Si, Co2FeSi) auf GaAs- und Si-Substrat
■ Synchrotronuntersuchungen
– Epitaxie von III-V-Verbindungen auf Silizium
– Epitaktische Phasenwechselmaterialien (phase change materials)
– Epitaxie von Seltenerdoxiden auf Silizium
Weitere Anwendungsgebiete, insbesondere für optoelektronische Bauelemente
(zum Beispiel Quantenkaskadenlaser) finden sich in Kapitel Lichtemission/Photonik.
Dr. Achim Trampert
Die Abteilung Microstructure (Dr. Trampert) des PDI forscht sowohl grundlagenals auch anwendungsorientiert am Verständnis struktureller, chemischer und
mechanischer Eigenschaften von Halbleitern, Heterostrukturen, metastabilen Materialien und Hybridstrukturen. Mit Hilfe nanoanalytischer Methoden
werden die Dünnschichtsysteme experimentell untersucht und daraufhin mit
theoretischen Modellen und Computersimulationen verglichen/untermauert.
Spezifische Untersuchungsgegenstände (analytische Verfahren, Materialsysteme) sind hierbei:
■ Echtzeit- und in situ-Untersuchung (während des Wachstums) epitaktischer
Schichten, Oberflächen und Grenzflächen per Röntgenbeugung (XRD, mit
Synchrotronstrahlung), PHARAO-Projektgruppe bei BESSY
– Fe3Si/GaAs-Ferromagnet-Halbleiter-Hybridstrukturen
– Seltenerdoxide auf Silizium als High-k-Materialien
– Epitaktisches pseudobinäres GeTe-Sb2Te3
– Phasenwechselmaterialien (phase change materials)
■ Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskopie (LTSTM)
■ Rastertunnelspektroskopie (STS) und inelastische Elektronen-Tunnelspektroskopie (IET); Manipulation einzelner Atome/Moleküle an Oberflächen
(atom by atom engineering); Nutzbarmachung von Schalt- und Leitungsprozessen, elektronischen Quanteneffekten, Magnetismus von Verbunden
auf atomarer Ebene
■ Hochauflösende ex situ-Röntgenbeugung (XRD) zur Charakterisierung von
gewachsenen Strukturen
■ Ex situ-Rasterelektronen- und -Transmissionselektronenmikroskopie (SEM,
TEM) zur quantitativen Analyse von Ober- und Grenzflächenstruktur oder
Morphologie gewachsener Strukturen; Kathodolumineszenz-Spektroskopie
im SEM zur Sondierung optischer Eigenschaften; chemische Zusammensetzung aus Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) im TEM
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■ Atomare Ordnung (Wachstumsbedingungen) von ferromagnetischen Heusler-Legierungen (Co2FeSi) als Kandidaten für Ferromagnet-HalbleiterHybridstrukturen
Die Abteilung Semiconductor Spectroscopy (Prof. Grahn) des PDI untersucht
Halbleitermaterialien für optoelektronische (Erzeugung, Verstärkung, Übertragung und Manipulation von Licht, vergleiche Kapitel Lichtemission/Photonik)
und spin-/magnetoelektronische Anwendungen (Kodierung, Übertragung und
Verarbeitung von Information) in entsprechenden Dünnschichtbauelementen.
Spezifische Untersuchungsthemen lauten:
■ Spinpolarisations- und -transporteigenschaften von ferromagnetischen
Layern mit dem Ziel, Struktur und magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen, auf III-V-Halbleitern aufgewachsenen Schichten zu verstehen und den Elektronen-Spin für logische Operationen nutzbar zu machen
(Spin- oder Magnetoelektronik, auch Spintronics)
■ Kontrolle elementarer Anregungen (Photonen, Elektronen und Spin) mit
Hilfe von Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW)
Prof. Dr. Holger T. Grahn
Das experimentelle Equipment umfasst Labore und Analytiksysteme wie
■ SAW-Mikrooptik,
■ UV-Raman- und magnetooptische Spektroskopie,
■ Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR),
■ Photolumineszenz-/PL-, Photolumineszenz-Anregungs-/PLE-, Photostrom- und Photoreflectance-/PR-Spektroskopie,
■ Kathodolumineszenz-/CL-Spektroskopie im SEM usw.
aus Wirtschaft und Technologie durch. Im Hauptanwendungsgebiet Phasenübergänge und multifunktionale Materialien (Prof. Dreyer) geht es um die
Modellierung dünner Filme und Nanostrukturen auf Substraten. Bedeutsam ist
die mathematische Modellierung, Analysis und numerische Simulation für die
Beschleunigung der Entwicklung neuer Technologien bzw. für das Verständnis
der Materialeigenschaften in kleinsten Dimensionen. Entsprechend werden
in diesem Arbeitsgebiet insbesondere im Mikro- und Nanometerbereich Entnetzungsprozesse oder epitaktisches Wachstum zum Design von Oberflächen
mit spezifischen Materialeigenschaften untersucht.
Unterthemen sind die Beschichtung moderner Oberflächen oder Multifunktionale Nanostrukturen (PD Dr. Wagner). Ersteres umfasst Simulation und
Berechnung von Prozessen mit auftretenden Kapillarkräften, viskoser Dissipation, nicht-Newtonschen Eigenschaften sowie Verdunstungseffekten oder auch
Diffusion oberflächenaktiver Substanzen. Auf der Mikro- und Nanoskala spie-
Prof. Dr. Wolfgang Dreyer
200
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len außerdem intermolekulare Kräfte sowie ›slip‹ eine Rolle für die Dynamik
und Morphologie einer Beschichtung/eines Films. Dabei sind Anwendungen
wie photoaktive Polymermischungen (Schleuderbeschichtung/Spin-Coating)
für Elektrochips oder organische Solarzellen auf Siliziumwafern, Polymerfilme/
Fotolack bis hin zur Ausbreitung von Malerfarbe im Blickfeld der Forscher. Das
zweite Unterthema betrachtet durch Epitaxie entstehende dünne Filme mit
Potenzial für neue multifunktionale Device-Strukturen, speziell Superstrukturen (Quantenpunkte), die definierbare opto-elektronische Eigenschaften
erlauben. Des Weiteren stehen Modellierung und Analysis von Entnetzungsprozessen im Fokus, mit denen Nanostrukturen erzeugt und dadurch Oberflächen funktionalisiert werden. Dies ist wichtig für die Herstellung von Elektrochips und Dünnschichtsolarzellen, insbesondere mit Tandem-Struktur.
Dr. Lutz Hartmann
An der Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite (PYCO)
werden im Bereich Bistable Displays (Dr. Hartmann) Displaytechnologien entwickelt und Demonstratoren hergestellt, deren aktive Schicht elektrophoretisch
funktioniert (E-Ink) oder aus cholesterischen Flüssigkristallen besteht (ChLCD).
ChLCDs sind typischerweise aus 700 µm starken Glas- oder 150 bis 250 µm
starken Polymersubstraten mit strukturierten transparenten Elektroden und
einem fünf Mikrometer dünnen aktiven Layer aufgebaut und werden per UVhärtendem Klebstoff und präzise zueinander ausgerichtet fixiert. Elektrophoretische E-Ink-Displays werden per Heißlamination von Leiterplatten mit einem
Frontlaminat und Schutzfolie hergestellt.
Dr. Olaf Kahle
Am PYCO widmet man sich seit Langem polymeren Materialien für die Mikround Optoelektronik und insbesondere der fortschreitenden Miniaturisierung.
In Kooperation mit dem Lehrstuhl Polymermaterialien der BTU Cottbus und
externen Partnern wurden unter Leitung von Dr. Kahle Projekte wie ›Polymere
als Low-k-Dielektrika für Metallisierungssysteme in der Mikroelektronik‹ (2002
bis 2006) und ›PEP: Formulierung und Charakterisierung druckfähiger Funktionspolymere‹ (2002 bis 2004) bearbeitet. Ersteres entstand aus der Forderung
nach neuen Isolierschichten in miniaturisierten mikroelektronischen Bauelementen mit niedriger Dielektrizitätskonstante von k < 4 bzw. Ultra-lowk-Materialien mit k < 2,4. Mit Polycyanurat- und Perfluorcyclobutan(PFCB)Polymeren konnte eine Dielektrizitätskonstante von 2,51 erreicht werden. Im
Projekt PEP (Polymer Electronic Printing) ging es um die Formulierung elektronisch aktiver Materialien, die auf Basis bekannter Massendruckverfahren zur
großtechnischen, industriellen Herstellung von Polymerelektronikprodukten,
insbesondere von OFETs, herangezogen werden. Feinere Strukturen, dünnere,
gleichmäßige Schichtdicken (100 nm), die zusätzlich mit einem Passregister von
zehn Mikrometer übereinander gedruckt werden müssen, unterscheiden die
gedruckte Elektronik von bekannten Qualitätsdruckprodukten.
201
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Weitere Kompetenzen des Forschungsbereichs sind in den Kapiteln Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation und Oberflächen- und Schichtanalytik,
Anlagentechnik erläutert.
Am PYCO werden unter Leitung von Dr. Schneider, speziell im Projekt MULTIPOL83,
multifunktionale Polymermaterialien mit maßgeschneiderten mechanischen,
elektrischen und optischen Eigenschaften erforscht und entwickelt. Solche
Polymere sollen aufbauend auf dem SOLID-Prozess hergestellt werden. Dieser bezeichnet die Abscheidung (Filmbildung) des Polymers Parylen auf ein
flüssiges Substrat, wobei mit Hilfe des Parylens auch Flüssigkristallmischungen
eingekapselt werden können. Die Charakterisierung der Polymermaterialien
erfolgt mittels spektroskopischer Verfahren (Fourier-Transform-Infrarot-/FTIRATR-, Nahes Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungsindexbestimmung.
Anwendungsgebiete sind neben der organischen Photovoltaik (vergleiche Kapitel Photovoltaik) und optoelektronischen Bauelementen (vergleiche
Kapitel Lichtemission/Photonik) auch elektronische Dünnschichtbauelemente
wie organische Transistoren (OFET), polymerbasierte Bedienungselemente und
flexible Displays.
Dr. Wedel leitet am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
die Abteilung Funktionale Polymersysteme. Forschungs- und Entwicklungsinhalte sind opto-elektronische Bauteile bzw. Materialien.
Neben optischen und sensorischen Anwendungen (vergleiche Kapitel
Lichtemission/Photonik und Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik)
werden funktionale Polymersysteme hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für
elektronische Aufgaben erforscht. Bei Materialsynthese und Verarbeitung funktionaler Polymere spielen demnach halbleitende Polymere eine Rolle, worauf
elektronische Bauelemente wie Feldeffekt- (OFET) und bipolare Transistoren
(HBT), Schaltkreise und Dioden aufbauen (Polytronik – Polymere als Basis einer
neuen Elektronik). Verschiedenste oberflächen- und dünnschichtanalytische
Verfahren (Infrarotspektrometrie, UV-VIS-NIR-Spektrometrie) werden dabei zur
Charakterisierung von chemischer Struktur, Topographie und makroskopischen
Eigenschaften eingesetzt. Auch dienen polymerphotochemische Verfahren
(Laser-, Grenzflächen-, supramolekulare Photochemie, lichtinduzierte Orientierung/Photoalignment) zur Strukturierung von elektronischen Schaltungen
und Bauteilen.
Dr. Armin Wedel
In der Gruppe Polymere und Elektronik (Dr. Janietz) des Fh-IAP werden halbleitende Polymere (p- und n-Typ) und organische Dielektrika, zum Beispiel für
den Einsatz in OFETs, entwickelt. Bauelemente wie OFETs, Dioden, Sensoren
auf festen und flexiblen Trägern werden aufgebaut (Schleuderbeschichtung/
Spin-Coating des aktiven Layers oder per Drucktechnik) und charakterisiert.
Auch werden die neu entwickelten elektrisch aktiven Polymere für den Einsatz
83
MULTIPOL (FP6) (2010).
202
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Spin-Coating von polymeren Schichten (Fraunhofer-IAP)
in verschiedenen lösungsmittelbasierten Prozesstechnologien (zum Beispiel
Rakeln oder Drucken) konfektioniert. Weitere Polymerentwicklungen sind in
den Kapiteln Lichtemission/Photonik und Photovoltaik beschrieben.
Dr. Andreas Holländer
Mit der Oberflächenmodifizierung von polymeren Werkstoffen – von Kunststoffen wie auch natürlichen Polymeren – sowie mit der Abscheidung organischer Schichten ist die Fachgruppe Oberflächen am Fraunhofer-IAP um
Dr. Holländer vertraut. Bearbeitet werden oberflächenrelevante Aufgabenstellungen der ganzen Werkstoffgruppe, entsprechend vielfältig sind Anwendungen und Nutzen. Die Technologien zur Oberflächenbehandlung bzw.
Schichtabscheidung wie
■ Aktivierung und Funktionalisierung von Polymeroberflächen im Niederdruckbereich und bei Atmosphärendruck,
■ plasmagestützte Abscheidung dünner organischer Schichten,
■ photochemische (insbesondere im Vakuum-Ultraviolett, VUV, Excimer)
Funktionalisierung von Polymeroberflächen oder
■ Funktionalisierung von Polymeroberflächen aus der Gasphase oder mit
Flüssigkeiten
dienen in erster Linie den anderen Fachgruppen des Instituts für die Komponenten- oder Bauteilherstellung (weitere Anwendungen im Kapitel Bauteil203
10.02.12 14:20
beschichtung, Verfahren, Simulation). Entwicklungen können im Labormaßstab wie im kleintechnischen Bereich umgesetzt werden; für die Charakterisierung von Oberflächen und dünnen Schichten steht eine umfassende analytische Ausstattung zur Verfügung.
Mit weiteren sechs Fraunhofer-Instituten ist das IAP beim Thema Oberflächen in der Allianz Polymere Oberflächen POLO verbündet. In die interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Entwicklung und
Vermarktung polymerer Produkte mit funktionellen Oberflächen, Grenzflächen
und dünnen Schichten kann das IAP einschlägiges Know-how und apparative
Ausstattung einbringen, vor allem zu
■ Mikroverkapselung von Wirkstoffen,
■ Synthese reaktiver Monomere und von Polymeren,
■ Synthese halbleitender Polymere, Aufbau von Testdevices in ReinraumGlovebox,
■ Reinstfolienherstellung im Labormaßstab im Reinraum, Bahnware bis
0,3 m Breite,
■ Oberflächenbehandlung mit Normaldruck-Plasma, Niederdruck-Plasma,
■ VUV-Strahlung vom Labor- bis Pilotmaßstab.
Das Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik IDM (Institutsleiter:
Dr. Schulz) beschäftigt sich seit Langem mit der Erforschung neuer Materialien,
deren Synthetisierung (chemisches Know-how) und Analytik (Atomkraftmikroskopie, Kontaktwinkelbestimmung) insbesondere für die Oberflächenmodifizierung und Anwendung als dünne Schichten. Dazu werden Druckverfahren (Micro-Printing), Sprüh- (Spray-Coating), Schleuder- (Spin-Coating)
und Tauchbeschichtung (Dip-Coating), Selbstorganisation/Langmuir-BlodgettTechnik und Vakuumabscheidung eingesetzt. In der Abteilung Synthesen –
Organika (Dr. Gilsing) stehen maßgeschneiderte oberflächenaktive, fluorhaltige
Verbindungen, mit Licht schaltbare Fluortenside und partiell fluorierte Funktionspolymere im Mittelpunkt, gedacht für den Einsatz als flüssigkristalline, nicht
linear-optische und optisch schaltbare Polymere in entsprechenden (opto-)
elektronischen Bauelementen. Die Modifizierung von Festkörperoberflächen,
also Hydrophobierung oder Hydrophilierung, respektive Antihafteigenschaft
oder Haftverbesserung werden ebenfalls untersucht und weiterentwickelt.
Dr. Hans-Detlev Gilsing
In der Abteilung Lithographie (Dr. Köpnick) des IDM sind organische und
polymere Materialien für Dünnschichttechnologien Forschungsgegenstand –
allgemein innovative Materialien für die Nanostrukturierung und speziell neue
Materialien für die Elektronenstrahl-, Ultraviolett-/UV- und Deep-Ultraviolett-/
DUV-Lithographie. Photostrukturierbare Polymere sind wichtiger Bestandteil
der Chipprozessierung, respektive Waferstrukturierung zur Herstellung integrierter Schaltungen und weiterer Produkte. Die Mikro- bzw. Nanolithographie
erweist sich als Voraussetzung für zukünftige elektronische Bauelemente mit
hoher Leistungs- oder Speicherdichte.
Dr. Thomas Köpnick
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Dr. Burkhard Schulz
Die Entwicklung optischer und photochromer Funktionspolymere und die photochemische Herstellung entsprechender Funktionselemente ist Arbeitsinhalt
der Abteilung Photoscience (Dr. Schulz, Institutsleiter). Schwerpunkte sind
■ die photochemische Änderung von Grenzflächeneigenschaften,
■ die photochemische Induktion optischer Anisotropie in Polymere,
■ Photoorientierung durch polarisiertes Licht, Photoalignment von Flüssigkristallen,
■ Erzeugung von Oberflächenreliefgittern,
■ Selbstorganisation thermotroper und amphiphiler Verbindungen und Polymere, supramolekulare Systeme.
Mit den Abteilungen Synthese – Polymere und Synthese – Heterocyclen kommen Kompetenzen zur Herstellung elektrisch leitfähiger Polymere (Polythiophene, Polypyrrole, Polyaniline) und neuer Materialien für eine organisch
basierte Mikroelektronik und Optronik hinzu.
Weitere Einsatzgebiete der am IDM entwickelten Materialien und Dünnschichttechnologien (Abteilung Mikrosensorik) sind in den Kapiteln Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik und Dünnschicht-Messtechnik,
Sensorik/Aktuatorik zu finden. Das IDM ist Kooperationspartner in regionalen
Verbundprojekten (ELSTER, Initiative OptoMat – Strukturierung optischer Funktionsmaterialien, Taschentuchlabor) und in Netzwerken (PhotonikBB e.V.,
OpTecBB, Landesvereinigung außeruniversitärer Forschung in Brandenburg,
LAUF e.V.) aktiv.
Prof. Dr. Bernd Tillack
Prof. Tillack ist Leiter der Abteilung Technologie am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) und hat gleichzeitig eine Professur im Fachgebiet
Technologie von siliziumbasierten integrierten Höchstfrequenzschaltungen
an der TU Berlin inne. Ein Joint Lab zwischen ihp und TU Berlin existiert seit
2008; es hat sich der Verbindung von Siliziumelektronik und Optoelektronik zur
Siliziumphotonik (Silicon Photonics) verschrieben.
Am Institut wie am Fachgebiet werden Si-Halbleitertechnologien für sehr
hohe Frequenzen für Anwendungen in der Kommunikationstechnik und
Sensorik (Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik) erforscht, zum
Beispiel
■ SiGe-Heterobipolartransistoren (SiGe:C-HBTs) und deren Integration in
CMOS-Technologien,
■ mikround nanotechnologische Prozessschritte und deren Integration in
die Si-Halbleitertechnologie,
■ Entwicklung von Prozessmodulen und -teilschritten, Integration von neuen
Materialien in Technologien,
■ Diagnose- und Analysetechnik für die Entwicklung und Fertigungsüberwachung, stabile, zuverlässige Prozesse in der Reinraumfertigung.
205
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Die Halbleitertechnologien werden an der TU Berlin in den Lehrveranstaltungen ›Si/SiGe Halbleitertechnologien für Höchstfrequenzanwendungen‹ und
›Technologie integrierter Schaltungen‹ vermittelt.
Die Abteilung Materialforschung (Dr. Schröder) am ihp widmet sich der Identifizierung neuer Materialsysteme für (siliziumbasierte) Mikro- und Nanotechnologien. Arbeitsschwerpunkte sind neue Hoch-k-Dielektrika in Form von
binären und ternären Legierungen mit Anwendungen in Metall-IsolatorMetall- (MIM-)Kondensatoren, Speichern und Transistoren sowie als Epitaxievermittler für heteroepitaktische Halbleiterschichten (Halbleiter-IsolatorHalbleiter-Schichtstapel). Daneben werden neue Materialien für akustische
Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) und für nichtflüchtige Speicher (NVM)
bewertet. Weitere Aktivitäten konzentrieren sich auf integrierbare THz-Bauelemente, insbesondere Bipolartransistoren mit Heteroübergang (HBT) und
Graphen-Transistoren.
Zur Dünnschichtabscheidung stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, auch Prozessschritte zur Integration neuer Materialien werden am ihp
entwickelt. Mit Hilfe vieler mikroskopischer und spektroskopischer Methoden
werden die Materialien und speziell elektrischen Eigenschaften charakterisiert.
Dünnschichtdepositions- und -behandlungsmethoden sind
■ Molekularstrahlepitaxie (MBE),
■ metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD),
■ ultraschnelle thermische Dünnfilmbehandlungsmethoden (Rapid Thermal
Annealing RTA),
■ Metallisierungskammer.
Dr. Thomas Schröder
Zur Mikroskopie gehören
■ Rastertunnelmikroskopie mit variabler Temperatur (VT-STM),
■ Rastertunnelmikroskopie (STM) in Kombination mit Rasterkraftmikroskopie
(AFM) und Photoelektronenemissionsmikroskopie (PEEM),
■ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM),
■ duales fokussiertes Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskop (Dual FIB SEM).
Im Bereich Spektroskopie sind
■ Micro-Raman-Spektroskopie,
■ Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Tiefenprofilierungs-XPS
durch Zerstäubungstechniken (Sputter-XPS), XPS mit Synchrotron-Strahlung
(BESSY II),
■ Ultraviolett- Photoelektronenspektroskopie (UPS),
■ Raster- Augerelektronenspektroskopie (AES),
■ Flugzeit-sekundäres Ionenmassenspektrometer (TOF-SIMS), dynamisches
sekundäres Ionenmassenspektrometer (Dynamic SIMS) im Einsatz.
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Auf Beugung basierende Methoden sind
■ niederenergetische Elektronenbeugung in Rückstreugeometrie (LEED),
■ hochenergetische Elektronenbeugung in Reflexionsgeometrie (RHEED),
■ hochauflösende Röntgenbeugung (HR-XRD), Röntgenbeugung unter streifendem Einfall an Synchrotronstrahlungsquellen (GI-XRD, ESRF, ANKA,
HasyLab),
■ Röntgen-Reflektometrie (XRR).
Seit 2000 unterhält das ihp ein gemeinsames Labor mit der BTU Cottbus (mit
der Hochschule Lausitz als assoziiertem Partner). Gegenstand der Arbeiten im
Joint Lab ihp/BTU Cottbus ist die Si-Materialforschung, das heißt die grundlagenorientierte Vorlaufforschung zu Si-basierten Lichtemittern für optische
Datenübertragung, zum ›Defect Engineering‹ für künftige Si-Wafer, zum Bandstrukturdesign und Ladungsträgertransport in Si-Quantenstrukturen und zur
Beherrschung der elektrischen Eigenschaften von Kristalldefekten in SolarSilizium.
Mit der TH Wildau unterhält das ihp seit 2006 ein Joint Lab, ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum. Zentrale Anliegen sind die
gemeinsame Lehre und Ausbildung auf dem Gebiet der Mikroelektronik
sowie die Entwicklung neuartiger siliziumbasierter Bauelementekonzepte und
Technologien für die Hochgeschwindigkeits-Elektronik und Photonik (Silicon
Light).
Wirtschaft
Bundesdruckerei GmbH
Die Bundesdruckerei GmbH entwickelt und liefert Systemlösungen und Dienstleistungen für die sichere Identifikation, darunter Pass- und Ausweissysteme,
Personaldokumente, Hochsicherheitskarten, Banknoten, Postwertzeichen usw.
Seit 2007 ist die Bundesdruckerei mit dem Fraunhofer-IZM im ›SecurityLab
Berlin‹ zusammengeschlossen. Dort steht die Entwicklung neuer Technologien
für chipbasierte ID-Sicherheitsdokumente sowie die Integration von flexiblen
Chips in ID-Dokumente im Vordergrund. Mit der Zusammenarbeit im ›SecurityLab Potsdam‹ mit dem Fraunhofer-IAP seit 2008 baut die Bundesdruckerei
ihre Kompetenz in der flexiblen Elektronik weiter aus. Ziel dieser Kooperation
ist es, Polymerelektronik zu ID-Sicherheitsdokumenten zu verarbeiten: Flexible
Displays auf Basis von polymeren Leuchtdioden (OLEDs) für System-on-cardTechnologien, wenige hundert Mikrometer dünne Trägersysteme mit direkt
auf die Rückseite der Anzeige gedruckter organischer elektronischer Schaltung,
organische Transistoren (OFETs) und digital druckbare, farb- und materialstabile
Sicherheitsfarben auf Basis von Polymeren sind die Zutaten für fälschungssichere Dokumente.
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Bei Siemens Corporate Technology (CT) in Berlin erforschen einige Mitarbeiter
multifunktionelle Materialien und Werkstoffe, außerdem Mikrosysteme für die
Verfahrenstechnik und Gasanalytik. In einem speziell ausgestatteten Nanolabor werden neuartige Beschichtungen entwickelt. Insgesamt 220 Forscher
der Abteilung ›Materials & Microsystems‹ arbeiten in Berlin, Erlangen und
München an keramischen Detektoren, polymerbasierten Displaytechnologien,
neuartigen Leuchtstoffen, analytischen Methoden und Kleb-/Schweißverfahren.84
Im Zeitraum 2010 bis 2013 arbeitet Siemens zusammen mit Partnern
von Fraunhofer-Instituten und anderen Industrieunternehmen am Projekt
›CarboTCF‹, das sich transparenten, leitfähigen und flexiblen Schichten aus
Single-Wall-Carbon-Nanotubes (SWNT) in Kombination mit dem leitfähigen
Polymer Poly (3,4-Ethylendioxythiophen) oder PEDOT widmet. Die hinsichtlich
Flexibilität, Transparenz, Leitfähigkeit und Temperatur-/Feuchtebeständigkeit
verbesserte Technologie zielt vor allem auf Anwendungen wie OLED, organische
Fotodioden (OPD) und gedruckte transparente RFID.85
Zu den Themenkomplexen physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD),
chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) und Flüssigphasenabscheidung
beteiligte sich Siemens am Kompetenz-Zentrum ›Ultradünne funktionale
Schichten‹ CC-UFS, Dresden (Arbeitsgruppe 1 ›Beschichtungsverfahren‹ im
Arbeitskreis 4 ›Mechanische und Schutzschichtanwendungen‹). Siemens ist
Mitglied in der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik
(AWT).
Siemens AG
Niederlassung Berlin
Die Allresist Gesellschaft für chemische Produkte zur Mikrostrukturierung
mbH entwickelt und fertigt prozessangepasste Resists (Photoresists, Elektronenstrahlresists sowie Prozesschemikalien) für die optische und Elektronenstrahllithografie zur Herstellung elektronischer Bauteile (Mikrosystemtechnik/
Nanotechnologie). Anhand mehrerer wissenschaftlicher Projekte mit regionalen Forschungseinrichtungen zeigt sich das Forschungs- und Kooperationsinteresse der Allresist GmbH:
■ ›Entwicklung vernetzbarer Epoxystyrene für OLED-, OFET- und Mikrostrukturierungsanwendungen‹ (2009 bis 2011, mit Fraunhofer-IAP)
■ ›Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Strukturierung von Si bzw.
SiO2 mittels nasschemischer Methoden‹ (2006 bis 2008, mit IDM Teltow)
■ Resists für die LIGA- und Mikrosystemtechnik, Resiststrukturen bis 500 µm
Schichtdicke (2004 bis 2006, mit Bessy GmbH, jetzt zu HZB gehörend)
■ ›Resists zur OLED-Photostrukturierung‹ (2004 bis 2006, mit FraunhoferIAP)
■ ›Charakterisierung und Herstellung von orientierbaren Funktionsschichten‹,
Orientierungsschichten für Displays (2002 bis 2004, mit IDM Teltow)
Allresist GmbH
Gesellschaft für chemische
Produkte zur Mikrostrukturierung
mbH
84
Vgl. Siemens AG Corporate Technology
(2004), S. 8.
85
Vgl. Innovationsallianz Carbon Nanotubes (o.J.).
208
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AEMtec – Advanced Electronic
Microsystems GmbH
Die AEMtec GmbH ist ein 2000 gegründetes Spin-off von Siemens. Entwickelt
und produziert werden miniaturisierte und komplexe elektronische Schaltungen unter Verwendung von Surface Mount Technology/SMT-, Flipchip-/FC-,
Chip-on-Board/COB- und Opto-Packaging-Verfahren auf den Substraten Leiterplatte (starr, flex, starr-flex), Folie, Keramik und Wafer (Reinraumfertigung
auf über 1.200 qm, Klasse 100 bis 10.000). Kunden sind europäische OEMs,
System-Integratoren und Anwendungsanbieter in verschiedenen Anwendungsbereichen wie Medizintechnik (Computertomographen, Hörgeräte), LEDBeleuchtungssysteme, Industrieelektronik, Sicherheitselektronik, Lithographie-Systeme der Halbleiterindustrie sowie Daten- und Telekommunikation.
Andus Electronic GmbH
Die Andus Electronic GmbH ist ein Berliner Hersteller von Leiterplatten-Prototypen (im Eilservice). Das Unternehmen bietet Starr-, Starrflex- und flexible
Leiterplatten (Substrate), alle üblichen Aufbau- und Verbindungstechnologien
(Löten, Bonden, Kleben) und vorbereitende Oberflächenbehandlungen (chemisch Zinn, galvanisch Ni/SnPb, chemisch Ni/Au, chemisch/galvanisch Silber, Cu
blank und Carbondruck zum Beispiel für Tippkontakte).
Neben der Lötstopplackierung können weitere Beschichtungen mit unterschiedlichen Funktionen auf und in die Leiterplatte gebracht werden (Schriftdruck, Abdecklack, Carbonlack, Flex-Deckfolie).
BeMiTec AG
Die BeMiTec AG ist ein 2006 gegründetes Spin-off des Ferdinand-BraunInstituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Forschungsergebnisse des Instituts (Mikrowellenbauelemente für Frequenzen bis zehn
GHz) in Produkte überführt und vermarktet. BeMiTec konzentriert sich auf
Hochfrequenz-Leistungstransistoren und monolithisch-integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs) in GaN-Technologie. Derartige Bauelemente werden
in hocheffizienten Mikrowellen-Leistungsverstärkern der Mobilfunktechnik
(Mobilfunk-Basisstationen der nächsten Generation), in der Satelliten-Kommunikationstechnik (Leistungsbauelemente für Weltraumanwendungen) und
anderen Bereichen eingesetzt. BeMiTec ist Mitglied in der Initiative Berlin
WideBaSe zur Erforschung und Entwicklung optoelektronischer und elektronischer Bauelemente auf Basis breitlückiger Halbleiter.
Crystal GmbH
Die Crystal GmbH ist Zulieferer von Substratmaterialien, optischen Komponenten und Laserkomponenten für Halbleiterindustrie, Messtechnik und Sensorik,
Kommunikationstechnik sowie Medizintechnik. Crystal beherrscht die Technologie, Einkristall-Substrate verschiedenster Kristallsysteme mit kristallografisch
orientierten und atomar glatt polierten Oberflächen (superpolierte Wafer) für
Dünnschichtanwendungen zu fertigen (epitaktisches Schichtwachstum für
Bauelemente der Mikroelektronik wie supraleitende und magnetoresistive für
Speicher- und Sensoranwendungen sowie blaue LED-Dioden) und mit der
entsprechenden Messtechnik Oberfläche, Form und Orientierung der Substrate
zu charakterisieren.
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Zu den angebotenen Substraten gehören
■ oxidische Materialien zur Abscheidung von HTSL-Schichten (zum Beispiel
Magnesiumoxid MgO, Titandioxid TiO2, Saphir Al2O3),
■ Halbleiterwafer für Homo- und Heteroepitaxie (Elementhalbleiter Silizium,
Germanium; II-VI-Halbleiter Cadmiumselenid CdSe, Cadmiumsulfid CdS,
Zinkoxid ZnO, Zinksulfid ZnS, Zinkselenid ZnSe, Zinktellurid ZnTe),
■ Fluoride und Oxide für metallisch dünne Filme (Granate, sc-Quarz, Spinell MgAl2O4; Nickel-, Cobalt-, Mangan, Chromoxid; Lithium-, Calcium-,
Barium-, Magnesiumfluorid),
■ Substrate für III-V-Nitrid-Schichten (Aluminiumlithiumdioxid LiAlO2,
Lithium Gallate LiGaO2, Zinkoxid ZnO, Saphir Al2O3, Spinell MgAl2O4, Magnesiumoxid MgO).
Crystal optimierte in der Vergangenheit die chemo-mechanische Politur (CMP)
verschiedenster Kristallmaterialien. Die mit CMP-Technologie gefertigten Oberflächen sind insbesondere für Schichtabscheidungen wie Laserabscheidung,
Sputtern oder chemische Dampfphasenabscheidung geeignet. Typische Mikrorauigkeiten (Ra) dieser Oberflächen liegen unter einem Nanometer, kombiniert
mit guter Ebenheit. Super-polierte Oberflächen werden auch für optische
Komponenten wie Röntgenmonochromatoren, Laserscannerspiegel und UVFenster benötigt.
Die CrysTec GmbH ist ebenfalls Produzent und Zulieferer von einkristallinen
Substratmaterialien und Wafern zur Abscheidung von supraleitenden, ferroelektrischen sowie metallischen Filmen. Diese sind aus Element-Halbleitermaterial (Si, Ge), Verbindungs-Halbleitermaterial (GaAs, GaP, InP, InSb, CdTe,
ZnSe, usw.), oxidischen Verbindungen (SrTiO3, MgO, LaAlO3, Al2O3, NdGaO3,
Y:ZrO2, Bi-Kristalle, usw.) oder anderen Verbindungen. An Dienstleistungen
erbringt das Unternehmen mechanische und chemomechanische Politur, die
Regeneration gebrauchter Substrate sowie Rasterkraftmikroskopie- (AFM-)
Untersuchungen.
CrysTec ist Mitglied der Initiative Berlin WideBaSe zur Erforschung und
Entwicklung optoelektronischer und elektronischer Bauelemente auf Basis
breitlückiger Halbleiter.
CrysTec GmbH
Die micro resist technology GmbH entwickelt und produziert Materialien
für mikroelektronische/Halbleiter-Bauteile (Optoelektronik, Herstellung von
Datenspeichern, MEMS und Nanotechnologie). Hauptkompetenz sind Prozessentwicklungen und die Verarbeitung hochviskoser, hochaufbauender Positivund Negativ-Photoresiste, also
■ Photoresiste und Photopolymere für UV-, Laser- und Röntgenlithographie,
aber auch
■ Polymere für die Nanotechnologie, DUV- und Elektronenstrahlresiste,
micro resist technology GmbH
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■ Polymere für die Nanoimprint-Lithographie und
■ anorganisch-organische Hybridpolymere – ORMOCER®e – für mikround
nano-optische Anwendungen.
MSG Lithoglas AG
Die MSG Lithoglas AG wurde 2006 als Spin-off der Schott Electronic Packaging
GmbH gegründet. Das Unternehmen entwickelt und fertigt auf der Basis seiner
Tieftemperatur-Glasabscheidungstechnologie Passivierungen und Verkapselungen von elektronischen Komponenten auf Wafer-Ebene (zum Beispiel
MEMS, MOEMS oder Bio-MEMS). Die Technologie umfasst die Abscheidung von
strukturierten Borosilikatglas-Layern (0,1 bis 20 µm Dicke) mittels plasmaunterstützter physikalischer Gasphasenabscheidung (PA-PVD) bei niedriger
Temperatur (<100 °C) und hoher Abscheidungsrate (0,3 µm/min) in einem
Batch-Prozess, 4- bis 8-Zoll-Wafer sind damit händelbar. Borosilikatglas ist
ein hartes, temperaturstabiles, chemikalienresistentes und hochtransparentes
Material, das für die langzeitstabile Verkapselung oder hermetische Abdichtung
von Komponenten oder Oberflächen geeignet ist. Es ist kompatibel mit typischen Halbleiteroberflächen (Si, SiO2, Si3N4, Glas, III-V-Verbindungen), Metallen
(Al, Cu, TiW, Stahl) und anderem (PI, LiNbO3, LiTaO3, SiC).
Anwendungsbereiche sind
■ strukturierte Passivierungen,
■ Wafer-Level-Deckschichten,
■ funktionale Layer (unter anderem Fresnel- und diffraktive Optiken),
■ Mikrofluidik (medizinische Oberflächen und Elektronik, Lab-on-Chip).
Die MSG Lithoglas kooperiert intensiv mit dem Fraunhofer-IZM.
Netzwerke
Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V.
EFDS
Die Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (EFDS) mit Sitz
in Dresden vertritt Firmen und Forschungseinrichtungen, die im Bereich der
vakuum- oder plasmagestützen Oberflächentechnik forschen und entwickeln
und sich speziell mit Verfahrensentwicklung, Anlagenbau, Materialtechnik,
Lohnbeschichtung oder den Anwendungsbereichen der Oberflächentechnik
beschäftigen. Mitglieder aus Berlin-Brandenburg sind
■ SENTECH Instruments GmbH,
■ Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co.,
■ LayTec AG,
■ Plasmetrex GmbH,
■ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, FG 6.4 Oberflächentechnologien (Prof. Reiners),
■ Arc Precision GmbH.
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Der Zusammenschluss dient dem wissenschaftlichen Austausch im Spektrum
von informeller Kommunikation bis zu industrieller Gemeinschaftsforschung.
Die EFDS selbst ist wiederum Mitglied im Deutschen Verband für Materialforschung und -prüfung (DVM).
Veranstaltet durch die TBB Technologie Beratung Bell fand 2011 bzw. 2010 das
14. bzw. 13. Europäische Elektroniktechnologie-Kolleg unter dem Thema ›Neue
Technologien‹ bzw. ›Materialien für qualitätsgerechte Elektronikprodukte‹
statt. In Form von Workshops behandeln Elektronik-Akteure (unter anderem
vom Fraunhofer-IZM) aktuelle Forschungsergebnisse und künftige Anforderungen unter dem Fokus Oberflächen oder Design/neue Produkte (Elektronikintegration in Textilien, biokompatible Elektronik usw.).86
Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg
Die Initiative Berlin WideBaSe (Wide Bandgap Semiconductors) ist die vom
BMBF zwischen 2010 und 2013 geförderte Gemeinschaftsforschung an breitlückigen Halbleitern inklusive Entwicklung und Herstellung von optoelektronischen und elektronischen Bauelementen. Die Initiative bündelt die Ressourcen
von zehn Unternehmen und drei Forschungseinrichtungen aus Berlin (FBH,
IKZ, TU Berlin, GloMic GmbH, vormals Advanced Microwave Technologies AMT,
BeMiTec, CrysTec, eagleyard photonics, Jenoptik Diode Lab, LayTec AG, OSA Opto
Light, OSRAM, RTG Mikroanalyse und Sentech Instruments) in den bislang acht
Verbundprojekten
■ UV-Punktstrahler,
■ Power LED 350 bis 300 nm,
■ Optische Systeme,
■ AlGaN-Photodiode,
■ 435,9nm Laser,
■ GaN-Leistungselektronik,
■ AlN-Substrate,
■ AlInGaN-Analytik.
Initiative Berlin WideBaSe
(Wide Bandgap Semiconductors)
Der Internationale Fachverband für Mikrotechnik, Nanotechnologie und Neue
Materialien (IVAM) mit Sitz in Dortmund betreibt Technologiemarketing, weltweite Netzwerkarbeit sowie Lobbyarbeit für KMU, die in den Hightech-Bereichen ›Mikrotechnik‹, ›Nanotechnologie‹ und ›Neue Materialien‹ tätig sind,
koordiniert Forschungs- und Entwicklungsprojekte, erhebt Wirtschaftsdaten
und erstellt Studien zu diesen Themen. Mitglied im IVAM sind auch einige
Firmen, Institute und Verbände aus Berlin (AEMtec GmbH, alpha-board gmbH,
AMIC Angewandte Micro-Messtechnik GmbH, eagleyard Photonics GmbH,
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, HelmholtzZentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH HZB, HOLOEYE Photonics AG,
Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH, micro resist technology GmbH, NNT
Nanotechnology AG, SPECTARIS e.V.).
IVAM – Internationaler
Fachverband für Mikrotechnik,
Nanotechnologie und
Neue Materialien
86
Vgl. TBB Technologieberatung Bell
(2011); TBB Technologieberatung Bell
(2010).
212
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NanOp – Competence Centre
for the Application of Nanostructures in Optoelectronics
NanOp – Competence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics ist ein nationales Netzwerk (mit Koordination beim Institut für Festkörperphysik/TU Berlin) zur Anwendung von lateralen Nanostrukturen, nanoanalytischen Methoden und Optoelektronik. Ziel ist es, Forschung und Entwicklung
auf diesem Gebiet zu beschleunigen, um neue nanooptische Komponenten,
Produkte und Systeme für die Branchen Consumer-Elektronik, Computer/IKT
(Datenspeicher, Telekommunikation usw.) und Messtechnik/Umweltmonitoring hervorzubringen.
Bearbeitete Projekte drehten sich um
■ Vertical Cavity Surface Emitting Quantum-Dot Laser (QD-VCSEL) – Oberflächenemittierende Quantenpunktlaser,
■ GaN based blue emitters – Blau-emittierende Halbleiterlaserdiode auf
GaN-Basis,
■ Quantum Dot Edge Emitting Lasers – Kantenemittierende QuantenpunktLaserdiode,
■ Metal-Organic Vapour Phase Deposition of Quantum Dots – MOCVD von
Quantenpunkten.
Aus Berlin sind an dem Netzwerk
■ Advanced Photonic Systems Aphs GmbH,
■ LayTec AG,
■ Sentech Instruments GmbH,
■ u2t Innovative Optoelectronic Components,
■ Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik FBH,
■ Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik HHI,
■ Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie MBI,
■ Humboldt Universität zu Berlin, Institut für Physik,
■ Technische Universität Berlin, Institut für Festkörperphysik
beteiligt.
NanOp ist Mitglied der Arbeitsgemeinschaft der Nanotechnologie-Kompetenzzentren Deutschlands (AGeNT – D).
ZEMI – Zentrum für Mikrosystemtechnik
Das Zentrum für Mikrosystemtechnik ZEMI ist ein seit 2001 bestehender Verbund
der Berliner Forschungseinrichtungen
■ Anwenderzentrum für Mikrotechnik AZM (bei BESSY),
■ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM,
■ Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik FBH,
■ Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK/
TU Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF,
■ Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM/ TU Berlin,
Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik FSP-TMP,
■ TU Berlin, Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik IKMM.
213
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Das Zentrum vernetzt das regionale Forschungs- und Entwicklungspotenzial
in der Mikrosystemtechnik und stellt es Industriekooperationen zur Verfügung.
Speziell zielt das Angebot auf Aspekte der Mikrosystemtechnik wie
■ neue Materialien, Komponenten und Packaging-Technologien,
■ kostengünstige und flexible Substratmaterialien,
■ Multilayer-Technologie,
■ Integration von optischer, elektrischer Signalübertragung, Sensor- und
Aktuatorfunktion, nicht-elektrischer Information wie optische, mechanische, fluidische oder chemische Signale,
■ effektive Herstellungsprozesse, umweltfreundliche Material- und Verfahrensauswahl.
Substrat- und dünnschichttechnologisches Know-how steuert hauptsächlich
die BAM bei, Kompetenz in Aufbau- und Verbindungstechnologien/Packaging
das Fraunhofer-IZM und der TU-Forschungsschwerpunkt Mikroperipherik.
Ein BMWA-gefördertes Projekt mit Beteiligung der BAM und und der Firmen
W.C. Heraeus, Siegert TFT und VIA electronic ist ›LTCC – Glaskeramische Folien
und Multilayer-Technologie für das Packaging und die passive Integration
in der Mikrosystemtechnik‹ (Hybridmikroelektronik). Auf der Basis niedrig
sinternder glaskeramischer Folien (Low Temperature Cofired Ceramics LTCC) wird
ein Zero Shrinkage-Schichtverbund (laterale Schwindung bis auf ein Prozent
gesenkt) aus zwei unterschiedlich zusammengesetzten LTCC-Folien (für innere
und äussere Lagen) entwickelt. Die Außenschicht ist durch eine sehr geringe
Korn- und Porengröße gekennzeichnet. Daraus resultieren die erforderliche
geringe Rauheit und die angestrebte Dünnfilmprozessierbarkeit.
Fazit
Die Hauptstadtregion verfügt über umfangreiche Kompetenzen in der Dünnschichttechnologie. Das entsprechende Know-how spiegelt sich vor allem in
der Mikroelektronik wider. Die Forschungs- und Entwicklungsfragen sind aber
auch in den angrenzenden Technologiefeldern Photonik/Optoelektronik und
Photovoltaik von Belang und werden daher häufig gemeinsam mit Forschern
dieser Bereiche bearbeitet. Neue und Hochleistungsmaterialien sowie die
zugehörigen Herstellungsprozesse und Bauelemente sind nicht zuletzt für die
Informations- und Kommunikationstechnologie wichtig. Sowohl in der grundlagenals auch in der anwendungsorientierten Elektronik-Forschung werden
in Berlin-Brandenburg vielfältige und oft von mehreren Akteuren besetzte
Themen bearbeitet. Das sind
■ je nach Materialsystem: Silizium-, Verbindungshalbleiter- und organische
Elektronik (halbleitende Polymere); Hybridmaterialien, Quantenpunkte,
Ionenimplantation, lithographiegeeignete Materialien (Resiste), kohlenstoffbasierte Elektronik (Graphen);
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■ je nach Verfahren und Herstellungsmethode: Analytik in der Halbleitermaterialforschung, (klassiche) Halbleiterproduktion und Waferherstellung,
Epitaxie, Aufbau- und Verbindungstechnik, gedruckte Elektronik, Lithographie, Miniaturisierung/Nanotexturierung, Simulation von Materialien/
Herstellungsverfahren elektronischer Komponenten;
■ je nach dem Anwendungszweck: Leistungselektronik (Transistoren: OFET,
HBT, Schaltkreise: MMICs), Spin-/Magnetoelektronik für logische Operationen/Datenspeicherung, Molekularelektronik.
Die einschlägigen Forschungseinrichtungen und Unternehmen gehen vielfach
regionale Kooperationen ein und sind international vernetzt. Die mit BerlinBrandenburg konkurrierenden Standorte in Deutschland bearbeiten meist
die gleichen drängenden Fragen, setzen aber mit Blick auf die Entwicklung
von Alleinstellungsmerkmalen oft spezifische Prioritäten. Beispiele einer derartigen Profilierungsstrategie sind der Cluster für organische und gedruckte
Elektronik in der Region um Dresden mit etwa 16 Unternehmen und acht
Forschungsinstituten sowie das ›Forum Organische Elektronik‹ im RheinNeckar-Raum.
5.4.5 Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik
Abgrenzung
Die Dünnschicht-Sensorik bedient sich formal der gleichen Mittel und Materialien wie die Dünnschicht-Elektronik. Charakteristisch ist hier allerdings eine
Oberflächenwechselwirkung messtechnischer (oder sogar aktuatorischer) Art,
das heißt es werden andere, nichtelektrische Größen erfasst und in elektrische Signale umgewandelt. Diese Größen können chemische (zum Beispiel
Gase, Luftfeuchtigkeit), mechanische (Druck, strömendes Medium) thermische,
optische oder ähnliche Parameter sein. Die zugehörigen forschungsrelevanten
Bauteile sind damit
■ Gassensoren,
■ Strömungsmesstechnik (speziell Aerodynamik),
■ Piezo-Sensoren und -Aktuatoren,
■ bildgebende thermosensorische Beschichtungen (Thermochromie zum Beispiel zur Bauteilprüfung),
■ Objekterkennung/-überwachung (mit Fluoreszenzschichten).
Bezüge lassen sich auch zur Bio-Analytik und -Sensorik ziehen, die bereits im
Kapitel LifeScience beschrieben ist. Unter dem mikrosystemtechnischen und
werkstofflichen Aspekt, zum Beispiel bei der Signaltransduktion, werden im
Folgenden auch die biosensorischen Bauelemente in die Betrachtung einbe-
215
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zogen. Des Weiteren ist auch der Teil optischer Detektionsverfahren, der die
Signalverarbeitung in der Photonik betrifft, unter diesem Stichwort bereits
behandelt.
Wissenschaft
Die Gruppe Chemische Halbleitersensoren an der Humboldt-Universität zu
Berlin (Dr. Moritz) arbeitet seit 1982 an Forschungsfragen in der Kombination
aus physiko-chemischen Grundlagenuntersuchungen an Phasengrenzen und
der Entwicklung von Halbleiterbauelementen als chemische Sensoren, die ein
Stoffkonzentrationssignal in elektrische Potenzialdifferenz wandeln und verstärken (halbleiterphysikalische Untersuchungen vorwiegend an Silizium).
Auf Basis des Photoeffekts im Halbleiter wurden Verbesserungen bei der
lateralen Sensorauflösung erreicht: Es erfolgt keine oberflächengemittelte
Messung mehr, was die Mikroskopie von Oberflächenkonzentrationen ermöglicht, quasi ein ›Chemisches Mikroskop‹ (Laserscanning-Meßplatz zur Konzentrationsbestimmung mit einem Millimeter Auflösung, Scanning Photo-induced
Impedance Spectroscopy SPIM). Infolge dessen lassen sich auch Legierungen
in einem High-Throughput-Screening auf katalytische Aktivität und Sensorverhalten untersuchen. In einem Argon-Plasma wurden dazu ternäre Legierungen (50 nm Schichtdicke) mit einem lateralen Gradienten der Zusammensetzung auf Siliziumchips präpariert. Die Impedanz der dünnen Schicht
kann mit sehr hoher Auflösung sehr effektiv – für 625 Zusammensetzungen in
15 Minuten – bestimmt, und auf diese Weise die katalytische Aktivität charakterisiert werden.
Weitere derzeit untersuchte chemische Sensoren betreffen den Nachweis
von Sauerstoff, Fluorwasserstoff und Wasserstoff. So ist auf Halbleiterbasis ein
kostengünstig massenproduzierbarer Wasserstoffsensor (für Brennstoffzellensicherheit bezüglich explosiver Wasserstoff/Luft-Gemischkonzentration) mit um
Größenordnungen geringerem Energieverbrauch als bisher entwickelt worden.
In der Lehre vertritt die Arbeitsgruppe die Fächer ›Chemische Sensoren‹ und
›Elektrochemie für Fortgeschrittene‹, worin Einsatzfelder und Wirkprinzipien
diverser Sensoren sowie Elektrochemie von Sensoren bzw. Bauteilen (Brennstoffzellen) und deren Wirkmechanismen (Korrosionsvorgänge, Deckschichtbildung, Passivierung) vermittelt werden.
PD Dr. Werner Moritz
Der Arbeitskreis Angewandte Physikalische Chemie (Prof. von Klitzing) an der TU
Berlin forscht an Phasen, Grenzflächen und deren physiko-chemischen Wechselwirkungen. Zum einen beziehen sich Untersuchungen auf dünne flüssige
Filme (Benetzungsfilme, Filme zwischen zwei festen Grenzflächen). Dafür steht
die Beteiligung am Sonderforschungsbereich 448 ›Mesoskopisch strukturierte
Verbundsysteme‹ (1998 bis 2009) mit dem Teilprojekt B10 ›Einfluss von geometrischen Einschränkungen und Grenzflächenmodifikationen auf die Struktur-
Prof. Dr. Regine von Klitzing
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bildung kolloidaler Dispersionen in dünnen flüssigen Filmen‹. Einen zweiten
Arbeitsschwerpunkt bilden Polyelektrolytmultischichten und umgebungssensitive Hydrogelfilme. Dabei werden nanostrukturierte Polymerfilme mit
speziellen Responseeigenschaften (Impuls zum Beispiel Temperatur und/oder
pH-Wert) hergestellt und charakterisiert. Zur Oberflächenmodifikation stehen
Spincoater (Schleuderbeschichtung) und Bedampfungsanlage zur Verfügung,
sowie Apparate zur Oberflächencharakterisierung mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Röntgenreflektometrie (XRR). Die Kenntnis solcher StrukturEigenschafts-Beziehungen bereitet den praktischen Einsatz der Schichten als
intelligente Schalter und Sensoren vor.
In der Lehre vermittelt die Arbeitsgruppe Kenntnisse zu den Themen ›Kinetik
und Spektroskopie‹, ›Moderne Methoden der Strukturaufklärung‹, ›Physikalische Chemie der Grenzflächen‹, ›Polymere an Grenzflächen und in Nanofilmen‹
und anderes mehr.
Prof. Dr.-Ing. Roland Thewes
Am Fachgebiet Sensorik und Aktuatorik (Prof. Thewes) der TU Berlin werden
Halbleiter-/CMOS-basierte Sensoren und Aktuatoren erforscht und entwickelt,
wobei der Schwerpunkt auf biomedizinischen Anwendungen liegt. In einem
interdisziplinären Kontext von Mikroelektronik, Materialwissenschaften, Biochemie und Medizin entstehen Micro-Arrays für die Biomoleküldetektion
(DNA-Micro-Arrays) sowie in vivo- und in vitro-Plattformen am Interface zu
Nervenzellen/Nervengewebe oder biologischen neuronalen Netzwerken (Veröffentlichung ›CMOS Chips for Bio Molecule and Neural Tissue Interfacing‹,
2009).
Je nach Anwendungszweck werden sowohl die biologischen Grundlagen einer Detektionsaufgabe (Sensing) als auch die Umsetzbarkeit in CMOSTechnologie untersucht, das heißt elektronische Signalwandlungsmethoden
(Transducer) implementiert und ein entsprechendes Schaltungsdesign und
Systemintegration umgesetzt. Themen wie die elektrochemische Präparation
von Edelmetallelektroden, Selbsttestschaltkreise und Temperatursensoren in
CMOS-Biochips werden dabei auf Ebene der Chiptechnologie im Detail bearbeitet.
Der Fachbereich vermittelt in der Lehre allgemein Sensor- und Aktuatortechnik (auf Silizium- und CMOS-Basis, auch für Anwendungen wie CMOSImaging, CMOS-Kamera, integrierte Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Digital Micro Mirrors), aber auch speziell CMOS-Biosensorik.
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nitsche
Prof. Nitsche beschäftigt sich im Fachgebiet Aerodynamik an der TU Berlin mit
funktionalen Oberflächen für Strömungsmesstechnik und die aktive Strömungskontrolle an Luftfahrzeugen. Die angewendeten und selbst entwickelten Sensoriken umfassen verschiedene Oberflächenmessverfahren, die unterschiedliche Kräfte der über eine Oberfläche strömenden Luft erfassen:
■ Oberflächenhitzdrahtsensoren (oberflächenbündig über einen dünnen
Schlitz gespannter Hitzdraht zur Messung der wandnahen Geschwindig217
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keit und Bestimmung der Wandschubspannung über Gesetz der viskosen
Unterschicht),
Delta-Oberflächenhitzdrähte (im Dreieck angeordnete Wandhitzdrähte zur
Bestimmung der Wandschubspannung in Betrag und Richtung),
Heißfilm-Sensorik (konvektive Wärmeabgabe eines beheizten Sensorelements, Erfassung der Wandschubspannung),
Oberflächenzaun-Sensorik (Druckdifferenzmessung am kleinen Oberflächenhindernis zur Bestimmung der Wandschubspannung über Wandgesetz der viskosen Unterschicht),
Piezofolien-Sensorik (Polyvinylidenfluorid/PVDF zur Messung von Wanddruckschwankungen über piezo-elektrischen Effekt),
Drucksensitive Copolymerbeschichtung (Pressure Sensitive Copolymer/PSC als
Farbanstrich aufgebracht zur hochauflösenden Messung von Wandruckschwankungen über piezo-elektrischen Effekt).
Bemerkenswert ist die Entwicklung der Strömungsmess- und -überwachungstechniken in Richtung automatisierter, flächiger und mehrkanaliger Signalaufnahme bzw. -auswertung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Die
Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik sowie eine systemische Herangehensweise bezüglich verwendeter (Schicht-)Werkstoffe, physikalischer Effekte
(piezoelektrischer Effekt) und Vorbildern aus der Natur spielen hierbei eine
große Rolle.
Im Weiteren können aktuatorische Oberflächen die Strömungsgrenzschicht
beeinflussen, zum Beispiel die laminar-turbulente Transition verzögern. Dazu
dienten am Fachgebiet Projekte bzw. F&E-Arbeiten wie ›AVERT: Aerodynamic
Validation of Emission Reducing Technologies‹ und ›Von der Delfinhaut lernen:
Widerstandsreduktion durch aktive Laminarhaltung‹. Die aktive Grenzschicht-
Drucksensitive Copolymerbeschichtung (TU Berlin, Fachgebiet Aerodynamik)
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beeinflussung wird durch die sensorische Erfassung der Grenzschichtinstabilitäten und deren Überlagerung mit einer geeigneten Gegenstörung durch
einen Membranaktuator an einem diskreten Ort bewerkstelligt und damit die
laminar-turbulente Transition weiter in Richtung Flügelhinterkante verlagert
(AVERT). Bei der Widerstandsreduktion durch aktive Laminarhaltung mit Hilfe
aktiver Wanderwellen werden ebenfalls Störungen durch einen Referenzsensor
erfasst und stromab mit daraus berechneten Gegenwellen überlagert. Diese
beeinflussen aber nach dem Vorbild der flächigen Dämpfungseigenschaften der
Delfinhaut die Strömung nicht nur an einem diskreten Ort, sondern werden
in Form von Wanderwellen (räumlich verteilte Aktuation) über einen weiten
Bereich der Flügeloberfläche in die Grenzschicht eingebracht.
Das materialwissenschaftlich orientierte Forschungsfeld am Lehrstuhl Angewandte Physik II/Sensorik um Prof. Schmeißer (BTU Cottbus) widmet sich unter
anderem sensorischen Anwendungen (andere Themen vergleiche Kapitel
Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik, Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik, Photovoltaik und Energiewandlung und -speicherung).
Mit dem Ziel, elektronische Eigenschaften und geometrische Strukturen verschiedener Materialien, wie WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen aufzuklären,
werden Schichten und Schichtstrukturen präpariert (CVD von SiC-Schichten,
Beschichtungseinrichtungen für Sensoren wie Airbrush, Schleuderbeschichtung/Spin-Coating, Plotten) und spektroskopisch oder spektromikroskopisch
untersucht. Dafür stehen den Forschern die elektronenspektroskopischen Techniken Röntgen-Photoelektronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen- (UPS),
wellenlängendispersive Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) und die spektromikroskopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch wird
hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II als
Anregungsquelle genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchungen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).
Neben den spektroskopischen Untersuchungen von Materialien für Sensoren werden am Lehrstuhl auch Sensoren auf der Basis von organischen Feldeffekttransistoren, Widerstands- und piezoelektrischen Schichten entwickelt
und getestet (Fokus Herstellung von mechanischen, Gas- sowie Biosensoren
und deren Charakteristik bezüglich Sensitivität, Selektivität, Temperaturabhängigkeit, Langzeitstabilität). Abgeschlossene Forschungsprojekte zum Thema
Sensorik sind
■ Kraftsensoren aus Polymerfolien – Piezoelektrische Polymersensoren für
Hochdruckanwendungen, in Kooperation mit Fraunhofer-IAP und Thyssen
Umformtechnik Leichtbau Entwicklungs GmbH, Ludwigsfelde als Anwender
(1998 bis 2000),
■ Sensoren für schwefel- oder stickstoffhaltige Stoffgruppen (1999 bis 2000,
Nachweis des Analytgases durch reversible Anlagerung/Adsorption an die
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Polymeroberfläche des Sensors, hochaufgelöste Registrierung durch Änderung der Resonanzfrequenz des Polymerfilms),
■ Sensorarray für umwelt- und tierphysiologisch relevante Komponenten
(1999 bis 2000, massensensitive, selektive Schwingquarzsensoren auf der
Basis speziell beschichteter Polymere),
■ SekoSub-Polymelek – Sensoren mit mikrostrukturierten Elektroden aus
leitfähigen Polymeren (1996 bis 1999, mikrostrukturierte Sensoren aus
Schwingquarz, Elektroden und sensitiver Beschichtung, selektives Beschichtungsmaterial aus funktionalisierten Polymeren für die Detektion von
aliphatischen, aromatischen und halogenierten Kohlenwasserstoffen).
Aktuell wird unter dem Titel ›Präparation von technologisch relevanten Dünnschicht-Systemen unter praxisnahen Bedingungen und Analyse ihrer polykristallinen Materialeigenschaften‹ durch Ausbau einer Collaborating Research
Group (CRG) an BESSY II die Grundlagenforschung an physikalisch-chemischen
Prozessen an Oberflächen von polykristallinen Materialien bestärkt. Dies beinhaltet unter anderem die Herstellung von oxidischen Filmen für chemische
Sensoren.
Der Lehrstuhl kooperiert vielfach mit regionalen und überregionalen Forschungsinstituten und Industriepartnern, zum Beispiel mit HZB/BESSY, IKZ, FBH,
An der Universität Potsdam werden im Fachbereich Angewandte Physik kondensierter Materie (Prof. Gerhard) homogene und heterogene Polymerschichten und Polymerkomposite untersucht und präpariert, die durch lineare oder
nichtlineare (di)elektrische, piezo- und pyroelektrische Eigenschaften gekennzeichnet sind. Diese Eigenschaften begründen die Eignung solcher Materialien
(Dünnschichten) als Signalwandler, also deren Fähigkeit, physikalische Größen
(Druck, Strahlung) in ein elektrisches Signal umzusetzen. Anwendungen der
Polymerschichten und Polymerkomposite in elektromechanischen Wandlern,
in Sensoren für Schall, Ultraschall oder Infrarotstrahlung und in Aktoren wie
künstlichen Muskeln oder Flachlautsprechern werden am Fachgebiet untersucht und Sensor- und Bauteilkonzepte getestet. Kooperationen bestehen
regional mit dem Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik (HHI), dem
Fraunhofer-IZM und dem Fraunhofer-IAP sowie auf internationaler Ebene.
Prof. Dr. Reimund Gerhard
An der Fachhochschule Brandenburg, Fachbereich Technik, forscht und lehrt
Prof. Möllmann, Professor für Experimentalphysik/Festkörperphysik, im Bereich
Mikrotechnologie und Mikrosystemtechnik. Im Vordergrund stehen Sensorentwicklung und -anwendung, also Entwurf, Parametermodellierung, Technologie- und Prototypentwicklung für Dünnschichtsensoren. Gegenstand der
F&E sind außerdem optische Schichten, Schichtsysteme, elektrische Funktionsschichten und die Entwicklung und Prototypfertigung anderer Dünnschichtfunktionselemente, zum Beispiel die in einem Kooperationsprojekt mit
Prof. Dr. Klaus-Peter Möllmann
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der Industrie entstandenen diffraktiven Optiken wie Fresnellinsen (SiliziumMikrostrukturen zur optischen Abbildung). Im Mikrotechnologielabor der Fachhochschule stehen unter Reinraumbedingungen Dünnschichtfertigungs- und
-strukturierungstechnologien zur Verfügung, zum Beispiel
■ Vakuumbeschichtung mit Elektronenstrahlbedampfung, thermische
Bedampfung, RF-Sputtern, DC-Sputtern,
■ Ionenstrahlätzen, Plasmaätzen, Nassätztechnik,
■ Maskierung und Photolithographie bis 6‘‘-Wafer, Doppelseitenbelichtung,
UV-Aushärtung.
Einzelne Verfahrensschritte werden durch Erproben verschiedener Materialsysteme und technologischer Verfahren optimiert; der Analytik dienen spektroskopische Methoden vom UV-, über den visuellen bis in den Infrarotbereich
(UV-VIS-NIR-Zweistrahlspektrometer und FTIR-Spektroskopie), und auch eine
messtechnische Bewertung mikrostrukturierter Bauelemente kann vorgenommen werden.
Dr.-Ing. Friedhelm Heinrich
TH Wildau werden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen und Wirtschaftspartnern optische und photonische Komponenten
entwickelt (Kapitel Lichtemission/Photonik).
Mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) unterhält die
TH Wildau seit 2006 ein Jointlab, ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbildung
auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger siliziumbasierter Bauelementekonzepte und Technologien, unter anderem für die
Hochgeschwindigkeits-Elektronik. Im Projekt Funktionale Kohlenstoffschichten
(2009 bis 2011) lag das Interesse besonders bei Graphen, daraus aufzubauenden Höchstfrequenzbauelementen und deren Anwendungen. Insbesondere wurden Verfahren zur Erzeugung von Graphenschichten untersucht und
anschließend versucht, mit den Schichten höhere Grenzfrequenzen im Teraherz-Bereich zu erreichen und damit neue Anwendungen unter anderem in
der Sensorik zu erschließen.
Dr. Thomas Hübert
In der Arbeitsgruppe Chemische Sensorik; Sol-Gel-Technik (Dr. Hübert) der BAMFachgruppe 6.4 Oberflächentechnologien liegt der Schwerpunkt auf Oberflächentechnologien für Mikroelektronik und Gassensorik, wozu die Bestimmung
von Struktur und Eigenschaften sowie Herstellung und Anwendung glasiger
und keramischer Werkstoffe in Form von Schichten dienen. Multifunktionelle
Sol-Gel-Beschichtungen, deren Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des SolGel-Prozesses sind Untersuchungsgegenstand, ebenso die thermischen und
elektrischen Eigenschaften von Hartstoffschichten, glasigen und keramischen
Schichten. Neben diesen, die Zuverlässigkeit von Schichten bestimmenden
Faktoren werden ganze Sensorelemente und -systeme für den Nachweis von
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Gasen, Dämpfen und Feuchtigkeit – Sensoren für die Bestimmung von H2,
CO2, SO2, NH3, CH4, VOC (flüchtige organische Verbindungen) und Alkoholen –
geprüft, kalibriert und validiert.
Die Arbeitsgruppe kooperiert im Arbeitskreis Nanotechnologie (AK Nano) mit
anderen BAM-Arbeitsgruppen zum Thema Nanoschichten mit ihrer Kompetenz
im Bereich Sol-Gel-Technik. Mit dem Arbeitskreis engagiert man sich im sicheren Umgang mit Nanomaterialien (Leitlinie ›Sicherheit in Technik und Chemie‹
der BAM).
In der Gruppe Siliciumcarbid-Epitaxie (Dr. Wagner) des Leibniz-Instituts für
Kristallzüchtung (IKZ) stehen die epitaktische Züchtung von SiC-Schichten bzw.
die Oberflächenpräparation von SiC-Wafern im Mittelpunkt. Durch Einbau von
Aluminium oder Stickstoff in die 4H-SiC-Epitaxieschichten werden Defektstrukturen erzeugt (Al zur Einstellung als p-Leiter/Akzeptor unter Verwendung von
Trimethylaluminium, TMA, bzw. N2 zur konzentrationsgenauen Einstellung als
n-Leiter/Donator), charakterisiert und die Schichtmorphologie bestimmt. Auch
können micropipes in 4H-SiC-Wafern durch epitaktische Schichten geschlossen werden. Die Schichtabscheidung geschieht nach dem Hot-Wall Chemical
Vapour Deposition-Verfahren (Hot-wall CVD), darauf folgen verschiedene oberflächen- und schichtanalytische Verfahren wie
■ Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) zur zerstörungsfreien
Bestimmung der Epitaxieschichtdicke,
■ Rasterkraftmikroskopie (AFM), Oberflächenprofilometrie zur Charakterisierung der Schichtmorphologie,
■ Rasterelektronen- (REM) und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)
zur Untersuchung von Kristalldefekten,
■ Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) zur Ermittlung der Al-Konzentration in den Epitaxieschichten,
■ Kapazitäts-Spannungs-Messung zur Bestimmung der Netto-Ladungsträgerkonzentration in den Schichten.
Dr. Günter Wagner
In einem gemeinsamen Projekt mit der Firma sglux und dem FerdinandBraun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) entwickelte das IKZ ab 2009
eine SiC-Photodiode, speziell das epitaktische Wachstum von SiC-Schichten auf
neuer Wafergröße.
Der Optotransmitter-Umweltschutz-Technologie e.V. (OUT e.V.) ist eine Industrieforschungseinrichtung im Bereich optoelektronische Hochtechnologien mit
Kompetenzen in Beschichtungstechnologien, Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, Messtechnik/Sensorik (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik und Lichtemission/Photonik).
Der noch junge Bereich Sensorik befasst sich mit der kompletten Entwicklung elektrooptischer Sensoren bis zum Prototypen. 2006 gelang der erfolgreiche Abschluss eines Projekts zur Entwicklung eines 3D-Abstandssensors. Das
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entwickelte Wirkprinzip (Flugzeitprinzip, Time of Flight/TOF eines Laserimpulses)
wurde in Kooperation mit dem Bereich Mikroelektronik der TU Berlin in eine
elektronische Schaltung umgesetzt (und eine Opto-ASIC, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung in der 0,6µm BiCMOS-Technologie durch die
XFab in Erfurt hergestellt). Bereits umgesetzte bzw. potenzielle Anwendungen
des 3D-Abstandssensors sind die Vermessung, Zählung und Klassifikation von
Objekten und Personen bis hin zu Gesichtserkennung, intelligenter Airbagsteuerung oder Steuerung autonomer Roboter/Fahrzeuge.
Dr. Armin Wedel
Dr. Wedel leitet am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung
IAP die Abteilung Funktionale Polymersysteme, deren Forschungs- und Entwicklungsinhalte (opto-)elektronische Bauteile bzw. Materialien sind (Bereich
Funktionsmaterialien und Bauelemente). Neben diesen (Kapitel Lichtemission/
Photonik und Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) werden funktionale
Polymersysteme hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für sensorische Aufgaben
erforscht. Bei Materialsynthese und Verarbeitung funktionaler Polymere
(elektrische Aufladung/Polung spezieller Polymerfolien, zum Beispiel aus
Polyvinylidenfluorid PVDF und Polypropylen PP) spielen demnach
■ piezoelektrische Polymere für Sensoren in Umform- und Drucktechnik/
Strömungsmesstechnik,
■ polymere Elektrete für Wandler und Aktoren (zum Beispiel zur Schallerzeugung im Kilo- und Megahertzbereich; Projekt ›Entwicklung von Ultraschallwandlern mit piezoelektrischen Polymerfunktionsschichten und deren
Einsatz bei der Untersuchung von Lacken und Klebstoffen‹, 2006 bis 2009)
und
■ 3D-Phasengitter für Abstandssensoren
eine Rolle.
Großflächige funktionale Beschichtungen kommen als Fluoreszenzschichten in
der Oberjektüberwachung zum Einsatz. Dies wurde in einem gemeinsamen Projekt mit dem Fraunhofer-Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik
(FIRST, Berlin) entwickelt: Mit fluoreszierendem Material (Nanopartikel in einer
Matrix) beschichtetes Fensterglas wird mit UV-Licht bestrahlt, woraufhin eine
gewisse Fluoreszenzstrahlung von im Fensterrahmen befindlichen Sensoren
detektiert wird. Wirft ein Objekt Schatten auf das Glas, sinkt auch die Fluoreszenzstrahlung der Sensorschicht; mit entsprechender Auflösung (also Anzahl)
der Fluoreszenz-Sensoren können Objektgröße, Bewegungsgeschwindigkeit
und -richtung detektiert werden. Die Sensorschicht kann in Form einer
Folie aufgeklebt oder in Airbrush-Technik auf Fensterscheiben gesprüht
werden.87
87
Vgl. Standortmanagement Golm
gemeinnützige GmbH (Hrsg.) (2009).
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Die Gruppe Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide am Fh-IAP (Prof.
Laschewsky, zugleich Professor für Angewandte Polymerchemie an der Universität Potsdam) beschäftigt sich mit Polymeren und deren Grenzflächengestaltung
auf Nanoebene. Neben Anwendungen in der Nano-Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik (vergleiche Kapitel Oberflächen in der Nano-Biotechnologie
und Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik) werden Anwendungen
von geordneten Schichten monodisperser Polymerkolloide in der optischen
Sensorik und Messtechnik erforscht. Die Selbstorganisation von Latexpartikeln
zu optischen Funktionsmaterialien (Partikelarrays) stand im Mittelpunkt des
BMBF-geförderten Verbundvorhabens ›Maßgeschneiderte Polymerlatices und
ihre Selbstorganisation zu Partikelarrays für Anwendungen in der optischen
Informationsverarbeitung und Sensorik‹. Durch Emulsions- und Dispersionspolymerisation werden in wässrigen und organischen Medien monodisperse
Styren- und Acrylatpartikel definierter und einheitlicher Form und Größe (ca.
50 bis 5000 nm) mit gezielt eingestellter Oberflächenladung und funktionalität
synthetisiert. Modifizierungen können die Funktionalisierung mit unterschiedlich hydrophilen (Hydroxy-, Carboxyl, Amino-, Thiol-) oder reaktiven (Epoxy-,
Aldehyd-) Gruppen sein, aber auch Kern-Schale-Aufbauten.
Die polymeren Nano- und Mikropartikel lassen sich zu hochgeordneten,
kristallähnlichen Strukturen (selbst-)organisieren, was durch ihre Größe,
gegenseitige Anordnung, elektrische Ladung und chemische Funktionalität
der Partikeloberfläche bestimmt wird. Es wurden unterschiedliche Abscheidetechniken entwickelt, darunter Sedimentation, hydrodynamischer Fluss unter
eingeschränkter Geometrie und Vertikalabscheidung beim Verdunsten des
Dispersionsmittels und damit einige Quadratzentimeter große und ein bis 50
Partikelschichten dicke Filme erzeugt. Je nach Größenordnung der Lichtwellenlänge führen die Gitterebenen der Kolloidkristalle zu Lichtbeugung und somit
zu Farbeffekten (Strukturfarben). Mit dieser bottom up-Strategie zum Aufbau
optischer Gitter mit definierter Gitterkonstante und Schichtstruktur (Multischicht-Partikelarrays als 3D-Transmissionsgitter) wird eine einfache Alternative
zu mikrolithographischen oder holographischen Verfahren (top down-Verfahren) bereitgestellt. Nachteilig ist die begrenzt erreichbare Perfektion durch die
Selbstorganisation, vorteilhaft wirkt sich dagegen aus, dass aus der Variation
der Partikelgröße optische Materialien für Einsatzgebiete vom UV- bis in den
IR-Bereich resultieren können.
Photonische Raumgitter sind Grundlage für optische Schalter und Sensoren
und können Filterfunktionen in der Objekterkennung und Messtechnik haben.
Auch räumlich-periodische Brechzahlstrukturen, die eine Lichtausbreitung
nur in bestimmten Richtungen und Frequenzbändern zulassen (›photonische
Kristalle‹, photonic band gap materials) haben neben ihrem Einsatzzweck als
Strukturfarben (zum Beispiel dekorative Effekte in Fahrzeuglacken) Potenzial als
Sensorelemente, Wellenleiter, optische Schalter und Lasermaterialien.
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Dr. Thomas Köpnick
Das Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik (IDM) beschäftigt
sich seit Langem mit der Erforschung neuer Materialien, deren Synthetisierung
(chemisches Know-how) und Analytik (Atomkraftmikroskopie, Kontaktwinkelbestimmung) für die Oberflächenmodifizierung und Anwendung als dünne
Schichten. Dazu werden Druckverfahren (Micro-Printing), Sprüh- (SprayCoating), Schleuder- (Spin-Coating) und Tauchbeschichtung (Dip-Coating),
Selbstorganisation/Langmuir-Blodgett-Technik und Vakuumabscheidung herangezogen.
Arbeitsschwerpunkt des Bereichs Mikrosensorik (Dr. Köpnick) ist der Einsatz
sensitiver organischer Materialien (Polymere) in dünnen Schichten für sensorische Bauelemente. Dies wird unter anderem für die klassische Gassensorik
(Gas- und Feuchtesensoren) weiterentwickelt (zur Anwendung in Biochips vergleiche Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik).
Prof. Dr. Bernd Tillack
Dr. Mario Birkholz
Prof. Tillack ist Leiter der Abteilung Technologie am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) und gleichzeitig Professor im Fachgebiet Technologie
von siliziumbasierten integrierten Höchstfrequenzschaltungen an der TU Berlin. Das Institut widmet sich Si-Halbleitertechnologien für sehr hohe Frequenzen, deren Anwendungen neben der Kommunikationstechnik in der Sensorik
liegen.
Ganz im Sinne der zunehmenden Konvergenz von Mikroelektronik und
Biotechnologie ist die Entwicklung eines minimalinvasiven Glukose-Sensors
am ihp durch Dr. Birkholz (GlucoPlant-Projekt), die vom BMBF im Rahmenprogramm ›Intelligente Implantate‹ gefördert und gemeinsam mit BerlinBrandenburger Partnern (AG Zellbiologie Humboldt-Universität zu Berlin, BST
BioSensor Technologie GmbH, Charité Berlin, Schlosspark-Klinik Berlin und
andere) durchgeführt wurde. Der Sensor basiert auf einem MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), genauer einem Mikroviskosimeter, das durch Miniaturisierung (Sensormaße 1.3 x 0.4 x 0.2 mm) des gesamten Bauteils für die
dauerhafte, halbinvasive Glukosemessung bei Diabetis-Patienten geeignet ist.
Auch die weiteren Projekttitel/Veröffentlichungen zeigen die Nutzung der
mikroelektronischen Entwicklungen (insbesondere Halbleiter-Dünnschichten)
für biosensorische und biotechnologische Anwendungen:
■ ›Ultrathin TiN membranes as a Technology Platform for CMOS-integrated
MEMS and BioMEMS Devices‹
■ ›Corrosion-resistant metal layers from a CMOS process for bioelectronic
applications‹
■ ›Separation of extremely miniaturized medical sensors by IR laser dicing‹
■ ›Structure of Biomembrane-on-Silicon Hybrids‹
■ ›Self-Organized Pattern Formation of Biomolecules at Silicon Interfaces‹
Die technische Basis bilden verschiedenste Dünnschichttechnologien der
Mikroelektronik wie Photolithographie (Laser-Belichtung), Trockenätzen,
physikalische und chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD, CVD,
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PECVD, SACVD, LPCVD), epitaktisches Schichtwachstum (Niedrigtemperatur- und
Hochtemperatur-Si-Epitaxie), Ionenimplantation, Rapid Thermal Processing (RTP) für Temperung, Oxidation und Silicierung sowie Messtechniken für
Schichtdicken-, Widerstands- , Defektdichten- und Topologiemessung (Rasterelektronenmikroskopie REM, Rasterkraftmikroskopie AFM) und Röntgendiffraktometrie.
Wirtschaft
Bei der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG werden für die Triebwerksentwicklung und die damit verbundene messtechnische Kontrolle der Temperaturführung, Strömungsführung bzw. Druckverteilung sogenannte Thermalfarben zur Oberflächentemperaturmessung verwendet. Diese Indikatorfarben
sind temperatursensibel und identifizieren bzw. messen durch eine irreversible
Farbänderung Temperaturhöchstwerte bzw. umgebende Temperaturgradienten. Sie sind damit eine einfache, effektive und kostengünstige Technologie,
um eine permanente visuelle Aufzeichnung des thermischen Verhaltens von
Triebwerkskomponenten zu erlangen. Die Farbe lässt sich auf komplexe Geometrien aufbringen und verändert das thermische Verhalten der zu testenden
Komponente nicht. Zwei Gruppen von Farben für niedrige und hohe Tempe-
Rolls-Royce Deutschland
Ltd & Co KG
Thermalfarben zur Oberflächentemperaturmessung (Quelle: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG)
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raturen existieren: MC Paints ≤ vier Farbwechsel, Temperaturbereich 120 °C bis
590 °C und TP Paints ≥ fünf Farbwechsel, 500 °C bis > 1300 °C.
Analog zu den Thermalfarben funktioniert das neue Verfahren mit temperatur- oder drucksensiblen, reversiblen Farbbeschichtungen (Temperature
Sensitive Paints, TSP bzw. Pressure Sensitive Paints, PSP). Beide liefern den
Entwicklern hochauflösende Echtzeitaufnahmen von stationären wie von
rotierenden Oberflächen. Weitere oberflächentechnische Kompetenz bei RollsRoyce ist im Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik dargestellt.
First Sensor Technology GmbH
Die First Sensor Technology GmbH ist ein 1999 aus einem Forschungsschwerpunkt der Technischen Universität Berlin hervorgegangenes Unternehmen, das
Drucksensoren in Serie als auch kunden- und anwendungsspezifisch herstellt.
Anwender der Drucksensoren sind die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik, Prozess- und Automatisierungstechnik (zum Beispiel Vakuumtechnik), Haushaltsgerätetechnik und Medizintechnik.
Bei der Sensor-Entwicklung widmet sich First Sensor Technology SiliziumDrucksensorchips auf Basis eines piezoresistiven Wirkprinzips (zum Druck proportionales Spannungsausgangssignal) für Absolut- bzw. Relativdruckmessung. Entsprechendes Know-how ist bezüglich der Halbleiterprozessierung,
unter anderem zu doppelseitiger Lithographie und hochpräziser anisotroper
Si-Strukturierung vorhanden. Für höhere Temperaturen (Anwendungen bis zu
einer Betriebstemperatur von 225 °C) werden entweder ein Silicon on Insulator
(SOI)-Material oder andere hochtemperaturtaugliche piezoresistive Materialien
verwendet. Darauf aufbauend werden Drucksensorsysteme als OEM- und
Systemlösungen (Signalverarbeitung/Kalibrierung, Schnittstellen und Gehäuse)
entwickelt und produziert.
Seit 2010 ist die First Sensor Technology GmbH eine 100-prozentige Tochtergesellschaft der First Sensor AG (ehemals Silicon Sensor International AG).
sglux SolGel Technologies GmbH
Die sglux SolGel Technologies GmbH entwickelt und produziert UV-Messtechnik
auf der Grundlage von UV-Photodioden bzw. –detektoren, die auf verschiedenen Materialsystemen basieren. Das bewährte und damit hauptsächlich
eingesetzte Materialsystem ist Siliziumcarbid (SiC). Für bestimmte Anwendungen von UV-Photodioden entwickelte sglux Sensoren auf Basis alternativer
Detektormaterialien wie (Al)GaN und TiO2. Seit 2001 werden TiO2-UV-Messchips
in Serie produziert und laufend weiterentwickelt (zum Beispiel im Projekt
›UV-Photodioden‹, Detektor zur Brenner-Flammenüberwachung, 2008 bis
2010 mit der TH Wildau). Das Substrat wird durch einfaches Eintauchen in die
Lösung aus flüssigen Precursoren mit dem Dünnschicht-Halbleiter beschichtet
(Sol-Gel-Prozess, flexibel in der Anpassung der optischen und elektronischen
Halbleitereigenschaften). Als kostengünstig herstellbare Sensoren mit großer
aktiver Fläche sind sie unter anderem für Consumer-Anwendungen geeignet.
In einem gemeinsamen Projekt mit dem Ferdinand-Braun-Institut für
Höchstfrequenztechnik (FBH) und dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung
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(IKZ) entwickelte sglux ab 2009 aufgrund des Wegfalls der entsprechenden
Zulieferung eine eigene SiC-Photodiode. Die von sglux produzierten strahlungsharten SiC-UV-Photodioden zeichnen sich durch ihre hohe Visible Blindness, hohe Messgeschwindigkeit und niedrigen Dunkelströme aus.
Netzwerke
Der AMA Fachverband für Sensorik e.V. verbindet deutschlandweit rund 460
Forschungsinstitute und Unternehmen auf dem Gebiet Sensorik. Berliner Mitglieder sind zum Beispiel TU Berlin/Forschungsschwerpunkt Technologien der
Mikroperipherik, Fraunhofer-HHI, Fraunhofer-IZM, First Sensor Technology,
LEONI Fiber Optics GmbH. Der Verband vertritt die Interessen seiner Mitglieder
in den Bereichen Forschung und Entwicklungstrends, Aus- und Weiterbildung,
Tagungen und Kongresse, Förderprogramme, Statistik und Analyse. Außerdem
vergibt er den AMA Innovationspreis.
AMA
Fachverband für Sensorik e.V.
Fazit
Die Dünnschicht-Messtechnik/-Sensorik ist in Berlin-Brandenburg forschungsseitig stärker präsent als unternehmensseitig und entlang der vielschichtigen zu
messenden Größen jeweils durch verschiedene Fachgebiete der Universitäten
und Hochschulen bzw. Forschungseinrichtungen vertreten.
Für eine Gesamtbetrachtung von Oberflächen sensorischer und aktuatorischer Art erscheint es sinnvoll, die in der vorliegenden Studie unter Life Science
gefasste Bioanalytik/-sensorik einzuschließen.Für Dünnschicht-Sensoren mit
Messung von physikalischen und chemischen Parametern bedarf es je eines
Messprinzips und entsprechend sensorischer Materialoberflächen. Die Sensorik beruht heutzutage fast vollständig auf solchen Dünnschichtbauelementen.
Biologische bzw. biochemische Parameter stellen einen Sonderfall dar. Dort
steht die Entwicklung von Biomolekülen im Mittelpunkt, die anschließend per
Kopplungstechnik an (Chip-)Oberflächen gebunden werden (passende Kombination aus Substratwerkstoff-Biomolekül) und teils hochauflösende Microarrays (mit optischer Auslesung)/Biochips bilden, die ein Medium auf einen
bzw. viele verschiedene Parameter untersuchen (Multiparameterdiagnostik).
Für das so definierte Sensorik-Wissensgebiet wäre eine gesonderte Auswertung des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs nötig. Dabei sollte die
technisch verwandte Aktuatorik-Seite (zum Beispiel Strömungsbeeinflussung/
Aerodynamik) einbezogen werden. Die aktive Beeinflussung von Umgebungsparametern (Messen, Schalten, Regeln) mittels Dünnschicht- oder weitergehender Oberflächentechnologien birgt Innovationspotenzial mit engem Bezug
zu Energietechnik, Verkehrstechnik oder allgemein Verfahrens- und Produktionstechnik. Der Darmstädter Exzellenzcluster ›Smart Interfaces‹ erforscht
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beispielsweise Strategien, mit spezifischen Materialoberflächen den Transport
von Wärme, Flüssigkeiten oder Gasen zu beeinflussen und letztendlich effizient
zu steuern.88
5.4.6 Funktionstextilien
Abgrenzung
Unter Intelligenten Textilien/Smart Textiles werden diejenigen textilen Werkstoffe und Bauteile verstanden, die mit sensorischen oder elektronischen
Funktionen insbesondere für drahtlose Kommunikation, autarke Energieversorgung sowie verteilte Sensorik und Aktuatorik ausgestattet sind. Klassische
Schutzfunktionen wie mechanischer Ballistikschutz, Flamm- und Hitzeschutz,
antistatische Ausrüstung, Schadstoffbindung oder antimikrobielle Ausrüstung
von Textilien stehen ebenso im F&E-Fokus, wobei hier mittels klassischer
Textilveredelungstechniken, neuerdings aber auch verstärkt mit Erkenntnissen
aus Polymerchemie, Bio-, Mikro- und Nanotechnologie geforscht und entwickelt wird. Das Anwendungspotenzial ist breit gefächert, insbesondere in
Branchen wie Medizin und Sport (Überwachen von Vitalparametern, Megatrend ›Boomende Gesundheit‹), Schutzbekleidung, Bauwesen sowie Automotive (Erfassen der Umgebungsbedingungen, Megatrends ›Ubiquitäre Intelligenz‹ und ›Nachhaltigkeit‹).
Für die Oberflächentechnologien stellen Textilien zunächst nur ein anderes
Substrat dar, mit der Besonderheit, dass es flexibel ist und oft als dünner Werkstoff fungiert (Membranfunktion) bzw. Veredelungen schon beim Grundwerkstoff ›Garn‹ oder ›Faser‹ ansetzen können. Abgesehen von der Forschungsrichtung Textilleichtbau/leichte Schutztextilien mit Fokus auf den mechanischen
Eigenschaften der Werkstoffe gehen andere Funktionalisierungen fast immer in
Richtung Veränderung der Oberfläche bzw. Integration von Funktionen auf der
Fläche (Miniaturisierung und Inkorporation von Elektronik ins Textil).
Wissenschaft
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Astrid Bögner
88
TU9 German Institutes of Technology e.V.
(o.J.).
Jun.-Prof. Bögner vertritt seit 2003 das Lehr- und Forschungsgebiet Wearable
Technologien im Studiengang ›Gesundheitswissenschaften und Technologien‹
(zuvor ›Biomedizinische Gerätetechnik‹) an der BTU Cottbus. Mit den Schwerpunkten ›Smart Textiles and Clothes‹ sowie ›Wearable Computing and Electronics‹ konzentrieren sich Forschung und Lehre inzwischen auf biomedizinische
Anwendungen und E-Health-Konzepte, das heißt auf die Entwicklung in
Medizintechnik und Gesundheitsprodukte integrierter Computertechnik (smarte
Textilien und Kleidungsstücke, On-body-Technologien, Extreme Wearables).
Dabei stehen neue Funktionalitäten und Benutzerschnittstellen durch tragbare
229
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Elektronik und Datenverarbeitung im Mittelpunkt. Sie werden grundlagen- wie
anwendungsseitig – in Zusammenarbeit mit anderen Lehrstühlen wie Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik, Elektrotechnik und Kommunikationstechnik
auch experimentell – untersucht (Prototypen ›SensWear‹ und ›Solarweste‹).
An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin vertritt Prof. Schneider das
Fachgebiet Bekleidungstechnik/Konfektion, darunter das Arbeitsgebiet Textile
Werkstoffe mit den Schwerpunkten Funktionstextilien, Qualitätssicherung usw.
Ein Forschungsprojekt in den Jahren 2007/2008 beschäftigte sich mit ›Reparaturtechniken an textilen Flächengebilden für Bekleidung und für technische
Anwendungen‹. Als eine Art der Reparatur von Textilien werden Beschichtungen beschrieben, die beispielsweise der Kaschierung von Befleckungen durch
Überdeckung dienen, das sind
■ Nano-Beschichtung (Lotuseffekt),
■ Schmutzradierer (Abrasiver Abtrag von oberflächennahen Anschmutzungen),
■ Sol-Gel-Beschichtung (Adhäsiver Auftrag von polymeren/keramischen
Dünnschichten),
■ Sputtertechnik (Dünnbeschichtung von Oberflächen durch Aufdampfen
weniger Atomlagen).
Prof. Dr.-Ing. Thomas Schneider
Die anschließende Überführung experimenteller Befunde in Berechnungen
und reproduzierbare Ergebnisse sollten die Beurteilung eines schadhaften
Textils hinsichtlich seiner Reparaturfähigkeit ermöglichen.
In Fachvorträgen wie beim 1. FHTW-Symposium 2008 referierte Prof.
Schneider über ›Chancen innovativer Werkstoffe für Bekleidung und technische
Textilien, Textile Werkstoffe – Innovationen und Design‹, wobei Oberflächenmodifikationen, Barrierewirkungen, Wirkstofffreisetzung, Selbstheilung usw.
als Trends in der F&E an Textilien benannt wurden.
In der Fachgruppe 8.1 Mess- und Prüftechnik, Sensorik (Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung) der BAM um Prof. Daum erforscht man unter anderem intelligente Textilien, vornehmlich unter Verwendung faseroptischer Sensoren. Dafür
kommen polymere Fasern zum Einsatz (flexibel, kostengünstig, geringe Verletzungsgefahr bei Faserbruch). Sie können beispielsweise in einem ›medizinischen Kleidungsstück‹ verarbeitet anhand der Änderung des Brustumfangs die
Atmung überwachen. Denkbar ist auch die Überwachung des Sauerstoffgehalts
im Blut oder der Körpertemperatur. Die polymeroptischen Fasern (POF) dienen
nämlich nicht nur der Informationsübertragung sondern sind als örtlich verteilte Mess-Sensoren einsetzbar: Durch Messung des Streuverhaltens über die
Gesamtfaser können Ort und Intensität einer äußeren physikalischen Einwirkung festgestellt werden.
Prof. Dr.-Ing. Werner Daum
230
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Weiterentwicklungen der Arbeitsgruppe ›Verteilte und polymeroptische Fasersensorik‹ betreffen
■ den Einsatz neuartiger Werkstoffe mit integrierten faseroptischen Sensoren
(smart materials, smart structures) zur Schadensfrüherkennung und -lokalisierung (technische Textilien, Verbundwerkstoffe),
■ die Untersuchung innovativer Fasersensortypen (zum Beispiel Faser-BraggGitter in POF) für medizinische Anwendungen und den Personenschutz,
■ die Untersuchung optischer Glas- und Polymerfasern für den Einsatz in sensitiven technischen Textilien (smart technical textiles) für geotechnische und
medizinische Anwendungen sowie für den Personenschutz,
■ die Qualifikation neuer POF-Typen (zum Beispiel mikrostrukturierte POF)
für sicherheitsrelevante Anwendungen; Bestimmung von Zuverlässigkeit,
Funktionssicherheit und Lebensdauer von POF,
■ die Mitarbeit an Richtlinien und Normen für verteilte und polymeroptische
Fasersensoren.
Prof. Dr.-Ing. Thomas Löher
Im Bereich der Integration elektronischer Funktionen in Textilien forscht und
entwickelt auch das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Fachgruppe Dehnbare elektronische Systeme (Prof. Löher). Hier hat
man in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und im Rahmen des EU-Projekts ›STELLA‹ (2006 bis 2010) elektronische Systeme in dehnbare
Träger eingebettet, um funktionale Textilien insbesondere für die Anwendung
in der Medizintechnik zu bewerkstelligen. Als dehnbares Substrat für elektronische Schaltungen wurde thermoplastisches Polyurethan verwendet, auf das
eine dünne Folie Kupfer laminiert wurde, die anschließend fotolithographisch
strukturiert wurde und somit Kupferleiterzüge hinterließ. Längere Leiterzüge
wurden wie Mäander gestaltet, sodass sie bis zum Bruch auf etwa 300 Prozent
gedehnt werden können. Die sonst freiliegenden Leiterbahnen wurden durch
Laminieren in eine weitere Polyurethanfolie eingebettet. Das Ganze wurde mit
Komponenten bestückt, die wiederum eingekapselt wurden. Die so entstandene dehnbare Elektronik lässt sich in dehnbare bzw. textile Träger einlaminieren und damit zu entsprechenden Produkten weiterverarbeiten.
Dipl.-Ing. Torsten Linz
Christian Dils
Am Fh-IZM, Bereich Technologien für Mikrosysteme, wurde 2009 das IZM
TexLab: Lab for Integrating Electronics into Textiles (Dipl.-Ing. Linz) ins Leben
gerufen, das verschiedene Kompetenzen und Equipment zum Integrieren
von Elektronik in Textilien bündelt. Dazu wurden die am IZM vorhandenen
Werkzeuge (Aufbau- und Verbindungstechnik, Montage, Analytik/Zuverlässigkeitsprüfung) um Ausrüstung für die Textilverarbeitung ergänzt (Stickmaschine,
Thermopresse usw.). Die im TexLab durchgeführten interdisziplinären Projekte
betreffen diverse Anwendungsfelder, zum Beispiel Automobilinterieur, Medizintechnik, Modedesign und Logistik.
Während einer einjährigen Zusammenarbeit des Fh-IZM (Herr Dils) mit
der Universität der Künste (Fachbereich Mode- und Textildesign) im Projekt
231
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Knitted surface layer with optics (IZM/UdK)
›E-motion‹ entstanden zwischen 2008 und 2009 Entwürfe und Prototypen von
Kleidungsstücken, die mittels integrierter Elektronik (Sensoren, LEDs) mit Emotionen und Bewegungen des Menschen interagieren (Kapitel Kreativbranche/
Begleitforschung/sonstige F&E). Ein weiterer Entwurf namens ›Canvas‹ aus dem
Projekt ›Lichten‹ (2010), ebenfalls in Zusammenarbeit mit der UdK entstanden,
beschäftigte sich mit der Beleuchtung von Textilien. Das IZM unterstützte hier
die Umsetzung eines großflächigen Substrats auf Basis der SCB-Technologie
(stretchable circuit board), das aus mehreren Lagen aufgebaut ist (mittels
Laminiertechniken verbunden) und LEDs, Acryllinsen und beispielsweise
gestrickte Oberflächenlayer oder wärmeabführende, aus metallischen Garnen
gefertigte Gewebe integriert.
Das von 2007 bis 2010 bearbeitete Projekt ›INSITEX: Active Passenger safety
through Technical Textiles‹ legte den Fokus auf textilintegrierte Sensorik in
Automobilkomponenten (Sitz, Lenkrad, Dachinnenverkleidung), um aktiv die
Passagiersicherheit zu erhöhen, indem Sitzbelegung und Vitalwerte des Fahrers
messbar und die zugehörige Messtechnik miniaturisiert/in die Fläche integrierbar werden.
Die Gruppe System on Flex (Dr. Kallmayer) am IZM steht für die Entwicklung
und Qualifizierung von Verbindungstechniken auf flexiblen Schaltungsträgern.
Neben Technologien für die Integration ultradünner Komponenten in Sicherheitsdokumente (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) werden
auch jene zur Integration von Elektronik in Textilien entwickelt. Dies gilt für
alternative Verbindungstechniken wie Sticken oder Laminieren, aber auch für
textile Sensorik. Beispiele sind
Dr. Christine Kallmayer
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■ das Projekt ›ConText – Kontaktlose Sensoren zur Körperüberwachung‹ (2006
bis 2008, EU-finanziert), in dem kapazitive kontaktlose Sensoren in Textil
integriert wurden, um Muskelaktivität und Stress zu messen,
■ das EKG-T-Shirt, das mit gestickten EKG-Pads und gestickten dehnbaren
Polyamid-Garn-Leiterbahnen die Überwachung der Herztätigkeit ermöglicht,
■ das BMBF-geförderte Projekt ›TexOLED – Textile Flächen mit hoher Leuchtdichte‹: Ungehäuste LEDs werden mit thermoplastischem Elastomer
zwischen leitfähige Strukturen in Textil einlaminiert, die Polymer-Matrix
dient als nichtleitfähiger Klebstoff für die LEDs und als Isolator zwischen
den leitfähigen Strukturen.
Für die europaweiten Bemühungen, smarte Textilien in den industriellen
Maßstab zu bringen, steht das Folgeprojekt ›PASTA‹ (nach ›STELLA‹ von 2006
bis 2010), dessen Start im Rahmen des 7. Forschungsrahmenprogramms Ende
2010 bekanntgegeben wurde. In diesem Programm werden die Forschung
zu elektronischen Aufbau- und Verbindungstechnologien mit der Forschung
an textilen Werkstoffen verbunden, um die großflächige (industrielle statt
labormaßstäbliche) Herstellung von smarten Textilien für Sport- und Freizeitkleidung, Sicherheits- und Monitoring-Anwendungen technischer Textilien
und medizinische/gesundheitspflegerische Textilprodukte (vergleiche Gruppe
›Medical Microsystems‹ des Fh-IZM unter Biokompatible und bioaktive Oberflächen) voranzubringen. Durch das Projekt werden vier Anwendungsgebiete
bedient werden: selbstleuchtende Sport- und Freizeitkleidung mit integrierter
photovoltaischer Energiegewinnung (auch unter dem Aspekt Waschbarkeit), in
Bettwäsche integrierte Feuchigkeitssensorik, in Heimtextilien integrierte LEDHinweissignale für Gebäudeevakuierungsfälle und in situ-Monitoring-Sensorik
für akkumulierte Beanspruchung in Verbundwerkstoffen.
Berliner Partner im Projekt sind das Fraunhofer-IZM mit seiner Expertise zu
hochintegrierter Mikroelektronik sowie die PEPPERMINT Holding GmbH, die in
mehreren Einzelunternehmen technische Textilien (inkl. Druck und Veredlung)
und Spezialgarne entwickelt und produziert.
Netzwerke
Forschungskuratorium Textil e.V.
Das Forschungskuratorium Textil e.V. ist ein als Dachmarke für Textilforschung
in Deutschland operierender Verein, dem Textilforschungsinstitute und Verbände aus vor- und nachgelagerten Unternehmensbereichen entlang der
Textilwertschöpfungskette (Textilmaschinen-, Chemiefaser-, Textilhilfsmittel-,
Farbstoff-, Modeindustrie) angehören. Das Kuratorium organisiert industrielle
Gemeinschaftsforschung, vor allem in den Themenbereichen ›Gesundheit‹ und
›Kommunikation‹, in denen intelligente Textilien eine wichtige Rolle einnehmen.
233
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Fazit
Intelligente Textilien und insbesondere die Integration von Mikroelektronik
in flexible Werkstoffe wie Textilien (Wearables) bilden ein kleines, aber aufstrebendes Forschungsfeld. In Berlin-Brandenburg sind nur wenige Forscher
aus dem öffentlichen Bereich und kaum ein Unternehmen aktiv. Gleichwohl
sind die regionalen F&E-Ergebnisse durchaus vielversprechend und von überregionaler Leuchtkraft.
Das Forschungsfeld ist auch in Deutschland insgesamt noch jung, aber
die Entwicklungschancen werden bereits vielfältig konzeptionell vorgedacht.
Dies gilt insbesondere für Kooperationen von Mode, Design und Kunst mit der
Mikrosystemtechnik.
In der Zusammenarbeit mit der örtlichen Kreativbranche (Kapitel Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E) zeichnen sich auch für BerlinBrandenburg Wachstumsmöglichkeiten ab. Dabei geht es einmal darum,
Anwendungsszenarien zu den Basisentwicklungen zu entwerfen. Zum anderen
wäre zu eruieren, welcher Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Hinblick
auf intelligente Textilien in künftigen Lebens- und Arbeitswelten besteht. Die
Umwandlung in vermarktbare Produkte mit massentauglicher Herstellung
(Machbarkeitsstudien) sowie die Entwicklung von Geschäftsmodellen zu
Verbreitung und Steigerung der Nutzerakzeptanz stehen ebenfalls aus.
5.5
Verkehr und Mobilität
Abgrenzung
Innerhalb des Zukunftsfeldes Verkehrssystemtechnik konzentriert sich die
Hauptstadtregion auf Schienenverkehrstechnik, Automotive/Straßenverkehr,
Logistik, Verkehrstelematik sowie Luft- und Raumfahrttechnik. In diesen
Branchen gab es 2009 insgesamt 50.000 Arbeitsplätze in produzierenden
Unternehmen und 2.000 Arbeitsplätze in wissenschaftlichen Einrichtungen.89
Teilweise werden sehr hohe, die Lebensdauer, Belastbarkeit und Funktionalität
betreffende Anforderungen an Komponenten, Bauteile und Produkte gestellt,
zum Beispiel wird hohe Leistungsfähigkeit bezogen auf Gewicht und Bauraumbedarf (Leichtbau) gefordert. Vordergründige Oberflächenphänomene,
die diese Faktoren beeinflussen, sind Reibung, Verschleiß und Korrosion.90
Oberflächentechnologien rücken somit als Verschleiß- und Korrosionsschutz
ins Blickfeld, ebenso im Leichtbau, wo Funktionen erhalten oder ausgebaut
werden, die der Konstruktionswerkstoff nicht aufweist. In Luft- und Raumfahrt sowie im Motorenbau kommen weitere Einflüsse an der Oberfläche wie
Strömung (Aerodynamik) und Hochtemperaturen hinzu; auch messtechnisch
werden Oberflächen modifiziert, das heißt mit Sensorik ausgestattet.
89
90
(2010).
234
10.02.12 14:20
Regionsspezifische Themen sind
■ Aerodynamik-messtechnische Oberflächen (Sensorik/Aktuatorik),
■ Membran/Multilayermaterialien für Hüllen von Luftfahrzeugen,
■ Hochtemperaturschutz im Flugzeugtriebwerksbau,
■ widerstandsmindernde Ribletoberflächen (zum Beispiel für Verdichterschaufeln in Triebwerken),
■ instandsetzende Oberflächentechnik für Luftfahrzeugkomponenten,
■ temperatur- und druckmesstechnische Lacke im Triebwerksbau,
■ Lackiertechnologie bei Fahrzeugkarosserien, Trocknersimulation, colormatchfähige Folientechnik (Hinterspritzen),
■ Korrosionsschutz im Karosseriebau, Beschichtung von Leichtbaumaterialien,
■ kalte Fügetechnik, Beschichten und Fügen im Karosseriebau,
■ Reibverschleiß bewegter Teile (zum Beispiel in Verbrennungsmotoren),
■ biozider Oberflächenschutz an Wasserfahrzeugen (vor allem Sportbootbau).
5.5.1 Luft- und Raumfahrttechnik
Wissenschaft
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nitsche
Prof. Nitsche beschäftigt sich im Fachgebiet Aerodynamik der TU Berlin mit
funktionalen Oberflächen für Strömungsmesstechnik und aktive Strömungskontrolle an Luftfahrzeugen. Die angewendeten und selbst entwickelten
Sensoriken umfassen verschiedene Oberflächenmessverfahren, mit denen die
Strömung zunächst charakterisiert werden kann (zum Beispiel PiezofolienSensorik mit Polyvinylidenfluorid, PVDF oder Drucksensitive Copolymerbeschichtung/Pressure Sensitive Copolymer, PSC).
Des Weiteren können aktuatorische Oberflächen die Strömungsgrenzschicht
beeinflussen, zum Beispiel die Strömung laminar halten, also die laminarturbulente Transition verzögern. Dazu dienten Projekte bzw. F&E-Arbeiten wie
›AVERT‹, ›Von der Delfinhaut lernen: Widerstandsreduktion durch aktive Laminarhaltung‹ sowie die Laminarflügelforschung im Freiflug, bei der die Grenzschichttransition am Segelflugzeug mit Hilfe von Sensorarrays detektiert und
verschiedene Sensoren und Sensorarrays sowie Aktuatoren erprobt werden. Zur
genaueren Betrachtung der mikrosystemtechnischen Hintergründe von Sensorik und Aktuatorik sei auf das Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/
Aktuatorik verwiesen.
Am Fachgebiet dienen die genannten Messtechniken der Strömungskontrolle und -beeinflussung an luftfahrttechnischen Objekten bzw. Windkanalmodellen (Überschall-/ Unterschall-/ Grenzschichtkanal). Sie werden im Fach
›Experimentelle Methoden der Aerodynamik‹ gelehrt.
235
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Am Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik (kommissarischer Leiter Prof.
Viehweger) des Instituts Werkstoffe und Produktionsforschung der BTU Cottbus
werden innovative Werkstoff- und Oberflächensysteme und deren Herstellungstechnologien erforscht. Die Anwendungsschwerpunkte liegen bei Luftfahrt/Verkehrstechnik und Energietechnik.
Leistungen bzw. Ausstattung des Lehrstuhls Metallkunde und Werkstofftechnik umfassen:
■ Wärmebehandlungen und Umformungen
– Thermische und thermomechanische Behandlung (bis T = 1200 °C)
■ Mechanische Oberflächenbehandlung
– Verfestigungsstrahlen (Kugelstrahlen) mit Druckstrahl- und Injektoranlagen
– Strahlmittel: Stahlguss, Stahldraht, austenitischer Stahl, Keramik, Glasperlen
– Festwalzen (Hydraulische Fest-/Glattwalzvorrichtung)
■ Härtemessungen
– Makrohärtemessungen
– Kleinlasthärtemessungen
– Mikrohärtemessungen
■ Beschichtung
– Entwicklung und Herstellung von PVD-Schichten
– PVD-Beschichtungstechnik
– High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS-) Beschichtungsanlage
– Konventionelles DC-Magnetron-Sputtern
– Arc-Verdampfung
– Bauteilreinigungsanlage für Beschichtungsanlage
– Plasmamonitor
■ Prüftechnik
– Erosionsprüfstand für Kalterosion
– Forschungsanlage für Hochtemperaturerosion (im Aufbau)
– Oxidationsprüfstände
– Scratchtest
– Hochtemperaturtribometer
– Nanoindenter
Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
In umfangreichen Kooperationen, zum Beispiel mit den Lehrstühlen Fügetechnik, Angewandte Physik und Sensorik, Konstruktion und Fertigung, Mechanische Verfahrenstechnik der BTU Cottbus, dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht,
der BAM bzw. der GP Innovationsgesellschaft mbH, Rolls-Royce Deutschland,
Thyssen Umformtechnik Leichtbau Entwicklungsgesellschaft, Turbine Airfoil
Coating and Repair GmbH (TACR) werden sowohl bilateral als auch multilateral
Projekte durchgeführt. Dabei geht es beispielsweise um die Entwicklung von
Erosionsschutzschichten, HPPMS-Abscheidetechnologien für Verschleißschutz236
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schichten, Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln, strömungsoptimierte
Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen und Schichtsysteme für
hochbelastete Verdichterkomponenten.
Prof. Armin Abel
Der Bereich Werkstofftechnik, Fügetechnik, Schweißtechnik an der TH Wildau
(Prof. Abel) und die AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien (Prof.
Schrader) beschäftigten sich unter anderem mit der Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenspritzverfahren, die teure Plasma-Verfahren substituieren
können, zum Beispiel mit
■ modifiziertem Lichtbogenspritzen für ausgewählte Schichtsysteme im
stationären Gasturbinen- und Flugzeugtriebwerksbau (Zusammenarbeit
mit Krauss GmbH Aviation Technologies, Ludwigsfelde, Projektlaufzeit 2010
bis 2011, ZIM-Projekt),
■ Prozesscharakterisierung und Prozessdiagnostik zur Steigerung von Wirkungsgrad und Lebensdauer von Turbinen und zur Überholung/Reparatur
gebrauchter Teile.
Weitere Kompetenzen der AG finden sich in den Kapiteln Lichtemission/Photonik, Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik,
Sensorik/Aktuatorik.
Dr.-Ing. Wolfram Hage
91
Vgl. Walser, Manfred (SSWP) und Berger,
Rolf (2009), S. 5.
Am Institut für Antriebstechnik des DLR, Abteilung Triebwerksakustik, Außenstelle Berlin-Charlottenburg beschäftigt man sich mit der Strömungsbeeinflussung (Dr. Hage), und zwar in mehreren Projekten zu strömungswiderstandvermindernden Riblet-Oberflächen. Diese bauen auf den Erkenntnissen von
Prof. Bechert auf, der von dem Tübinger Paläontologen Reif in den 1970er
Jahren untersuchte Haischuppen künstlich nachbaute und im Wind-, Wasser- und schließlich ölgefüllten Kanal testete. Daraus hervorgegangen ist eine
kommerziell erhältliche Ribletfolie (zur cw-Wert-Senkung auf Flugzeugen und
potenziell auch bei Schnellzügen, der Innenbeschichtung von Pipelines oder
Rotorblättern von Windkraftanlagen91).
Die Riblets sind mikroskopisch kleine Rillen, die parallel zur Strömung
ausgerichtet und so dimensioniert sind, dass sie für die Strömung wie eine
hydraulisch glatte Oberfläche wirken. Sie behindern die turbulenten Queranteile der Strömung an der Wand und können die turbulente Wandreibung um
bis zu zehn Prozent reduzieren. Der Berliner Ölkanal (mit differentiell messender Schubspannungswaage für die genaue Messung der Wandreibung ebener
Oberflächen) erlaubt Untersuchungen mit im Vergleich zu Luft oder Wasser
hundertfach vergrößerten Strukturen.
Oberflächengestaltungen, die experimentell analysiert wurden, sind dreidimensionale Riblet-Oberflächen (Rillenstruktur mit Änderung der Rillengeometrie in Strömungsrichtung), Riblet-Oberflächen mit kleinen Zwischenrippen,
mit nicht-paralleler Anströmung, mit unterschiedlich scharfen Rippenspitzen
und zur Wandreibungsreduktion mit der Strömung mitbewegte Strukturen.
237
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Weitere Projekte waren/sind
■ ›Untersuchungen zur Reduzierung des turbulenten Widerstands durch
bewegliche Lamellen mit numerischen und experimentellen Methoden‹
(zusätzlich Partner-Projekt am Institut für Strömungsmechanik und Technische Akustik (ISTA) der TU Berlin),
■ ›Riblets auf Verdichterschaufeln‹ (in Zusammenarbeit mit mehreren Instituten der Universität Hannover): Zusammenhang fertigungsbedingter
Rauhigkeiten und turbulenten Wandreibungswiderstand vermindernder
Rillenoberflächen,
■ ›Herstellung von widerstandsvermindernden Oberflächen auf großen
Strukturen‹: Ersatz strukturierter Riblet-Folien durch ein Beschichtungsmaterial (strukturierter Lack).
Wirtschaft
Die Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG befasst sich im Triebwerksbau mit
Oberflächentechnik. Von Belang sind zwei Bereiche entlang der Triebwerksstufen – ein ›kalter‹ mit Verschleiß- und Dichtungsfragen sowie ein ›heißer‹ mit
Oxidations- und Hochtemperaturschutzanforderungen (bis 2000 K).
Die hauptsächlich als Beschichtung ausgeführte Oberflächenbehandlung
nimmt dabei ihren Platz neben einschlägigen Kühl- und Designmethoden des
Triebwerks ein, das heißt Temperatur- und Strömungsführung im Sinne des
Verschleiß- und Oxidationsschutzes geschehen nicht nur auf Ebene der Oberfläche.
Für Verschleißschutzschichten kommen Galvanik, Thermisches Sprühen
und Lackierung zum Einsatz; auch Reparaturen werden auf diese Weise durchgeführt. Gegen die erosive Bauteilabnutzung (Erosionskorrosion und Erosion
durch Kavitation) wirken alternierende Hart-Weich-Schichten (als Multilayer)
mit ihrer der Beanspruchung angepassten Elastizität. Für Dichtaufgaben verwendete Schichtmaterialien (abradable labyrinth seals) haben hingegen Auswirkungen auf das verwendete Substrat: Titan als Triebwerkschaufelwerkstoff
reagiert empfindlich auf die Zugspannung aus der Schicht. Ein großes Problem im Heißbereich ist das sogenannte Titanfeuer (Selbstbefeuerung wegen
schlechter Wärmeabführung des Titans), dem ebenfalls mit Beschichtungen
zum Hochtemperaturschutz begegnet wird. Dazu wurden einige Coatings aus
Aluminium, die bei etwa 630 °C eindiffundieren, getestet (diffusious coatings).
Seit dem Jahr 2000 werden einkristalline Ti-Schaufeln verwendet und mit der
Aluminiumoxidschicht versehen (›bond coat‹, galvanisch oder per thermischem Spritzen aufgebracht und wärmebehandelt), die die chemische Bindung
zu beiden Seiten, also auch zur nachfolgenden Wärmedämmschicht (›zirconiabased ceramic coating‹ per EB-PVD oder thermischem Spritzen) gewährleistet.
Eine aktuelle Problematik resultiert aus der REACH-Verordnung, nach der
giftiges Chromat (Cr VI), das in vielen Triebwerksteilen verwendet wird, für
Rolls-Royce Deutschland
Ltd & Co KG
238
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neu entwickelte Bauteile nicht mehr eingesetzt werden darf, sondern innerhalb weniger Jahre einen ungiftigen Ersatz finden muss. Als Alternativwerkstoffe könnten bekannte Lösungen auf Basis von Siliziumoxiden Verwendung
finden, wobei Unterschiede in der Anforderungserfüllung/Eignung sicher
noch zu kompensieren sind. Andere Verfahren wie das Laserauftragsschweißen mit entsprechender Pulvermetallurgie befinden sich in der Entwicklung
(Demonstrator-Stadium). Letztendlich möchte man bei Rolls-Royce auch mehr
Verständnis von Schichten erlangen – speziell davon, wie sie sich konsumieren. Schließlich werden sie unterschiedlichsten Anforderungen als Dichtungssysteme, Verschleiß- und Korrosionsschutz gerecht. Nachteilig scheint jedoch
zu sein, dass die Entwicklung von Werkstoffen deutlich länger dauert als die
Triebwerksentwicklung selbst. Es entsteht mithin ein gewisser Nachlaufeffekt:
Werkstoffe, die alle aktuellen Anforderungen erfüllen, stehen nicht ›on time‹
zur Verfügung.92
Für die Triebwerksentwicklung ist zudem die Temperaturführung (auch
Strömungsführung/Druckverteilung) und damit eine entsprechende Messtechnik von Bedeutung. Bei Rolls-Royce kommen daher sogenannte Thermalfarben zur Oberflächentemperaturmessung zum Einsatz (vergleiche Kapitel
Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).
aeroix GmbH
Das Unternehmen aeroix entwickelt und produziert technische Textilien für
angewandte Luftfahrttechnik, Maschinenbau und Architektur/Bauwesen
(vergleiche Kapitel Umwelttechnik). Die sogenannten Aerofabríx-Materialien,
beispielsweise der Dämmstoff ›aerofabríx [iso]‹ auf Membranbasis, bieten im
Bereich der Luftfahrttechnik gute Eigenschaften für Gleitsegel, Kites und Ballone. Für die Wärmedämmung werden auf zwei Membranen Filamentfasern
aufgeflockt; dadurch wird ein Luftspalt erzeugt. Die Fasern sind Abstandshalter
und hemmen zugleich die Konvektion. Der Membranwerkstoff hat ein sehr
geringes spezifisches Gewicht, ist reversibel komprimierbar, einfach zu konfektionieren sowie transluzent ausrüstbar. Eine Anwendung im Bereich fliegender
Membranbauten sind die so wärmeisolierten ›EcoMagic‹-Ballone (Hersteller
UltraMagic, über 50 Prozent Treibstoffersparnis der Ballone gegenüber herkömmlicher Technologie).
Mit ›aerofabríx [barriere] – ultraleichte Barrierefilme‹, einem heliumdichten
Hüllenmaterial mit hervorragender Schweißbarkeit, und den Barrierestoffen
aerofabríx [heptax], [octax] und [nonex] bietet das Unternehmen weitere
mehrlagige veredelte Membranmaterialien an, die bezüglich Heliumdichtigkeit, Metallisierung und optischer Eigenschaften sowie zusätzlicher Schutzbeschichtungen gegen mechanischen Abrieb und Feuchteschäden konfektioniert
für die kommerzielle oder die Anwendung in F&E lieferbar sind.
92
Vgl. Roth-Fagaraseanu, Dan (2011);
Rolls-Royce (o.J.).
239
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Die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH ist als privatwirtschaftliche
Ausgründung aus dem Forschungszentrum Berlin-Adlershof des Deutschen
Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) e. V. in Entwicklung, Design, Fertigung und Erprobung von Luft- und Raumfahrtkomponenten tätig. Aufgrund
der hohen Ansprüche in der Luft- und Raumfahrt wird hier Extremleichtbau
betrieben, werden Hochleistungswerkstoffe verarbeitet und in Reinraumumgebung gefertigt. Aufgabenstellungen in der Tribologie im Vakuum und die
Verarbeitung von Oberflächenbeschichtungen oder Superisolationen bilden
einen wichtigen Bestandteil der Wertschöpfung und werden mit bewährten
Kooperationspartnern aus den Bereichen Oberflächenbehandlung/Wärmebehandlung bearbeitet.
Astro- und Feinwerktechnik
Adlershof GmbH
Die Krauss GmbH Aviation Technologies bietet Instandsetzung und Neufertigung für Teile von Flugzeugtriebwerken, Hilfsgasturbinen (alle Hersteller) und
Fahrwerken (alle Fokker-Muster) sowie für Komponenten der Flugzeugzelle
(Boeing) an. Dazu bedient sich das Unternehmen verschiedener Verfahren der
Oberflächentechnik, für die allgemeine Fertigung auch des Schweißens und
der mechanischen Vor- und Endbearbeitung. Am Beispiel des Unternehmens
wird deutlich, welche Vielfalt an Oberflächenbehandlungen in der Luft- und
Raumfahrttechnik Anwendung findet (Übersicht 12).
Im März 1999 eröffnete die Krauss GmbH am Standort Ludwigsfelde das
oberflächentechnische Zentrum für die Luft- und Raumfahrtindustrie, in
dem nahezu alle für die Instandsetzung von Triebwerksteilen erforderlichen
Verfahren durchgeführt werden können. Die Betriebsstätte ist als ›LuftfahrtInstandhaltungsbetrieb‹ und ›Repair Station‹ zugelassen. Hier finden auch alle
Aktivitäten im Bereich Forschung und Entwicklung statt.93
Krauss GmbH
Aviation Technologies
Netzwerke
Der Forschungs- und Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik Berlin (FAV),
der 1997 gegründet wurde und dessen Koordination bei der TSB Innovationsagentur Berlin GmbH liegt, ist ein Netzwerk, in dem Kontakte zwischen Universitäten, Fachhochschulen und Forschungseinrichtungen, die sich mit dem
Thema Mobilität und Verkehr auseinandersetzen, sowie Unternehmen des
Verkehrstechnik- und Mobilitätssektors geknüpft und gepflegt werden. Unterstützt wird insbesondere die Partnersuche für die Einbindung in kooperative
F&E-Projekte. Die Arbeit des FAV zielt auf eine Positionierung der Region BerlinBrandenburg als führender Wissenschafts- und Wirtschaftsmarkt im Bereich
Verkehrssystemtechnik in Deutschland und Europa.
Von materialwissenschaftlicher Relevanz sind dabei Fragestellungen aus
den thematischen Schwerpunkten
■ nachhaltige Mobilität, Kfz-Technik/alternative Antriebe/beyond passive safety,
■ Luftfahrtantriebe (Safety & Security), Raumfahrt (Kleinsatelliten).
Forschungs- und Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik
Berlin FAV
93
Vgl. innovations monitor berlin |
brandenburg (o.J.); Krauss Aviation
Technologies (2011).
240
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Übersicht 12: Oberflächenbehandlungen bei Krauss GmbH Aviation
Technologies
Thermisches Spritzen
Lichtbogenspritzen
Niedrig und hoch legierter sowie austenitischer Stahl, Metalle (Mo,Cu,Ni,Sn) +Legierungen
Plasmaspritzen
Flammspritzen
HochgeschwindigkeitsFlammspritzen
Niedrig und hoch legierter sowie austenitischer Stahl, Metalle (Mo,Cu,Ni,Sn) und deren
Legierungen, Karbide, Oxide, Pulvergemische
Elektrochemische Verfahren
(Galvanik)
Metallisieren oder Entmetallisieren von funktionalen Oberflächen jeweils komplett oder
partiell von Stählen, austenitischen Stählen, Buntmetallen oder Ni-,Co-Werkstoffen
Galvanisches Abscheiden
Verwendete Schichtwerkstoffe: Cadmium, Nickel-Cadmium, Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Chrom
Stromloses Abscheiden
Nickel
Konvertieren
Brünieren, Phosphatieren, Chromatieren
Entschichten
Entfernbare Schichten: galvanische Schichten, thermische Spritzschichten, Lacke, Diffusionsschichten
Anstrichsysteme
(Lackieren)
Organische oder anorganische Lacküberzüge, als Korrosions- oder Verschleißschutz
angewandt
Organische Lacke
Porenfreie Schutzschicht zum Korrosions- und Errosionsschutz bei Temperaturdauerbelastungen bis 200 °C
Anorganische Lacke
Porenfreie Schutzschicht zum Korrosions- und Oxidationsschutz bei Temperaturdauerbelastungen bis 600 °C
Gleitlacke
Zur Erzeugung einer haltbaren Gleitlackschicht (PTFE, Graphit, MoS2) zur Verringerung des
Reibungskoeffizienten
Prozess-Strahlen
Oxidstrahlen (trocken)
Scharfkantiges, brechendes Strahlmittel auf keramischer Basis, zum Reinigen und/oder
Aufrauen der Oberfläche
Verdichtungsstrahlen
(Stahl- und Glaskugeln)
Zum gezielten Verfestigen, Verdichten oder Glätten der Oberfläche, auch Zugspannungen
werden abgebaut
Granulatstrahlen
(Kunststoff)
Zum Reinigen oder Entlacken von empfindlichen Oberflächen
Zerstörungsfreie Prüfung
(ZfP)
Prüfung der Bauteile während und nach einem Reparaturprozess auf Riss- und Beschädigungsfreiheit
Farbeindringprüfung
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der die Kapillarkräfte in feinen Oberflächenrissen und
Poren genutzt werden, um diese sichtbar zu machen
Magnaflux
Magnetpulverprüfung (auch Magnaflux oder MPI bzw. FMPI), bei der ferromagnetische
Werkstoffe einem Magnetfeld ausgesetzt werden und durch Einsatz von magnetischen
Partikeln Risse und/oder Einschlüsse auf der Oberfläche oder direkt unter der Oberfläche
sichtbar gemacht werden
241
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Fazit
Berlin und Brandenburg haben zu Oberflächentechnologien für die Luft- und
Raumfahrttechnik einige wenige, aber bedeutsame wissenschaftliche und
wirtschaftliche Akteure, die hauptsächlich die hohen Anforderungen an die
entsprechenden Bauteiloberflächen (Hochtemperaturschutz, Korrosion und
Ähnliches) auch in Form von Instandhaltung, aber auch sensorische Oberflächen (für Strömungs- und Temperaturführungsmessung) behandeln. Als
Teilgebiet der Luft- und Raumfahrt spielen Oberflächenbehandlungen permanent eine Rolle; in Form von Hightech-Werkstoffen finden Entwicklungen oftmals ihre erstmalige Anwendung in dieser Branche, bevor sie auch in
andere (Fahrzeugbau u.Ä.) diffundieren. Die Luft- und Raumfahrtindustrie
arbeitet überregional nur mit wenigen spezialisierten Zulieferern (Dienstleister und Instandhaltungsbetriebe) zusammen, Forschung und Entwicklung an
Werkstoffen und Verfahren sind primär international ausgerichtet. Treiber für
die Materialforschung sind neben allgemeinen Effizienzsteigerungen (zum Beispiel Treibstoffersparnis durch höhere mögliche Verbrennungstemperaturen)
durchaus auch Bestimmungen und Gesetze, die beispielsweise die Substitution
von als gefährlich einzustufenden Substanzen (zum Beispiel Schichtmaterialien, Beschichtungs-/Legierungszusätze) einfordern. Bei Letzterem nehmen die
hiesigen Akteure aber keine Vorreiterrolle ein.
5.5.2 Fahrzeugbau
Wissenschaft
Am Fachgebiet Metallische Werkstoffe der TU Berlin (Prof. Reimers) widmet
man sich unter anderem dem Korrosionschutz von Leichtbaumetallen im Fahrzeugkarosseriebau. Für den Korrosionschutz von Blechbiegeteilen aus Magnesium (Extremleichtbaumaterial) wird ein Herstellungsverfahren genutzt,
um eine Beschichtung bzw. einen Werkstoffverbund mit einer vor Korrosion schützenden Aluminium-›Außenhaut‹ herzustellen: Indem eine ein bis
zwölf Millimeter dicke Alu-Folie um die Bauteile gelegt und bei 300°C unter
Hochdruck verpresst wird, entsteht eine haftfeste Bindung mit dem Magnesium, die sich in einer intermetallischen Phase von einigen Atomlagen Breite
ausdrückt. Die Verarbeitung erfolgt in Strangpressen, Struktur- und Funktionswerkstoff werden also koextrudiert (gleichzeitig zum Strangpressprofil
geformt). Mit solchen Magnesiumbauteilen können tragende Teile, die rund
30 Prozent des Karosseriegewichts eines Automobils ausmachen, wesentlich
leichter (Dichte ca. 1/5 von Stahl), durch die Aluminiumaußenhaut korrosionsgeschützt und sogar besser bzw. überhaupt schweißbar werden. Für nicht
tragende Teile der Autokarosserie entwickelte das Forscherteam ein Verfahren,
die Magnesiumlegierung durch Flachmatrizen zu etwa 1,5 mm dicken Blechen
Prof. Dr. Walter Reimers
242
10.02.12 14:20
zu pressen, die anschließend zu 0,7 mm dicken Blechen ausgewalzt werden und mit bewährten Beschichtungsverfahren wie dem Galvanisieren mit
einer Aluminiumhülle Korrosionsschutz erhalten.94 Weitere Anwendungsbereiche sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrieben.
Prof. Dr.-Ing. Ralf Winkelmann
Das Labor für Tribologie und Oberflächenschutztechnik der Hochschule Lausitz in Senftenberg (Prof. Winkelmann) beschäftigt sich mit Fügetechniken für
Werkstoffe im Fahrzeugbau, wobei verschiedene Oberflächentechnologien
(Beschichtung, Energieeintrag durch Laserstrahlung und Induktion, Diffusion
von Legierungselementen) an den zu fügenden (Grenz-)Flächen angewandt
werden. ›Hybrides Fügen von Multimaterialsystemen für Kraftfahrzeuge‹ lautet der Titel des zugehörigen Forschungsprojektes (Projektlaufzeit 2011 bis 2014,
mit deutschlandweiten Projektpartnern, darunter Steremat Elektrowärme
GmbH, Berlin). Ziel des Vorhabens ist eine neue Fügetechnologie für höchst
verschiedene Werkstoffe, wie sie bei Karosseriekomponenten für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Mit Hilfe des thermischem Energieeintrags werden die Oberflächen der Fügepartner (Bulk-Materialien) und eine etwaige
Beschichtung aufgeschmolzen und Legierungselemente per Diffusion in eine
Verbindungszone geschleust, sodass ein gradierter Übergang der Materialeigenschaften entsteht. Im Unterschied zum Kleben erzeugt diese Gradierung
dynamisch belastbare Verbindungszonen mit ausgeglichenen Grundwerkstoffeigenschaften, die ein zusätzliches Konstruktionselement für den Leichtbau
darstellen können. Die im Labormaßstab entwickelten Verbindungen sollen
in einem aus neuesten Karosserie-Werkstoffen erzeugten und berechneten
Funktionsmuster so dargestellt werden, dass die Ergebnisse schnell verwertet und in Multimaterialsysteme der Verkehrstechnik übertragen werden können.95
Weitere Kompetenzen des Labors für Tribologie und Oberflächenschutztechnik sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrieben.
Wirtschaft
INPRO Innovationsgesellschaft
für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie
mbH
94
Vgl. Motorsport-Guide (2008), S. 6.
95
Vgl. Witzmann, Ralf-Peter (2011).
Die INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme
in der Fahrzeugindustrie mbH ist eine Tochtergesellschaft deutscher Automobilhersteller (Volkswagen, Daimler) und Zulieferunternehmen (Siemens,
ThyssenKrupp) sowie des Landes Berlin. Die Gesellschaft wurde 1983 gegründet
und transferiert Ergebnisse der Grundlagenforschung in der Produktionstechnik
auf Anwendungen bei den Gesellschaftern.
Von oberflächentechnologischer Relevanz sind einige Projekte und Entwicklungsarbeiten, die vornehmlich die Lackiertechnik, Fügetechnik, Plasmatechnik, aber auch die Oberflächenanalytik betreffen:
243
10.02.12 14:20
■ Colormatchfähige Folientechnik: in der späteren Wagenfarbe dekorierte
Folien (in einem sogenannten Line-Coater), die thermogeformt und durch
Hinterschäumen/Hinterspritzen mit einer glasfaserverstärkten Polymermatrix zum fertigen Bauteil verarbeitet werden (Alternative zur konventionellen Automobillackierung, Qualitätskriterium Oberfläche/Lackierung
als kaufentscheidendes Merkmal); Pilotbauteil ›Touareg-Blende‹, später
Serienumsetzung im VW Passat CC
■ Lackierung von Kunststoffbauteilen: Kunststoffanbauteile (Stoßstangen,
Kotflügel), die den vollständigen Lackierprozess der Metallkarosserien durchlaufen, unter der Bedingung, dass Farbton und optisches Erscheinungsbild
(Appearance) mit der lackierten Metallkarosserie übereinstimmen; Grundlagenuntersuchungen zur Eignung verschiedener Kunststoffe zur elektrostatischen Lackierung und Beeinflussung mittels Leitprimern (erhöhte
Prozesssicherheit), Strategien zur Inline-, Offline- und Online-Lackierung
(innerhalb/außerhalb der bzw. parallel zur Produktionslinie), Messtechnik
zur objektiven Bestimmung und kontinuierlichen Optimierung des Lackiererscheinungsbildes
■ Software zur Simulation der Trocknungs- und Einbrennvorgänge innerhalb
des Lackierprozesses von Automobilkarosserien: Bestimmung der Einflüsse
von Luftfeuchtigkeit, Luftführung, Bauteiländerungen oder Temperatur
auf das Lackierergebnis für virtuelle Tests und Optimierungen (Simulation
durchgängiger Prozessketten im Sinne der Digitalen Fabrik)
■ Verbindung sehr hochfester, bandlackierter Bleche durch wärmeunterstütztes mechanisches Fügeverfahren (›wirkmedienunterstütztes Durchsetzfügen‹); Veränderung in der Reihenfolge der Herstellungsverfahren (erst
beschichten, dann fügen), weniger Einflussnahme auf die Beschichtung
(zum Beispiel thermische Beaufschlagung bei Schweißverfahren)
■ Bearbeitung und Beschichtung von Oberflächen mit Plasmatechnik, um für
den Einsatz im Fahrzeugbau geeignete Werkstoffe maßzuschneidern
■ Bauteilbeurteilung hinsichtlich ihrer Oberflächenqualität mittels Messsystemen/Prüfvorrichtungen speziell für die Charakterisierung von Oberflächentopologien
Mit einem weiteren, die Energieeffizienz in der Oberflächentechnik betreffenden Projekt ist INPRO im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation
erwähnt.
Weiterhin von Relevanz im Fahrzeugbau sind einige Großunternehmen mit
Motoren- und Karosseriefertigung, bei denen Oberflächentechnologien in der
Produktion und teilweise in der Instandhaltung eine wichtige Rolle spielen,
das sind
■ die Motorenproduktion im Mercedes-Benz-Werk Berlin-Marienfelde,
■ die Motorradteilelackierung im BMW Werk Berlin,
Mercedes-Benz-Werk BerlinMarienfelde/Daimler-Konzern
BMW Werk Berlin
244
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Bombardier Transportation
Berlin/Hennigsdorf
Stadler Reinickendorf GmbH
(Stadler Rail AG)
■ die Schienenverkehrstechnologien der Bombardier Transportation
Berlin/Hennigsdorf und
■ die Rohwagenkastenfertigung inklusive Lackierung bei der
Stadler Reinickendorf GmbH (Stadler Rail AG).
Netzwerke
Wie in der Luft- und Raumfahrttechnik ist auch hier der FAV als aktives Netzwerk der Verkehrssystemtechnik tätig.
Fazit
96
›Die Beschichtung von Leichtbaumaterialien wie Metallen (Magnesium- und
Aluminiumlegierungen) und Polymeren,
darunter glasfaserverstärkte Kunststoffe
(GFK), ist ein Thema mit wachsender
Bedeutung, weil diese Werkstoffe immer
stärker Eingang in den Flugzeugbau
finden.‹ Deutsche Messe AG Hannover
(2010).
Die Hauptstadtregion hat nur wenige Kompetenzträger zum Thema Oberflächentechnik im Fahrzeugbau. Diese bearbeiten jedoch aktuelle Themen wie
die Beschichtung von Leichtbaumaterialien – ein Thema, das durch den Zwang
zur Gewichtsreduzierung vornehmlich in der Luft- und Raumfahrt besonders
drängend ist.96 In der Automobilproduktion geht es vor allem um Werkstoffveränderungen durch den Leichtbautrend, also um veränderte Substratwerkstoffe wie im Falle ›Kunststoff statt Glas‹, die viele neue Fragen bezüglich
Oberflächenphänomenen wie Kratzfestigkeit/Abrasion aufwerfen. RessourcenEffizienz und Kostenersparnis bei der Karosserielackierung (bis dato etwa so
kostenintensiv wie der Karosseriestahlbau selbst) und der damit verbundene
›Energiehunger‹ in der Automobil-Produktion sind weitere F&E-Treiber. Der
Fahrzeugbau ist zudem ein nicht zu unterschätzender Abnehmer von Komponenten und Bauelementen mit intelligenten Oberflächen und insbesondere
von Dünnschichttechnik (zum Beispiel OLEDs).
Elektromobilität bzw. alternative Antriebe sind derzeit ebenfalls wesentliche F&E-Treiber (Initiative ›Innovative Fahrzeugantriebe Berlin-Brandenburg‹
INFABB). Heruntergebrochen auf die Materialforschung zur Batterie- und
Brennstoffzellentechnik spiegelt sich dieser Trend im Aufbau industrieller
wie akademischer Kompetenzen (vergleiche Kapitel Energiewandlung und
-speicherung). Besondere Anforderungen an die Leistungsdichte (bezogen
auf das Gewicht) ergeben sich sicherlich für mobile Anwendungen, die sich
dadurch von stationären unterscheiden. Auf diese Trennung wird im genannten Kapitel aber mangels Dringlichkeit verzichtet; das Forschungsgebiet ist als
recht jung und homogen anzusehen.
245
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5.5.3 Marine Technik
Wissenschaft
Im Lehr- und Forschungsgebiet Hochleistungswerkstoffe verfolgt Dr. Herzog an
der TH Wildau unter anderem das Thema Beschichtungswerkstoffe, speziell für
den Einsatz im Bootsbau. In einem Kooperationsprojekt mit der BBG Bootsbau
Berlin GmbH stand die Verfahrenstechnik für die Herstellung und Applikation
von hochglänzenden, kratzfesten Gelcoats auf Bootskörpern im Mittelpunkt.
Nicht nur der Abnutzungsresistenz und dem allgemeinen Schutz des Bootskörpers vor Umwelteinflüssen dienen die in einem zweiten Kooperationsprojekt
mit Performance Chemicals HGmbH und dem Ausbildungszentrum Bootsbau,
Schiffbau, Dienstleistungs GmbH (AZBS) entwickelten bioziden, nicht auslaugungsfähigen Unterwasseranstrichstoffe (Projektlaufzeit 2009 bis 2011). Auf der
Basis von nanoteilchengekoppelten biologisch wirksamen Verbindungen (biozid-wirksame Gruppen oder Verbindungen unmittelbar oder mittelbar nach
der Herstellung von sogenannten Dispersionspolyolen (PHD) mittels chemisch
aktiven nanoskaligen Partikeln an diese gekoppelt) entsteht eine langfristige
biozide Wirkung der Anstrichstoffe, da die Biozide aus den Beschichtungen
nicht ausgelaugt werden können. Die Verarbeitung ist als Ein- oder ZweiKomponenten-System möglich.
Dr. Michael Herzog
Wirtschaft
Das AZBS Ausbildungszentrum Bootsbau, Schiffbau, Dienstleistungs GmbH ist
eine 1990 aus der ehemaligen Betriebsschule der Yachtwerft Berlin hervorgegangene Ausbildungsstelle für Boots- und Schiffbauer. Sie vermittelt und
wendet sowohl klassische Handwerkskunst (Holz- und Metallverarbeitung)
als auch moderne Technologien im Bootsbau an. Außerdem war AZBS Kooperationspartner der TH Wildau bei der ›Entwicklung neuartiger biozider, nicht
auslaugungsfähiger Unterwasseranstrichstoffe‹.
AZBS Ausbildungszentrum Bootsbau, Schiffbau, Dienstleistungs
GmbH
Die BBG Bootsbau Berlin GmbH ist ein international anerkannter Hersteller von
Rennruderbooten, hervorgegangen aus einem traditionsreichen Standort, wo
bereits im 19. Jahrhundert Yachten und andere Freizeitboote gebaut wurden.
Das Unternehmen entwickelt ständig Fertigungstechnologien im Bootsbau,
verarbeitet dazu neueste Materialien und bezieht Forschung und Entwicklung
ein. Im Projekt ›Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung und zum Aufbringen von hochglänzenden und kratzfesten Gelcoats auf Bootskörpern‹ war
die BBG Kooperationspartner der TH Wildau.
BBG Bootsbau Berlin GmbH
246
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Netzwerke
Auch hier ist der FAV (vergleiche Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik) als aktives
Netzwerk der Verkehrssystemtechnik zu nennen.
Fazit
Im Bereich mariner Technik ist die Hauptstadtregion nur noch im traditionellen
Sportbootbau präsent. Dort allerdings haben die Unternehmen in Kooperation mit einer Hochschule erfolgreich angewandte Forschung zu Unterwasseranstrichstoffen betrieben. Insbesondere der Wettkampfgedanke ist im Sportbootbereich Treiber für die Implementierung neuer Werkstofftechnologien, die
auch biozide Oberflächeneigenschaften der mit Wasser in Kontakt befindlichen
Bootsrümpfe beinhalten.
Profitieren kann dieses spezielle Anwendungsfeld von Grundlagen- und
angewandter Forschung im LifeScience- und Umwelttechnikbereich, die unter
anderem die Adhäsion von Biomolekülen (bis hin zu ganzen Organismen)
untersuchen und die Biofilmbildung bzw. eine unspezifische Bindung zu verhindern versuchen. Bei anderen Oberflächenfunktionen wie Korrosionschutz
oder sonstiger Witterungsbeständigkeit sind Schiffe und Boote mit den Landund Luftfahrzeugen vergleichbar. Entlang nanotechnologischer Neuerungen
zu bioziden Oberflächen aus der Grundlagenforschung, der Entwicklung von
Unterwasseranstrichstoffen und einem Prototyp ›Sportboot‹ könnte in der
Region durchaus eine Verwertungskette aufgebaut werden. Die Größenordnung, mit der Forschung und Entwicklung zum Thema marine Technik/Unterwasseranstriche in anderen Regionen betrieben wird (B-I-C Bremen, Fh-IFAM,
EVONIK Degussa GmbH, Hanau: BIONA-Projekt ›Bio-inspiriertes Antifouling‹97),
ist für die Hauptstadtregion allerdings kaum erreichbar.
5.6
97
Kesel, Antonia B. (o.J.).
98
Vgl. INPLAS – Kompetenznetz Industrielle
Plasma-Oberflächentechnik e. V. (2010).
Werkstofftechnik/Chemie/Analytik
In dieser großen Kategorie der industriellen Oberflächentechnik versammeln sich
verschiedenste Schicht- und Oberflächenbehandlungsverfahren, um Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Maschinenbauteilen (unter anderem Werkzeugen) und Konsumgütern/Bandwaren, die sehr vielfältigen Beanspruchungen
unterliegen, zu steigern. Die Maßnahmen (Oberflächenfunktionen) umfassen
■ Reibungsminderung, Selbstschmierungseffekte,
■ Verschleiß- und Korrosionsschutz,
■ (Hoch-)Temperatur-, Vakuum- sowie Strahlungsbeständigkeit,
■ Vermeidung von Haftgleiteffekten/Stick-Slip und Passungsrost,
■ Antihafteigenschaften (Ablagerungsvermeidung) und
■ Diffusionsbarrieren/antimikrobielle Ausrüstungen speziell in der Verpackungsbranche.98
247
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Die zugehörigen (tribologischen) Beschichtungen/Materialgruppen lassen
sich unter Trockenschmierstoffen (Gleitlacke und galvanische Beschichtungen
mit Festschmierstoffen99) und Hartstoffschichten (Diamant, DLC-Modifikationen, TiN/TiCN/CrN/CrCN, borhaltige und keramische Schichten) zusammenfassen.100
Eine Kategorisierung der diversen Materialsysteme und oberflächentechnischen Verfahren erfolgt soweit möglich entlang der Substratmaterialien oder
der Endprodukte, die eine Oberflächenbehandlung erhalten (Verpackungstechnologie für die Lebensmittelindustrie, Printprodukte, Bauteile). Außerdem
wird auf verfahrenstechnische F&E (auch Energie- und Ressourceneffizienz in
der Oberflächentechnik) und die Forschungsaktivitäten zur Modellbildung und
Simulation in der Oberflächentechnik eingegangen. Die wissenschaftlichen
und wirtschaftlichen Akteure im Bereich Anlagentechnik sowie Oberflächenund Schichtanalytik werden separat dargestellt (Kapitel Oberflächen- und
Schichtanalytik, Anlagentechnik).
5.6.1 Verpackungstechnologie für die Lebensmittelindustrie
Abgrenzung
Bei Verpackungsmitteln in der Lebensmittelbranche stehen vor allem Barrierewirkungen bezüglich der Diffusion von Gasen und die antimikrobielle
Ausrüstung von Oberflächen im Fokus. Auch Antihafteigenschaften im Sinne
der Restentleerbarkeit von Flaschenwaren werden für die breite Anwendung
aufbereitet. Die Funktionalisierung basiert oftmals auf nanoskopischen Oberflächenbehandlungen (Beschichtung mit Nanopartikeln, Nano-Strukturierung)
und kann weiterhin Absorber- und Aktiv-Funktionen einnehmen (Geruchsstoffe aufnehmen/zersetzen, antimikrobielle Wirkung, sensorische Funktionalität).
Wissenschaft
In der Gruppe Physics of Micro and Nano-structures based on Carbon (PMNC)
um Dr. Casiraghi (FU Berlin, Institut für Experimentalphysik) werden verschiedenste Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen wie Diamond-like-carbon
(DLC)-Filme, Nano-Diamant-Filme und Graphen (aber auch Kohlenstoffnanoröhrchen, CNTs) hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur, mechanischer Schwingungen und optischer Prozesse untersucht. Während die wohl
wichtigste Anwendung solcher aus der Familie der amorphen Kohlenstoffe
stammenden DLC-Schichtmaterialien Bauteile zur (magnetischen/optischen)
Datenspeicherung sind (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik),
ist die Nutzung als Gasbarrierebeschichtung in Flaschen zur Abfüllung und
Dr. Cinzia Casiraghi
99
Zechel, Rudolf (2004), S. 40.
100
Vgl. Bräuer, Günter (2003), S. 10.
248
10.02.12 14:20
Lagerung kohlensäurehaltiger Getränke nicht weniger sinnvoll, sondern verlängert die Haltbarkeit/Lagerzeit der Getränkeflaschen. Die verschiedenen Einsatzzwecke nach dem Motto ›Diamond-like carbon for data and beer storage‹101
zeigen die Vielseitigkeit und Wandlungsfähigkeit von Kohlenstoff-basierten
Schichtmaterialien.
Die Untersuchung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erfolgt mittels RamanSpektroskopie, einer schnellen, zerstörungsfreien und etablierten Methode
zur Charakterisierung von Kohlenstoff-Materialien; sie wird zusätzlich mit
Rasterkraftmikroskopie kombiniert. Um die Spektroskopie-Signale zu verbessern, werden neue Untersuchungsmethoden wie Surface Enhanced Raman
Scattering (SERS) und Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) genutzt. Diese
Untersuchungsmethoden sowie Synthese und Aufbau von Nanomaterialien,
Dünnschichtabscheidung, Langmuir-Blodgett-Schichten, Dielektrophorese und
Lithographie werden in der Lehrveranstaltung ›Introduction to Nanoscience‹
vermittelt.
Prof. Dr.-Ing. Robert Kabbert
Das Thema ›in Biopolymere verpackte Lebensmittel‹ ist Gegenstand eines
Forschungsvorhabens an der Beuth Hochschule für Technik Berlin (Institut
für Lebensmitteltechnologie, Prof. Kabbert). Gestartet als Projekt ›Lebensmittelverpackung‹ (2009 bis 2010), das in Anlagen und Geräte zur Folienherstellung investierte (finanziert mit EFRE-Mitteln), findet das Forschungsthema bis Ende 2011 seine Fortsetzung im interdisziplinären Projekt ›Center
of Food Packaging‹, in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Gestaltung
und Kommunikationsdesign der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
(HTW).
Von besonderem Interesse sind die Grenzflächen-Eigenschaften der innovativen, kompostierbaren Biopolymer-Lebensmittelverpackungen auf Basis
nachwachsender Rohstoffe wie Polylaktat (PLA) und thermoplastische Stärke
(TPS): Gasdurchlässigkeit, Stoffübergänge und Hygiene, insbesondere bei
Belastung etwa durch Erhitzen, Kühlen oder Tiefgefrieren. Durch Kombination
verschiedener Biopolymere werden Mehrschichtfolien mit verbesserten Material- und Gebrauchseigenschaften hergestellt und geprüft. Außerdem werden
farbige und antimikrobiell beschichtete Folien entwickelt und mit speziellen
Testverfahren bewertet.
Hauptanliegen ist dabei die Entwicklung nachhaltiger Verpackungen für
Lebensmittel. Der Fachbereich Gestaltung und Kommunikationsdesign der
HTW thematisiert dazu vor allem Usablity (Handhabbarkeit), Sustainability
(Nachhaltigkeit) und Universal Design (›Design für alle‹) der Lebensmittelverpackungen. Im Projekt arbeiten Kommunikations- und Produktdesigner, Verpackungstechnologen, Lebensmitteltechnologen und Lebensmittelchemiker
interdisziplinär zusammen.
101
Casiraghi, Cinzia et al. (2007).
249
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An der Beuth Hochschule für Technik Berlin ist Prof. Weber am Institut
für Lebensmitteltechnik in der Lebensmittelmikrobiologie tätig. Im Rahmen
einer Diplomarbeit wurde 2009 durch Angelina Wiemann der Stand aktueller Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der nanoskaligen Materialien für die
Lebensmitteltechnologie (Lebensmittel und Lebensmittelverpackungen) dargestellt. Danach liegt das größere Potenzial wegen der höheren Verbraucherakzeptanz im Einsatz von immobilisierten Nanopartikeln und nanoskaligen
Oberflächenstrukturen bei Verpackungen und Lebensmittelbedarfsgegenständen (hauptsächlich Flaschen und Verpackungsfolien).
Verbesserungen ergeben sich durch Oberflächenmodifikationen hinsichtlich
der Barrierewirkung gegenüber der Diffusion von Gasen, der Restentleerbarkeit von Lebensmittelverpackungen, durch Anwendung des Lotus-Effekts, bis
hin zur Herstellung von ›intelligenten‹ Verpackungen durch Einbringen von
Nanosensoren. Auf diese Weise werden nicht nur ökonomische Optimierungen
erreicht, sondern auch ökologische Ziele verfolgt.102
Am Institut fand bereits vor Erstellung dieser Abschlussarbeit im Januar
2009 das 1. Symposium Produktdesign in der Pharma- und Lebensmittelindustrie statt, das unter anderem durch Prof. Kumpugdee Vollrath (Workshop 1:
›Überzugsverfahren in der Pharmaindustrie‹, Kapitel Oberflächen in der
Nano-Biotechnologie) und Prof. Weber (Workshop 2: ›Nanotechnologie in der
Lebensmittelindustrie‹) initiiert worden war.
Prof. Dr.-Ing. Herbert Weber
Im Labor Biopolymere der Hochschule Lausitz beschäftigt sich Prof. Salchert mit
chemisch und physikalisch funktionalisierten Oberflächen von Bulkmaterialien
für präparative Zwecke in den Lebenswissenschaften (Kapitel Oberflächentechnik im Tissue Engineering). Materialien werden nach einer Vorbehandlung
ihrer Oberfläche mit funktionalen synthetischen oder natürlichen Molekülen
im Sinne einer Immobilisierung ausgestattet. Die Nutzung in der Natur bereits
vorhandener polymerer Verbindungen wie Kohlenhydrate oder Proteine, die
sich schon selbst durch Polyfunktionalität auszeichnen, bietet sich nicht zuletzt
wegen ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer Reorganisierbarkeit an.
Methoden und Ziele der Forschungsarbeit sind
■ Funktionalisierung polymerer und biopolymerer Oberflächen – Erzeugung
geeigneter funktioneller Gruppen,
■ Immobilisierung von Proteinen an polymeren und biopolymeren Oberflächen,
■ Nachweis der Immobilisierung, Proteinquantifizierung und Stabilitätsuntersuchungen, Funktionstests.
Prof. Dr. Katrin Salchert
Im Mittelpunkt des Projekts ›Entwicklung eines optischen Indikationssystems
zur Temperatur-Zeit-Überschreitung gekühlter und tiefgekühlter Lebensmittel‹
stand die irreversible visuelle Dokumentation vom Frischezustand gekühlter
oder tiefgekühlter Waren (Produkte des Lebensmittelsektors oder biologische
Materialien wie Blutkonserven, Medikamente, Kosmetika, Feinchemikalien).
102
Vgl. Thümer, Reinhard et al. (Hrsg.)
(2009), S. 61–65.
250
10.02.12 14:20
Mit Hilfe adsorptiv oder kovalent an einen Träger gebundener Enzyme und
auf Basis enzymkatalysierter Prozesse sollen Unterbrechungen der Kühlkette,
die die Qualität des Produkts gefährden, direkt am Produkt optisch signalisiert
werden.
Dr. Armin Wedel
Am Fraunhofer-IAP in Potsdam-Golm, Gruppe Funktionsmaterialien und
Bauelemente (Dr. Wedel) werden funktionale Polymersysteme nicht nur hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für (opto-)elektronische Bauelemente erforscht
(Kapitel Lichtemission/Photonik, Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik),
sondern speziell das Konzept der Ultrabarrieren (Diffusionsbarrieren, wie für
die Verkapselung von flexiblen Displays nötig) auf die Anwendung in der
Lebensmittelverpackungstechnik übertragen. Mit der Kopplung von biologisch
aktiven Substanzen auf polymere Oberflächen bewerkstelligt das IAP außerdem
Anwendungen wie Diagnosekits (zum Beispiel für Salmonellentest) oder biozide Oberflächen für Folien.
Fazit
103
VDI Technologiezentrum GmbH (2011).
104
Fraunhofer-Einrichtung für Modulare
Festkörper-Technologien, München
(2011).
105
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik
und Verpackung IVV, Freising (2011), S. 53.
Oberflächentechnik für den Verpackungssektor ist bezüglich der Substratmaterialien und -formen (Kunststoff/Glas/Papiererzeugnisse, Folien/Bahnen/Behältnisse), der verarbeiteten Mengen und angewandten Verfahren (Bedrucken,
Beschichtung mit Barrierematerialien wie Kunststoffen und Aluminium) als
recht konventionell anzusehen.
Unternehmen mit signifikanter Forschung und Entwicklung, innovativen
Verpackungsoberflächen und entsprechender Inhouse-Lösung für die Beschichtung oder Oberflächenmodifikation konnten in der Region kaum identifiziert
werden. Nur wenige Forscher betreiben F&E an spezifischen Oberflächeneigenschaften und Verfahren zur Oberflächenmodifikation von (Lebensmittel-)Verpackungsmaterialien. Auch deutschlandweit konzentriert sich die Forschung
■ auf Barrierefunktionen von Verpackungsoberflächen, Restentleerbarkeit
(Nanotechnologie für multifunktionelle Verpackungen, BMBF-Branchendialog Nanopackaging 2011103),
■ auf sensorische Funktionen zur Qualitätskontrolle/Verderbfeststellung
(Packungsintegrierte Sensorfolie der Fh-EMFT 104),
■ und zusätzlich auf Beschichtungsmaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe (›BioproPack‹: Verbesserte Eigenschaften von Papierverbunden durch
Beschichtungsmaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Fh-IVV 105).
Umsetzung und Verbreitung nanoskaliger Modifikationen an Lebensmittelverpackungen scheitern jedoch häufig an der Zulassungsproblematik hinsichtlich gesundheitlicher und umweltrelevanter Risiken; bislang sind nur wenige
Nanomaterialien für Lebensmittelverpackungen zugelassen.
251
10.02.12 14:20
Wichtig ist, den Dialog und die Vernetzung zwischen der Material-/Nanowissenschaft und dem Verpackungssektor zu fördern, sodass dieser von den interdisziplinären Entwicklungen profitieren kann. Für die Hauptstadregion wäre
eine gesonderte Bedarfsanalyse durchzuführen.
5.6.2 Printprodukte
Abgrenzung
Der Druck als Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist omnipräsent und konventionell einsetzbar. So werden verschiedenste, vornehmlich dekorative Oberflächen (Dekore für innenarchitektonische Materialien, Verpackungsgestaltung)
mit Druckverfahren (Kapitel Verfahren zur Oberflächenbehandlung) hergestellt.
Innovationen entstehen vor allem im Bereich Fälschungssicherheit, Produktund Markenschutz und teilweise bei Veredlungstechniken. Im weiteren Sinne
wäre auch gedruckte Elektronik (auf flexiblen Substraten) hinzuzählen; sie
wird in der vorliegenden Studie allerdings unter Dünnschicht-Elektronik und
Optoelektronik betrachtet. In der Hauptstadtregion stehen Themen wie die
Oberflächenbehandlung mit Schutzfunktion für Printprodukte und Verfahren
zur oberflächenbeständigen Bedruckung im Vordergrund.
Wissenschaft
Am Institut für Verpackungstechnik (Prof. Demanowski) des Fachbereiches Life Sciences and Technology der Beuth Hochschule für Technik werden
Technologien zur Verpackung von Produkten, zu Druck und Veredelung von
Verpackungen, zur Fälschungssicherheit und zum Produkt- und Markenschutz
bearbeitet. In einer Promotionsarbeit (Volker Scheuerle) mit dem Titel ›Modifikation von Lackiersystemen hinsichtlich der Schutzfunktion für Printprodukte‹
werden Lackschichten untersucht und entwickelt, die Druckerzeugnisse vor
äußeren Einflüssen schützen, wobei sie vergilbungsfrei sein, die Haptik wahren
(Tief-/Hochdruck-Elemente) und die physikalische und chemische Beständigkeit des Druckbildes im Sinne einer längeren Nutzungsdauer verbessern sollen.
Äußere Einflüsse auf Druckerzeugnisse wie Verschmutzungen und Scheuerbeanspruchung werden nach dem Schädigungspotenzial kategorisiert und Prinzipien zur Verhinderung von Schmutzanhaftungen gesucht. Kritische Punkte
bei der Schutzlackierung von Druckerzeugnissen sind zum einen Substratvarianten (zum Beispiel Additive im Papier), Vorlackierungen von Substraten (unter
Umständen Lösen der Druckfarbe durch Abdecklack), aber auch der Brechungsindex der dünnen Schutzschicht, der das Funktionieren von Farbgebung oder
Sicherheitsmerkmalen beeinflussen kann. Die Arbeiten werden in Kooperation
mit der Firma Gleitsmann Security Inks GmbH durchgeführt, einem Entwickler
Prof. Dr.-Ing. Hans Demanowski
252
10.02.12 14:20
und Produzenten von Sicherheitsfarben für den Druck von Banknoten, Sicherheitsdokumenten, Briefmarken.106
Wirtschaft
Coyando GmbH
Im Mittelpunkt der jungen Coyando GmbH steht die Vermarktung eigens entwickelter kunststoffspezifischer Bildaufnahmeschichten. Mit dem patentierten
Verfahren zur Einbettung von Farbpartikeln in eine Kunststoffmatrix (durch
chemische Reaktion) können Bilder in Kunststoffen dauerhaft fixiert werden,
wobei die Bildaufnahmeschicht nur etwa 20 µm misst und mit herkömmlichen
Druckverfahren gearbeitet wird.
Vorteile der Technik sind die dauerhafte Haltbarkeit bei gleichzeitiger Vereinfachung des Verfahrens und Kostenreduktion sowie die Möglichkeit der
Bebilderung von Kunststoffprodukten, die dafür bisher nicht geeignet waren
(auch durch die Verformbarkeit zu dreidimensionalen Produkten). Nach dem
Markteintritt über Kunstdrucke ist die Ausweitung auf weitere Anwendungsgebiete (Thermoformprodukte, Laminate für den Möbelbau) vorgesehen.
Coyando entstand mit Hilfe eines EXIST-Gründerstipendiums, mit Unterstützung des Mentors Prof. Wagner vom Institut für Polymertechnik und Polymerphysik der TU Berlin und einem weiteren Gründerstipendium der BeuthHochschule.
Lechmann Engineering GmbH
Die Lechmann Engineering GmbH ist ein Unternehmen, das sich der Planung,
Beratung, Entwicklung und Produktion von Erzeugnissen aus dem vielseitigen
Werkstoff Aluminium verschrieben hat.
Neben der mechanischen Produktion und der Montage zum Produkt (Prototypen, Nullserien) steht das äußere Erscheinungsbild des Werkstoffs im Fokus.
Durch Veredeln und Bedrucken werden bei Lechmann Bauteile in technischer
wie ästhetischer Hinsicht aufgewertet (Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren,
Simulation).
Das Unternehmen ist auf Siebdruck und Untereloxaldruck (UED) spezialisiert. Diese Verfahren können hohe Qualität bei Haltbarkeit (oberflächenbeständige Bedruckungen), Lesbarkeit und Konturschärfe von Zeichen bzw.
Schrift gewährleisten, die als bedruckte Oberflächen vor allem der Information
und Orientierung dienen (Werbe- und Hinweisschilder, Plaketten, Wegeleitsysteme, Gehäuse usw.).
Fazit
106
Vgl. Görlitz, Gudrun et al. (Hrsg.) (2010),
S. 108–112.
Die Innovierfähigkeit bei Printprodukten (funktionale gedruckte Oberflächen)
zeigt sich in der Hauptstadtregion hauptsächlich an Schutzfunktionen und
Dauerhaftigkeit bedruckter Oberflächen. Drucktechnologien sind jedoch gene253
10.02.12 14:20
rell sehr etabliert und variantenreich, sodass Bedruckungen und Druckverfahren häufig als Werkzeug zur Erzeugung innovativer bzw. kreativ-individueller
Produkte verstanden werden.
Im Hinblick auf Fälschungssicherheit, Produkt- und Markenschutz sowie
die fließenden Grenzen zu gedruckter Elektronik würde ein Ausbau der F&EKapazitäten in der Region lohnen. Dabei könnte zunächst eine Vernetzung
zwischen den verschiedenen Anwendern und Beteiligten (Druckfarbenhersteller, Anlagenhersteller, Dienstleister) über gemeinsame Projektvorhaben angestrebt werden.
5.6.3 Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation
Abgrenzung
Die industrielle Oberflächentechnik lässt sich durch die Vielzahl an Kombinationen aus möglichen Halbzeugen/Bauteilen, Oberflächenbehandlungsverfahren und dem Anwendungszweck (Funktionalisierungen) kaum in überschneidungsfreie Kategorien gliedern, grundsätzlich können
■ verschiedene Schichtverfahren für Werkzeuge, Bleche, Maschinenbauteile
(Korrosions-/ Verschleiß-/Hochtemperaturschutz), unter anderem Lackiertechnik, Galvanik, Randzonenmodifikationen (Härten),
■ Präzisionsoberflächenbearbeitung (inkl. zugehöriger Messtechniken) und
Laserstrahlstrukturierung,
■ Fügetechniken/Kleben mittels spezieller Oberflächen (kalte Fügetechnik)
und Oberflächenvorbehandlung zum klassischen Kleben
vorkommen.
Daneben werden die Kompetenzen zu den Querschnittsthemen Energieeffizienz in der Oberflächenbehandlung, Simulation/Modellbildung in der Oberflächentechnik und zum Teil bionische Oberflächen (Forschung an Vorbildern aus
der Natur) beschrieben.
Wissenschaft
Am Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Fachgebiet Bionik forscht
Prof. Rechenberg an biologischen Vorbildern und deren Umsetzung in
technische Komponenten oder Produkte. Im Sandskink-Projekt (begleitendes
Forschungsvorhaben im Rahmen eines Festo-Stipendiums bzw. BMBF-gefördertes dreijähriges Forschungsprojekt ›Tribologie im Dünensand. Sandfisch,
Sandboa und Sandschleiche als Vorbild für die Reibungs- und Verschleißminderung‹) wurde die Haut dieser Tiere, die sich leicht im Sand fortbewegen (schwimmen/tauchen) können ›unter die Lupe genommen‹. Die Haut des
Prof. Dr.-Ing. Ingo Rechenberg
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REM-Bilder der Oberflächenstruktur der Sandfischschuppe (TU Berlin, Fachgebiet Bionik)
Sandskinks der Sahara (scincus scincus) ist mit einem geringeren (Sand-)Reibungskoeffizienten ausgestattet, als es alle bekannten technischen Materialien
vermögen. Mit der Nachbildung der Mikroornamentation (biomimetisch) hofft
man, das technische Oberflächenpendant für Anwendungszwecke mit besonders niedrig geforderter Reibung generieren zu können. Außerdem verbinden
die Forscher mit den Nanospitzen (Nanospikes an Schwellen quer zur Strömungsrichtung) eine Blitzableiterfunktion, sodass elektrisch geladene Staubteilchen neutralisiert werden – ein wichtiges Phänomen mit Anwendungspotenzial für antistatische Oberflächen. Fertigungstechnisch bleibt jedoch die
Weiterentwicklung der Mikro- und Nanotechnologie abzuwarten (nanoskalige
Strukturen in Quadratmeter-Dimension). Die genaue Nachmodellierung der
Mikrogeometrie allein genügt wahrscheinlich nicht, um ein technisches Produkt mit der Eigenschaft des biologischen Originals zu erschaffen. Partner bei
den beschriebenen F&E-Arbeiten waren das Fachgebiet Keramische Werkstoffe
(Prof. Schubert), das Zentralinstitut für Elektronenmikroskopie (Dr. Nissen),
das Institut für Mechanik (Prof. Duda), jeweils der TU Berlin, und das Fh-IZM
(Prof. Reichl), neben weiteren wissenschaftlichen und Wirtschaftspartnern aus
ganz Deutschland.107
107
Vgl. Rechenberg, Ingo (2005);
Technische Universität Berlin, FG Bionik
und Evolutionstechnik (2009).
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Für den Korrosionschutz von Blechbiegeteilen aus Magnesium (Extremleichtbaumaterial) wird im Fachgebiet Metallische Werkstoffe der TU Berlin
ein passendes Herstellungsverfahren genutzt, um eine Beschichtung bzw.
einen Werkstoffverbund mit einer vor Korrosion schützenden Aluminium›Außenhaut‹ herzustellen: Indem eine ein bis zwölf Millimeter dicke Alu-Folie
um die Bauteile gelegt und bei 300 °C unter Hochdruck verpresst wird, entsteht
eine haftfeste Bindung mit dem Magnesium, die sich in einer intermetallischen Phase von einigen Atomlagen Breite ausdrückt. Die Verarbeitung erfolgt
in Strangpressen, Struktur- und Funktionswerkstoff werden also koextrudiert
(gleichzeitig zum Strangpressprofil geformt).108
Außerdem war Prof. Reimers in die Projektarbeit mit anderen Fachgebieten
involviert, zum Beispiel im Hinblick auf die Prozesssicherheit CVD-diamantbeschichteter Hartmetallwerkzeuge (mechanische Eigenschaften, Schichthaftung). In einem DFG-geförderten und gemeinsam mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) bearbeiteten Projekt wurden Einflüsse
der CVD-Diamantbeschichtung auf Hartmetalle in Bezug auf die mechanischen
Eigenschaften, das Einsatzverhalten bei unterschiedlichen Zerspanprozessen
sowie die Eigenspannungen im System Substrat/ CVD-Diamantschicht untersucht.
Ein weiteres Beispiel ist die Mitwirkung durch Schicht- und Substratcharakterisierung (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, röntgenographisch)
bei Oberflächen für Hochtemperaturanwendungen (Haut-Konzept, ehemals
Prof. Wilden, Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik).
Prof. Dr. Walter Reimers
Ende 2009 wurde das Forschungs- und Anwendungszentrum für Füge- und
Beschichtungstechnik (FORUM) an der TU Berlin – gefördert durch die Berliner
Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung – aufgebaut.
Das FORUM (initiiert vom ehemaligen Professurinhaber Prof. Wilden, Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik, und Prof. Müller, Institut für Mechanik, Fachgebiet Kontinuumsmechanik und Materialtheorie) verfolgt neben
der Entwicklung und Optimierung bestehender Füge- und Beschichtungstechnologien und Werkstoffe vor allem die Unterstützung kleiner und mittlerer
Unternehmen in der Region Berlin-Brandenburg. Ziel des Zentrums ist es, die
Füge- und Beschichtungstechniken als Querschnittstechnologien und Schlüssel
für die Herstellung von Produkten im Anlagen- und Apparatebau, im Energieund Photovoltaikanlagenbau sowie in Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik
und Medizintechnik zu verdeutlichen. Ebenso gilt es, die Einführung innovativer Technologien, mit denen bis zu 40 Prozent an Energie gespart oder die
Prozessgeschwindigkeit mehr als verzehnfacht werden können, zu beschleunigen.
Die oberflächen- und beschichtungsrelevanten Verfahren sind
■ Auftragsschweißen (Laser-Auftragsschweißen von amorphen Metallschichten, ChopArc- und Laser-Auftragsschweißen zur Instandsetzung verschlissener Bauteile),
Prof. Dr.-Ing. Johannes Wilden
108
Motorsport-Guide (2008), S. 6.
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■ Lichtbogenspritzen (Prozess- und Werkstoffentwicklung zur ressourcenoptimierten Herstellung qualitativ hochwertiger Korrosions- und Verschleißschutzschichten mittels Lichtbogen),
■ Flammspritzen (Kunststoff-Beschichten von Metallen durch Flammspritzen),
■ aber auch Oberflächen für Fügeverfahren (Fügen mit nanostrukturierten
Folien) bzw. Oberflächenvorbehandlungen, wie sie vor dem eigentlichen
Fügen oftmals erforderlich sind (neuzeitliche Klebflächenvorbehandlungsverfahren wie Plasma, Corona).
Im aufgebauten Labor können anspruchsvolle Charakterisierungsmethoden zur
Prozessführung und zu Schicht- und Verbindungseigenschaften genutzt werden, und zwar auch durch Unternehmen. Diese müssen auf diese Weise nicht
risikobehaftet in eigene Anlagen investieren.
Im Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik war für 2011 eine Verdoppelung der wissenschaftlichen Mitarbeiter geplant, und mit dem Eintreffen einer
Laserpulverauftragsschweißanlage sollte der Ausbau des Themas Beschichtungstechnik beginnen.109
Im Teilprojekt ›Hochtemperatur-Funktionalisierung von adaptiven Oberflächen-Mikrostrukturen – Haifischhaut‹ im Schwerpunktprogramm ›Adaptive
Oberflächen für Hochtemperatur-Anwendungen‹ wurden bis 2011 gemeinsam
mit der Universität Göttingen Werkstoffe und Prozesse erforscht, um im Betrieb
eines Bauteils bei Hochtemperaturen eine definierte Oberflächentopografie im
Nano-/Mikrobereich (Haifischhaut) zu erzeugen und mit der Selbstreinigung
(Lotus-Effekt) während des Abkühlvorgangs zu kombinieren. Dazu werden ein
jeweils positiver und negativer thermischer Ausdehnungskoeffizient zweier
unterschiedlicher Phasen ausgenutzt: Der Matrixwerkstoff, eine MCrAlY-Legierung und eine NEC-Keramik Y2W3O12, das heißt zunächst deren Ausgangswerkstoffe Y2O3 und WO3, werden als Legierung mittels thermischer Beschichtungsverfahren auf die Bauteiloberfläche aufgebracht. Durch Ionenimplantation
wird eine gezielte Keimbildung der NEC-Keramik induziert. Das dann bei
Inbetriebnahme hochtemperatur-aktivierte Wachstum von Keramikclustern
sorgt für die definierbare und damit im Hinblick auf Strömungseigenschaften
optimierbare Oberflächenstruktur (›Haifischhaut‹). Die Umkehrung dieser
Verformung beim Abkühlvorgang zieht nach sich, dass sich anhaftende Verunreinigungen wieder ablösen (Selbstreinigungseffekt).
Dipl.-Ing. Matthias Graf von
der Schulenburg
109
Uhlmann, Eckart (Hrsg.) (2011), S. 35–41.
Der vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin
gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik
IST in Braunschweig geführte Industriearbeitskreis Werkzeugbeschichtungen
und Schneidstoffe (Dipl.-Ing. Graf von der Schulenburg) richtet sich an Unternehmen der Zerspantechnik mit bestimmter Schneide. Der Arbeitskreis wird vor
allem durch seine halbjährlichen Arbeitskreistreffen, auf denen Fachvorträge
angeboten werden (abwechselnd an den veranstaltenden Instituten), durch
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die Erarbeitung von Richtlinien (im VDI-Fachausschuss CVD-Diamant-Werkzeuge) und durch Information über Veranstaltungen zu den Themen Zerspanung und Beschichtung aktiv. Thematisch ist er Nachfolger des 1999 gegründeten IAK ›CVD-Diamant-Werkzeuge‹ und widmet sich ganz allgemein den
Anforderungen an innovative, komplex aufgebaute Schneidstoffsysteme in der
Bearbeitung von neuen Hochleistungswerkstoffen. Es geht dabei zentral um
die Werkzeugschneide in allen Aspekten, also um
■ Schneidstoff (Hartmetalle, CVD-Dickschicht-Diamant),
■ Beschichtung (zum Beispiel keramische Hartstoffschichten, DLC, cBN, CVDDünnschicht-Diamant),
■ Werkzeugtypen,
■ Schneidkanten(mikro)geometrie,
■ Werkzeugherstellung (zum Beispiel Beschichtungsprozesse, Löten),
■ Werkzeugqualität (unter anderem Schichtcharakterisierung, Tribologie),
■ Werkstückqualität (zum Beispiel Oberflächengüte, Randzonenschädigung,
Grat),
■ Werkstückstoffe (versch. Metalle/Legierungen, Graphit, Holz, Faserverstärkte
Kunststoffe),
■ Zerspanungsprozess (zum Beispiel HPC, Trockenbearbeitung, Ultrapräzisionsbearbeitung, Hartzerspanung),
■ Wirtschaftlichkeit (unter anderem Wiederbeschichtung).
In der Gruppe Zerspantechnik (Herr Richarz) im Fachgebiet Werkzeugmaschinen
und Fertigungstechnik konzentrieren sich die Arbeiten auf das Zerspanen mit
geometrisch bestimmter Schneide, speziell auf Werkzeuge für die Dreh-, Fräsund Bohrbearbeitung. Eingebettet in die Entwicklung, Qualifizierung und
Optimierung zukunftsweisender Schneidstoff- und Werkzeugtechnologien
findet sich neben den Schneidstoffen, der Makro- und Mikrogeometrie und
möglicher Innenkühlung des Werkzeugs oder rotierender Schneiden eine Reihe
von Beschichtungstechnologien/-materialien wie CVD-Diamant und kubisches
Bornitrid (cBN).
Eine enge Kooperation zwischen den Bereichen Werkzeugentwicklung,
Oberflächenbearbeitung, Beschichtungstechnologie und Fertigungstechnik für
neue hartbearbeitungsgerechte Werkzeuge wurde mit dem Projekt HartSpan
(InnoNet-Projektprogramm, 2008 bis 2009) initiiert und vertieft. Eine neue
Werkzeuggeneration auf der Basis neuartiger Schichten zur Bearbeitung von
schwer zerspanbaren Werkstoffen soll als Produktsegment etabliert werden.
Die G-Elit (Berlin) als größeres Unternehmen im Projekt bietet Vorteile für die
Vermarktung und Distribution der entwickelten Produkte und Technologien,
indem sie eine geeignete Vertriebsstruktur beisteuert.
Projektpartner bei der eigentlichen Beschichtungstechnologie waren Eifeler
Werkzeuge GmbH, Düsseldorf und die Forschungseinrichtung Schmalkalden. Sie
generierten die innovativen Schichtsysteme (titanbasierte Multilayer-Schichten
und Nanocomposite-Beschichtungen als Verschleißschutz) mit PVD-Prozess-
Sebastian Richarz
258
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und Anlagentechnologie. Nach diesen Beschichtungen folgte die Optimierung
von Schicht und beschichteter Schneidkante mittels Magnetpulverpolieren
und Strömungsschleifen (spanende Feinbearbeitungsverfahren) sowie Laserstrahlabtragen durch das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb
der Technischen Universität Berlin (Prof. Uhlmann/Dr. König). Die Anwendung
solcher Hartmetallwerkzeuge mit innovativen Schichtsystemen wurde ebenfalls durch das IWF in Kooperation mit dem Anwender SWZ GmbH, Zella-Mehlis
und dem Forschungsinstitut Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung e.V., Schmalkalden erprobt und betreut. Ein weiterer Schwerpunkt von
HartSpan war die messtechnische Beurteilung von Schneidkanten und Bauteilgeometrien sowie die statistische Auswertung der Messdaten. Durch den Partner GF Messtechnik GmbH, Teltow kam das Verfahren der Streifenlichtprojektion
zum Einsatz.
Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt
Am Zentrum für Mikroproduktionstechnik ZMPT (Dr. Oberschmidt, Fachgebiet
Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin) liegen die Forschungsschwerpunkte auf Hochpräzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung,
Funkenerosion und Lasermaterialbearbeitung – Verfahren, die im Werkzeugund Formenbau für die Serien- und Massenfertigung oder für die Direktfertigung
von Mikrobauteilen und mikrostrukturierten Bauteilen gebraucht werden und
bereits in medizintechnische Anwendungen mündeten (Zentrum für innovative
Gesundheitstechnologie, ZiG der TU Berlin). Im Ultrapräzisionslabor mit dem
Bearbeitungssystem Nanotech® 350 FG wird die UP-Zerspanung mit monokristallinem Diamant durchgeführt, ein aufgrund der erzielbaren Oberflächengüte
und Geometriegenauigkeit häufig in der Mikroproduktionstechnik eingesetztes
Verfahren. Daneben stehen dem ZMPT ein Hochpräzisions-, ein Erodier- und
ein Lasermaterialbearbeitungslabor (zum Beispiel einfache Strukturierung von
Oberflächen, um die Benetzbarkeit oder die Haftfestigkeit zu verbessern) sowie
moderne Messtechnik zur Oberflächenbeurteilung zur Verfügung (klassisch:
taktile und optische Oberflächenanalyse, Mikrohärtemessung; auch: konfokale
Laser-Scanning-Mikroskopie, Weißlichtinterferometrie).
Dipl.-Ing. Gregor Hasper
Im Mittelpunkt der Gruppe Feinbearbeitung (Dipl.-Ing. Hasper) am Fachgebiet
Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin stehen Feinbearbeitungsoperationen für Medizintechnik und Triebwerksbau. Hierfür werden
höchste Anforderungen an die Oberflächengüte und die Maß- und Formgenauigkeit gestellt, dabei komplex konturierte Oberflächen bearbeitet. Um
die entsprechenden Fertigungsschritte reproduzierbar und automatisiert zu
machen, wird an Fertigungstechnik und -methoden geforscht: In dem vom
IWF koordinierten Projekt ›Hochpräzisionsbearbeitung mit endlosen Schleifbändern ohne Verbindungsstelle (PRECIBELT)‹ stand zwischen 2007 und 2009
die häufig versagende Verbindungsstelle von Schleifbändern zur Disposition.
Bis dato war der Einsatz hochharter Schneidstoffe wie kubisches Bornitrid (CBN)
und Diamant auf Schleifbändern nur schwer durchzusetzen, da die Standzeit
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der Schleifkörner nicht erreicht wurde, sondern vorher die Schleifbandverbindungsstelle versagte.
PRECIBELT steht für die serienreife Entwicklung endloser Hochpräzisionsschleifbänder ohne Verbindungsstelle, womit der optimale Schnittgeschwindigkeitsbereich für das Schleifen mit hochharten Schneidstoffen realisiert werden kann. Das Projekt schloss die Entwicklung einer Produktionsanlage zur
integrierten Herstellung solcher Schleifbänder ein und ermöglichte die Hochpräzisionsbearbeitung von Triebwerksbauteilen und Gelenkendoprothesen mit
PRECIBELT-Schleifbändern (Berliner Partner in der Endanwendung Medizintechnik war die Merete Medical GmbH).
Prof. Bauer vertritt an der BTU Cottbus den Lehrstuhl Polymermaterialien und
leitet gleichzeitig die Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite PYCO in Teltow (zuvor jeweils Außenstelle des Fraunhofer-IZM und -IFAM).
In enger Zusammenarbeit der beiden Institute werden hochvernetzte Polymere
für verschiedene Anwendungsrichtungen wie Leichtbau oder Mikro- und
Optoelektronik entwickelt. Entsprechende oberflächenrelevante Komponenten sind Beschichtungen, Laminierharze, Laminate, Sandwichstrukturen und
dünne funktionelle Schichten. Diese werden per Sprühtrocknung (Spray-Drying), Schleuderbeschichtung (Spin-Coating), Plasma-/Coronabehandlung oder
per Filmaufziehgerät hergestellt und mittels Messtechnik zur Brechungsindexund Schichtdickenbestimmung sowie spektroskopischen Methoden (FourierTransform-Infrarot-/FTIR-, abgeschwächte Totalreflexion/ATR-, Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transform-/DRIFT-, UV/VIS- und Fluoreszenz-Spektroskopie) untersucht bzw. analytische und verarbeitungstechnische Verfahren entwickelt.
Aktuelle und abgeschlossene Promotionsarbeiten am Lehrstuhl beschäftigen sich mit flammfesten, elektronenstrahlhärtbaren und aus nachwachsenden Rohstoffen stammenden Reaktivharzen (für Composite-Materialien), mit
der Absorption/Emission von Lacken und Farben auf verschiedenen Oberflächen oder oberflächenmodifizierten Keramikpulvern.
Weitere Forschungsarbeiten des PYCO sind in diesem Kapitel und in den
Kapiteln Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik sowie Oberflächen- und
Schichtanalytik, Anlagentechnik beschrieben.
Prof. Dr. Monika Bauer
Im Schwerpunktprogramm ›Haut‹ war Prof. Scheffler, ehemaliger Inhaber des
Lehrstuhls Leichtbaukeramik der BTU Cottbus, am Teilprojekt ›Thermisch aktivierbare, keramische Schutzschichten mit adaptiven Eigenschaften auf der Basis
präkeramischer Polymere‹ beteiligt (Kooperation mit Dr. Günter Motz, Uni Bayreuth, und der Clariant GmbH, Sulzbach). Durch Verwendung partikelgefüllter
präkeramischer Polymere (mit großer Vielfalt an Füllstoffen) lassen sich unter
Auswahl der Prozessparameter Temperatur, Druck und Atmosphäre die Eigenschaften von Schichten in sehr weiten Grenzen variieren, was Vorteile gegenüber konventionellen Beschichtungen der Metalle hat. Die Prozessparameter
Prof. Dr. Michael Scheffler
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werden gezielt genutzt um adaptive (sich durch die thermische Aktivierung
anpassende) Eigenschaften der Schichten wie die Fähigkeit zur Selbstschmierung reibender Flächen, die Hydrophobierung von Oberflächen ähnlich dem
Lotuseffekt oder hydrophile Eigenschaften bei hohen Temperaturen einzustellen. Auch die Grenzflächen zwischen Metall und Keramikschicht lassen sich
so maßschneidern; darüber hinaus werden die metallischen Substrate bei der
Umwandlung der Polymer-Füller-Schichten zur Keramik durch die niedrigen
Umwandlungstemperaturen nur geringfügig belastet. Es wurden keramische
und metallische Füllermaterialien mit Partikelgrößen im Nanometerbereich,
als präkeramische Polymere sowohl Silikone (sauerstoffhaltig) als auch
Polysilazane (sauerstofffrei) verwendet, deren Vor- und Nachteile verglichen
und mittels hochauflösender, spektroskopischer Charakterisierungsmethoden
bezüglich ihrer Eigenschaften und Bildungsmechanismen untersucht. Das
Verständnis der Materialbildung und -funktion soll helfen, die gewonnenen
Erkenntnisse auf weitere Materialsysteme zu übertragen.
Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
Am Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik (kommissarischer Leiter
Prof. Viehweger) des Instituts Werkstoffe und Produktionsforschung der BTU
Cottbus werden innovative Werkstoff- und Oberflächensysteme und deren
Herstellungstechnologien erforscht. Die Anwendungsschwerpunkte liegen in
Luftfahrt, Verkehrstechnik und Energietechnik.
Leistungen bzw. Ausstattung des Lehrstuhls Metallkunde und Werkstofftechnik umfassen
■ Wärmebehandlungen und Umformungen
– Thermische und thermomechanische Behandlung (bis T = 1200 °C)
■ Mechanische Oberflächenbehandlung
– Verfestigungsstrahlen (Kugelstrahlen) mit Druckstrahl- und Injektoranlagen
– Strahlmittel: Stahlguss, Stahldraht, austenitischer Stahl, Keramik, Glasperlen
– Festwalzen (Hydraulische Fest-/Glattwalzvorrichtung)
■ Härtemessungen
– Makrohärtemessungen
– Kleinlasthärtemessungen
– Mikrohärtemessungen
■ Beschichtung
– Entwicklung und Herstellung von PVD-Schichten
– PVD-Beschichtungstechnik
– High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS-) Beschichtungsanlage
– Konventionelles DC-Magnetron-Sputtern
– Arc-Verdampfung
– Bauteilreinigungsanlage für Beschichtungsanlage
– Plasmamonitor
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■ Prüftechnik
– Erosionsprüfstand für Kalterosion
– Forschungsanlage für Hochtemperaturerosion (im Aufbau)
– Oxidationsprüfstände
– Scratchtest
– Hochtemperaturtribometer
– Nanoindenter
In umfangreichen (durchaus regionalen) wissenschaftlichen und IndustrieKooperationen, zum Beispiel mit den Lehrstühlen Fügetechnik, Angewandte
Physik und Sensorik, Konstruktion und Fertigung, Mechanische Verfahrenstechnik der BTU Cottbus, dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht, der BAM
bzw. mit GP Innovationsgesellschaft mbH, Rolls-Royce Deutschland, Thyssen
Umformtechnik Leichtbau Entwicklungsgesellschaft, Turbine Airfoil Coating and
Repair GmbH (TACR) werden sowohl bilateral als auch multilateral Projekte
durchgeführt. Diese – teils im Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik genauer
beschriebenen – Projekte sind
■ Entwicklung von Erosionsschutzschichten mittels HPPMS und die Durchführung von Erosionstests,
■ HPPMS-Abscheidetechnologie für Verschleißschutzschichten,
■ ModulTurb – Entwicklung von Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln,
■ Haifischhaut für Hochtemperaturanwendungen – strömungsoptimierte
Schutzschichten,
■ Synthese und Charakterisierung von adaptiven, schadenstoleranten Keramikoberflächen auf der Basis von MAX-Phasen-Nanolaminaten,
■ Entwicklung eines Schichtsystems für hochbelastete Verdichterkomponenten.
Im Rahmen einer Diplomarbeit (Matthias Voß, 2007) am Fachgebiet Mechanik,
Messtechnik der Beuth Hochschule für Technik Berlin (Prof. Kleinschrodt) entstand eine numerische Strömungssimulation, die sich auf ein neuartiges Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen bezieht. Dieses
Verfahren entstand durch die Zusammenarbeit von ERK Eckrohrkessel GmbH
(Berlin) und MiCryon Technik GmbH (Quedlinburg): Mittels Ionenstrahllithografie und Mikrogalvanoumformung wurden Mikrostrukturen in Form von
Zylindern mit Abmessungen zwischen 20 und 100 µm erzeugt, die zu einer
erheblichen Steigerung des Wärmeüberganges führen, wie er im Falle der
Anwendung als wärmeübertragendes Material (Heizfläche beim Blasensieden
von Fluiden) erforderlich ist. Die Oberflächenstrukturierung sorgt für ›künstliche‹ Fehlstellen, die mit Keimstellen für die Blasenbildung gleichzusetzen
sind. Bei gleichen Abmessungen kann damit mehr Wärme übertragen werden.
Besonders geeignet scheint die Mikrogalvanoumformung wegen ihres Material
auftragenden und nicht abtragenden Charakters. Damit können filigrane Strukturen geringer Abmessung und hoher Fehlstellendichte hergestellt werden.
Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter
Kleinschrodt
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Für die angestrebte numerische Simulation der Strömungssituation wurden Geometrie und Fluid exemplarisch modelliert und die Durchführbarkeit
überprüft (Annahmen verifiziert). Darauf aufbauend können gezielt Form,
Abmessungen und Aufbau der Mikrostrukturierung verändert werden, um
Einflüsse auf Eigenschaften (Wärmeübergang, Konvektion) zu erkennen und
Optimierungen vorzunehmen.
Prof. Dr.-Ing. Ralf Winkelmann
Das Labor für Tribologie und Oberflächenschutztechnik unter Leitung von
Prof. Winkelmann an der Hochschule Lausitz vereint Forschung und Entwicklung an fertigungstechnischen wie tribologischen Fragestellungen für die verwandten Verfahrensgruppen Fügen und Beschichten (weitere Kompetenzen in
Kapitel Fahrzeugbau).
Angebotene fertigungstechnische Leistungen sind
■ Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Füge- und Beschichtungstechnik,
■ Realisierung von Beschichtungen (Flammspritzen/Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasma-Pulver-Auftragschweißen PPA, Kalt- und Heißdraht, MSG, Füll- und Massivdrähte),
■ Verfahrens- und Technologieauswahl,
■ Fügen von Stahlfeinblechen ohne Zerstörung metallischer Beschichtungen.
Die Tribologie betreffende Leistungen sind
■ Auswahl und Beurteilung von Werkstoffen,
■ Bearbeitung konstruktiver Probleme zur Lösung tribologischer Probleme,
■ Erarbeitung und Bewertung von Beschichtungstechnologien,
■ Herstellung neuartiger Schichten,
■ Begutachtung von Schadensfällen,
■ Verschleißuntersuchungen, Korrosionsprüfung, Kavitationsprüfung.
Zur maschinellen Ausstattung des Labors zählen eine Hochvakuumbeschichtungsanlage, eine Hochvakuumbeschichtungsanlage für PVD/PECVD-Prozesse
sowie die benötigte(n) Mess- und Prüftechnik bzw. Prüfstände.
Die in der Vergangenheit durchgeführten oberflächenrelevanten Projekte
(meist in einschlägigen Förderprogrammen) und Veröffentlichungen drehen
sich um
■ Verschleißschutz (›Thermisch hoch beanspruchte Verschleißschutzschichten‹, 2004),
■ Metal-Matrix-Composites (›Beschichtungen mittels C_MMC’s‹, 2007), ›Werkstoffe und Verfahren zur Herstellung extrem harter Verschleißschutzschichten – C_MMC’s bei in situ Legierungsbildung‹, 2008) sowie
■ Induktion als fertigungsunterstützendes Element (›Induktionsunterstütztes
Beschichten – InduClad‹, PRO INNO II-Projekt, 2008 bis 2010, ›Modellierung
und online Wärmeführung beim induktiven Härten und Fügen – MOWI‹,
ZIM-Projekt, 2008 bis 2010).
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Ziel der Technologieentwicklung ›induktionsunterstütztes Beschichten‹ war
das Beschichten von Substraten auf der Basis neuer hochverschleißbeständiger Metall-Matrix-Composite (MMC), bestehend aus niedrig schmelzenden
Fe-Matrices und eingebetteten Hartphasen (zum Beispiel AlZrO2; WC/W2C; Cr3C2).
Bis dato haben sich Wolframkarbid-haltige Beschichtungen auf Ni-Basis gegen
den starken, abrasiven Verschleißangriff bewährt, die durch Plasma-PulverAuftragschweißen auf kostengünstige Substrate aufgebracht werden. Um die
Herstellungskosten zu reduzieren und um der durch eine partielle und gut
steuerbare Wärmeinduzierung einer Hartstoffauflösung entgegenzuwirken,
kommt die induktionsgestützte Beschichtungstechnologie (InduClad) zum
Einsatz, das heißt der pulverförmige Schichtwerkstoff wird durch Induktion
auf- und das Substrat angeschmolzen. Vorteile gegenüber allen Lichtbogenverfahren liegen bei
■ der genau kontrollierbaren Beschichtungstemperatur,
■ der Möglichkeit, härtbare Fe-Basislegierungen mit Zusatz von Hartstoffen
ohne deren Auflösung aufzubringen (martensitisch härtbare Metallmatrix),
■ der Möglichkeit, auf etwa Faktor 10 kostengünstigere Hartstoffe wie AlZrO2
gegenüber konventionellem WC/W2C zurückzugreifen.
Mittels InduClad lassen sich einlagig Schichten bis zu zwölf Millimeter Dicke
auf bis zu vier Millimeter dünne Bauteile auftragen. In der Kombination von
Dünn- und Dickschichttechnologie könnten die neuen werkstofftechnischen
und technologischen Herausforderungen liegen.
TH Wildau werden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen und Wirtschaftspartnern hauptsächlich optische und photonische
Komponenten (Kapitel Lichtemission/Photonik), aber auch Bauelemente der
Dünnschichtelektronik und -messtechnik (Kapitel Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik) sowie
Beschichtungstechnologien für Turbinenschaufeln (Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik) entwickelt. Mit dem 2011 initiierten ›Innovationsforum – Schützen und Veredeln von Oberflächen‹ engagiert sich die AG für ein Netzwerk aus
Beschichtungsfirmen, Herstellern von Beschichtungsanlagen, Forschungseinrichtungen sowie industriellen Anwendern, um den Wissensaustausch, die
Erstellung von Bedarfsanalysen und eine Strategiebildung für die (über)regionale Verwertung von Oberflächenveredlungen anzustoßen.110
Neben den Kompetenzen bei der Entwicklung von bioziden Unterwasseranstrichstoffen (Kapitel Umwelttechnik und Marine Technik) werden durch
Dr. Herzog und das Fachgebiet Hochleistungswerkstoffe weitere Projekte, zum
Beispiel zur Verwendung recyclierter Materialien für funktionale Schichten,
vorangetrieben, wie die ›Entwicklung neuartiger funktionaler Dickschichten
mit hohem mechanischem Verlustfaktor auf der Basis von Recyclingpolyolen‹
Dr. Michael Herzog
110
Schrader, Sigurd (2011).
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(2006 bis 2008). Diese funktionellen Dickschichten mit hohem nichtelastischem
Verformungsanteil auf der Basis von Recyclingpolyolen (PUR-Systeme) sind für
unterschiedliche Untergründe gedacht und können aufgrund ihrer molekularen Struktur Vibrationen dämpfen, Schallausbreitung vermeiden und Korrosion
unterdrücken. Die speziellen strukturellen Eigenschaften der Recylatpolyole
werden ausgenutzt; durch optimierten Einsatz von organischen und anorganischen Füllstoffen werden die erwünschten Anwendungen erschlossen. Dabei
werden die Schichten kompakt oder zellig, das heißt die Rohdichte in weiten
Grenzen anwendungsgerecht eingestellt.
Ein weiteres Vorhaben mit Laufzeit 2010 bis 2011 betrifft neuartige
Umhüllungsmaterialien als dünne elastische Schichten auf Metallteilen, um
diese gegenüber Umweltbedingungen zu schützen. Das Ziel sind bei relativ
niedriger Temperatur niedrig-viskos aufschmelzende Polyesterlegierungen, die
als Schmelze durch Extrusion oder Spritzguss auf die Metallteile aufgetragen
werden, ohne dass dabei Emissionen entstehen. Die Polyesterlegierungen
setzen sich aus mindestens drei Komponenten (Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und zyklisches Oligobutylenterephthalat) zusammen –
gegebenenfalls unter Zusatz von Strukturmodifikatoren und weiteren Additiven
wie Pigmenten, Farbstoffen, inerten Füllstoffen, nanoskaligen Füllstoffen und/
oder Flammschutzmitteln.
Dr. Herzog vertritt an der Technischen Hochschule Wildau Lehraufträge in
verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen in den Modulen Hochleistungswerkstoffe, Spezielle Werkstoffe und Verfahren, Innovative
Werkstoffe und Verfahren, Hochleistungswerkstoffe und Beschichtungen,
Umwelttechnik sowie einsatzfähige Lehrinhalte zu Verbundwerkstoffen und
Kreislauftechnologien.
Dr. Heinz Sturm
In der Fachgruppe 6.2 Rastersondenmikroskopie, Tribologie und Verschleißschutz (Dr. Sturm) der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(BAM) wird Grundlagenforschung betrieben bzw. langjährige Erfahrung aus
Schadensanalysen, Machbarkeitsstudien und Tribosimulationen zur Optimierung von Systemen genutzt. Dies betrifft Produkte und Anlagen, die den Oberflächenphänomenen Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, also bewegte
Bauteile besitzen. Ziel ist, deren Qualität, Funktionalität, Zuverlässigkeit, Leistung und Betriebssicherheit zu steigern und/oder Energie- und Materialverluste, Betriebs- und Wartungskosten und damit volkswirtschaftliche Verluste
(in Deutschland schätzungsweise eine mehrstellige Milliarden-Euro-Summe)
zu senken. Die Forschungsarbeiten sind auf keine bestimmte Produktgruppe
begrenzt, sondern gelten verschiedenen Branchen wie Maschinen- und Anlagenbau, Haushaltsgeräte, Automobil- und Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt,
Video-, Phono-, EDV-Technik, Medizintechnik und Mikrosystemtechnik.
Neben dem Gebiet ›Rastersondenmikroskopie und Nanotechnologie‹,
das der Fachgruppenleiter Dr. Sturm vertritt, gibt es weitere Kompetenzfelder: ›Tribologische Optimierung, Schadensanalyse; Extrembeanspruchung‹,
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›Schwingungsverschleiß; Mikro-/ Nanotribologie; Modellentwicklung‹ und
›Kryo-, Wasserstoff- und Vakuumtribologie‹. Von der langjährigen Erfahrung
in Sachen Tribologie können Interessierte durch die veröffentlichte (kostenpflichtige) Datenbank Tribocollect (Datenbank zum tribologischen Verhalten
von Werkstoffen und Beschichtungen) profitieren.
Die Arbeitsgruppe Dünnschichttechnik, Elektrochemie, Oberflächenmesstechnik
(Dr. Beck, Fachgruppe 6.4: Oberflächentechnologien) an der BAM befasst sich
mit der Untersuchung von dünnen Schichten und funktionellen Oberflächen,
darunter Hartstoffschichten (zum Beispiel Verschleißschutz), optische Schichtsysteme (zum Beispiel UV-Schutz) und metallische Überzüge (für Korrosionsschutz oder elektro-magnetische Abschirmung). Zur Bestimmung von Oberflächen- und Schichtkenngrößen mechanischer, mikrostruktureller, optischer
und elektrischer Art sowie Oberflächen- und Schichteigenschaften wie Oberflächentopographie und -energie, Schichtdicke und Haftung steht eine Vielzahl
akkreditierter Prüfverfahren zur Verfügung.
Präpariert werden dünne Schichten mit physikalischen und chemischen
Verfahren (PVD, CVD, ECD/electro-chemical deposition, Galvanik). Die Kompetenzen umfassen die Herstellung von Schichtsystemen, Referenzmaterialien,
die Validierung von Prüfverfahren, Referenzverfahren, die Erstellung von Prüfberichten und Gutachten, Schadensanalysen sowie Standardisierungs- und
Normungsarbeiten (DIN, EN, ISO).
Die BAM betreibt sowohl Auftragsforschung als auch Forschungskooperationen mit der Industrie und Universitäten, Drittmittelforschung sowie pränormative Forschung. (Drittmittel-)Projekte, an denen die Fachgruppe beteiligt war,
sind
■ FUNFLUOS Functionalised metal fluorides (2004 bis 2007) in Zusammenarbeit
mit Prof. Kemnitz (HU Berlin), Niedertemperatur Sol-Gel Fluoride für den
UV-Schutz,
■ FOREMOST, nanotechnologisch modifizierte Schichten für die Verschleißminderung,
■ AnSim, Schichteigenschaften und Simulation von galvanischen Beschichtungs-Prozessen für den Korrosionsschutz (hierin vor allem Bestimmung
der Schichteigenschaften, Haftfestigkeit),
■ Fracture Analyzer (L.U.M. GmbH Berlin), Prüfung der Füge- und Haftfestigkeit mittels Zentrifugentechnik (2004 patentierter Zentrifugenabreißtest:
Zentrifuge mit 12 Prüfkörpern aus Substrat, Schicht und Kleber für die Prüfung galvanischer Schichten, auch Hartstoffschichten),
■ NANOINDENTATION, EU-Netzwerk zu Prüfung plasto-elastischer Schichteigenschaften,
■ Analytik gefährlicher Stoffe und Gemische mittels TIRE (Total Internal Reflection Ellipsometry) und SPR (Surface Plasmon Resonance)-Ellipsometrie,
■ Easy-to-Clean, Oberflächen und Schichten für die Steril- und Lebensmitteltechnik,
Dr. Uwe Beck
266
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■ REMAST, REference MAterial for the Scratch Test, European Commission Directorate-General Joint Research Centre, Institute for Reference Materials and
Measurements,
■ Implant, Schichten für Hüftimplantate (FU Berlin; BAM Fachgruppe 5.1),
■ Dentcoat, Schichten für Zahnimplantate (Uni Kiel),
■ Normungsinitiative Oberflächentechnik (VDI TZ Düsseldorf),
■ DEKO, Dekorative Hartstoffschichten (BMFT),
■ ACIRO (amorphous carbon layers for infrared optics), a-C:H Schichten für
IR-Anwendungen.
Weitere Kooperationen bestanden mit/durch
■ Doktoranden von HU Berlin (AG Prof. Kemnitz), TU Chemitz (AG Prof. Richter),
■ AZM BESSY II (Anwenderzentrum für Mikrotechnik am Helmholtz-Zentrum
Berlin) zur Mikrostrukturierung,
■ TU und ISAS Berlin zur VUV/UV Ellipsometrie an BESSY II (HZB),
■ diversen Industriepartnern, Hochschulen, Universitäten sowie außeruniversitären Forschungseinrichtungen.
Die Gruppe ist in vielen Netzwerken tätig (VdI, Optec BB, AK Plasma, INPLAS,
EFDS, DGM, DPG) und zudem in die Arbeit vieler Normungsgremien (DIN, ISO,
VDI) involviert, die (dünn-)schichttechnische Produkte und Verfahren wie
dünne Schichten für die Optik, Messung von Schichtdicken, Härteprüfung, Testmethoden für keramische Coatings, CVD-Diamantwerkzeuge, chemische und
elektrochemische Überzüge betreffen.
Im Rahmen des Arbeitskreises Nanotechnologie, der die Nanomaterialforschung der BAM-Forscher bündelt, steuert die Gruppe Dünnschichttechnik,
Elektrochemie, Oberflächenmesstechnik zusammen mit den Arbeitsgruppen
Chemische Sensorik, Sol-Gel-Technik sowie Rastersondenmikroskopie und
Nanotechnologie Know-how zu Nanoschichten und deren Herstellungsverfahren PVD, CVD, Sol-Gel-Technik bei.
Prof. Dr. Jörg F. Friedrich
Die Fachgruppe 6.5 Polymeroberflächen der BAM (Prof. Friedrich) forscht und
entwickelt an gezielten Funktionalisierungen von Polymeren mittels Modifizierungs- oder Beschichtungsverfahren und analysiert oberflächenmodifizierte Polymere bzw. dünne Polymerschichten zum Beispiel durch Messung
(di-)elektrischer und thermischer Eigenschaften an zehn bis 500 nm dünnen
Schichten. Im Fokus steht die Oberflächenchemie von kohlenwasserstoff- und
kohlenstoffbasierten Materialien (Polyolefine und graphitische Materialien),
denen es weitgehend an funktionellen Gruppen an der Oberfläche fehlt,
wodurch sie aber besonders chemisch resistent sind. Zur Einführung von funktionellen Gruppen bei diesen wurden Verfahren zur Erzeugung weitgehend
vereinheitlichter funktioneller Gruppen entwickelt, die dazu befähigen, verschiedene Werkstoffe an ihrer Grenzfläche chemisch zu koppeln (hochhaftfeste
Polymer-Verbundwerkstoffe). Damit verknüpft ist eine höhere Leistungsfähig267
10.02.12 14:20
keit und Sicherheit von Bauteilen mit modifizierten Grenz- und Oberflächen.
Neben Verbundwerkstoffen ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten
wie Reibminderung, Korrosionsschutz, Barriereschichten, Antifouling-Ausstattung oder Schichten für die Immobilisierung von Biomolekülen.
Zugehörige Arbeitsgebiete im Kompetenzbereich Sicherheit von Bauteilen
mit modifizierten Grenz- und Oberflächen umfassen
■ plasmachemische Oberflächenmodifizierung von Polymeren,
■ Anwendung und Weiterentwicklung von Methoden der Oberflächenanalyse von plasmabehandelten Oberflächen und Modifizierungen mit Hilfe
der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie XPS,
■ Bewertung der Beständigkeit funktioneller Polymeroberflächen,
■ Adhäsion zwischen Polymeren und Metallen,
■ Schadensfallanalytik bei der Delamination von Polymerverbundsystemen.
Die gerätetechnische Ausstattung zur Präparation und Analytik der Fachgruppe
ermöglicht thermische und Elektronenstrahl-Bedampfung, Gießen (Casting),
Schleudern (Spin-Coating) und Elektrosprayabscheidung von Schichten, Herstellung und Modifizierung von Pulvern und Schichten in Induktionsplasmareaktoren, Niederdruck-Plasmabehandlung und -polymerisation mit simultaner
Bedampfung und Plasmadiagnostik, Photoelektronenspektroskopie (ESCA),
dielektrische, thermische und Infrarot-Spektroskopie (FTIR-, Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transform-/DRIFT-, abgeschwächte Totalreflexion ATR-,
Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie IRRAS).
Im Rahmen des Arbeitskreises Nanotechnologie bringt die Gruppe zusammen mit der Arbeitsgruppe 6.3 Beständigkeit von Polymeren ihre Erfahrung
und Kompetenz zum Thema funktionalisierte Polymeroberflächen ein.
Das Fraunhofer-IPK war Mitglied in der Fraunhofer Allianz Diamantbeschichtete
Keramik DiaCer ® (Prof. Uhlmann, Dr.-Ing. König) und vor allem verantwortlich
für die Anwendung des innovativen Beschichtungsmaterials auf Werkzeugen/
Bauteilen und für die Schicht- und Bauteilcharakterisierung, also die Werkzeugprüfung.
Die anderen Kompetenzen wie zur Diamanttechnologie, zum Werkstoffverbund ›Hochleistungskeramik‹ und zur Schichtcharakterisierung, zur tribologischen Prüfung oder zur Simulation brachten die anderen im Verbund arbeitenden einschlägigen Fraunhofer-Institute für Schicht- und Oberflächentechnik
(IST), für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und für Werkstoffmechanik (IWM) ein. Die Diamantbeschichtung verbessert im Vergleich zur herkömmlichen Hochleistungskeramik Mikrohärte, Verschleißwiderstand, Reibverhalten,
chemische Resistenz, thermische Stabilität und elektrische Isolation.
Im Rahmen von bilateralen Projekten mit Unternehmen und dem im
Programm ›Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft WING‹
geförderten Verbundprojekt wurden Prototypen der Zielprodukte DiaCer®Wendeschneidplatten für die Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe,
Prof. Dr. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Dr.-Ing. Jens König
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DiaCer®-Ziehsteine zur Herstellung von Drähten und DiaCer®-Gleitlager und
-Gleitringdichtungen für Anwendungen zum Beispiel in hoch beanspruchten
Pumpen entwickelt (seit 2007 diamantbeschichtete Gleitringdichtungen unter
dem Markennamen DiamondFaces®). DiaCer®-Wendeschneidplatten sind ein
Beispiel für diamantbeschichtete keramische Schneidwerkzeuge für die Fräsund Drehbearbeitung und ermöglichen
■ die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien,
■ die trockene und schnelle Hochleistungsbearbeitung,
■ den Einsatz neuer, schwer zerspanbarer Leichtbaumaterialien,
■ eine verbesserte Oberflächengüte der Werkstücke,
■ Diamant als Schneidwerkstoff auch für komplexe Schneidengeometrien
(zum Beispiel Spanleitstufen).
Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier
Mit Prof. Rethmeier (Leiter der Fachgruppe ›Sicherheit gefügter Bauteile‹ der
BAM) hat das Fraunhofer-IPK einen Partner und Leiter für den 2009 neu
eingerichteten Bereich Füge- und Beschichtungstechnik gewinnen können.
Die Kooperation von IPK und BAM ermöglicht es, personelle wie apparative
Ressourcen gemeinschaftlich zu nutzen und nach außen als kompetenter
Ansprechpartner in der Füge- und Beschichtungstechnik für kleine und mittelständische Unternehmen zu fungieren.
Die Beschichtungstechnik ist in diesem Fall eng an die Fügetechnik angebunden: So wie zahlreiche Bauteile dauerhaft gefügt werden müssen (stoffschlüssige Verfahren Schweißen, Löten, Kleben und umformtechnisches Fügen
in Mikroelektronik bis zum ›tonnenschweren‹ Schiffs- und Flugzeugbau), müssen zahlreiche Bauteile dauerhaft beschichtet werden (metallische, organische,
anorganische Deckschichten). Zudem ergibt sich durch die Zusammenarbeit mit
der BAM bei Fragen der Materialprüfung eine Kompetenzstärkung.
Dipl.-Ing. Martin Bilz
Das Fraunhofer-IPK ist Koordinationsstelle für die Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik (FAR, Dipl.-Ing. Bilz). Sie arbeitet in den Anwendungsfeldern
■ Industrielle Reinigung von Bauteilen und Halbzeugen,
■ Reinigung in der Instandhaltung,
■ Oberflächenbehandlung vor der Beschichtung,
■ Reinigung in der Mikrosystemtechnik,
■ Reinigung in hygienerelevanten Bereichen,
■ Reinigung für den Kulturgütererhalt,
■ Aus- und Weiterbildung.
Die Reinigungstechnik ist für die Oberflächen- und Schichttechnologien vor
allem dann relevant, wenn es sich um beschichtungsvorbereitende Maßnahmen handelt. Fehler in der Vorbehandlung von Werkstoffoberflächen können
zum Versagen der Schicht und damit zum Ausfall des gesamten Bauteils führen.
Deshalb ist eine intensive, aber auch schonende Reinigung (je nach zu reinigendem Werkstoff und zu entfernenden Kontaminationen) essentiell. Dane269
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ben ist oft eine Aktivierung (Veränderung der Benetzbarkeit) oder Passivierung
(oxidische Schutzschicht) von Werkstoffoberflächen erforderlich.
In der Allianz sind neben dem IPK die einschlägigen Fraunhofer-Institute
anderer Standorte vertreten wie das für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik
(FEP), für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM), für
Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), für Lasertechnik (ILT), für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) und für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS).
Am IPK untersuchten Wissenschaftler gemeinsam mit dem IFAM und zehn
Industriepartnern im InnoNet-Forschungsprojekt ›SchneeLack‹, inwiefern sich
CO2-Schneestrahlen zur Vorbehandlung von Kunststoffen (vor dem Lackieren
und Kleben) eignet. Ziel des Projekts waren die Qualifizierung des Verfahrens
für die automatisierte Vorbehandlung von Kunststoffen sowie die Entwicklung
eines Inline-Messverfahrens für die Überprüfung. Mit den Kenntnissen zu weiteren erforderlichen Prozessschritten wie Lackapplizierung und Überprüfung
der Lackhaftung vereint, konnte umfassendes Know-how entlang der Prozesskette aufgebaut werden.111
Mit dem Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen bzw. Strahlverfahren bietet das IPK ein Forum für Mitgliederfirmen und Interessierte.
Das Fraunhofer-IPK war im Verbundprojekt ›Anwendungsorientierte Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter
Oberflächen – AnSim‹ (2007 bis 2010, BMBF-gefördert) auf produktionstechnologischer Seite beteiligt (Dipl.-Ing. Mollath).
Um mit Hilfe der Simulation maßgeschneiderte Oberflächen herzustellen,
also wie in diesem Falle galvanotechnische Schichten mit verbesserten Funktionseigenschaften (auch Multifunktionalität) und geringerem Ressourcenverbrauch abzuscheiden, bedarf es reproduzierbarer Schichtbildungsprozesse.
Beiträge des IPK zum Projekt waren die leistungsfähige Planung und Regelung
von automatisierten Beschichtungsprozessen in großtechnischen Anlagen,
um zu einer kontrolliert gestalteten Schichtmorphologie zu gelangen. Weitere
Anforderungen waren
■ Optimierung der Prozessesbedingungen und -führung (zum Beispiel optimierte Zellengeometrie und Hydrodynamik),
■ an den Beschichtungsprozess angepasste Gestaltung der vor- und nachgelagerten Fertigungsschritte,
■ optimale Integration des Beschichtungsprozesses in die Produktionsumgebung.
Es bedurfte daher vieler Erkenntnisse zur Automatisierung von galvanischen
Anlagen (vor allem Handhabungstechnik); gleichzeitig war dies die Schnittstelle zu Modellbildung und anschließender Simulation. Am Beispiel der
Zinkbeschichtung unter Produktionsbedingungen wurde die Tauglichkeit des
Verfahrens demonstriert. Die im Projekt entstandene Simulationstechnik wird
Dipl.-Ing. Günther Mollath
111
Vgl. Fraunhofer Gesellschaft (2011a),
S. 20; Fraunhofer-Gesellschaft (Hrsg.)
(o.J.).
270
10.02.12 14:20
für die Optimierung des Zusammenwirkens von Beschichtungsprozessen, der
Prozessführung, der Konzeption von Anlagen sowie für Forschung und Lehre
eingesetzt. Im Sinne der ganzheitlichen Betrachtung der Prozesse ist eine mögliche Auswirkung auf die Entwicklung von Bauteilen die Berücksichtigung einer
weiteren Konstruktionsgerechtigkeit, nämlich der ›beschichtungsgerechte‹ Entwurf. Projektpartner, insbesondere für die Schichtcharakterisierung/-prüfung
und die eigentliche Simulationstechnik waren die BAM, die CFX Berlin Software
GmbH, die DGO Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e.V.
und andere.
Prof. Dr. Dietmar Hömberg
aus Wirtschaft und Technologie durch. Im Hauptanwendungsgebiet ›Optimierung und Steuerung technischer Prozesse‹ widmet man sich am WIAS der Simulation verfahrenstechnischer Prozesse und damit der Optimierung (Berechnung
optimaler Prozessparameter) von elementaren Produktionsprozessen wie
Schweißen und Härten, von Kristallzüchtung und des Designs optischer Gitter. Zur Simulation und Optimierung der Oberflächenhärtung mittels Laser oder
Elektronenstrahlen ist die Software WIAS-SharP (Surface Hardening Program)
entwickelt worden. Damit ist es möglich, auch bei geometrisch komplizierten
Bauteilen die gewünschte Einhärtetiefe zu realisieren. Eingebettet war diese
Entwicklung in das Matheon-Projekt (Projektlaufzeit 2003 bis 2014) C11 ›Modeling and optimization of phase transitions in steel‹, ausgeführt von der Gruppe
Nichtlineare Optimierung und Inverse Probleme des WIAS (Prof. Hömberg).
Dr. Olaf Kahle
In einer EU-geförderten Kooperation mit europäischen Partnern war die Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite PYCO unter Leitung
von Dr. Kahle an der Untersuchung des Potenzials der Plasmapolymerisation
als Methode zur Vorbehandlung von Metalloberflächen für Klebverbindungen
und Beschichtungen beteiligt. Es gelang die Synthese neuer Monomere für die
Plasmapolymerisation (zum Beispiel aus Acrylic Acid, AA), deren Eigenschaftsveränderungen hinsichtlich verwendeter Plasmaenergien und Zusätze untersucht wurden: Bei niedrigen Plasmaenergien (~10W RF) erhielt man geringe
Netzwerkdichten und Eigenschaften wie große thermische Dehnung (großer
CTE, coefficient of thermal expansion – typisch für Gummizustand), hoher Solanteil, geringe Temperaturbeständigkeit, hohe Wasseraufnahme. Hohe Netzwerkdichten wurden durch hohe Plasmaenergien (pulsed DC) erhalten, entsprechend ein für den Glaszustand typischer CTE, eine Schicht ohne meßbaren
Solanteil, Temperaturbeständigkeit bis >300 °C und eine geringe Wasseraufnahme. Mit einem Zusatz von ca. 25 Prozent Octadien an Plasmapolymeren
aus Acrylic Acid (AA) konnte ein Optimum an Verbesserungen erreicht werden.
271
10.02.12 14:20
In einem weiteren Projekt (Dr. Vieth), das gemeinsam mit dem Lehrstuhl für
Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe der TU Dresden durchgeführt und
durch die DFG gefördert wurde, ging es um die Modifizierung von Oberflächen
an in Pulverform vorliegenden Werkstoffen (vor allem Trockenpressmassen).
Deren Handhabung erfordert die Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften,
die durch funktionelle Gruppen der Pulver-Oberfläche (in der Regel OH-Gruppen) mit geeigneten Reagenzien, durch Behandlung mit (funktionalisierten)
Alkylsilanen bzw. spezifische Prozesse wie Säure-Base-Reaktionen oder Komplexbildung bewerkstelligt werden kann. Eine derartige Oberflächenmodifizierung ist eine geeignete Methode, keramische Formgebungsverfahren (beispielsweise Heißgießen oder Spritzgießen) sowie die Herstellung von Kunststoff-Keramik-Kompositen zu verbessern, indem das rheologische Verhalten
(Fließen), Viskosität und Agglomerationsverhalten der Pulver-Suspensionen
entsprechend beeinflusst werden. So konnte ein verbessertes Verdichtungsverhalten von Trockenpressmassen mit oberflächenmodifizierten Pulvern umgesetzt werden. Fest am Pulver haftende Modifizierungsreagenzien vermindern
signifikant die Pulver-Pulver-Reibung (Tenside reibmindernd im Sinne einer
Grenzflächenschmierung), schwach haftende reduzieren deutlich die PulverWand-Reibung. Pulver aus Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO/ZrO2), Magnesiumsilicid (Mg2Si) und Eukryptit (LiAlSiO4) wurden
im Projekt bereits untersucht.
Weitere Forschungsarbeiten und Anwendungsmöglichkeiten sind in den
Kapiteln Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik sowie Oberflächen- und
Schichtanalytik, Anlagentechnik beschrieben.
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP werden am
gleichnamigen Fachbereich Biopolymere untersucht und entwickelt, so auch
Stärkeprodukte, die in der Papier- und Textilverarbeitung eingesetzt werden:
Sowohl im technischen Bereich als auch in der Lebensmittelherstellung wird
Stärke hauptsächlich als Viskositätsregulator, Suspensionsmittel, Emulgator,
Gelbildner, Bindemittel bzw. als Komponente in Materialien verwendet, daneben aber auch als Filmbildner. Entsprechend untersucht das Institut neben der
Filmbildung sowohl Löslichkeit, Dispergierbarkeit, Extrudierbarkeit, rheologisches Verhalten, Einsatz in Trennprozessen als auch die Wechselwirkung mit
anderen Polymeren und niedermolekularen Substanzen.
Stärke als nachwachsender Rohstoff ist speziell in der Papierverarbeitung
die ökologisch günstigere Alternative zu synthetischen Papierhilfsadditiven und
sowohl Rohstoff als auch wichtiges Papierhilfsmittel: Sie kommt zu großen Teilen im Oberflächenauftrag, im sog. ›Strich‹ (Veredelung mit einem Bindemittelauftrag für eine geschlossene, glatte und stabile Oberfläche, für bessere Qualität
beim Druck durch die Bindeeigenschaft für Pigmente) und im Sprühauftrag zum
Einsatz (›Sprühstärke‹). Knapp 90 Prozent der eingesetzten Stärke werden so
über die Papieroberfläche durch Leim- oder Filmpresse, Sprühaggregat und mit
dem Papierstrich appliziert und nur etwas mehr als zehn Prozent durch Zusatz
272
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in der Stoffmasse (Faser- und Füllstoffsuspension). Meist modifizierte Stärke ist
also ein Papierhilfsmittel in der Masse- und Oberflächenleimung, Beschichtungsmittel bzw. zur Laminierung von Papier geeignet. Gleichermaßen kommen die entwickelten Stärkeprodukte als Schlichtungsmittel für Textilien und
zur Verbesserung der Textilbedruckbarkeit in Frage.
Weitere Forschungsarbeiten und Anwendungen des Bereichs Biopolymere
finden sich in den Kapiteln Biokompatible und bioaktive Oberflächen sowie
Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik.
Dr. Andreas Holländer
Mit der Oberflächenmodifizierung polymerer Werkstoffe – Kunststoffen wie
natürlichen Polymeren – sowie mit der Abscheidung organischer Schichten
ist die Fachgruppe Oberflächen am Fraunhofer-IAP um Dr. Holländer vertraut. Bearbeitet werden oberflächenrelevante Aufgabenstellungen der ganzen
Werkstoffgruppe, entsprechend vielfältig sind die Anwendungen und der Nutzen. Die Technologien zur Oberflächenbehandlung bzw. Schichtabscheidung
wie
■ Aktivierung und Funktionalisierung von Polymeroberflächen im Niederdruckbereich und bei Atmosphärendruck,
■ plasmagestützte Abscheidung dünner organischer Schichten,
■ photochemische (insbesondere im Vakuum-Ultraviolett, VUV, Excimer)
Funktionalisierung von Polymeroberflächen und
■ Funktionalisierung von Polymeroberflächen aus der Gasphase oder mit
Flüssigkeiten
dienen in erster Linie den anderen Fachgruppen des Instituts für die Komponenten- oder Bauteilherstellung (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik
und Optoelektronik). Entwicklungen können im Labormaßstab wie im kleintechnischen Bereich umgesetzt werden; für die Charakterisierung von Oberflächen und dünnen Schichten steht eine umfassende analytische Ausstattung
zur Verfügung.
Bearbeitete Themen in der Oberflächentechnik lauten:
■ Kopplung von biologisch aktiven Substanzen auf polymere Oberflächen
– Diagnosekits zum Beispiel für Salmonellentest
– Biozide Oberflächen für Folien oder Textilien
■ Hydrophile oder hydrophobe Oberflächen
– Wasserabweisende Textilien
– Präparation von Textilien für die Färbung
■ Klebstofffreies Verbinden
– Verbinden von Kunststoffteilen in der Mikrofluidik und Mikrooptik
■ Ultrabarrieren
– für flexible Displays
– für Lebensmittelverpackungen
■ Funktionale Beschichtungen
– Photobiozide Beschichtungen für den Holzschutz
273
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– Fluoreszenzschichten für die Sensortechnik
– UV-stabile Holzbeschichtungen
– Orientierungsschichten für Flüssigkristalle
■ Oberflächen- und Dünnschichtanalytik
– Charakterisierung der chemischen Struktur, der Topographie und makroskopischer Eigenschaften
Mit weiteren sechs Fraunhofer-Instituten ist das IAP beim Thema Oberflächen
in der Allianz Polymere Oberflächen POLO verbündet. In die interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Entwicklung und Vermarktung
polymerer Produkte mit funktionellen Oberflächen, Grenzflächen und dünnen
Schichten kann das IAP einschlägiges Know-how und apparative Ausstattung
einbringen, vor allem zu
■ Mikroverkapselung von Wirkstoffen,
■ Synthese reaktiver Monomere und von Polymeren,
■ Synthese halbleitender Polymere, Aufbau von Testdevices in ReinraumGlovebox,
■ Reinstfolienherstellung im Labormaßstab im Reinraum, Bahnware bis
0,3 m Breite,
■ Oberflächenbehandlung mit Normaldruck-Plasma, Niederdruck-Plasma,
■ VUV-Strahlung vom Labor- bis Pilotmaßstab.
Die Arbeitsgruppe Mikroverkapselung um Dr. Hahn am Fh-IAP wurde bereits
in den Kapiteln Oberflächen in der Nano-Biotechnologie, Energiewandlung
und -speicherung sowie Umwelttechnik beschrieben. Die Mikroverkapselung
als polymere Umhüllung von wie auch immer gearteten Kernmaterialien ist
Thema und Arbeitsinhalt der Fachgruppe (Kenntnisse zu Chemie, Technologie,
Verarbeitung und Applikation von Polymeren) mit ausgesprochen querschnitthaftem Charakter. Die Veränderung der Oberfläche von Partikeln/Wirkstoffen
durch Mikrokapseln, ein Wandmaterial oder Matrixpartikel präpariert sie für
den Einsatz in verschiedenen Anwendungsgebieten, wo sie sonst nicht bleiben, sondern sich auflösen und zu schnell verbrauchen würden, konkret
■ in der Kunststoffindustrie (Einbau von Wirkstoffen, Kompositfüllstoffen,
Kunststoff- bzw. Kautschukadditive: Flammschutzmittel, Stabilisatoren,
Metallpulver),
■ in der Galvanotechnik (Einbau von Farb- und Effektstoffen, Schmiermitteln,
Korrosionsschutz),
■ in Reaktivharzsystemen (Reaktivkomponenten, Katalysatoren, Initiatoren),
■ in der Bauindustrie (Schädlingsbekämpfung; Wärmespeicher – mikroverkapselte phase change materials; mit klebstoffhaltigen Mikrokapseln
beschichtete Schraubengewinde; intelligente Dichtungsmaterialien – Quellen nach Auflösung der Hülle bei Feuchtigkeit),
■ in der Farb- und Lackindustrie (Flakes, Pigmente, Antifoulingstoffe),
■ in der Textilindustrie, Druck- und Papierindustrie,
Dr. Mathias Hahn
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■ als fluoreszierende Mikrokapseln (Kernmaterialien unter anderem: Farbstoffe, Mineralöle, Klebstoffkomponenten, Flammschutzmittel, Metallflakes, Schmiermittel).
das Fh-IAP 2009 die Technologieplattform Mikroverkapselung ins Leben gerufen. Sie verfolgt das Ziel, das Potenzial der Technologie zu nutzen, in verschiedenen Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen, oder Unternehmen diese Chancen rechtzeitig nutzen zu lassen. Seit 2011 in der zweiten
Phase befindlich, bündelt, sammelt und bewertet die Plattform Informationen
zur Mikroverkapselung und gibt sie per Newsletter und in Foren (2008 bis 2010)
bzw. Konferenzen (zum Beispiel im Oktober 2011 in Berlin) an die teilnehmenden Mitgliedsfirmen weiter.
Dr. Dmitry Shchukin
In der von Prof. Möhwald geleiteten Abteilung Grenzflächen am Max-PlanckInstitut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG) gibt es mehrere Forschergruppen zu ›(Quasi) Planar Interfaces‹, ›Solid Interfaces‹ und ›Non-planar
Interfaces‹. In der Arbeitsgruppe Active Interfaces and Coatings (Dr. Shchukin)
beschäftigt man sich unter anderem mit Hohlstrukturen (microbubbles) und
eingebetteten Gastmolekülen, die einer Oberfläche selbstheilende Eigenschaften geben und beispielsweise dem aktiven Korrosionsschutz dienen (BMBF
NanoFutur-Projekt ›Nanoskalige Hohlstrukturen mit eingebetteten Gastmolekülen für neue aktive Korrosionsschutz-Systeme‹, BMBF-ForMaT-Projekt:
›Intelligente Nanocontainer für selbstheilende Antikorrosionsbeschichtungen‹). An solchen Nanocontainern wird in der Gruppe geforscht, speziell an
der Kompatibilität zum Matrixmaterial, an der Verkapselung und Aufrechterhaltung des aktiven Materials bis hin zur Permeabilität der Kapsel/Schale, die
durch externe Stimuli regulierbar sein soll. Damit sollen schnelle Reaktionen
auf Veränderungen hervorgerufen werden, die entweder in der Matrix solcher
multifunktionellen Oberflächen passieren (etwa Risse, pH-Wert-Änderungen)
oder die lokalen Umgebungsbedingungen betreffen (Temperatur, Luftfeuchte).
Zur Synthese strukturierter Materialien und von Nanocontainern werden daher
Ultraschalltechnologien entwickelt und oberflächenaktive, hydrophobe oder
hydrophile Materialien (amphiphile Polymere, Polyelektrolyte, oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel) angewandt, um den Kavitaionsprozess (Hohlstrukturenbildung) zu kontrollieren.
Dr.-Ing. Arturo Flores Renteria
Das Forschungszentrum für Leichtbauwerkstoffe Panta Rhei gGmbH, im Jahr
2001 gegründet, betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Produktion und Verarbeitung innovativer Leichtbauwerkstoffe in den Kernbereichen Werkstoff- und Oberflächentechnik, Fügetechnik, Konstruktion und Fertigung sowie Materialforschung und Sensorik.
Die Ausstattung in den Bereichen Beschichtung/Oberflächenanalytik sowie
das Humankapital speisen sich überwiegend aus den beteiligten Lehrstühlen
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HIPIMS-Beschichtungszentrum (PantaRhei)
der Hauptgesellschafterin BTU (Angewandte Physik/Sensorik II, Fügetechnik,
Konstruktion und Fertigung, Metallkunde und Werkstofftechnik) und betreffen
■ Oberflächenbehandlung und Beschichtungstechnik,
■ Magnetron Sputtering, Arc-Verdampfung, HIPIMS (High Power Impulse
Magnetron Sputtering, auch High Power Pulsed Magnetron Sputtering
HPPMS),
■ Auftragen sowie
■ Oberflächenanalytik mit UHV-Systemen.
Auch die bislang bearbeiteten Projekte sind im Wesentlichen Arbeiten der
genannten Lehrstühle und Professoren und an entsprechender Stelle bereits
vorgestellt:
■ Adaptive Oberflächen für Hochtemperaturanwendungen – Das ›Haut‹Konzept (Leyens/Vieweger, Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik);
Entwicklung eines Schichtsystems für hochbelastete Verdichterkomponenten (Garkas, Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik)
■ Plasma-Diagnostik zur in situ-Messung konventioneller Plasmen und hoch
metallionenhaltiger HIPIMS-Plasmen zum Ionenätzen und für die Abscheidung von Dünnschichten (2008 bis 2010, Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe)
■ Organische Ferroelektrika durch nichtflüchtige Speicher (2005 bis 2009);
Kraftsensoren aus Polymerfolien – Piezoelektrische Polymersensoren für
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Hochdruckanwendungen; Organische Feldeffekttransistoren; Pr-O-NSchichten: Dielektrika für 4H- und 3C-SiC-Oberflächen (Schmeißer, Lehrstuhl Angewandte Physik/Sensorik II)
Der Vernetzung zwischen im Leichtbau tätigen Wissenschaftlern und Wirtschaftsakteuren dient der jährlich stattfindende Cottbuser Leichtbauworkshop.
Im Mai 2010 stand er unter dem Motto ›Innovationen in der Dünnschichttechnik‹. In den beiden Themenkomplexen ›Dünne Schichten für Bauelemente‹ und ›HPPMS-Technologie‹ wurde unter Beteiligung namhafter Experten
aus Forschung, Entwicklung und Anwendung über Erzeugung, Analytik und
Einsatz ausgewählter dünner Schichten referiert und diskutiert. 2011, beim
9. Cottbuser Leichtbauworkshop, hieß das Thema ›Materialien für innovative Energietechnik/Statusseminar Innostructure‹. Hier wurde die Beteiligung
an der Verbundforschung GeoEnergie Phase II vorgestellt, schwerpunktmäßig
wird materialwissenschaftliche Forschung im Bereich der Katalyse und Korrosion beigesteuert. Eine Kurzvorstellung des Verbundprojektes GeoEn II gab
Prof. Schmeißer, über Katalysatoren für die CO2-Wandlung zu C2H4 referierte
Dr. Müller und über Hochtemperaturkorrosion in Gasturbinen Dipl.-Ing. Garkas
vom Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik an der BTU Cottbus. Partner
im GeoEn-Verbund sind die Universität Potsdam (UP), die Brandenburgische
Technische Universität Cottbus (BTU) und das Deutsche GeoForschungsZentrum
GFZ (Federführung).
Wirtschaft
Atotech Deutschland GmbH
Die Atotech Deutschland GmbH mit Hauptsitz in Berlin ist Entwickler und Anbieter von Beschichtungsprodukten, integrierten Produktionssystemen, Chemie,
Zubehör, Know-how und Service in den Bereichen dekorative und funktionale
Oberflächenbeschichtungen sowie Halbleiter- und Leiterplattenherstellung.
An elektronischen Materialien bzw. für die Leiterplattentechnik bietet das
Unternehmen Lösungen für Hochleistungsdielektrika und Basismaterialien
(Substrate), Photopolymere (Resiste für die Leiterplattenstrukturierung) und
Leiterplattenbeschichtungen/Lacke. Die Metallisierung (funktionelle Metalloberflächen für die Elektro- und Elektronikindustrie), Halbleiter-Prozesstechnologien (Leiterbildgalvanisieren), Oberflächenbehandlung/Endoberflächen
sowie alternative Prozesstechnologien und entsprechende Anlagentechnologien gehören dazu. Für Materialwissenschaften und Analytik sind am Hauptsitz Forschungs- und Entwicklungslabore vorhanden, in denen Equipment
für außenstromloses und elektrochemisches Abscheiden sowie für analytische
Zwecke (Ionenfeinstrahlanlage FIB, Rasterelektronenmikroskopie REM, Rasterkraftmikroskopie AFM, Röntgenfluoreszenzspektroskopie XRF und viele weitere)
zur Verfügung steht.
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Produkte und Systemlösungen für die allgemeine Oberflächenveredelung
umfassen Vorbehandlung, dekorative Beschichtungen, Kunststoffbeschichtung, Korrosionsschutzschichten, Hartchromverfahren, Chemisch Nickel-Verfahren sowie umweltfreundliche Lösungen für Lackierbetriebe bzw. umweltschonende Produktionstechnologien allgemein. Atotech ist damit Partner vieler
Hersteller der Automobil-, Sanitär-, Elektronik- sowie Schmuck- und Konsumgüterbranche, bietet diesen unter anderem Musterbearbeitungen und die
Simulation von Produktionsbedingungen in Pilotanlagen an.
Die G-Elit Präzisionswerkzeug-GmbH gehört zur Gühring-Guppe – einem
international führenden Spezialisten für Entwicklung und Herstellung von
spezialisierten Werkzeugen, bei denen alle Kompetenzen zu Schneidstoff-,
Beschichtungs-, Werkzeuggeometrie- und Fertigungsfragen zusammen kommen. Am Standort Berlin arbeiten rund 400 Mitarbeiter in Fertigung, Lagerung
und Versand von Präzisionswerkzeugen.
Mit Hilfe selbst entwickelter Anlagentechnik wie für das Rund-, Flachsowie Centerless-Schleifen werden rund 28 Millionen Hartmetall-Bohrwerkzeuge (aus HighSpeedSteel HSS) endbearbeitet. Das können Standardwerkzeuge aus dem Produktspektrum – schon ab einem Bohrdurchmesser von
0,68 mm – oder kundenspezifische Sonderwerkzeuge sein, die ihren Schliff
in verschiedenen Qualitäten je nach Kundenwunsch erhalten. Mit ebenfalls
selbst entwickelter Beschichtungstechnologie werden Schutzschichten auf die
Werkzeuge appliziert, um deren Leistungsfähigkeit und Standzeit bezogen auf
den Verschleiß zu steigern.
Ein von der F&E-Abteilung ›Beschichtung‹ bei G-Elit entwickeltes und
patentiertes Verfahren ist eine kathodische Arc-Beschichtung, die erfolgreich in
Produktion und Lohnbeschichtung angewendet wird. Damit entstehen TiAlN-,
TiAlN/TiN-Mehrlagen- und TiAlCrN-Schichten für den Verschleißschutz an
hochpräzisen Werkzeugen für die Metallzerspanung. Sie werden vor allem im
Maschinenbau, in der Automobil- und Automobilzulieferindustrie sowie in der
Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt.
G-Elit Präzisionswerkzeug-GmbH
Die Schempp & Decker Präzisionsteile und Oberflächentechnik GmbH ist ein
Unternehmen für die Entwicklung und Fertigung präziser Teile, die mittels
Kunststoffverarbeitung, Präzisionsstanzerei und Oberflächentechnik (Galvanik)
hergestellt werden. Kunden stammen hauptsächlich aus der Telekommunikations- und Automobilzulieferindustrie. Die Oberflächentechnik umfasst
Vorbehandlungen, Beschichtungen mit Metallen und Edelmetallen sowie
Nachbehandlungen, also
■ Vorbehandlung (Entfetten, Reinigen, Beizen, Brennen),
■ Metallbeschichtung (Kupfer/mit Anlaufschutz, Nickel matt/glänzend, Nickel
chemisch, Zinn glänzend, Zinn/Blei, Zink, Chrom),
■ Edelmetallbeschichtung (Gold, Palladium/Nickel, Silber),
Schempp & Decker Präzisionsteile und Oberflächentechnik
GmbH
278
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■ Nachbehandlung (Passivieren von Edelstahl, Silber, Beizen, Chromatierung,
chemisch Oxidieren von Aluminium, Befetten).
Einzelteile, Schüttgut oder Kleinserienteile können an automatisierten Anlagen
veredelt werden (Gestell-, Trommelgalvanik, Kleinseriengalvanik). Kunststoffteile für technische Anwendungen aus ABS, PC, ABS/PC-Blends, PEI, LCP, PES,
PBT, PPA und PPO werden nach modernen Direktmetalliserungsverfahren galvanisiert.
Zur Beschichtung hochkomplexer gestanzter Bänder und Halbzeuge sowie
zur Optimierung des Edelmetallverbrauchs entwickelt Schempp & Decker Sonderverfahren in der Bandgalvanik. Mit den selbst entwickelten Bandanlagen
sind nicht nur vollflächige, sondern auch partielle Veredelungen von Kontaktbändern und Halbzeugen möglich. Gängige Selektivverfahren sind das Tauchtiefeverfahren (Band wird definiert in den Elektrolyten eingetaucht), Brushplating (selektive Abscheidung durch elektrolyt-getränkten Tampon), Maskenrad
(mitlaufende Masken für Position und Höhenprofil der Beschichtung) und
Innenvergoldung (gezielte Beschichtung auf innenliegenden, bis zu 0,3 mm
schmalen Bereichen).
Die selektiv metallisierten Oberflächen dienen hauptsächlich der Kontaktierung: Sie sind Bestandteil vieler elektrischer und elektromechanischer Baugruppen in Automobilen und sichern deren Funktionsfähigkeit. Immer höhere
Anforderungen der Automobil-Zulieferer an Präzision, Maßgenauigkeit und
Schichteigenschaften befördern die Weiterentwicklung der Anlagentechnik und
Investionen in neue Technologien. Ähnlich ist der Einsatz von Oberflächenbeschichtungen und elektrischen Kontakten in der Telekommunikationszulieferindustrie (Festnetztechnologie, insbesondere DSL-Technik).
acolma GmbH
112
Vgl. Innovationspark Wuhlheide
Managementgesellschaft mbH (Hrsg.)
(2008), S. 7.
Die acolma GmbH ist ein kleines Unternehmen, das sich der Forschung, Entwicklung und Vermarktung (Serienreife) eigener Produkte auf Basis eines
athermischen Lasermaterialbearbeitungsverfahrens widmet. Aufbauend auf
Forschungen des Geschäftsführers und der Musterfertigung im vorangegangenen Unternehmen Fimea GmbH ist eine Werkzeugmaschine zur kalten Lasermaterialbearbeitung gebaut worden. Durch den Materialabtrag in Form eines
›kalten‹ Prozesses konnten vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden, das Verfahren ist universal auf verschiedensten Festkörpermaterialien anwendbar.112
Auf Anwendungsseite lassen sich einzelne Geschäftsfelder benennen:
■ Schädigungsfreie Mikrostrukturbearbeitung, also die Erstellung störungsfreier Mikrostrukturen: Da die üblichen Beeinträchtigungen durch Hitze
(bei klassischer Lasermaterialbearbeitung) wie Rand-, Gratbildung oder
Materialausbrüche bei athermischer Oberflächenbearbeitung nicht auftreten, können unter anderem sehr große Aspektverhältnisse erreicht werden.
Anwendungsbereiche sind die Chip-Herstellung (Auftrennen von Leitbahnschichten) und die Medizintechnik (gratfreie Kanülen).
279
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■ nm-Oberflächenstrukturierung durch Abtrag (Subtraktivtechnik): Durch
Umlagerung der Oberflächenatome werden Nanometerstrukturen erzeugt.
Anwendungsbereiche sind Oberflächen im Zellkontakt wie an Prothesen,
zur Biofouling-Vermeidung und bei Biosensoren, aber auch Katalysatoren,
Brennstoffzellen oder Sonnenkollektoren.
■ Athermischer Materialabtrag für ein dropletfreies Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition PLD): Ohne dass Materialtröpfchen (Droplets)
entstehen, lassen sich stöchiometrisch ausgeglichene, haftfeste Schichten
erzeugen.
Das entsprechende Dienstleistungsangebot zum acolma-Verfahren bietet die
ALMASIMA AG. Mikro- und nanostrukturierte Oberflächen verschiedenster
Materialien werden mit Hilfe des Kaltlaserverfahrens hergestellt, wobei der
Verfahrensvorteil sicherstellt, dass weder separierte Nanopartikel entstehen,
noch deren Freisetzung in die Umwelt erfolgt.
Die AHC Oberflächentechnik GmbH Berlin ist eines von 14 Werken der AHCGruppe in Europa, die als europäischer Marktführer in der funktionellen
Galvanik gilt. Das Werk in Berlin wurde 1990 eröffnet. Als Dienstleister für
Oberflächenveredelungen behandelt AHC vom Einzelbauteil bis zur Großserie
Bauteile aus allen eingesetzten Metallwerkstoffen – bis hin zu Kunststoffen mit
hauptsächlicher Nachfrage aus den Branchen Maschinenbau, Automotive und
Elektronik. Ein Berliner Schwerpunkt und Alleinstellungsmerkmal innerhalb
der AHC-Gruppe ist die Modifizierung von Oberflächeneigenschaften speziell
bei Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium und Titan mit plasmachemischen Anodisierverfahren (Übersicht 13).
AHC Oberflächentechnik GmbH
Entstehung einer MAGOXID-COAT®- bzw. KEPLA-COAT®-Schicht durch Plasmaentladung
(AHC Oberflächentechnik GmbH)
280
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Übersicht 13: Am Standort Berlin eingesetzte Verfahren
der AHC Oberflächentechnik
Anodische Verfahren:
- HART-COAT® (HC)
- für kupferhaltige Werkstoffe (HC-CU)
- für Druckguss- Werkstoffe (HC-GD)
- HART-COAT® (schwarz)
- HC+PTFE (HC-PLUS)
- HC-Nachbehandlung (HW-Sealing)
- Farbanodisation von Titan
- Technisch Eloxal
- Technisch Eloxal (schwarz)
Hartanodische Oxidation, die Aluminium-Werkstoffe mit einer harten
keramikähnlichen Schicht vor Verschleiß und Korrosion schützt
Preiswerter Oberflächenschutz für Aluminium-Werkstoffe
Plasmachemisches Anodisieren:
- MAGOXID-COAT® (MC)
- MAGOXID-COAT® (MC schwarz)
- KEPLA-COAT® (KC)
- KEPLA-COAT® KC schwarz
- KEPLA-COAT® für Titanwerkstoffe (KC für Titan)
- Plasmocer®
Chemische Verfahren:
- DURNI-COAT® (DNC 571)
- DURNI-COAT® (DNC 520 – AL)
- DURNI-COAT® (DNC-LCP)
Plasmachemisch erzeugte tiefschwarze, matte Oxidkeramikschichten auf
Aluminium, vor allem optische Anwendungen
Chemische Vernickelung verschiedenster Metalle, schützt vor Verschleiß
und Korrosion, + andere funktionelle Anforderungen
Spezialverfahren:
- META COAT® Metallisieren von Kunststoffen
- 3-D-MID-Beschichtungen
Metallisierung von Hochleistungs- und faserverstärkten Kunststoffen
(zum Beispiel PPS, CFK, GFK, PEEK, PPA, PBT, BMC u.v.m.) für: elektr.
Leitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit, hohe Haftfestigkeit
Partielle Metallisierung räumlich spritzgegossener Schaltungsträger aus
Kunststoff (Three-Dimensional Molded Interconnect Devices – 3-D MID)
- Härteprüfung
Die Verbesserungsmöglichkeiten bestehender Verfahren werden im Anwendungsfall bzw. durch Kundenanforderungen in Erfahrung gebracht, sodass
AHC kontinuierlich entwickelt und optimiert. Das Leistungsspektrum der AHCGruppe umfasst über 100 Verfahren; viele sind selbst entwickelt und werden
weltweit als Lizenzen vergeben.
Arc Precision GmbH
Die Arc Precision GmbH ist ein junges Unternehmen, das Plasmaquellen für
die gefilterte Bogenbeschichtung (filtered arc deposition) entwickelt und verbessert. Das Unternehmen ist damit Lieferant von modularen Plasmaquellen
und kompletten Beschichtungsanlagen, macht aber auch Beschichtungstests
und Beschichtungen von Werkzeugen, Halbzeugen und Bauteilen im Lohnauftrag. Außerdem hat sich Arc Precision mittels entsprechender Ausrüstung bzw.
autorisierter Partner auch auf die Oberflächenanalytik spezialisiert und bietet Industrie und Forschung entsprechendes Know-how für Beschichtungen,
Anlagentechnik und Prozessen mit Bogenentladung an.
281
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Bereits realisierte Oberflächentechnologien bewegen sich hauptsächlich in der
Mikrosystemtechnik. Dazu gehören
■ superharte Carbon-Beschichtungen für Informationsspeichersysteme (Festplatte, Lese-/Schreibkopf),
■ Kupfermetallisierung und Barriereschichten für die Dual-Damascene-Technologie in der Mikroelektronik,
■ Hartstoffschichten für Mikro-/Nano-Systeme,
■ Sensoren für verschiedene Anwendungen,
■ superdünne Tunnelbarrieren.
Die Berolina Metallspritztechnik Wesnigk GmbH ist Spezialist für die Oberflächenveredelung mittels verschiedener Spritzverfahren. Die angebotenen
Dienstleistungen umfassen Rundschleifen (im Lohnauftrag), Strahlen sowie
Kaltgas-, Plasma-, Lichtbogen-, Flamm- (Drahtflamm-, Pulverflamm-) und
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von verschiedenen Schichtmaterialien,
darunter Oxidkeramiken, nichtoxidkeramisch-metallartige Karbide sowie verschiedene Metalle.
Die Oxidkeramikschichten (Aluminiumoxid Al2O3, Chromoxid Cr2O3, Titanoxid TiO2 und Zirkonoxid ZrO2) dienen beispielsweise dazu, Bauteile wärmedämmend oder zum Wärmeabstrahler zu machen, indem weiße, reflektierende Oberflächenbeschichtungen appliziert bzw. dunkel gefärbte, extrem
oberflächenvergrößernde und damit wärmeabführende Schichten verwendet
werden. Karbide wie Wolframkarbid und Chromkarbid dienen hauptsächlich
Verschleißschutzanforderungen; in Form einer Wolframcarbid/ChromcarbidMischung werden bei Berolina Bremsscheiben beschichtet und wiederaufbereitet. Wolframcarbid und Chromcarbid in einer Kobalt- oder Nickel/ChromMatrix bietet besonders Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und wird als
solches verwendet, um Hartchrom zu ersetzen.
Des Weiteren bietet Berolina Beschichtungen mit dem sehr harten und
reibverschleißbeständigen Molybdän an. Dieses Material wird zum Beispiel
von der Druckindustrie für Papiervorschubrollen nachgefragt. Ebenso geschehen Beschichtungen mit verschleißfestem Chromstahl an Hydraulikkolben
sowie Korund-Strahlen und Aluminium-Flammspritzen für Auspuffanlagen.
Auch für andere Substratwerkstoffe gibt es Oberflächenbehandlungen, wie das
Kunststoffmetallisieren mittels thermischem Spritzen von Zink, Zinn, Kupfer,
Silber oder Aluminium zu Zwecken der elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV) sowie zur Beschichtung von porösen/zellulären Materialien: Zink für den
Korrosionsschutz, Karbid oder Molybdän für den Verschleißschutz, Messing,
Kupfer, Aluminium für die Optik und katalytisch wirkende Materialien sind nur
einige Beispiele dafür, wie Oberflächen von leichtbaurelevanten Metallschäumen funktionalisiert werden können.
Zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von Bauteilen aus zellularen Werkstoffen betrieb Berolina zwischen 2008 und 2010 in Kooperation mit
dem Fraunhofer-IFAM, Institutsteil Dresden und dem Fraunhofer-IWS Dresden
Berolina Metallspritztechnik
Wesnigk GmbH
282
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intensive F&E-Arbeiten, die hauptsächlich die Werkzeug- und Verfahrensentwicklung betrafen. Daraus hervorgegangen sind Kompetenzen der Firma wie:
Umfangsbeschichtung von Faserronden (Nickel-Chrom-Stahl, Lichtbogenspritzen), Hitzeschutzbeschichtung der Oberflächen metallischer Hohlkugelstrukturen mittels Pulverflammspritzen (mit Oxidkeramik Al2O3, Thermobeständigkeit /-wechselfestigkeit verbessernd), Herstellung lötfähiger Zinnschichten an
offenporigen Aluminiumschäumen und Umfangsbeschichtung von Faserronden mit Kupfer (beides mittels Drahtflammspritzen).
Berolina Metallspritztechnik Wesnigk hat viele Referenzen in der Hauptstadtregion, so fanden Auftragsarbeiten bei den Berliner Wasserbetrieben in
der Instandsetzung von Pumpenersatzteilen, beim Siemens Gasturbinenwerk
zu Verschleißschutzbeschichtungen an Gasturbinenteilen und bei der Vattenfall
AG in der Instandsetzung von Kraftwerksersatzteilen statt. Für die Bundesdruckerei wurden Versuchsbeschichtungen duchgeführt und die Schering AG (heute
Bayer Healthcare Pharmaceuticals) nutzte die Expertise bei der Beschichtung
von Filterelementen. Mit Bombardier Schienenfahrzeuge arbeitete Berolina in
Sachen elektrische Kontaktschichten zusammen, weitere (überregional vertretene) Konzerne aus dem Bereich Verkehr und Mobilität nahmen gleichermaßen Dienste zu wärmedämmenden, Verschleißschutz- und EMV-Schichten
in Anspruch.
Für die alfred rexroth GmbH & Co. KG, einen metall- bzw. blechverarbeitenden Mittelständler in Berlin und Rhinow (Brandenburg), standen die elektrischen Funktionsschichten von Berolina im Zentrum des Interesses.
CFX Berlin Software GmbH
Die CFX Berlin Software GmbH ist Software-Vertreiber und Dienstleister im
Bereich numerischer Strömungssimulationen (CFD), der analytischen und
experimentellen Strömungstechnik sowie zur Lösung von thermischen und
elektromagnetischen Fragestellungen. Das Unternehmen entwickelt in Forschungsprojekten physikalische Modelle und numerische Methoden weiter.
CFX war am Verbundprojekt ›Anwendungsorientierte Simulation zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen
– AnSim‹ (2007 bis 2010, BMBF-gefördert) auf Seiten der Simulationsentwicklung beteiligt. Projektpartner für die produktionstechnische Untersuchung und
die Schichtcharakterisierung/-prüfung waren das Fraunhofer-IPK und die BAM,
außerdem die DGO Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik
e.V. (Hilden) und andere.
Um mit Hilfe der Simulation maßgeschneiderte Oberflächen herzustellen,
also wie in diesem Fall galvanotechnische Schichten mit verbesserten Funktionseigenschaften (auch Multifunktionalität) und geringerem Ressourcenverbrauch abzuscheiden, bedarf es reproduzierbarer Schichtbildungsprozesse. Die
Optimierung der Prozessbedingungen und -führung (zum Beispiel optimierte
Zellengeometrie und Hydrodynamik) galt es simulationstechnisch abzubilden.
Anhand eines ausgearbeiteten physikalischen Modells vom Beispiel Zinkbeschichtung unter Produktionsbedingungen wurde diese unter Berücksichtigung
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von chemischen und physikalischen Einflussgrößen (zum Beispiel Wasserstoffentstehung) simuliert und die Tauglichkeit des Verfahrens demonstriert. Die im
Projekt entstandene Simulationstechnik wird für die Optimierung des Zusammenwirkens von Beschichtungsprozessen, der Prozessführung, der Konzeption
von Anlagen sowie für Forschung und Lehre eingesetzt.
Die DIC Berlin GmbH, R & D Laboratory, ist eine Tochter der Dainippon Ink &
Chemicals, Inc., Tokyo (DIC) und betreibt am Standort Berlin Grundlagenforschung und Entwicklung in der Polymerchemie an neuen Produkten und
Verbesserungen für Produktionsprozesse. Dazu zählen umweltfreundliche
Systeme, beispielsweise wasserbasierte Beschichtungen und (Druck-) Farben,
lösemittelfreie Beschichtungen wie Pulverlack und UV-härtbare Tinten; außerdem Substitutionsstoffe, etwa für formaldehydfreie Vernetzung und Polyesterformulierung mit weniger Styrolmonomer. Ziel ist es auch, die Herstellungsprozesse zu optimieren, indem Qualität/Produktionskapazität verbessert, Kosten
gesenkt und Abfall vermieden werden. Die Anwendung neuer Synthesetechniken (zum Beispiel bei Flüssigkristallen) in aktuell entwickelten Komponenten und Produkten (wie energiesparenden LC-Displays) wird ebenfalls angestrebt.
DIC Berlin GmbH
R & D Laboratory
Die Dr.-Ing. Rainer Heyer Werkzeugtechnik GmbH ist ein 1991 gegründetes
Unternehmen, spezialisiert auf Hartstoffbeschichtungen für Hochleistungswerkzeuge, Werkzeugformen und Präzisionsbauteile, die in den letzten 15 bis
20 Jahren enorm an Bedeutung gewonnen haben. Eigenschaften, Schichtmaterialien, Legierungen und Schichtfolgen können individuell und reproduzierbar kundengerecht gestaltet werden, sodass wirtschaftliche Lösungen,
meist bestehend aus Oberflächenfinish, PVD-Beschichtung und WS2-Gleitstoff-
Dr.-Ing. Rainer Heyer
Werkzeugtechnik GmbH
CVD
PVD
Prozess
Übersicht 14: Beschichtungsprodukte der Dr.-Ing. Rainer Heyer
Werkzeugtechnik GmbH
Schicht
Material
Härte in HV
Schichtdicke in
µm
Reibungskoeffizient
vs. Stahl
TiN
TiN
2.300
0,5–4
0,4
Beschichtungstemperatur in ˚C
250–450
max.
Einsatztemperatur
600
Farbe
goldgelb
TiCN
TiCN
3.000
0,5–3
0,25
300–450
400
hellblaugrau
TiAIN
TiAIN
3.300
0,5–3
0,3
300–450
800
dunkelblaugrau
Multitic
TiAICN
3.300
0,5–3
0,25
300–450
800
altrosa
Alucast
CrN
2.000
0,5–6
0,3
200–450
700
silber
0,3
200–450
700
silbergrau
ca. 20
650
dunkelblaugrau
CrN
CrN
2000
WS2
WS2
300
0,5–6 (10)
TiC
TiC
4000
5–8
0,25
950–1.000
300
graumetallisch
TiC/TiN
TiC/TiN
3.000
5–8
0,4
950–1.000
450
bronce
ca. 0,5
(0,03)
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beschichtung zur Reibungsminimierung, gefunden werden. Polierte, geschliffene, geätzte, genarbte, erodierte Flächen sowie scharfe Kanten werden dabei
nicht verändert, die Fertigungstoleranzen verändern sich nur im Rahmen der
gewünschten Schichtdicke (typischerweise 0,5 bis 4 µm).
Je nach Anforderungen werden die Materialien Titannitrid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Chromnitrid, Alucast (Chromnitrid), Multitic
(Titanaluminiumcarbonitrid) und/oder Wolframdisulfid verwendet (Übersicht 14).
INPRO Innovationsgesellschaft
für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie
mbH
Die INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in
der Fahrzeugindustrie mbH ist neben ihrer Tätigkeit für die Fahrzeugindustrie
(Kapitel Fahrzeugbau) auch in einem BMBF-geförderten Verbundprojekt
›E hoch 3‹ zu Energieeffizienzfragen in Betrieben der Oberflächenbehandlung
im Rahmen des Förderschwerpunktes ›KMU-innovativ: Ressourcen- und Energieeffizienz‹ involviert. In dem Projekt (2010 bis 2012) werden unter Leitung des
DFO e.V. und zusammen mit bundesweiten Kooperationspartnern Strategien
erarbeitet, eine energieeffiziente Produktion in der industriellen Oberflächentechnik besser umzusetzen. Kenntnis und Erfassung wesentlicher Energiedaten
und Energieströme im Lackier- und Beschichtungsprozess, Einflussgrößen
und Wechselwirkungen sowie die Optimierung (mit Hilfe eines Computerprogramms) stehen dabei im Mittelpunkt und münden in einer Handlungsanweisung zur Erhöhung der Energieeffizienz bestehender wie neu zu entwickelnder
Anlagen.
Laser-Mikrotechnologie
Dr. Kieburg GmbH
Die Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH ist ein 1998 gegründetes, kleines
Unternehmen, das lasertechnologische Spezialausrüstung für die Mikrobearbeitung sowie Lohnarbeit in dieser Technologie anbietet.
Für verschiedenste Werkstoffe (Edelstahl, Stahl, Buntmetalle, Edelmetalle,
Titanlegierungen, Kunststoffe, Glas, Keramik) wird die Laser-Mikrobearbeitung
angewandt, und zwar für Unternehmen aus verschiedensten Branchen, von
Feinwerktechnik über Medizintechnik bis zur Design- oder Werbebranche.
Die Fertigungstechniken mit Laser umfassen Bohren, Schneiden, Mikrostrukturieren, Beschriften, Gravur, aber in einer Bearbeitungsdimension von
fünf Mikrometern. Damit lassen sich beispielsweise Fotoschablonen, Pinholes
und Pinhole-Arrays, extrem feine Metallmasken herstellen, Silizium, Keramik
und Metall in 3D mikrobearbeiten, Glas feinstbearbeiten und vielfältige weitere
Mikrostrukturen herstellen.
Eine Laseranlage des Unternehmens für die Mikrobearbeitung (zum Beispiel
LMBS UV-015-001-xy400z200-IA) hat ein Arbeitsfeld von 350 mm x 350 mm,
einen UV-Laser (Wellenlänge 335 nm) und eine automatische Bilderkennung/
Positionskorrektur (Positioniergenauigkeit ein Mikrometer).
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Die Lechmann Engineering GmbH ist ein Unternehmen, das sich der Planung,
Beratung, Entwicklung und Produktion von Produkten aus dem vielseitigen
Werkstoff Aluminium verschrieben hat.
Neben der mechanischen Produktion und der Montage zum Produkt (Prototypen, Nullserien) steht das äußere Erscheinungsbild des Werkstoffs im Fokus.
Durch Veredeln und Bedrucken werden Bauteile in technischer wie ästhetischer Hinsicht aufgewertet. Das Ganze geschieht auf Nachfrage/im Auftrag von
Akteuren verschiedenster Branchen wie Telekommunikation, Maschinenbau,
Interieur und Möbel, Messebau, Leitsysteme und Werbung. Außerdem widmet
sich Lechmann der technologischen Weiterentwicklung der Fertigungsverfahren in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern und Experten verschiedener Disziplinen und der eigenen kreativen kollektionsartigen Entwicklung und Produktion von Aluminiumprodukten für verschiedene Lebensbereiche und eine
breite Zielgruppe.
Das Spektrum an Oberflächenveredelungen reicht von mechanischer Oberflächenbearbeitung (Bürsten und Schleifen, Scotchen und Polieren, Glasperlstrahlen, mit unterschiedlichen Schleifbildern, Strukturen und Glanzgraden)
über Verfahren zur chemischen Vorbehandlung (Beizen und Chromatieren) bis
zur Passivierung/Beschichtung (Technische Eloxierung, Hartanodisieren) und
Färbung der Randzone (Farb-Eloxierung, selbst entwickelte Farbpalette mit
Standardfarben, Sonderfarben und Pastelltönen).
Oberflächen zu bedrucken dient vor allem der Information und Orientierung. Entsprechend müssen Zeichen bzw. Schrift hohe Qualität bei Haltbarkeit,
Lesbarkeit und Konturschärfe gewährleisten. Diesem Zweck dienen die Verfahren Siebdruck und Untereloxaldruck (UED), auf die Lechmann spezialisiert ist,
aber auch Gravur, Ätzung (Belichtung eines lichtempfindlichen Abdecklacks
über fotografische Filme oder direkt per Laserstrahl) und Prägung.
Lechmann Engineering GmbH
Mit der NNT Nanotechnology AG (Berlin) und einem geplanten Forschungslabor bzw. einer Plattform für den Know-how-Austausch in der Bor-NanoForschung möchte die aus der Türkei stammende NNT-Unternehmensgruppe
ihre Forschungs- und Entwicklungstätigkeit in Deutschland aufbauen. Eine
erste zur Marktreife entwickelte Anwendung ist die Produktlinie BORPower®.
Im Mittelpunkt der Forschung stehen nanotechnologische Weiterentwicklungen der Materialien Nano-Bornitrid (NBN), Kubisches Bornitrid (cBN), WurtzitBornitrid (wBN) und Mono Crystal Diamond Powder (MCDP). Oberflächen- bzw.
beschichtungsrelevante Zielanwendungen sind – neben den reibungsmindernden/korrosionsresistenten Oberflächen durch BORPower – nanomagnetische Speichersysteme (Datenträgerschichten mit erhöhter Aufzeichnungsdichte), Wärmeableitung für mikroelektronische Komponenten, magnetoresistive Sensorik und Radioaktivität absorbierende Glasflächen.
NNT Nanotechnology AG
Die Surflay Nanotec GmbH ist ein auf eine breitgefächert anwendbare Technologie zur Beschichtung und Funktionalisierung kolloidaler und planarer
Surflay Nanotec GmbH Berlin
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Materialien spezialisiertes Unternehmen. Mit der sogenannten Layer-by-Layer
(LbL)-Technologie ist es möglich, geladene Polymere in Lösung selbstreguliert
an Oberflächen (einem Substrat) adsorbieren zu lassen und so mehrere Layer
(abwechselnd Polyanion und Polykation) mit reproduzierbaren Schichtdicken
von ein bis fünf Nanometern zu stapeln. Dabei lassen sich die verschieden
geladenen Materialien sowie Proteine, DNA oder Nanopartikel miteinander
kombinieren.
Die Anwendungsgebiete sind dadurch vielfältig. Neben den Anwendungen in der Nano-Biotechnologie und Medizintechnik (Kapitel Oberflächen in
der Nano-Biotechnologie und Biokompatible und bioaktive Oberflächen; als
Trennmaterialien, Pigmentverkapselungen, sensorische/diagnostische Partikel, multifunktionale Nano- und Mikrokapseln, Farbstoff-gelabelte Polymere,
fluoreszenzund magnetismusfunktionalisierte Partikel, strukturierte TiO2Schichten mit hoher Hämokompatibilität) seien hier die Anwendungen für
makroskopische planare Flächen (für die die LbL-Technologie ursprünglich von
G. Decher entwickelt wurde) genannt. Dies sind
■ superhydrophobe oder superhydrophile Oberflächen,
■ funktionale Nano- und Mikropartikel an Oberflächen,
■ Sol-Gel modifizierte LbL-Schichten,
■ Sol-Gel-Schichten mit Nanoreservoiren,
■ Beschichtungen zum Korrosionsschutz von Metallen,
■ Brandschutzbeschichtungen von leicht entflammbaren Materialien.
Beschichtungen für solche und noch entwickelbare Anwendungen sowie
Know-how und Entwicklungsdienstleistungen bietet Surflay interessierten
Kunden aus verschiedenen Branchen an.
Netzwerke
In der industriellen Oberflächentechnik sind mehrere (meist bundesweite)
Netzwerke vorhanden, die sich mal mehr, mal weniger auf einzelne Verfahren konzentrieren und entweder durch Verbandsmitglieder selbst oder über
Arbeitskreise/Veranstaltungen auch regional aktiv sind.
Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik
(AWT)
Die Härtereikreise der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) begreifen sich als Fortbildungsprogramm im Bereich Wärmebehandlung und Werkstofftechnik: 1955 wurde der erste Härtereikreis in Berlin
gegründet; der AWT-Härtereikreis Berlin-Brandenburg findet regelmäßig an
der TU Berlin statt und wird durch die Hanomag Härtol Berlin GmbH (Berlin)
und HWL Löttechnik GmbH (Berlin) geleitet. Das ›Kolloquium für Wärmebehandlung, Werkstofftechnik, Fertigungs- und Verfahrenstechnik‹, ein jährlich
stattfindendendes Forum mit über 500 Teilnehmern, dient dem professionellen Austausch von Erfahrungen und Innovationen.
287
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Berliner Mitglieder der AWT sind außerdem: Optris GmbH (Infrarotthermometer), Raytek GmbH (Infrarotthermometer), Siemens AG, Steremat Elektrowärme
GmbH (Kapitel Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik), thermocontrol Körtvélyessy GmbH (Thermoelemente und Sauerstoffsonden).
Die AWT ist Mitbegründer der International Federation for Heat Treatment
and Surface Engineering (IFHTSE) und stimmt sich seit 2003 mit dem Verband
der Lohnhärtereien sowie dem Industrieverband Härtetechnik IHT (Berliner
Mitglieder: Hanomag Härtol Berlin Lohnhärterei GmbH und HTB Härtetechnik
GmbH) bezüglich der Umsetzung gemeinsamer Interessen ab.
Die DEMEA Deutsche Materialeffizienzagentur, angesiedelt beim VDI/VDE Innovation + Technik, hat ein Programm zur Steigerung der Materialeffizienz in mittelständischen Unternehmen konzipiert bzw. mittels einer Studie113 die Potenziale zu größerer Materialeffizienz dargelegt. Unter ›Querschnittstechnologien
zur Steigerung von Materialeffizienz‹ finden sich die Themen ›Oberflächenbehandlung mit Lackschichten‹, ›Tribologische Neuerungen‹ und ›Werkstoffsubstitution‹, die Einsparpotenziale im Materialeinsatz durch Oberflächentechnik
oder in der Oberflächentechnik selbst behandeln. Die Agentur informiert über
die Bedeutung, berät und unterstützt im Auftrag des BMWi zur Erschließung
des Einsparpotenzials.
DEMEA Deutsche Materialeffizienzagentur
Die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. DFO vertritt branchenübergreifend Mitgliedsunternehmen rund um die Oberflächenbehandlung und bietet mit Veranstaltungen, deutschen und europäischen
F&E-Projekten, Weiterbildung/Qualifizierung und neutraler Fachberatung
gebündelte Kompetenz. Die DFO hat spezifische Fachausschüsse zu den Oberflächenthemen
■ Qualitätssicherung und Prüfverfahren,
■ Beschichtung von Kunststoffen,
■ Oberflächenbehandlung von Stahl und Multisubstraten,
■ Oberflächenbehandlung von Leichtmetallen,
■ Automations- und Prozesstechnik in der Lackierung,
■ Beschichtung von Holz und Holzwerkstoffen,
■ Umwelt- und Arbeitsschutz,
■ Beschichtungsstoffe.
Deutsche Forschungsgesellschaft
für Oberflächenbehandlung e.V.
DFO
Zwischen 2004 und 2006 hat die DFO mit dem Projekt Forschungsagenda Oberfläche, Analyse des Innovations- und Nachaltigkeitspotenzials im Bereich der
Oberflächenbehandlung, Schwerpunkte und Leitlinien zukünftiger Forschung
und Entwicklung aufgezeigt, um Impulse für die branchen- und technologieübergreifende Vernetzung in der Oberflächentechnik zu geben (Kapitel Politische Rahmenbedingungen).
Am Projekt ›Entwicklung eines Werkzeugs und einer Handlungsanweisung
zur Erhöhung der Energieeffizienz in Betrieben der Oberflächenbehandlung
113
Arthur D. Little GmbH et al. (2005).
288
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(E hoch 3)‹ von 2010 bis 2012 (unter Beteiligung der INPRO GmbH) ist die DFO als
Projektleiter beteiligt.
Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik
(DGO) e.V. im Zentralverband
Oberflächentechnik e.V. (ZVO)
Die Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik (DGO) e.V. ist
wie einige andere Verbände ein ordentliches Mitglied des Zentralverbandes
Oberflächentechnik e.V. (ZVO). Die DGO vertritt bundesweit Unternehmen der
Galvano- und Oberflächentechnik und ist in Bezirksgruppen organisiert; die
Gruppe für Berlin/Brandenburg/Mecklenburg wird durch Thomas Posthumus
(Atotech Deutschland GmbH) geleitet. Der Fachausschuß Forschung der DGO
wird durch den Berliner Experten Prof. Paatsch vertreten, der Fachausschuß
Edelmetalle durch Prof. Landau (Largentec Vertriebs GmbH).
Deutsche Gesellschaft für
Materialkunde e.V. DGM
DVM – Deutscher Verband für
Materialforschung und -prüfung
e.V.
Die DGM ist Dachverband für materialwissenschaftliche Fachgesellschaften wie
die AWT, DGO, DECHEMA (Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie
e.V.), EFDS (Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V.), VDI-W
(VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik e.V.). Fachspezifisch sind weitere Gruppierungen wie der Fachverband ›Dünne Schichten‹ der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), oder Arbeitskreise, wie der Arbeitskreis Biowerkstoffe
(Obfrau Prof. Fleck, TU Berlin) des Deutschen Verbandes für Materialforschung
und -prüfung e.V. (DVM), vertreten.
Effizienzfabrik, Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz
in der Produktion‹
Funktionale Oberflächen
Unter dem Namen Effizienzfabrik, Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in
der Produktion‹, einer Initiative von BMBF und VDMA mit dem Ziel, Produktion
ressourceneffizienter zu gestalten, sind 31 geförderte und vom Projektträger
Karlsruhe – Produktions- und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) betreute Verbundprojekte versammelt (Laufzeit von 2009 bis 2013). Im Themenfeld Funktionale Oberflächen sind drei Projekte mit Berliner Beteiligung vorhanden:
■ LOKEDEL Effiziente Fertigungstechnik zur Oberflächenveredelung
(Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration Berlin (IZM), vergleiche Kapitel Energiewandlung und -speicherung)
■ ODPat Plasmabeschichtungstechnik für Aluminiumbauteile
(Projektpartner: Plasmetrex GmbH Berlin, vergleiche Kapitel Oberflächenund Schichtanalytik, Anlagentechnik)
■ P3T Modulare Fertigung strukturierter Metallschichten
(Projektpartner: OTA Oberflächentechnik Anlagenbau GmbH, vergleiche
Kapitel Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik)
Gesellschaft für Tribologie GfT
Arbeitskreis Berlin/Brandenburg
Die Gesellschaft für Tribologie (GfT) richtet sich mit ihren regionalen Arbeitskreisen an interessierte Unternehmen und stellt in jährlich drei bis fünf Tribologie-Kolloquien aktuelle und allgemeine tribologische Themenbereiche mit
neuesten Erkenntnissen aus Industrie und Forschung vor, meist verknüpft mit
der Besichtigung eines Industrieunternehmens oder Forschungsinstituts. Der
Arbeitskreis Berlin/Brandenburg wird von Dr. Gradt (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Fachgruppe 6.2) geleitet.
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Im Verband der Chemischen Industrie e.V., Landesverband Nordost sind
Berliner und Brandenburger Unternehmen verschiedenster Branchen, die
Oberflächentechnik anwenden oder entsprechende Zulieferer sind, vertreten:
■ Trevira GmbH Werk Guben
■ DIC Berlin GmbH
■ Diessner GmbH
■ Fotochemische Werke GmbH, x-ray Retina
■ Lankwitzer Premium Coatings
■ Keimfarben
■ Charité Tissue Engineering
■ Performance fibers, Werk Guben
Verband der Chemischen
Industrie e.V.
– Landesverband Nordost
Der Verein deutscher Ingenieure (VDI), Bezirksverein Berlin-Brandenburg, vernetzt in den Arbeitskreisen
■ Kunststofftechnik (Heinz-Michael Ehrlich),
■ Nanotechnik (Prof. Richter) und
■ Werkstofftechnik (Prof. Fleck)
Experten wie qualifizierte Ingenieure/Naturwissenschaftler und Interessierte/
Gäste im Rahmen von Vortrags- und Diskussionsveranstaltungen.
Bezirksverein Berlin-Brandenburg
Durch branchenübergreifenden Ideen- und Meinungsaustausch zu
■ Herstellung, Verarbeitung und Einsatzmöglichkeiten von Kunststoffen,
■ innovativen Produktionsprozessen und wettbewerbsfähigen Produkten im
Bereich der Nanotechnik bzw.
■ wettbewerbsfähigen Ingenieurwerkstoffen
sollen Synergiepotenziale erkannt und nutzbar gemacht, ein hochqualitatives
Netzwerk gepflegt und der Nachwuchs gefördert werden.
Fazit
In der verfahrensseitigen Forschung und Entwicklung für die industrielle Oberflächentechnik sowie bei Anbietern universell einsetzbarer Oberflächenbehandlungsverfahren (zum Beispiel Ultrapräzisions- und Lasermaterialbearbeitung) weist Berlin-Brandenburg eine breit gefächerte und wettbewerbsfähige
Kompetenz auf. Außerdem verfügt die Region über eine große Zahl von Dienstleistern und Zulieferern wie Lackhersteller und Ähnliche (Übersicht 15).
In Deutschland ebenso wie weltweit widmen sich zahlreiche Forschungseinrichtungen und Unternehmen den genannten Forschungsthemen und universellen Material-/Verfahrensentwicklungen mit Anwendungsmöglichkeiten
in verschiedensten Branchen.
Die industrielle Oberflächentechnik und insbesondere die Galvanotechnik in Deutschland verzeichnete 2010 und 2011 ein hohes Branchenwachstum
290
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Übersicht 15: Ausgewählte Anbieter von Oberflächenbehandlung/
-veredelung (Lohnbetriebe) und Zulieferer
Berlin
Brandenburg
A + Z Oberflächenveredelung Erwin Zuhse GmbH & Co. KG
BLO Böhnstedt-Lackier- u. Oberflächentechnik OHG
Creativ Color GmbH (Beschichtungen)
Dangelmayr Oberflächentechnik GmbH
Dangelmayr Pulverbeschichtungs GmbH
Diessner GmbH & Co. KG, Lack- und Farbenfabrik
Druckwerkstatt Klaus Regel
Fotochemische Werke GmbH (Markenname X-ray RETINA)
Hanomag Härtol Berlin Lohnhärterei GmbH
HTB Härtetechnik GmbH
HVB Hoch-Vakuum-Beschichtungs GmbH & Co. KG
HWL Löttechnik GmbH
ITW Oberflächentechnik GmbH
KMM Oberflächenbearbeitung GmbH
Kuhle Oberflächentechnik GmbH
LANKWITZER PREMIUM COATINGS
L. SCHULTE & Co. GmbH
Milde-Beschichtungen GmbH
Müller GmbH
Nano Zentrum Berlin NZB GmbH
NAPIERALA GmbH
Neuser GmbH
Novak Siebdruck, Heike Novak/Ulrich Schmidt-Novak GbR
Oberflächentechnik Kläke GmbH OTEK
Ova Oberflächenveredelung in Adlershof GmbH
Photon Laser Engineering GmbH
Pulverlackierung Sarnoch GmbH
R. E. Müller GmbH (Pulverbeschichtungen)
Schröder Galvanik e. K. Inh. Tanja Busch
Schulz Rene Fräs- und Strahltechnik GmbH
SK Steiner Oberflächentechnik
Steremat Galvanik GmbH Berlin
Torkret Oberflächenschutz Berlin GmbH & Co. KG
tscar, die Glanzschmiede
Weidling GmbH industrielle Kennzeichnungen
A bis Z Oberflächenveredelung GmbH & Co. KG
AKON GmbH
ALUCOAT Oberflächentechnik GmbH
B+R Oberflächentechnik GmbH
DS-Galvanotechnik GmbH Oberflächenveredelung
ENVIRAL Oberflächenveredelung GmbH
Feuerverzinkerei Waldhelm Perleberg-Düpow GmbH
FRG Oberflächenbehandlung GmbH
GZO Oberflächentechnik GmbH
Hell GmbH & Co. Oberflächenveredelung KG
ib Industrielle Beschichtung GmbH
IS – Steinführer & Co. GmbH Oberflächenveredelung
ISO-TEAM Kunststoffbeschichtungs GmbH
Zweigwerk – KEIMFARBEN GmbH & Co. KG,
Niederlassung Alteno
Krause & Splett Pulverbeschichtung GbR
LEP LOLL Entlackungs- und Pulverbeschichtungs-GmbH
nano² Meißner & Powelz Gbr
Neißner GbR (Pulverbeschichtungen)
OTE Oberflächentechnik GmbH
OTEK Oberflächentechnik Köninger GmbH & Co. KG
OTR Oberflächentechnik GmbH
OVG GmbH (Pulverbeschichtungen)
Peckel Oberflächenveredlung
Performance Fibers
Prignitz – Color GmbH (Oberflächenveredlung,
Pulverbeschichtungen)
ProColor Pulverbeschichtungs GmbH
Pulverbeschichtung Nord GmbH
SKS Pulverbeschichtung GbR
Systec Oberflächen GmbH Oberflächenbehandlung
Trevira GmbH, Werk Guben
Verzinkerei Trebbin GmbH
114
Vgl. Zentralverband Oberflächentechnik e.V. (ZVO) (2011).
(30 Prozent, dann 10 Prozent 114), wobei die aus der KMU-Struktur resultierende
Vielfältigkeit und Diversifizierung charakteristisch ist. Die Zukunft der Oberflächentechnik sehen die Verbände
■ in umweltfreundlichen Verfahren und Beiträgen zur Energiegewinnung
bzw. Energieeinsparung (Matrix von Eigenschaften, Anforderungen, Prozessstabilität, Ressourcenverfügbarkeit, Energiebilanz und Langzeitverhalten),
■ in neuen Herausforderungen für die Beschichtungstechnologie durch die
zunehmende Verwendung leichter Substrate auf Basis von neuen Kunststoffen und Leichtmaterialien,
291
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■ in den stark wachsenden Anwendungsfeldern wie Beschichtungen von
Gläsern zur Wärmedämmung, Folien oder Plasmabildschirmkomponenten,
■ in der Massenproduktion von Batterien, Brennstoff- und Solarzellen.
Darüber hinaus befasst sich die Lackindustrie mit den Bereichen
■ schaltbare Lacke,
■ elektrisch leitende Lacke,
■ selbstheilende Beschichtungen,
■ Nano-Primer für Korrosionsschutz-Beschichtungen und
■ wärmeisolierende Beschichtungen,
wobei diese vornehmlich auf der Nutzung nanotechnologischer Erkenntnisse
basieren. Es ist davon auszugehen, dass innerhalb der nächsten zehn Jahre
in Deutschland etwa 20 Prozent des Branchenumsatzes auf die Nutzung von
Nanotechnologie in Form sogenannter ›Smart Coatings‹ entfallen.115
Trotz der günstigen Perspektiven und der hohen Innovationskraft wird
die industrielle Oberflächentechnik offensichtlich nicht ausreichend wahrgenommen. Möglicherweise führt die Etabliertheit mancher Verfahren zu einem
Lowtech-Image. Dies würde aber nicht die intensiv betriebene Forschung
erklären und außerdem den bestehenden F&E-Bedarf verkennen: Rund um
Oberflächenbehandlung, Beschichtung, präzise Oberflächen- und Lasermaterialbearbeitung und Oberflächenphänomene wie Reibverschleiß, Adhäsion
und Selbstheilung gibt es ein erhebliches Innovationspotenzial, das sich aus
Erfahrungswissen zu Reproduzierbarkeit, Prozessstabilität, Eigenschaften und
Anforderungen speist. Dies gilt in vielen Punkten auch für die Region BerlinBrandenburg.
Auch Verfahrensentwicklungen aus anderen Forschungsfeldern, vor allem
aus dem Bereich Elektronik oder biokompatible Oberflächen dürften die industrielle Oberflächentechnik als eine Art Vorlauf- oder Parallelforschung befruchten. Auf den vorhandenen Kompetenzen kann die Region aufbauen.
5.6.4 Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik
Abgrenzung
Der Bereich Oberflächen- und Schichtanalytik/Anlagentechnik umfasst zum
einen diejenigen Akteure, die in F&E oder als Dienstleistung Oberflächen und
Schichten in ihren Eigenschaften auch während ihrer Entstehung untersuchen
und steuern (Oberflächenbehandlungsprozesse). Die regionalen Kompetenzen
beziehen sich hier auf
■ Struktur, Wachstum und Eigenschaften dünner Schichten,
■ Schichtdicken (Rastersondenmikroskopie), Härte (Nanoindentation und
Nanoscratching),
115
Verband der deutschen Lack- und
Druckfarbenindustrie e. V. (2010), S. 5.
292
10.02.12 14:20
Übersicht 16: Anwendungsbereiche von Anlagen und Komponenten
in der Oberflächen- und Schichtanalytik bzw. -präparation
Analytisch
Präparativ
- Oberflächenanalytik unter anderem
im Ultrahochvakuum (UHV),
Rasterkraft-/optische Raster-NahfeldMikroskopie
- Nano-, Synchrotron-, Röntgenanalytik
- Dünnschichtprozessanalytik für
Halbleiter- und Photovoltaikbranche
sowie Plasma-Ätz- und Abscheidungsverfahren
- (Ultrahoch-)Vakuum-Dünnschichtabscheidung (Molekularstrahlepitaxie,
Magnetronsputtern und Laserablation)
- Plasmaoberflächentechnik (Plasma-Deposition und -Ätzen)
- Be- und Entladungstechnik bzw. Handlingsysteme für unter anderem
Oberflächen- und Beschichtungsprozessschritte (Ätzen/Texturierung,
Diffusion, Antireflex)
- Galvanik, Reinigung und Oberflächenvorbehandlung
- selektive, kontinuierliche Beschichtung im Durchlaufverfahren (bzw.
Bandbeschichtung)
- Lackierung (Lackierkabinen)
- Vakuum-Saugstrahlen (mechanische Oberflächenbearbeitung)
- Lasermikrobearbeitung, Laserhärten, Härten, Kristallzüchtung
■ zerstörungsfreie Materialuntersuchung an industriellen Werkstoffen oder
Kunstobjekten mit Hilfe von Synchrotronstrahlung,
■ Materialien und Grenzflächen (Grenzflächenspektroskopie),
■ Eigenschaften/Funktionalitäten von dünnen Schichten (zum Beispiel Wasserdampf- und Sauerstoffpermeation, optische Dämpfung),
■ Auswahl und Weiterentwicklung von Oberflächen- und Schichtanalysemethoden, Qualitätsmanagement der Analytik,
■ Dienstleistungen in Mikro-, Nanotechnologie und Nanomesstechnik, Spektrometrie,
■ Oberflächen- und Schichtfunktionalitäten (Prüflabore, Ingenieurdienstleister).
Zum anderen handelt es sich um Akteure, die Anlagentechnik sowohl für die
Oberflächen- und Schichtanalytik als auch für die Oberflächen- und Schichtpräparation entwickeln und produzieren. In Berlin-Brandenburg sind die Hersteller von Anlagen, Instrumenten und Komponenten auf einer ganzen Reihe
analytischer und präparativer Gebiete tätig (Übersicht 16).
Wissenschaft
Prof. Dr. Helmut Winter
Im Fachgebiet Physik der Grenzflächen und dünnen Schichten (Prof. Winter) an
der Humboldt-Universität zu Berlin ist einige Kompetenz in der Analytik von
Struktur, Wachstum und Eigenschaften dünner Schichten vorhanden.
Mit der Beteiligung an Sonderforschungsbereichen und Forschungsprojekten widmet sich Prof. Winter der Grundlagenforschung und den zugehörigen
Untersuchungsmethoden für das Verständnis von Grenzflächenphänomenen.
So wurden im abgeschlossenen Sonderforschungsbereich 290 metallische,
dünne Filme auf ihre Struktur hin untersucht und der Zusammenhang mit
293
10.02.12 14:20
Magnetismus und elektronischen Eigenschaften hergestellt (beteiligt waren
außerdem FU Chemie, HU Physik, TUB Physik sowie das Fritz-Haber-Institut).
Im Sonderforschungsbereich 546 ›Struktur, Dynamik und Reaktivität von
Übergangsmetalloxid-Aggregaten‹ (1999 bis 2011), Teilprojekt C11 werden Oberflächen von sauberen und oxidierten Substraten sowie dünnen Übergangsmetalloxid-Filmen mittels streifender Ionen-Streuung (Ionenstrahl-Triangulation) beobachtet, also die geometrische Struktur schon während der Präparation der Oberfläche studiert.
Dabei wird die Päparation mittels Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie
(Elektronenstrahlverdampfer) unter UHV-Bedingungen und mit molekularem
sowie atomarem Sauerstoff (Sauerstoff-Adsorption und eigentliche Oxidation)
durchgeführt und teils durch die streifenden Ionen manipuliert. Ziel des
Teilprojektes ist letztendlich die Klärung der Effekte der entstandenen Strukturen auf die katalytische Reaktivität der Übergangsmetalloxid-Oberflächen.
Die Untersuchung von Wachstum, Struktur und Magnetismus dünner Schichten (ultradünne Fe-, Co- bzw. Mn- sowie binäre FexMn100-x-LegierungsSchichten) mit schnellen Ionen ist ein Forschungsschwerpunkt von Prof.
Winter. Die eingesetzten Methoden zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit auf den Bereich der obersten Atomlage aus und lassen Rückschlüsse
auf Wachstum, atomare Struktur und chemische Zusammensetzung zu. Dazu
zählen
■ die Untersuchung von Intensität und Winkelverteilung gestreuter Ionen
(Wachstum und atomare Struktur), Ionenstrahltriangulation,
■ Ionen- und Elektronen-induzierte Auger-Elektronen-Spektroskopie (chemische Zusammensetzung),
■ integrale, sowie energieund winkelaufgelöste Untersuchung der Ioneninduzierten Sekundärelektronenemission (Wachstum und atomare Struktur), SEE-Oszillationen,
■ Einfangen polarisierter Target-Elektronen in angeregte atomare Terme
(Magnetismus),
■ spin-polarisierte Spektroskopie von emittierten Target-Elektronen (Magnetismus).
Die thematischen Schwerpunkte liegen in den Bereichen Phasenübergänge,
Ummagnetisierungsprozesse und Grenzflächenkopplung.
Im Rahmen des DFG-geförderten Projekts ›Dynamik von Elektronentransferprozessen an Grenzflächen‹ widmete sich Prof. Winter der Untersuchung
von Ladungsaustauschprozessen zwischen Atomen/Ionen und Festkörperoberflächen als Modell, das den direkten Vergleich mit theoretischen Rechnungen
erlaubt.
Im Praktikum ›Ionenimplantation und Rutherford-Backscattering‹ wird
Studierenden die Methode Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie zur Untersuchung oberflächennaher dünner Schichten mit Hilfe von schnellen Ionen
näher gebracht. Aus der Energieanalyse der unter festem Winkel rückgestreuten
294
10.02.12 14:20
Teilchen können Informationen über die Zusammensetzung der Probe gewonnen werden.
Prof. Dr. Asta Richter
Prof. Richter leitet in der Fachgruppe Physikalische Technik der TH Wildau das
Labor Nanomaterialien und Nanoanalytik. Dort ist die Präparation dünner
Schichten im Hochvakuum aus verschiedenen Ausgangsmaterialien mittels
Elektronenstrahlverdampfung und Sputtern möglich. Solche Dünnschichten
dienen der Verbesserung von Härte und Verschleißverhalten oder sind optische
Vergütungsschichten. Im Labor erfolgen daran verschiedene Untersuchungen
zur Schichtdickenmessung (Oberflächenanalyse mit Rastersondenmikroskopie),
zur Härtemessung mittels Nanoindentor (Nanoindentation und Nanoscratching
mit intelligenten Belastungfunktionen) sowie zu nanomechanischen Eigenschaften von dünnen Filmen und Nanokompositen. Auch molekular geprägte
Polymerfilme (MIP) sind Forschungsgegenstand.
Das Leistungsangebot des Labors für Auftragsarbeiten und Kooperationen
umfasst
■ Beratung, Information und Ausbildung im Bereich der Oberflächentechniken und Laseranwendungen,
■ Fertigung von Labor- und Erprobungsmustern,
■ Beratung und Hilfe für den wirtschaftlichen Einsatz der Oberflächenvergütung in KMU,
■ Verfahrenstraining, Ausbildung und Vermittlung von Kooperationspartnern,
■ Qualitätsanalyse.
Gegenstand von Forschungsprojekten sind unter anderem
■ Lasermaterialbearbeitung inkl. Laserablation (in Zusammenarbeit mit LSAZ
Frankfurt/Oder),
■ Biomaterialien und Biofilme (mit Prof. Wildenauer, Bioprozesstechnik, TH
Wildau),
■ Fullerene, Dünnschichtwachstum, Nanostrukturierung,
■ Analytik mittels Rasterkraft- (AFM), Rastertunnel- (STM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung (XRD).
Dr. Wolfgang Unger
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat mit dem Bereich
Schicht- und Oberflächenanalytik (Fachgruppe 6.4: Oberflächentechnologien)
unter Leitung von Dr. Unger vielfältige Möglichkeiten der Anwendung und Weiterentwicklung von Oberflächen- und Schichtanalysemethoden und ist auch
im Qualitätsmanagement der Analytik tätig (pränormative Forschung, Normung, Referenzmaterialien und -verfahren). Sie berät und informiert zu analytischen Fragen, führt im Auftrag Untersuchungen und Schadensfallanalysen
durch und ist Partner in Forschung und Entwicklung (verstärkt für Polymere,
Plasmapolymere, Stahl, Katalysatoren, Kohlenstoff- und Nanomaterialien).
Methoden und technische Ausstattung der Fachgruppe sind
■ Photoelektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA, XPS),
295
10.02.12 14:20
■
■
■
■
■
Auger-Elektronenspektroskopie (AES),
Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS),
Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX),
Analytische Rasterelektronenmikroskopie (A-REM),
Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS, NEXAFS).
BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin ist eine Synchrotronstrahlquelle bzw.
ein Elektronenspeicherring der dritten Generation mit 50 Strahlführungen und
dazugehörigen Experimentiereinrichtungen.
Der sehr breite Spektralbereich reicht von Terahertz- bis zu harter Röntgenstrahlung (0,0006 bis 150.000 eV). Im XUV-Bereich (extremes Ultraviolett),
für den BESSY II optimiert ist, stellt der Elektronenspeicherring rund 25 Prozent der europäischen Forschungsinfrastruktur. Mit Hilfe der Experimente am
Speicherring können zerstörungsfreie Materialanalysen an industriellen Werkstoffen oder Kunstobjekten durchgeführt oder auch die Struktur von Proteinen
bestimmt werden. Angewendet werden
■ Proteinkristallographie,
■ Röntgentomographie und konfokale Röntgenfluoreszenzanalyse,
■ Energie-dispersive Diffraktion bzw. THz-spektroskopische Untersuchung
von Hochtemperatursupraleitern,
■ spin-aufgelöste Photoelektronenmikroskopie (SPEEM),
■ THz-Nahfeldmikroskopie,
■ Infrarotmikroskopie.
Dr. Daniel Schondelmaier
Die an BESSY II tätigen Forscher stammen teilweise aus anderen wissenschaftlichen Einrichtungen der Region (BAM, Max-Planck-Gesellschaft, Max-BornInstitut, Max-Delbrück-Centrum sowie Universtäten).
Mit dem durch das BMBF geförderten SMART-Projekt und dem zugehörigen,
an einer Hochfluss-Strahlführung von BESSY installierten SMART-Instrument ist
es den Forschern gelungen, die Auflösung elektronenmikroskopischer Aufnahmen von bisher zehn auf ca. drei Nanometer zu verbessern. Eine der bisherigen Hauptanwendungen des SMART-Projekts zielt auf die Untersuchung des
Wachstums von organischen Dünnschichten auf Metalloberflächen. Auf diese
Weise lässt sich während der Schichtherstellung das Wachstum der Schichten
als Funktion von Zeit, Temperatur oder Aufdampfrate verfolgen. Die mikroskopische Abbildung erlaubt unter anderem, den Einfluss von Oberflächendefekten, atomaren Stufen auf der zu bedampfenden Oberfläche, auf das
Wachstumsverhalten und den Einbau großer Moleküle zu studieren (Kapitel
Energiewandlung und -speicherung, FHI, Prof. Freund).
Industrielle Kooperationspartner sind vor allem mit dem ›Anwenderzentrum für Mikrotechnik‹ (AZM, Dr. Schondelmaier) verknüpft. Hier werden
lithographische bzw. LIGA-Verfahren für die Herstellung mikromechanischer
Präzisionsbauteile zur industriellen Anwendung entwickelt. Die Erzeugung
hydrophober Oberflächen und Mikroreaktoren durch Nanostrukturierung mit296
10.02.12 14:20
tels Lithographie, von Hologrammen als diffraktiv optische Elemente zur Strahlformung und Justierung von Lasern oder weitere mikround nanostrukturierte
optische Elemente stehen dabei im Mittelpunkt.116
Dr. Reiner Wedell
Das Institut für angewandte Photonik e. V. (IAP, Dr. Wedell), Mitglied im OptecBB
e.V., forscht und entwickelt auf den Gebieten prozessnahe Röntgenanalytik
(Röntgenfluoreszenzanalyse RFA, Röntgendiffraktometrie) und photonische
Kristallfasern. Das IAP koordinierte das InnoNet-Verbundprojekt ›Entwicklung
von Röntgengeräten der Prozessanalytik‹ (2000 bis 2003), an dem zum Beispiel
das Fraunhofer-IZM und die Bruker Nano GmbH mitgewirkt haben. Im interdisziplinären Forschungsverbund ›UV- und Röntgentechnologien‹ wirkte das
IAP am Verbundprojekt ›Neue Methoden und Geräteentwicklungen der Röntgenfluoreszenzanalyse und Röntgendiffraktometrie für den Einsatz in Industrie
und Forschung‹ (2004) mit. Partner im Projekt waren Max-Born-Institut, BAM,
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Berlin, die IfG GmbH, Bruker Nano
GmbH, Röntgenanalytik Apparatebau GmbH sowie die Astro- und Feinwerktechnik GmbH.
Im Jahr 2004 wurde mit der IfG GmbH, Bruker Nano GmbH, Bestec GmbH
und weiteren Partnern das Netzwerk ›Analytikstation‹ initiiert, und zwar mit
dem Ziel, Analysenmethodik und Gerätetechnik mit der Rasterelektronenmikroskopie zu verbinden.
Prof. Dr. Norbert Esser
Das Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften ISAS (Institute for Analytical Sciences) ist allgemein in der physikalisch-chemischen Analytik und
speziell in der Material- und Grenzflächenanalytik tätig. Im Projektbereich
Grenzflächenspektroskopie unter Leitung von Prof. Esser können mittels
›Standard‹-Oberflächenanalysemethoden wie synchrotronbasierte Photoemissionsspektroskopie (XPS und UPS), Auger-Elektronen-Spektroskopie
(AES), Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenbeugung (LEED, RHEED)
Festkörperoberflächen, -grenzflächen und Nanostrukturen oder auch eher
moleküldeterminierte Oberflächen untersucht werden. Ebenso werden
dazu die optischen Untersuchungsmöglichkeiten Reflexions-AnisotropieSpektroskopie (RAS, vom NIR bis zum VUV-Spektralbereich), spektrale Ellipsometrie (im MIR und VUV, unter anderem IR- und VUV-Ellipsometer bei BESSY II)
und Ramanspektroskopie eingesetzt. Der Berliner Institutsteil entwickelt auch
optische Spektroskopiemethoden und -verfahren zur Grenzflächenanalyse,
deren Auswertungsalgorithmen und einzelne Komponenten wie Spektrometer,
Strahlungsquellen, Messsonden.
Dr. Olaf Kahle
gibt es unter Leitung von Dr. Kahle die Anwenderlabore Application Lab for
the Thermophysical Characterization of Thin Transparent Films und Application
Lab for Moisture and Oxygen Permeation. Dort werden dünne transparente
planare Filme (70 bis 2000 nm ›dünn‹) auf Siliziumwafern thermophysikalisch
116
Vgl. Komitee für Forschung mit Synchrotronstrahlung (2009), S. 15, 38–39.
297
10.02.12 14:20
untersucht und das Schichtmaterial charakterisiert. Im anderen Fall wird die
Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeit von Verkapselungsmaterialien
(für elektronische Baugruppen wie OLEDs verwendet) mittels des Ca-Tests
bestimmt.
Eine Eigenentwicklung des PYCO ist die Technik zur Messung der optischen
Dämpfung dünner Schichten. Es können Schichten in einem Bereich von zwei
bis 20 µm in Abhängigkeit vom Brechungsindex vermessen werden. Polarisiertes Laserlicht mehrerer Wellenlängen (Messwellenlängen: 635, 1310, 1550
nm) in zwei Polarisationsebenen wird in einer Anordnung aus Lichtwellenleiterschicht, zwei Prismen aus Spezialglas mit hohem Brechungsindex (SF10)
und einer Koppelflüssigkeit dazu verwendet, den im Wellenleiter geführten
Lichtanteil bei linearem Fahren des Detektionsprismas mittels einer Germaniumphotodiode zu erfassen. Die Bestimmung von Brechungsindex und Schichtdicke an Lichtwellenleitern auf unterschiedlichen ebenen Substraten sowie
die präzise Messung der optischen Dämpfung wird so über die Wegkoordinate
realisiert.
Weitere Kompetenzen zu funktionalen Oberflächen und Beschichtungstechnologien am PYCO sind in Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik und Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrieben.
Wirtschaft
Die Roth & Rau AG mit Hauptsitz im sächsischen Hohenstein-Ernstthal entwickelte seit ihrer Gründung 1990 Plasma-Technologien für den industriellen
Einsatz und seit Ende der 1990er Jahre auch Plasmaprozesssysteme (FertigungsEquipment) für die Photovoltaikindustrie. Eine Schlüsseltechnik der Firma sind
die Antireflexbeschichtungsanlagen der Serien SiNA und MaiA zur Beschichtung
von Solarzellen mit Siliziumnitrid mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical
Vapour Deposition).
In Berlin-Adlershof eröffnete Roth & Rau 2009 ein Büro und will mit dieser
Niederlassung und der Intensivierung der bestehenden Kontakte am Standort,
vor allem mit dem IKZ, ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeit im neuen
Produktzweig ›Kristallisation‹ vorantreiben. Die Herstellung von Solarsilizium
steht also im Fokus und soll – unterstützt durch ein eigenes Labor – optimiert
werden.117
Roth & Rau AG
Die Arc Precision GmbH in Wildau ist ein junges Unternehmen, das Plasmaquellen für die gefilterte Bogenbeschichtung (filtered arc deposition) entwickelt und
verbessert. Das Unternehmen ist damit Lieferant von modularen Plasmaquellen
und kompletten Beschichtungsanlagen, macht aber auch Beschichtungstests
und Beschichtungen von Werkzeugen, Halbzeugen und Bauteilen im Lohnauftrag. Außerdem hat sich Arc Precision mittels entsprechender Ausrüstung bzw.
autorisierter Partner auch auf die Oberflächenanalytik spezialisiert und bie-
Arc Precision GmbH
117
Vgl. Nestler, Ralf (2010).
298
10.02.12 14:20
tet Industrie und Forschung entsprechendes Know-how für Beschichtungen,
Anlagentechnik und Prozesse mit Bogenentladung an.
Bereits realisierte Oberflächentechnologien bewegen sich hauptsächlich in
der Mikrosystemtechnik; dazu gehören
■ superharte Carbon-Beschichtungen für Informationsspeichersysteme (Festplatte, Lese-/Schreibkopf),
■ Kupfermetallisierung und Barriereschichten für die Dual-Damascene-Technologie in der Mikroelektronik,
■ Hartstoffschichten für Mikro-/Nano-Systeme,
■ Sensoren für verschiedene Anwendungen,
■ superdünne Tunnelbarrieren.
alphacontec
Consulting & Services GmbH
Scanning Probe Microscopy
Alphacontec ist Anbieter von Instrumenten für die Rasterkraftmikroskopie (AFM)
und optische Raster-Nahfeldmikroskopie (Scanning Near-Field Optical Microscope SNOM), mit denen Oberflächen und deren Topographie abtastend bzw.
berührungslos (mit Laserstrahl im Nahfeldbereich) vermessen werden können
(zum Beispiel Isolatoren, Halbleiter, elektrische Leiter, biologische Proben und
magnetische Werkstoffe).
Berliner Nanotest
und Design GmbH
Die Berliner Nanotest und Design GmbH wurde 2004 im Ergebnis des Verbundprojekts ›Zentren Werkstoffe der Mikrotechnik‹ im Umfeld des Micro Materials
Centers Berlin (MMCB) gegründet. Sie erbringt ingenieurtechnische Dienstleistungen im Bereich Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie/Nanomesstechnik und pflegt Kooperationen mit wissenschaftlichen Einrichtungen und der
Industrie (Pool an Messtechnik über die Kooperationspartner im Berliner Verbund Micromaterials i.G. – BVM).
Das Unternehmen arbeitet im kürzlich gestarteten Verbundprojekt
›NANOPACK‹ mit. Das NANOPACK-Konsortium untersucht Systeme wie Carbon
Nanotubes, Nanoparticles und nano-strukturierte Oberflächen, um überschüssige Wärme von innenliegenden Schichtaufbauten in Halbleiter- und
Leistungsbauelementen abzuführen, die aus deren wachsender Integrationsdichte resultiert. Der Beitrag von Nanotest betrifft die thermisch-mechanische
Charakterisierung und Optimierung.
Neben der Geschäftstätigkeit als F&E-Dienstleister ist das Unternehmen
Organisator bzw. Mitorganisator von wissenschaftlichen Kongressen, Workshops und Seminaren (zum Beispiel ›MicroCar 2011‹) und gibt gemeinsam mit
dem MMCB und EUCEMAN die wissenschaftliche Publikationsreihe ›Micromaterials and Nanomaterials‹ heraus.
Bestec GmbH
Die Bestec GmbH ist ein Entwickler und Hersteller von Anlagen für die Oberflächenanalytik und Vakuumabscheidungstechnik sowie Synchrotron-Equipment.
Die Anwendungsbereiche und zugehörigen Systeme sind
■ OLED und OMBD (Organic Molecular Beam Deposition), UHV-OMBD-System
für metallische und organische Multilayer,
299
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■ UHV- Sputter-Systeme, Magnetron-Sputtern, Atomic Layer Deposition ALD,
Ionenstrahl-Sputter-System,
■ Elektronenstrahl-Deposition: UHV-E-vap-System für metallische Multilayer,
■ Thermische Verdampfung (HV Thermal Deposition System),
■ Laserablation (Pulsed Laser Deposition PLD),
■ Molekularstrahlepitaxie (MBE),
■ Oberflächenanalytik-Systeme (zum Beispiel ESCA/AUGER-SpektroskopieSystem),
■ Clustertools und kombinierte Systeme (zum Beispiel MBE/Magnetronsputtern, Sputtern/Elektronenstrahl-Deposition),
■ Synchrotron-Equipment (Beamline-Komponenten, komplette Beamlines
und Endstations im IR-, UV- und weichem Röntgen-Bereich).
Bestec war Mitglied im Nanotechnologie-Kompetenzzentrum ›Ultradünne
funktionale Schichten‹ (CC-UFS Dresden) und ist Mitglied des ›Network of Competence – Solutions for Surface Science and Nanotechnology‹ (Kooperation mit
SPECS Surface Nano Analysis GmbH und CREATEC).
Die Bruker Nano GmbH, ein Unternehmen der Bruker Corporation, ist auf die
Herstellung von Messtechnik/-instrumenten für die Nanoanalytik (bei hoher
Ortsauflösung) spezialisiert.
Für die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) mittels Raster(transmissions)elektronenmikroskop (SEM, S/TEM), die vor allem für Aufgaben der
Elementanalytik geeignet ist, stellt Bruker das QUANTAX EDS-System her.
Das QUANTAX CrystAlign EBSD-System (Electron Backscatter Diffraction,
Beugung von rückgestreuten Elektronen) ist vollständig in das QUANTAX EDSSystem integriert, ein EBSD-Detektor lässt sich optional schwenkbar zuschalten
und erlaubt simultane EDS- und EBSD-Messungen.
Außerdem bietet Bruker Instrumente wie Rastersondenmikroskope (AFM,
STM) hauptsächlich für die Material-, Halbleiter- und elektrochemische Forschung an; weitere Methoden zur Element- und Oberflächenanalytik werden
durch Mikro-Röntgenfluoreszenzspektrometer (µ-XRF), Weißlicht-Interferometrie-Profilometer (optische berührungslose Oberflächenprofilometrie)
und Stylus Surface-Profilometer (Tastschnitt-Oberflächenprofilometrie von
Rauigkeitsmessung bis 3D-Mapping und Schichtspannungsmessung) abgedeckt.
Bruker Nano GmbH
Createc ist Entwickler von Ultrahochvakuum-Systemen für die Dünnschichtabscheidung. Das Unternehmen stellt Molekularstrahlepitaxie-, Magnetronsputter- und Laserablationsanlagen (Pulsed Laser Deposition PLD) her. In Berlin hat
Createc eine Niederlassung, die sich hauptsächlich mit der NiedertemperaturRastertunnelmikroskopie (Low Temperature Scanning Tunneling Microscope
LT-STM/AFM) für die Oberflächenanalytik von Metallen, Halbleitern, Supraleitern und Kohlenstoff beschäftigt. Createc ist Mitglied des ›Network of Com-
Createc Fischer & Co. GmbH
STM/AFM Facility/Research Lab
300
10.02.12 14:20
petence – Solutions for Surface Science and Nanotechnology‹ (Kooperation mit
SPECS Surface Nano Analysis GmbH und Bestec GmbH).
CryoSnow GmbH
Die CryoSnow GmbH ist ein 2005 gegründetes Unternehmen, das industrielle
Reinigungs- und Strahlgeräte zur trockenen, lösemittelfreien und umweltfreundlichen Beseitigung von Oberflächenverunreinigungen anbietet. Das
sogenannte CO2-Schneestrahlen ist ein neuartiges Verfahren zum Reinigen
und Vorbehandeln von Oberflächen mittels der zwei Betriebsstoffe Flüssig-CO2
und Druckluft. CryoSnow kooperiert in mehreren F&E-Projekten mit überregionalen wissenschaftlichen Einrichtungen und Unternehmen, in denen
Anwendungsfälle und Machbarkeiten von Reinigungstechnologien untersucht
werden.
GP innovation GmbH
Die GP innovation GmbH (gegründet 1996) entwickelt und produziert stationäre
und mobile Vakuum-Saugstrahlanlagen für die mechanische Oberflächenbearbeitung. Zu den Leistungen zählen auch Forschung im Bereich der VakuumSaugstrahltechnologie, Anwendungsberatung bei speziellen Problemen der
Oberflächenbearbeitung, Lieferung, Montage, Erprobung und Inbetriebnahme
der Anlagentechnik bei Kunden vor Ort und Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)
zur Schichtdickenmessung.
Zu den Anwendungen der Technologie bzw. der Anlagen gehören sowohl
entschichtende, reinigende und strukturgebende Verfahren als auch die
Beschichtung. Im Einzelnen geht es um
■ Reinigen von Bauteilen (zum Beispiel Radsätze an Schienenfahrzeugen,
Turbinenschaufeln),
■ Entlackung von Fahrzeugteilen, Kupferleitern und farbbehandelten Oberflächen,
■ Entschichtung von verzinkten Oberflächen,
■ Entrosten von Baugruppen, Konstruktionselementen und Behältern,
■ Entgraten von Baugruppen aus Zerspanungsverfahren sowie Guss- und
Stanzteilen,
■ Mattieren von Edelstahl, Kunststoff, Glas und mineralisierten Oberflächen,
■ Gravieren von Logos, Buchstaben, Zahlen, Zeichen in nahezu allen Oberflächen,
■ Aufrauen von Oberflächen als Vorbereitung von Farbgebungs- und Klebeprozessen,
■ Glätten/Verfestigen von Metalloberflächen,
■ Beschichtung von Oberflächen mit Zink und Kupfer.
IfG – Institute for Scientific
Instruments GmbH
Die IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH ist ein Forschungs- und
Entwicklungs-Unternehmen, das Geräte und Komponenten für die Röntgenanalytik, insbesondere für die prozessnahe in- und offline-Messtechnik,
entwickelt und fertigt – zum Beispiel den RFA-Scanner ELBRUS iXSCAN (Röntgenfluoreszenzanalyse, engl. XRF) oder die modulare Röntgenquelle iMOXS.
301
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Das ELBRUS XRF System kann in der Fertigungslinie (inline, ex situ bzw. in
situ), an der Linie (atline) und alleinstehend (offline) angewendet werden und
überwacht von homogenen massiven Produkten, über Schichtsysteme, die auf
festen oder flexiblen, anorganischen oder organischen Trägersubstraten abgeschieden werden (zum Beispiel photovoltaische Schichten) bis zu Produkten
in flüssiger Form deren Fertigung hinsichtlich Zusammensetzung und Schichtdicke. Zur weiteren Charakterisierung der Schichtsysteme sind methodische
und gerätetechnische Erweiterungen mit Raman- und XRD-Messköpfen (X-Ray
Diffraction, Röntgenbeugung) möglich.
Der Überprüfung von Homogenität, Zusammensetzung und Dicke von
Solarzellenabsorberschichten, speziell in der Dünnschichtsolartechnik (Chalkopyrit-/CIS-Technologie), dienen die ELBRUS- Scanner iXSCAN.STAND (für F&E,
Qualitätssicherung) und iSXCAN.PORT (Pilotlinieneinsatz).
Das IfG arbeitet zu Aufgaben der Oberflächen- und Schichtmesstechnik
vielfach mit den einschlägigen Forschungseinrichtungen, Unternehmen und
Anwendern in der Region zusammen.
Jonas & Redmann entwickelt und produziert Anlagen für Automatisierungstechnik, Medizintechnik und Photovoltaik. Speziell im Produktionsprozess
kristalliner Silizium-Solarzellen deckt die Firma den Bedarf an Be- und Entladungstechnik bzw. Handlingsystemen für unter anderem Oberflächen- und
Beschichtungsprozessschritte (Ätzverfahren/Texturierung, Diffusion, Antireflektionsbeschichtung) sowie an Inspektionssystemen zur Prozesskontrolle, das
sind
■ Wet Inline Loader/Unloader zur vollautomatischen Be- und Entladung
von Inline-Nassprozessanlagen, wie zum Beispiel Ätzbadreinigung/saure
Texturierung, Phosporglasätzen oder Nasskantenisolierung,
■ Wafer Handling Diffusion (WHD) zur automatischen Be- und Entladung mit
Siliziumwafern bei Prozessierung in einer Diffusionsanlage (Behandlung/
Umdotierung der Waferoberfläche mit phosphorhaltigem Gas in einem
Diffusionsofen),
■ Wafer Handling Plasma zur automatisierten Be- und Entladung von
PE-CVD-Anlagen (Beschichtung mit Siliziumnitrid) inklusive eines Systems
zur Inspektion von Farbe und Schichtdicke.
Jonas & Redmann Group GmbH
Die JPK Instruments AG ist Entwickler und Hersteller von Instrumenten für die
Untersuchung von Materialien mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), die vor
allem für biologische Anwendungen von Bedeutung ist. Aber auch für die
Polymer-, Oberflächenforschung und Nanooptik sind die Analytikgeräte von
Nutzen.
Mit dem NanoWizard® 3 NanoScience AFM, dem NanoWizard® 3 BioScience
AFM und der BioMAT™ Workstation bietet JPK die Möglichkeit, verschiedene
oberflächenrelevante Phänomene zu untersuchen, darunter
JPK Instruments AG
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■ Bindungsstudien an Rezeptor-Ligand- oder Antikörper-Antigen-Bindungen,
■ Untersuchung von optisch aktiven Verbindungen oder Materialien für Biosensoren, Kapseln, Farb- und Farbstoffentwicklungen,
■ Studien an Biomaterialien für Biosensoren, Kapseln und sonstige AntiBiofouling-Anwendungen,
■ Implantatbeschichtungen und Biochips,
■ pharmazeutische Untersuchungen wie Drug-Delivery-Mechanismen,
■ Tests von funktionalisierten Oberflächen,
■ Anwendungen der Lebensmittel-, Papier- und Textilindustrie auf Fasern,
Beschichtungen oder Pulverwerkstoffen,
■ Bildgebung und Vermessung von Polymeren und Dünnschichten bei unterschiedlichen Temperaturen und Umgebungsmedien.
Laser-Mikrotechnologie
Dr. Kieburg GmbH
Die Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH ist ein 1998 gegründetes, kleines
Unternehmen, das lasertechnologische Spezialausrüstung für die Mikrobearbeitung sowie Lohnarbeit in dieser Technologie anbietet (Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation).
Eine Laseranlage des Unternehmens für die Mikrobearbeitung (zum Beispiel
LMBS UV-015-001-xy400z200-IA) hat ein Arbeitsfeld von 350 mm x 350 mm,
einen UV-Laser (Wellenlänge 335 nm) und eine automatische Bilderkennung/
Positionskorrektur (Positioniergenauigkeit ein Mikrometer).
LayTec In-Situ- and
Nanosensors AG
LayTec ist ein Entwickler und Hersteller von in situ- und inline-Messsystemen
für Dünnschichtprozesse speziell in der Halbleiter- und Photovoltaikbranche
und ermöglicht die Analyse und Kontrolle von Abscheidungsprozessen in Echt-
Optischer SolR®-Messkopf an einem Rolle-zu-Rolle TCO-Beschichtungssystem (LayTec)
303
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zeit, sodass Fehler im Produktionsprozess korrigiert werden können und damit
Ausschuss reduziert sowie kosten-, energieund ressourcenschonend produziert wird.
Das Mess- und Überwachungsequipment dient industriellen wie forschenden Einrichtungen in der Verbindungshalbleiterherstellung (mittels MOCVD,
Molekularstrahlepitaxie MBE usw.) für elektronische und optoelektronische
Anwendungen (zum Beispiel GaN-, AlGaAs- und AlInGaP-LED oder -Laserdioden, Bipolartransistoren mit Heteroübergang HBT, Transistoren mit hoher
Elektronenbeweglichkeit HEMT).
Gemessen werden Schichtwachstumsparameter wie Wafertemperatur,
Wachstumsrate, Schichtdicke, Dotierung, Oberflächenrauigkeit hochpräzise
während des Beschichtungsprozesses.
Seit 2007 hat Laytec seine Kompetenz in der Dünnschichtanalytik auch auf
photovoltaische Anwendungen ausgeweitet. Die implementierten Messtechniken für typische Dünnschichtsolarzellen (CdTe, CIGS, Konzentratorzellen) sind:
Reflektometrie, strahlungskorrigierte Temperaturmessung, Krümmungsmessung und Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS).
Neue Anwendungsfelder für LayTec-Messtechnik finden sich bei der
Dünnschichtherstellung von dielektrischen und oxidischen Schichten auf
Siliziumsubstraten, High-k Materialien (Speicher-, MRAM-Anwendungen),
ZnO-Anwendungen (als transparente leitfähige Schicht, TCO), dünnen optischen Schichten (hochreflektierende/HR- bzw. Antireflex-/AR-Beschichtung)
sowie zur Schichtdickenmessung in der OLED-Herstellung.
LayTec ist Mitglied der Initiative Berlin WideBaSe, bei NanOp – Competence
Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics und in der Europäischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (EFDS).
Die LIAS GmbH ist ein in Berlin ansässiger Hersteller und Vertreiber von Anlagen
der Oberflächentechnik, vornehmlich Lackierkabinen in Standard- als auch
Sondermaßen für die Lackierung von Großteilen.
LIAS GmbH
Die OTA GmbH, eine aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau der OTB
Oberflächentechnik GmbH und der Anlagenautomatisierung von P.O.P. fusionierte Firma, hat sich auf Automatisierungslösungen und Anlagen der Oberflächentechnik und Photovoltaikindustrie spezialisiert. Darunter finden sich
Bandgalvanikanlagen, Bandanlagen für Sonderapplikationen, Reinigungsund Oberflächenbehandlungssysteme (SPOX®), Galvanikanlagen zur Herstellung von Batteriegittern und zur Folienbeschichtung.
Seit 2006 entwickelt OTA auch Anlagen zur Fertigung von DünnschichtSolarzellen (CIS-Technologie) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, wobei Prozesse
wie
■ galvanische Abscheidung von Gallium, Indium, Kupfer,
■ Beschichtung,
■ chemische Bearbeitung des Materials,
OTA Oberflächentechnik
Anlagenbau GmbH
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■ Laserbearbeitung und
■ mechanische Bearbeitung
umgesetzt werden.
Seit 2010 ist OTA Mitglied im Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbauer
(VDMA). Im Verbundprojekt ›P3T Modulare Fertigung strukturierter Metallschichten‹ der Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produktion‹ ist
OTA Projektpartner beim Aufbau eines modularen prototypischen Anlagenkonzepts zur ressourceneffizienten Fertigung von strukturierten Metallisierungen
für Elektronikkomponenten. Strukturierte Aktivierung von Folien mittels Atmosphärendruckplasma, selektive additive chemische und galvanische Metallisierung der aktivierten Folien sowie aufbauund verbindungstechnische Prozesse
sollen als Verfahrensschritte die Massenfertigbarkeit von direktstrukturierten
Metallschichten (Strukturdicken: 50 nm bis 5 µm, Strukturbreiten bis hinunter
auf 20 µm) auf Kunststoffträgern demonstrieren.
OTB Oberflächentechnik in Berlin
GmbH & Co.
Die OTB Oberflächentechnik in Berlin GmbH & Co, inzwischen Teil der Diehl
Metal Applications GmbH (DMA), war bis dato ein auf die Elektro- und Elektronikindustrie ausgerichteter Entwickler und Hersteller von Maschinensystemen
für die Oberflächentechnik sowie Dienstleister für die selektive, kontinuierliche
Beschichtung von Metallbändern und Kunststoffolien im Durchlaufverfahren.
OTB war tätig im Bau von
■ Bandgalvanikanlagen,
■ Reinigungs-, Konditionierungs- und Entfettungsanlagen für Bänder
(Deflashing, Entflittern, Entfetten, Konditionieren),
■ außenstromloser Aufbautechnik für mikrostrukturierte flexible Leiterplatten
und
■ Beschichtungsanlagen für die MID-Technik (Molded Interconnect Devices).
Zusammen mit der Oberflächenbeschichtung selbst (selektive Präzisionsbeschichtung zwei- und dreidimensionaler Stanzbänder, Sonderbeschichtung
und Musterbearbeitung von Präzisions-, Band- und Einzelteilen) vereinte OTB
Know-how insbesondere für die Automobil-Elektronik, mobile/drahtgebundene Kommunikationstechnik, Hausgerätetechnik, Bauelementeindustrie und
allgemeine Aufbau- und Verbindungstechnik.
Gemeinsam mit regionalen Diehl Metal Applications-Unternehmen wie
ZIMK Zehdenick Innovative Metall- und Kunststofftechnik (Zehdenick in Brandenburg), weiteren internationalen Standorten sowie Schempp & Decker
als Partner der Diehl Metal Applications sind Kompetenzen und Know-how
zugunsten einer vollintegrierten Wertschöpfungskette zusammengeflossen. Bei
Diehl Metal Applications bildet man somit den gesamten Fertigungsprozess ab
– von Vormaterial-Produktion über Präzisionsstanztechnik und Oberflächenveredelung bis zu Umspritzen und Montage von Baugruppen für elektrische
und elektronische Anwendungen.
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Die Plasmetrex GmbH entwickelt und vertreibt Plasma-Messtechnik. Das Unternehmen bietet außerdem Service und Beratung rund um Plasma-Prozesse an.
Die Geschäftsbereiche umfassen in situ-Plasma-Messsysteme für Ätz- und
Abscheidungsverfahren in der Halbleiterfertigung, Plasmaüberwachungsequipment für große Kammern (zum Beispiel Photovoltaik- und Displayherstellung) und Low-Cost-Plasma-Messtechnik für die allgemeine Oberflächenbehandlung. Die Messtechnik, bestehend aus Sensor, Signalwandler und
verarbeitender Software (zum Beispiel Plasma Metrology System Hercules®),
nimmt Messungen der Plasma-Parameter wie Elektronendichte und Elektronenkollisionsrate in Echtzeit vor.
Die Firma bietet in Hinsicht auf Weiterbildung und Beratung zum Thema
Plasma Kurse an – zum einen ›Plasma School for Semiconductor Manufacturing‹ (Mai 2011 in Berlin), zum anderen zur Solarzellenfertigung das gemeinsam
mit PVcomB entwickelte Modul ›Plasma Technology in Solar Cell Manufacturing‹
(Herbst 2011 in Berlin).
Im Verbundprojekt ›ODPat – Plasmabeschichtungstechnik für Aluminiumbauteile‹ der Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produktion‹ (Laufzeit 2009 bis 2013) ist Plasmetrex Projektpartner. Gegenstand der
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist eine Duplex-Plasmatechnologie
zur Oberflächenbehandlung von Aluminiumwerkstoffen. Die Verfahrensschritte Härtung durch Plasmadiffusion, Wärmebehandlung und Plasma-CVDBeschichtung sollen so verknüpft werden, dass Aluminium mit verschleiß- und
reibungsmindernden Beschichtungen wie Diamond-Like-Carbon (DLC) versehen werden kann. Das Material dürfte sich dann unter diesen Belastungen
nicht mehr verformen, sondern hätte eine ausreichende Stützfunktion. Dies
würde die Anwendbarkeit des Leichtmetalls im Fahrzeugbau erleichtern.
Außerdem wird im Projekt die bestehende Plasma-Diagnostik zugunsten der
integralen Plasma-Beschichtungstechnologie weiterentwickelt.
Plasmetrex ist mit Akteuren der (Plasma-)Oberflächentechnik vernetzt, zum
Beispiel über die Mitgliedschaft in der Europäischen Forschungsgesellschaft
Dünne Schichten e.V. (EFDS).
Plasmetrex GmbH
Die RST Rail System Testing GmbH ist eine Ausgründung aus dem Unternehmen
Bombardier und bietet Prüf- und Ingenieurleistungen für viele Industriezweige, unter anderem für die Verkehrstechnik, an.
In den verschiedenen Laboren – Werkstofflabor, Umweltlabor und Brandlabor – werden neben mechanischen Tests (zum Beispiel Härteprüfung, auch
Mikro- und Kleinlasthärteprüfungen für Elektronikbauteile) klimatische und
Korrosionsprüfungen (nützlich für Solarmodulhersteller) durchgeführt, und
zwar
■ Tests bei Kälte/Wärme, Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung – 22,5m³-Prüfraum, –75 bis +220 °C, 10 bis 100 Prozent relative Luftfeuchte,
■ Nachweis der Widerstandsfähigkeit von PV-Moduloberflächen gegenüber
Hagelkörnern,
RST Rail System Testing GmbH
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■ am Prüfstand für statische Flächenbelastungen zur Simulation von Wind-,
Schnee- und Eislasten auf PV-Modulen,
■ im Korrosionsprüfraum mit Salznebel/Meerwasser, Schwefeldioxid/Schwefelwasserstoff, 1 m³, +25 bis +60 °C, bis 100 Prozent relative Luftfeuchte.
RTG Mikroanalyse
Die RTG Mikroanalyse GmbH Berlin ist ein Dienstleister für Materialuntersuchungen.
Im Labor werden schwerpunktmäßig mikroanalytische Untersuchungen
mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bzw. zwei entsprechenden Massenspektrometern durchgeführt und zwar für Materialsysteme und
Bauteile wie
■ Metallschichten (zum Beispiel Kontakte, galvanische Schichten),
■ Solarzellen,
■ optische Vielfachschichten, Hartstoffschichten, Silizide, Polymere,
■ Halbleitermaterialien (II-VI-Verbindungen, Silizium, Germanium, organische Halbleiter),
■ III-V-Verbindungshalbleiter, zum Beispiel Galliumnitrid (GaN),
■ Hochtemperatursupraleiter, Gläser,
■ Metall-Keramik-, Keramik-Keramik-Verbundsysteme,
■ geologische Proben, pharmazeutische Materialien,
■ medizinisch-biologische Proben (Implantate, Zellstrukturen, Biosensoren,
zahntechnische Materialien).
Damit lassen sich Verunreinigungen und Dotierungen qualitativ und quantitativ bestimmen, des Weiteren Tiefenprofile und laterale Elementverteilungen
(zum Beispiel zur Bestimmung der Schichtzusammensetzung) messen.
Die Firma RTG ist Mitglied in der Initiative Berlin WideBaSe.
Scansonic IPT GmbH
Scansonic ist Spezialist für Fertigungs- und Automatisierungstechnik, unter
anderem zum Laserfügen (mit und ohne Nahtführung) und zum Lichtbogenfügen, speziell aber auch zum Laserhärten. Scansonic entwickelte eine Härteoptik
für unterschiedliche Aufgaben. Vor allem hochbelasteten Bauteilen des Fahrzeugbaus (im Motor, Getriebe) soll die richtige Kombination von Härte (Verschleißschutz) und Zähigkeit (Dauerfestigkeit) verliehen werden.
Beim Laserhärten erhitzt ein Laserstrahl mit bestimmter Einwirkzeit das
Werkstück (Stahl) an der Oberfläche, die in der oberflächennahen Zone vorhandene Wärme wird sehr schnell in tiefer liegende Bereiche geleitet, durch
die schnelle Abkühlung bildet sich Martensit in der Randzone und durch das
Weiterführen des Lasers eine Härtespur.
Die ortsaufgelöste (lokale) Härtung bietet sich angepasst an Beanspruchungsgrad (Schneidkanten, Lagersitze) oder Bauteilgeometrie (gewollt scharfte Kanten, schwer zugängliche Stellen) an. Die Optik des Scansonic RLH-A (Remote
Laser Hardening-Adaptive) regelt die tatsächliche Bauteiltemperatur dynamisch, wodurch Bauteile gezielt und kontrolliert aufgehärtet werden können.
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Die Sentech Instruments GmbH ist Entwickler und Hersteller von Dünnschichtmesstechnik (Reflektometer, Ellipsometer/spektroskopische Ellipsometer) und
Plasmaoberflächentechnik (Plasma-Deposition und -Ätzen).
Für F&E-Zwecke stehen folgende Instrumente zur Verfügung:
■ Reflektometer zur Schichtdicken- und Brechungsindexmessung transparenter oder schwach absorbierender Filme auf reflektierenden und Glassubstraten
■ Laserellipsometer (und kombinierte Ellipsometrie/Reflektometrie CER)
■ Spektroskopisches Ellipsometer (größter Spektralbereich)
Sentech Instruments GmbH
Für die industrielle Qualitätskontrolle:
■ Großflächenmesssysteme
■ Spektroskopisches Ellipsometer für automatische Routinemessungen
■ In-line-Prozesskontrolle
Speziell für Photovoltaikherstellungsprozesse:
■ Laserellipsometer und Reflektometer für die Vermessung von AntireflexBeschichtungen auf Siliziumsolarzellen
■ Horizontale und vertikale Messsyteme für großflächige Dünnschichtsolarzellen
■ Spektroskopisches Ellipsometer zur Analyse von TCO-Schichten (SnO2, Indiumzinnoxid ITO, Aluminiumzinkoxid AZO)
■ Spektroskopische Ellipsometer und Reflektometer zur Analyse von Absorberschichten (a-Si, µ-Si, CdTe, CdS, CIS)
Im Bereich Plasmaprozesstechnik bietet die Firma Sentech Ausrüstung zu
plasmagestützten Schichtabscheidungsverfahren und zum Plasmaätzen für die
Halbleiter- und Mikrosystemtechnik (MEMS, Silizium, Dielektrika, organische
und metallische Filme, Mikrooptik):
■ Plasma-Deposition (PECVD, ICPECVD)
– plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) von SiO2,
SiNx, SiOxNy, TEOS, a-Si:H, µ-Si:H und DLC
– optische Prozessüberwachungssysteme
■ Plasmaätzen (ICP, RIE)
– ICP-Ätztechnik
– RIE-Ätztechnik
– optische Prozessüberwachungssysteme
Depositions- und Ätzmodule (inkl. Bestückungs- und Handling-Systeme) können zu Cluster-Systemen für die Anwendung in F&E und Produktion konfiguriert werden. Die Prozessüberwachung erfolgt per Laserellipsometrie, Interferenzmessverfahren und optischer Spektroskopie in situ und inline für die
Messgrößen Schichtwachstum bzw. -erosion und Ätztiefe.
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Sentech ist Mitglied in der Initiative Berlin WideBaSe, im NanOp – Competence
Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics und der Europäischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V., EFDS.
SPECS Surface Nano Analysis
GmbH
Die SPECS Surface Nano Analysis GmbH entwickelt und produziert Instrumente/
Messtechnik für die Materialforschung, Nanotechnologie und Oberflächentechnik. Dazu zählen Komponenten und Systeme für die Oberflächenanalytik
(im Ultrahochvakuum, UHV) sowie Anlagen, die die Dünnschichtpräparation
(Molekularstrahlepitaxie, MBE) mit spektroskopischen und mikroskopischen
Analytikkomponenten vereinen.
Die angebotenen Komponenten umfassen
■ Elektronenspektrometer (halbkugelförmige Energy Analyzer für Elektronenund Ionenspektroskopie),
■ Instrumentierung für Rastersondenmikroskopie (SPM),
■ LEEM/PEEM (niederenergetisches Elektronenmikroskop mit fünf Nanometer
Auflösung),
■ LEED/RHEED (Beugungsbilderfassung und -verarbeitungssystem für Low
Energy Electron Diffraction, LEED und Reflection High Energy Electron
Diffraction, RHEED),
■ Quellen (verschiedene Quellen für Deposition, Anregung und Ladungsneutralisierung),
■ Dünnschichtpräparation/-wachstum
– Einzel- und Mehrkammer-Elektronenstrahlverdampfer für die Abscheidung von Metall- und Verbunddünnschichten,
– Elektronzyklotronresonanz- (ECR) und Radiofrequenz- (RF) angeregte
Plasmaquellen für Oberflächenmodifizierung und abscheidungsgestützte
Oberflächenbehandlung mit inerten oder reaktiven Atomen oder Ionen
(Quellen als Plasma-, Atom- oder Ionenquelle nutzbar),
– thermische Gas-Cracker-Quelle für die Oberflächenbehandlung mit atomarem Wasserstoff,
– RHEED-Elektronenkanone für die Dünnschichtwachstumsanalyse.
Bei Anlagensystemen bietet Specs zwei vorkonfigurierte Lösungen für die Oberflächenanalytik, das ESCA-System ›SAGE‹ (Röntgenphotoelektronenspektroskopie XPS) und das SNMS-System ›INA-X‹ (Sekundärionen-Massenspektrometrie SIMS und Sekundär-Neutralteilchen-Massen-Spektrometrie SNMS),
sowie kundenspezifische Lösungen.
Die SPECS Surface Nano Analysis GmbH ist im Network of Competence –
Solutions for Surface Science and Nanotechnology aktiv.
Steremat Elektrowärme GmbH
Steremat Elektrowärme GmbH ist ein Berliner Anlagenhersteller für Härteverfahren sowie für Kristallzüchtung, Vakuumprozesse und Bandbeschichtung.
Der Härtung, im Speziellen dem Randschichthärten, dienen Induktionserwärmungsanlagen (›Thermocompact‹ Härtemaschinen); die Kristallzüchtungs309
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anlagen ermöglichen die Herstellung von Si-Einkristallen und optischen Materialien nach Floatzonen-, Czochralski- oder TSSG-Verfahren für die anschließende Waferproduktion. Im Projekt zur Applikation eines Wandermagnetfeldes
bei der Kristallzüchtung (KRISTMAG, 2008) war Steremat Projektpartner.
Für die Vakuumtechnik bietet die Firma Sonderanlagen im Labor-Maßstab
an, darunter Vakuumprozessöfen zum Härten und Trocknen sowie LaborAbscheideanlagen. Seit 2007 betätigt sich Steremat auch in der Produktion von
Bandbeschichtungsanlagen zur Erzeugung von Metallsalzschichten auf metallischen Bändern, die in der Photovoltaik (CIS-Technologien) zur Anwendung
kommen.
Steremat Elektrowärme ist Mitglied in der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT).
Netzwerke
Das Network of Competence ist eine Kooperation von vier System- und Komponentenherstellern für die Oberflächentechnik bzw. –wissenschaft. Drei
Unternehmen – SPECS, Createc, Bestec – sind in Berlin ansässig. Diese Firmen
bieten zusammen Komplettlösungen für die Oberflächenbehandlung/Schichtpräparation und Oberflächen- bzw. Schichtanalytik nach Kundenwunsch an
(hauptsächlich Forschungseinrichtungen). Dazu zählen Synchrotron-Beamlines inklusive sogenannter endstations, mit denen in situ Proben präpariert
(MBE, PLD und Sputtern) und analysiert (XPS, UPS, ISS, AES, LEED, LEEM/PEEM,
STM usw.) werden können.
Network of Competence –
Solutions for Surface Science
and Nanotechnology
c/o SPECS GmbH
Der VDMA vereint Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus in Abteilungen, so auch in der Fachabteilung Oberflächentechnik. Bisher sind nur wenige
Unternehmen aus Berlin-Brandenburg Mitglied, der Schwerpunkt des Verbandes liegt in Süd- und Westdeutschland.
Orientiert am Bedarf ihrer Mitglieder organisiert die VDMA Fachabteilung
Oberflächentechnik Arbeitskreise zu einzelnen Themen der Branche, beispielsweise
■ Arbeitskreis Industrielle Plasma-Oberflächentechnik,
■ Arbeitsgruppe Plasmanitrieren,
■ Arbeitskreis Strahltechnik – Marktbearbeitung/ Technik/ Trockeneisstrahlen,
■ Arbeitskreis Energieeffizienz,
■ Arbeitskreis Prüfungen an Anlagen der Oberflächentechnik,
■ Arbeitskreis Genehmigungsverfahren für Lackieranlagen,
■ Erfahrungsaustausch Spritzkabinen,
■ Erfahrungsaustausch Lacktrockner.
Verband Deutscher Maschinenund Anlagenbau e.V. VDMA,
Fachabteilung Oberflächentechnik
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Fazit
Die Hauptstadtregion versammelt in der Oberflächen- und Schichtanalytik, aber
auch bei Herstellern von Anlagentechnik für die Analytik und die Präparation
schwerpunktartig Kompetenz, wenngleich die Akteure oft sehr spezifische
Bedarfe bedienen. Das Innovationsgeschehen konzentriert sich in der Analytik vor allem auf Untersuchungsmethoden für die Grundlagenforschung, also
auf das Verständnis von Ober- und Grenzflächenphänomenen. In der Präparation und Prozesskontrolle ist allgemein die Dünnschichttechnik angesprochen, und zwar sowohl bei der Grundlagenforschung (zum Beispiel Photonik/
Elektronik) als auch bei der angewandten Forschung (zum Beispiel Solartechnik).
Deutschlandweit konnte die Branche (industrielle) Oberflächentechnik
laut VDMA mehrere Jahre in Folge Zuwächse verzeichnen, und zwar in allen
Segmenten.118 Große Maschinen- und Anlagenbauer wie Oerlikon Balzers, ein
Unternehmen der Schweizer Oerlikon-Gruppe, Eifeler Unternehmensgruppe/
Eifeler Werkzeuge GmbH (Düsseldorf) oder PVA TePla AG bieten weltweit
führende Lösungen für Dünnfilm-Beschichtungen (PVD, Hartstoffbeschichtung)
bzw. Plasma-Oberflächentechnik an.
Der Anlagenbau in der Region Berlin-Brandenburg konzentriert sich auf
hochspezifische Anforderungen aus der Dünnschichttechnik (Optik/Photonik,
Elektronik, Photovoltaik) und Oberflächenanalytik (vor allem aus wissenschaftlichen Einrichtungen) und ist in der Hauptsache mittelständisch strukturiert. Mit den vorhandenen Kompetenzen ließe sich die Region zu einem
Analytik-Zentrum für die Dünnschichttechnik profilieren.
5.7
Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E
Abgrenzung
118
VDMA (2011); VDMA (2009), S. 9.
119
Farken, Anne (2011).
Der Bezug von Forschern und Entwicklern neuer Komponenten, Halbzeuge
und Bauelemente zu neuen Materialien und insbesondere intelligenten Oberflächen lässt sich leicht herstellen und erklären. Es stellt sich aber auch die
Frage, wie Kreative und Anwender (Endproduktehersteller) neue Materialien
bzw. intelligente Oberflächen oder die Basisentwicklungen daraus nutzen und
ihr Anwendungspotenzial ausbauen.
Ganz im Sinne von ›Das Material war seit jeher die Muse des Produktdesigns – mit neuen Materialien kommen auch neue Ideen‹119 sollen kreative
und begleitforschende Kompetenzen und Kapazitäten skizziert werden, die
Bezug zu intelligenten Oberflächen haben. Sie stammen vornehmlich aus den
Bereichen
■ Architektur/Städtebau (Oberflächen am Bau, Photovoltaikarchitektur),
■ Industriedesign,
311
10.02.12 14:20
■ Textil- und Mode,
■ Begleitforschung (zu Nanotechnologie, Sicherheit, Zukunftsforschung) und
Technologiemarketing.
In den Universitäten und Hochschulen der Kreativhaupstadt Berlin finden sich
vergleichsweise viele Akteure in Architektur und Design. Auf Unternehmensseite wurden im Jahr 2006 knapp 2.500 Architekturbüros für Hochbau/Innenarchitektur gezählt, dazu kamen rund 150 Büros für Industriedesign sowie
zahlreiche Ateliers für Textil-, Schmuck- und Möbeldesign.120 Für die Architektenbranche gehen ›Experten [...] von einer stärkeren Notwendigkeit der
Spezialisierung, beispielsweise im Bereich innovativer Bautechniken, aus.‹121
Im Berufsfeld Design findet danach zur Zeit ein Paradigmenwechsel statt:
Ältere Berufstätige haben wohl den dringenden Bedarf, ihr Wissen zu aktualisieren, unter anderem in aktuellen und innovativen Produktionstechniken
und Materialien, jüngere benötigten eher Weiterbildung, die den Transfer von
der Theorie in die Praxis vermittelt.122
Wissenschaft
Am Fachgebiet für konstruktives Entwerfen und klimagerechtes Bauen der TU
Berlin/Institut für Architektur erforscht und entwirft Prof. Hascher bautechnische Anwendungen und geeignete Materialien, um Fassaden und ihre Wechselbeziehung mit der Umgebung zu verbessern.
Prädestiniert für den Einsatz als Wärmeregulatoren/Wärmespeicher sind
sogenannte Phase Change-Materialien (PCM). Wo bisher massive Bauteile für
Wärmespeicherung und -wiederabgabe sorgten, können PCM als pulverförmiger, mikroverkapselter Rohstoff, der in Kunststoffe, Dispersionen, Putze
und Holzfaserplatten implementiert oder in Paneele und Gläser integriert wird,
mit wesentlich geringerer Wandstärke bei gleicher Wärmespeicherkapazität
auskommen (Verhältnis 18:2). Durch die Verlagerung des Speichers in oberflächennahe Bereiche können Wärmeströme und -strahlung direkter und auf
großer Fläche genutzt werden, und zwar für Erwärmung wie für Kühlung der
Raumluft.
In einem weiteren Ansatz werden Einsatzmöglichkeiten von transparenten
ETFE-Folien in Fassadensystemen untersucht – beispielsweise, inwiefern Folien
Glas ersetzen oder als zusätzliche Layer mit speziellen Funktionen fungieren
können. Eine selbstregulierte Anpassung an vorherrschende Bedingungen
(beispielsweise an jahreszeitliche Veränderungen) bei bleibender Beeinflussbarkeit durch den Nutzer sollen mit möglichst wartungsarmen Mechanismen
umgesetzt werden. Damit sollen Kostenvorteile und Komfortverbesserungen
gegenüber bisherigen Fassadensystemen erreicht werden.
Prof. Rainer Hascher
120
Senatsverwaltung für Wirtschaft,
Technologie und Frauen et al. (Hrsg.)
(2008), S. 63, 69.
121
Ebenda, S. 65.
122
Vgl. von zur Mühlen, Bernt et al.
(2010), S. 49.
312
10.02.12 14:20
Prof. Burkhard Schmitz
An der Universität der Künste (UdK) Berlin ist mit dem Ziel, neuartige Kooperationen zwischen Gestaltern und KMU einzugehen, das disziplinübergreifende
Forschungsprojekt ›Design Reaktor‹ (Prof. Schmitz/Prof. Kufus) ins Leben gerufen worden.
Firmen verschiedener Branchen konnten als Partner gewonnen werden,
darunter Elektronikhersteller, Modellbau, Metall-, Kunststoff-, Glasverarbeiter,
Druckereien, Laser-, Solarfirmen. Das erste Oberthema lautete ›Accessoires‹ und
brachte Produkte zwischen experimentellem und kommerziellem Anspruch
hervor. Eine Auswahl von Projektergebnissen mit entfernt erkennbarem Bezug
zur Oberflächentechnik (Dünnschichtbauelemente, Photovoltaik-Architektur,
funktionale Textilien, Drucktechnik) stellen ›Electronic Ruler‹, ›Blended –
Eine reflektierende Strumpfhose‹, ›Solar.Plant. Solarzellen bewachsen unsere
Häuser‹ und ›M.Shirt. Das Mieder für jedermann ohne heftiges Schnüren und
Binden‹ dar.
Prof. Holger Neumann
Das Fachgebiet Konstruktion und Technologie (Prof. Neumann) vermittelt an
der UdK ›Projektbegleitende Technologie‹ (Materialauswahl, Fertigungstechnik)
und ›Design mit Hochleistungs-LEDs‹ (Lichttechnik) in Seminarform für Designprojekte im Hauptstudium.
Prof. Dr.-Ing. Christoph Gengnagel
Im Team Living EQUIA traten Studierende von UdK (Lehrstuhl Tragwerkslehre, Prof. Gengnagel), HTW und Beuth Hochschule zum Wettbewerb ›Solar
Decathlon Europe 2010‹ an. Dazu wurde ein prototypisches Solarhaus gebaut,
das eine neue solare Architektur etablieren soll. Innovative Vertikallamellen als Verschattungselemente mit integrierter Dünnschicht-Photovoltaik,
eine aus monokristallinen Siliziumsolarzellen bestehende Aufdach-Photovoltaik-Anlage (gesponsert von dem Berliner PV-Unternehmen SOLON)
und zusätzliche Solarzellen in den Verschattungselementen der Fenster
(die in enger Zusammenarbeit mit der Firma Colt/Kleeve entwickelt wurden)
kennzeichnen den Hausentwurf mit einheitlich schwarzem Erscheinungsbild.
Dipl.-Ing. Arch. Ingrid
Hermannsdörfer
Das deutsch-italienische Forschungs- und Demonstrationsprojekt PVACCEPT
(2001 bis 2004, Dipl.-Ing. Arch. Hermannsdörfer) wurde von Berliner Architekten initiiert und von der Europäischen Kommission gefördert. Ziel war es,
marktfähige Solarmodule zur Stromerzeugung zu entwickeln, die aufgrund
ihrer innovativen Gestaltung neue Integrationsmöglichkeiten in den Bereichen
Altbau, Landschaft und Stadtraum bieten sollten. Die UdK, Fakultät Gestaltung,
war durch Gesamtkoordination, Design und Planung von Demonstrationsanlagen beteiligt, das IÖW – Institut für ökologische Wirtschaftsforschung gGmbH
Berlin brachte sich mit Akzeptanzstudien zur neuen Photovoltaikarchitektur
ein.
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An der BTU Cottbus gibt es im Fachbereich Architektur einige Hinweise auf
die Relevanz und Beschäftigung mit dem Thema Oberflächen im Bauwesen.
Der von Prof. Oestreich, Dipl.-Ing. Klooster und Dipl.-Ing. Vaerst veröffentlichte Band ›Baukonstruktion: Beschichtungen‹ stellt Beschichtungsverfahren
und Oberflächentechnologien im Hinblick auf ihre mögliche Verwendbarkeit
im Hochbau, raumbildenden Ausbau und Möbelbau vor. Weiterhin erschien
2005 ›Funktionale Oberflächen im Bauwesen‹ von Dipl.-Ing. Klooster. Im Jahr
2004 fanden in Berlin ein Workshop sowie das Innovationsforum Oberflächentechnik & Design zum Thema ›materialwechsel – Neue Wege im Design durch
funktionelle Oberflächen‹ statt, dazu erschien ein durch die Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V., die BTU Cottbus/Lehrstuhl Entwerfen,
Verkehrsbauten und Arbeitsstätten sowie vom BDA – Bund Deutscher Architekten gemeinsam herausgegebener Tagungsband. Das Forum wurde durch eine
Fachausstellung im DAZ – Deutsches Architekurzentrum Berlin begleitet.
Prof. Axel Oestreich
An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin beschäftigt man sich im
Fach Modedesign mit Flächendrucktechniken (Prof. Engelmann, Fachgebiet
Darstellungstechniken, Grundlagen Entwurf und Modellgestaltung, Flächendruck). Im Fach Industrial Design existiert das Kompetenzfeld ›Universal Design
Thinking‹ (Prof. Hinz), das zusammen mit der Beuth-Hochschule für Technik
2010 das Center of Food Packaging zur Entwicklung von nachhaltigen Verpackungen für Lebensmittel gründete (Kapitel Verpackungstechnologie für die
Lebensmittelindustrie).
Prof. Andrea Engelmann
Prof. Kathrin Hinz
An der Kunsthochschule Berlin (Weißensee) wird das Fachgebiet Produktdesign
durch Prof. Schwarz-Raacke vertreten, das Fachgebiet Textil- und Flächendesign durch Prof. Berzina, die Projekte/Entwicklungen wie die thermosensitive
Tapete ›Touch Me‹ oder die LED-Installation ›E-Static.Shadows‹ durchführte.
Prof. Susanne Schwarz-Raacke
Prof. Zane Berzina
Das Projekt OLED:OFIES (Organic Light Emitting Diodes – Optimizing Form and
Interaction for Embedded Systems) unter Leitung von Prof. Hundertpfund
wurde als Forschungskooperation der FH Potsdam, Fachbereich Design, mit
dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP und weiteren deutschen Partnern 2004 ins Leben gerufen (Laufzeit bis 2007). Forscher
und Studierende widmeten sich gemeinsam der Weiterentwicklung von und
Anwendungsentwicklung für Leuchtdioden auf der Basis organischer und
polymerer Materialien, um Impulse für die OLED-Forschung zu geben und
die Serienfertigung von OLED-Produkten zu initiieren. Dabei faszinierten die
außergewöhnlichen Eigenschaften von OLEDs wie Transluzenz, enorm dünne
Bauweise und Energieeffizienz. Segmentierte Displays, Signalleuchten, spezielle Schalter und Hinterleuchtungen standen im Fokus – bis hin zur Verbindung
von OLEDs mit klassischen LCDs, die ›einfache‹ Verbundgläser zu Informationstafeln werden lässt.
Prof. Jörg Hundertpfund
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Wirtschaft
abs Glashaus GmbH
Die abs Glashaus GmbH ist ein junges Unternehmen, das innovative Gewächshäuser mit geschlossenem Energiekreislauf entwickelt und fertigen will.
Kernthema ist dabei die Photovoltaik-Architektur, das heißt transparente Photovoltaikmodule auf dem Dach werden zum Verschatten und Stromerzeugen
eingesetzt. Sogar holografische Folien zum Filtern des einfallenden Lichts nach
Wellenlängen werden entwickelt, die damit sowohl das zur Photosynthese
benötigte Licht bereitstellen als auch die Infrarotstrahlung zur Energiegewinnung nutzen. Inzwischen wird an der dritten Generation von energiegewinnenden Gewächshäusern gearbeitet.
In die Forschungsprojekte sind die Humboldt-Universität sowie die spanischen Universitäten von Las Palmas und Almeria involviert; gefördert werden
sie von BMBF und BMWi.123
NMTC – Nano & Micro Technology
Consulting
NMTC ist ein Berliner Beratungsunternehmen im Bereich Nano-/Mikrotechnologie und neue Materialien mit Kunden im In- und Ausland (mittelständische
Unternehmen, Großunternehmen, Forschungseinrichtungen und öffentliche
Institutionen). Zu den Aufgaben bzw. zum Leistungsspektrum zählen
■ Partnersuche für wissenschaftliche Verbundprojekte,
■ Abwicklung von Forschungsvorhaben,
■ marktorientierte Studien, Strategie- und Potenzialanalysen,
■ Beurteilung von Marktperspektiven, Absatzmärkten, Businessplänen und
Unternehmenskonzepten,
■ Status-quo-Analysen und statistische Erhebungen,
■ Organisation von Konferenzen und Workshops.
TASK Architekten
und Prof. Heike Klussmann
(freischaffend)
Der Reflexbeton ›BlingCrete‹ ist eine Entwicklung der Künstlerin Prof. Klussmann. Zusammen mit Dipl.-Ing. Klooster (TASK Architekten, Berlin) wurde
dazu ein Forschungsprojekt ›BlingCrete‹ etabliert, außerdem das BlingCrete™
Büro Berlin geschaffen. In Beton eingelassene Glaskugeln schaffen eine retroreflektierende Oberfläche, das heißt Licht wird hauptsächlich in Richtung
Strahlungsquelle reflektiert. Damit können zum Beispiel Botschaften je nach
Betrachtungswinkel offenbart oder verborgen werden, wie es für leuchtende
Leitsystemsymbole vorstellbar ist. Seit 2004 bildet die Forschergruppe einen
Verbund aus Kunst, Architektur, Produktdesign, Materialtechnologie und Experimenteller Physik und beschäftigt sich mit Strategien der Materialentwicklung
für Bauwesen und Design. In einem weiteren Projekt mit dem Titel ›Magnetic
Patterning of Concrete‹ werden derzeit Strategien entwickelt, experimentellphysikalische Oberflächenstrukturierungen für die Funktionalisierung von
Betonoberflächen zur Anwendung zu bringen.
123
Vgl. Innovationspark Wuhlheide
Managementgesellschaft mbH (Hrsg.)
(2010), S. 7–8.
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Detailaufnahme einer BlingCrete-Oberfläche [Mikroglaskugeln und Beton], Foto: Boris Trenkel; Studie BlingCrete Leitsystem, Foto: Roman Polster
Quelle: Klussmann, Heike und Klooster, Thorsten (2011); Klussmann, Heike und Klooster, Thorsten (2010).
Weitere Unternehmen der Kreativbranche oder Begleitforschung mit Bezug zu
Oberflächentechnologien oder zur Nutzung entsprechender Basistechnologien
sind
■ das Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit (gGmbH), Mitglied
im Forschungsprojekt ColorSol® zur Entwicklung von Farbstoff-Solarzellen,
■ die Human Factors Consult, die mit mehreren Partnern (Humboldt-Universität zu Berlin, ITP GmbH und OUT e.V.) am 2009 gestarteten und auf drei
Jahre konzipierten Forschungsvorhaben ›BioLED – Entwicklungsprojekt zur
lichttherapeutischen Funktionsbekleidung‹ arbeitet,
■ das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW gGmbH), am BIONAProjekt ›Adaptives Gewebe‹ zu Anti-Dekubitus-Hilfsmitteln beteiligt, mehrmals Mitautor von Potenzialstudien zu Bionik oder Nanotechnologie und
Umwelt,
■ das Architekturbüro J. Mayer H Architekten, durch die Gastprofessur von
Prof. Finckh Bezug zur BTU Cottbus/Bauwesen, Werkbericht ›Oberflächen
semantisch/funktional‹ (2004), nachleuchtendes Sitzmöbel ›LoGlo‹ (Jürgen
Mayer H. für Vitra).
Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit gGmbH
Human Factors Consult HFC
Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW gGmbH)
J. Mayer H Architekten
316
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Netzwerke
Technologie und Frauen
Geschäftsstelle Projekt Zukunft
Verband deutscher Industriedesigner e.V. VDID
Für Kreative (Designer und Architekten) sollte eine Materialbibliothek bei
Modulor (Materialausstatter in Berlin) umfangreiche Musterkollektionen, Produktinformationen und Bezugsquellen bereitstellen,124 die Einrichtung dieser
Bibliothek wurde jedoch abgesagt.
Im Jahr 2009 ist mit ELEMENTE eine ›Ausstellung, Sammlung und Vermittlung von Material‹ entstanden, die es Architekten, Designern, Bühnenbildnern
und anderen Kulturschaffenden oder Planern ermöglicht, geeignete Materialien oder Inspiration durch Materialien zu finden.
Unter anderem durch die Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie
und Frauen/Landesinitiative Projekt Zukunft und einschlägige Berufsverbände
(wie dem Verband deutscher Industriedesigner e.V., VDID mit Regionalgruppe
Berlin-Brandenburg) werden Kreative in der Hauptstadtregion untereinander
vernetzt und in ihrem Schaffen unterstützt. Das Engagement, bilaterale Kooperationen von Designern und Unternehmern zu initiieren, ist hier vorhanden
und nicht selten an der Schnittstelle Designinnovation/Neue Materialien angesetzt, häufig mit Fokus auf den Nachhaltigkeitsgedanken.
Fazit
124
modulor GmbH (2009).
125
Internationales Design Zentrum (IDZ)
(2011).
126
Birkhäuser Verlag AG (Hrsg.) (2009), S. 34.
127
›While many architecture and industrial
design firms maintain their own archives
of samples (and have done so for years),
independently run materials libraries
are able to track emerging materials on a
much larger and broader scale, offering
thousands of different solutions under
one roof.‹ Zingaro, Alison (2011).
128
Schreiner, Sabrina (2011).
Die Kreativbranche und F&E-Dienstleister haben in der Region punktuell Bezug
zu Oberflächentechnologien und Materialwissenschaften, was sich hauptsächlich an ihrem Interesse zeigt, die entwickelten Basistechnologien in neue
Anwendungskontexte zu stellen. Im Großen und Ganzen gilt das ›Berliner
Design [...] als experimentell, nicht auf unmittelbare Verwertbarkeit angelegt
und offen für Experimente.‹125 Neue Materialien und im speziellen intelligente
Oberflächen bilden offenbar nicht selten einen Anlass zum Experimentieren.
Deutschlandweit finden Produktentwickler und Designer neue Materialien (und Kollektionen) in Materialdatenbanken, wie sie in München (Color
& Material Lab von designaffairs), Stuttgart (Raumprobe-Archiv) und Köln
(Zweigstelle des internationalen Material-Scouts Material Connexion) für den
Konsumgüter-, Architektur- und Automobilbereich vorhanden sind.126 In Berlin findet man das ELEMENTE MaterialForum. Solche unabhängigen Materialbibliotheken sind förmlich die Verfolger aufkommender Materialinnovationen
für die genannten Bereiche.127
Einer wichtigen Oberflächeneigenschaft – der Haptik – wird seit Kurzem
am Fraunhofer-UMSICHT (Oberhausen) wissenschaftlich nachgegangen. Systematische Forschungs-und Entwicklungsstrategien sind das Ziel, ein HaptikVersuchsstand das Mittel, um das wenig verstandene Phänomen gezielt in
Produkte umzusetzen.128
Berlin und Brandenburg könnten Material- und Oberflächeninnovationen
aus der Region durchaus stärker zum Anlass nehmen,
317
10.02.12 14:20
■ sie mit Designinnovationen zu verknüpfen (bilaterale Kooperationen),
■ eine gegenseitige Professionalisierung zwischen Kreativen und (Material-)
Wissenschaftlern/Unternehmen zu erreichen und
■ durch aufkommende Anforderungen (Designkriterien, Nutzerbedarfe) neue
F&E an Oberflächen zu initiieren (Forschung durch Design/Designthinking).
Ein Mittel zur Vernetzung von Materialwissenschaft und Kreativbranche wäre
eine Oberflächenbibliothek, die die materialwissenschaftlichen Ergebnisse
gebündelt repräsentiert. Sie wäre auch in virtueller Form möglich, indem
lediglich die realen Orte, zum Beispiel Showrooms der Forschungseinrichtungen, in einer Wissenslandkarte verortet würden.
318
10.02.12 14:20
6
Erkenntnisse und Empfehlungen
6.1
Aussichtsreiche Handlungsfelder in Berlin-Brandenburg
Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Hauptstadtregion in wichtigen Themenfeldern der Oberflächentechnologien herausragende Kompetenzen besitzt und
Innovationen hervorbringt.
So gehört Berlin-Brandenburg bei Forschung und Entwicklung in der
Dünnschichttechnik, also bei
■ Dünnschicht-Elektronik und Sensorik,
■ Photonik,
■ Dünnschicht-Photovoltaik
zu den Spitzenregionen in Deutschland.
Daneben gibt es Bereiche, in denen sowohl Forschungseinrichtungen als auch
Unternehmen gut positioniert sind bzw. über ein erhebliches Entwicklungspotenzial verfügen. Dazu gehören
■ Bauteilbeschichtung/Verfahrenstechnik,
■ Oberflächen- und Schichtanalytik/Anlagentechnik,
■ biokompatible und bioaktive Oberflächen,
■ Bio-Analytik und Diagnostik, Nano-Biotechnologie.
Bisher nur von wenigen Wissenschaftlern und Unternehmen besetzt oder
durch mangelnde Komplementarität zwischen Wirtschaft und Wissenschaft
gekennzeichnet sind die Bereiche
■ Energiewandlung und -speicherung sowie
■ Umwelttechnik.
Mit Blick auf die weltweit überdurchschnittlichen Wachstumsperspektiven
und in Anbetracht der günstigen regionalen Standortvoraussetzungen haben
jedoch beide Bereiche gute Entwicklungschancen.
Eine nach Berlin und Brandenburg differenzierende Verortung der Kompetenzen zeigt, dass die höchste Kongruenz zwischen beiden Ländern in den Bereichen Bio-Analytik und Diagnostik sowie Dünnschichtmesstechnik (Sensorik)
besteht. Aber auch bei Bauteilbeschichtung/Verfahrenstechnik können sowohl
Berlin als auch Brandenburg beachtliche Potenziale vorweisen. Oberflächenund Schichtanalytik/Anlagentechnik, biokompatible und bioaktive Oberflächen
sowie Energiewandlung und speicherung sind dagegen überwiegend in Berlin
angesiedelt. In keinem der Bereiche liegt der Schwerpunkt forschungs- oder
anwenderseitig in Brandenburg.
319
10.02.12 14:20
Stärken und Schwächen sind in Übersicht 17 dargestellt. Dort werden auch
Ansatzpunkte zur Verbesserung der Wettbewerbsposition von Wissenschaft und
Wirtschaft in der Region aufgezeigt.
Übersicht 17: Stärken und Schwächen, Chancen und Risiken sowie
Erfordernisse im Bereich der Oberflächentechnologie in
Berlin-Brandenburg
Branchen/
Stärken/Chancen
Anwendungsfelder
Schwächen/Risiken
Erfordernisse
Oberflächentechnologien im Life Science-Bereich
Biokompatible Diverse Verfahren in der
und bioaktive Anwendung, auch in den
Oberflächen
nachstehenden Life-ScienceGebieten
Konservativ-abwartende Haltung Werkstoffe im Zellkontakt
zur verbreiteten Anwendung
als regionale Stärke bekannter
machen
Kompetenz in der Öffentlichkeit
wenig sichtbar
Demonstrationsprojekte starten
Vielzahl von Anwendern
Tissue
Engineering
Forschungsschwerpunkt
regenerative Medizin
Wenige Produkte und Unternehmen
Relevante Anzahl von Abnehmern
Vernetzung von Werkstofftechnik
und Medizin weiter fördern
Polymere Werkstoffforschung inkl.
einstellbarer Oberflächeneigenschaften
Nano-Biotechnologie
Grundlagenforschung stark besetzt; einschlägige Kompetenzen
bei Entwicklung von Biomaterialien, bei Grenzflächen und
Kolloiden an Forschungsinstituten
Regionale OberflächentechnikKompetenzen in anderen Branchen
nutzen
In manchen Anwendungsfällen
Zulassungsprozess und Risiko-/
Folgenbewertung nötig
Weiter beobachten und unterstützen
Internationale Ausrichtung und
Vernetzung
Etliche Anwender in Analytik
und Verkapselung von Wirkstoffen
Bio-Analytik
und
Diagnostik
Breites Know-how an Immobilisierungsmethoden
Breit aufgestellte Biomolekülforschung; Diagnostika und
Forschung zu Biosensorik
Regionale Netzwerkinitiativen
Grundlagenforschung an elektronischer Auslesung von Biomolekülbasierten Signalen ausbauen
Oberflächentechnologie als
Enabling Technology für
Biosensorik sichtbar machen
Metallische Substrate im
Zellkontakt
320
10.02.12 14:20
Branchen/
Stärken/Chancen
Anwendungsfelder
Schwächen/Risiken
Erfordernisse
Bioverfahrenstechnik
Kleiner Technologiebereich
F&E-Bedarf zur Trägerfixierung
von biokatalytischen/affinen Substanzen (Membrantechnik) separat
ermitteln
Vielfalt an Branchen bzw.
Biotechnologiebereichen
(medizinische/pharmazeutische,
lebensmitteltechnische oder
Umwelt-Biotechnologie)
Oberflächentechnologie als
Enabling Technology sichtbar
machen
Bioverfahrenstechnik ist
international ein wesentlicher
Bestandteil für Bioökonomiebestrebungen anderer Branchen
Oberflächentechnologien in der Energietechnik
Solarthermie
Produzenten von Solarkollektoren, die Solarabsorberschichten nutzen
Kaum Forschung zu Beschichtungstechnologien
F&E-Bedarf in Zusammenarbeit mit
angrenzenden Technologiefeldern
bestimmen
Geschlossene Verwertungskette mit
regionalen Beschichtungsdienstleistern für die Energietechnik
insgesamt bilden
Photovoltaik
Vielschichtig betriebene grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung (Dünnschicht-,
Silizium-, organische PV etc.)
Produktionskapazitäten
noch (bedarfsgerecht)
steigerungsfähig
Gute Vernetzung der Akteure
Beschichtungsdienstleistungen
und Anlagenbau, auch Analytik
zur Qualitätssicherung für die PV
auf Energietechnik ausweiten
PVcomB stärken
Einmalige Dichte von Kompetenzen in der Dünnschichttechnologie, oft mit Querverbindungen
zu Halbleiterelektronik/Photonik
Energiewand- Katalyseforschung als Grundlage
lung und
für künftige Energietechnologien
-speicherung gut vertreten
Umwelttechnik
Defizit bei Elektrochemie/
Batterieforschung (gilt
deutschlandweit)
Kompetenz zu Ressourceneffizienz
limitierter Werkstoffe, z.B.
katalytische Nanopartikel in
Beschichtungssystemen
Kaum Unternehmen als Anwender von Dünnschicht- und
Membrantechnologien in Brennstoffzellen und Energiespeichern
Werkstoff-Know-how bei
Gasturbinen
Ausbau einschlägiger Forschungskapazitäten an anderen
deutschen Standorten
F&E und Anwender im Bereich
Oberflächenmodifizierungen für
Antifouling-Anwendungen
Betätigungsfeld bionische Oberflächen kaum besetzt
Nanotechnologie im Umweltsektor an anderen deutschen
Standorten weiter entwickelt
Oberflächen-/Dünnschicht-/
Membrantechnik als Enabling
Technology für die Energietechnik
voranbringen
Bauwesen und Umwelttechnik als
vielfältiges und Gewinn bringendes
Einsatzfeld (Ressourcen- und
Energieeffizienz) erschließen
321
10.02.12 14:20
Branchen/
Stärken/Chancen
Anwendungsfelder
Schwächen/Risiken
Erfordernisse
Oberflächentechnologien in Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnologien
Optische
Vergütung
Neue Ansätze durch nanotechnologische Erkenntnisse/
alternatives Materialsystem
Wenige Akteure, aber Massenprodukte (Architekturglas,
Displays, Solarglas)
Von der Förderung der Dünnschichttechnik im Sektor optische
Technologien profitieren
Wenige Forschungseinrichtungen
und Unternehmen
Potenzial der Kooperation mit der
Kreativbranche (Architektur/Bauwesen/Design/Kunst) ausschöpfen
National und europaweit
ähnliches Stärken-SchwächenProfil
Chromogene
Dünnschichten
Neue technologische Ansätze
Einzelne konzeptionelle Vordenker
Keine andere Region profiliert
Lichtemission/
Photonik
Lange Entwicklungszeiten bis
zur Marktreife, noch keine
Massenanwendungen
Breites Spektrum von
Kompetenzen in der
Dünnschichttechnologie:
Halbleiter-NanophotonikForschung, polymerbasierte
Photonik
Vernetzung mit Anwendern
(Energietechnik/Bauwesen,
auch Automobilbau/Schiffbau)
ausbauen
Region als Dünnschichtkompetenzzentrum gemeinsam mit Elektronik,
Photovoltaik, Messtechnik und
Analytik profilieren
Relativ hohe Zahl an Firmenausgründungen
Vernetzung der Forscher untereinander und mit Unternehmen
Dünnschicht- Vielschichtig betriebene grundElektronik und lagen- und anwendungsOptoelektronik orientierte Forschung (Silizium-,
Verbindungshalbleiter-,
organische Elektronik etc.)
Spezifische Profilierung des
Standorts in der DünnschichtElektronik neben Photonik und
Dünnschicht-Photovoltaik
schwierig
Einmalige Dichte von Kompetenzen in der Dünnschichttechnologie, oft in Synergie mit Photonik,
Photovoltaik
DünnschichtMesstechnik,
Sensorik/
Aktuatorik
Region als Dünnschichtkompetenzzentrum gemeinsam mit Photonik,
Photovoltaik, Messtechnik und
Analytik profilieren
Potenzial in Verbindung mit
Anwendern (gedruckte Elektronik,
Wearables, Sicherheitstechnik)
nutzen
Sichtbarkeit als Enabling
Technology erhöhen
Hohe Kompetenzdichte in der
Dünnschichttechnologie
Forschungsseitig stärkere Präsenz
als unternehmensseitig
Sensorik in Deutschland basiert
zu nahezu 100 Prozent auf
Dünnschichttechnik
Andere Regionen haben mehr
Marktanteil in der Sensorik
Gesonderte Feststellung des
F&E-Bedarfs nötig (Gesamtbetrachtung inkl. Bioanalytik/sensorik)
Innovationspotenzial bei der
aktiven Beeinflussung von
Umgebungsparametern (Aktuatorik) in Kooperation mit Energietechnik, Verkehrstechnik,
Produktionstechnik nutzen
322
10.02.12 14:20
Branchen/
Stärken/Chancen
Anwendungsfelder
Schwächen/Risiken
Erfordernisse
Funktionstextilien
F&E-Ergebnisse bei Wearables
von überregionaler Leuchtkraft
Wenige Forscher und kaum
Unternehmen
Auch in Deutschland insgesamt
junges Forschungsfeld
Forschungskuratorium Textil mit
Sitz in Berlin hat kaum Mitglieder
aus der Region
Anwendungsszenarien und
Geschäftsmodelle mit der
Kreativbranche entwickeln
Entscheidungsmöglichkeiten vielfach konzeptionell vorgedacht
(Kooperation mit der Kreativbranche, starke MST-Kompetenz)
Massenprodukte und Verfahren
zu deren Herstellung noch relativ
weit von Markt- und Nutzerakzeptanz entfernt
Oberflächentechnologien in Verkehr und Mobilität
Luft- und
Raumfahrttechnik
Wenige, aber bedeutsame
wissenschaftliche und wirtschaftliche Akteure, gut vernetzt
Hohe Instandhaltungskompetenz;
überregional nur wenige
spezialisierte Zulieferer
Substitution von gefährlichen
Substanzen (Gesetzesvorgaben)
als Innovationstreiber noch nicht
genutzt
Fahrzeugbau
Aktualität der Forschungsthemen
(wie Beschichtung von Leichtbaumaterialien)
Relativ wenige oberflächentechnologische Aktivitäten bei
Fahrzeugbau-Akteuren
Marine
Technik
F&E zu Unterwasseranstrichstoffen
(Sportbootbau)
Wenige Akteure
Von Grundlagen- und angewandter Forschung bei LifeScience und
Umwelttechnik profitieren
Konkurrenzfähigkeit zu marinen
Standorten gering
Werkstofftechnik/Chemie/Analytik für Oberflächentechnologien
Printprodukte
Hochschulkompetenz zu
Druck von Funktionalitäten außer
Fälschungssicherheit, ProduktBild und Schrift kaum etabliert
und Markenschutz, auch
Zusammenarbeit mit Druckfarbenherstellern
Viele konventionelle Druckereien
Bauteilbeschichtung,
Verfahren,
Simulation
F&E für industrielle Oberflächentechnik breit aufgestellt
Viele Oberflächenveredler und
Zulieferer
Hohes Branchenwachstum, dabei
Diversifizierung charakteristisch
Oberflächenund Schichtanalytik,
Anlagentechnik
Schwerpunktkompetenz Analytik
Deutschlandweites Branchenwachstum im Anlagenbau
Ausgeprägte Diversifizierung
erschwert Wahrnehmung als
Branche
Vernetzung über gemeinsame
Projekte/Vorhaben, z.B. mit
Bereichen gedruckte Elektronik
oder Veredelungstechniken für
flexible Substrate (Funktionstextilien, Verpackungstechnologie)
vorantreiben
Innovationen stärker in das Blickfeld rücken
Einzelunternehmen stärken
Entschichtungs- und Reparaturtechniken als Grundlage von
Servicegeschäften weiterentwickeln
Zum Teil kleiner Anwenderkreis, Entwicklungschancen der Region
Entwicklung zu Massenprodukten als Analytik-Zentrum für
fraglich
Dünnschichttechnik erkunden
Hochspezialisierte Bedienung
der Dünnschichttechnik und
Oberflächenanalytik (v.a.
wissenschaftliche Einrichtungen)
323
10.02.12 14:20
Branchen/
Stärken/Chancen
Anwendungsfelder
Schwächen/Risiken
Erfordernisse
Oberflächentechnologien in der Kreativbranche, in Begleitforschung und sonstiger F&E
Kreativbranche/
Begleitforschung/
sonstige F&E
Hohe Anziehungskraft Berlins
auf ›kreative Köpfe‹
Interesse der Kreativbranche,
an der Entwicklung neuer
Basistechnologien
Nur punktuell Bezug zu
Oberflächentechnologien und
Materialwissenschaften
Experimentelles Image, nicht
auf unmittelbare Verwertbarkeit
ausgerichtet
Material- und Oberflächeninnovationen stärker zum
Anlass für Kreativleistungen
nehmen
Professionalisierung anstreben,
Anwendungsszenarien
für Oberflächentechnologien
als Geschäftsfeld entwickeln
F&E zu Oberflächen durch Design
initiieren (Forschung durch Design/
Designthinking)
6.2
Maßnahmen zur Stärkung des Technologiefelds Intelligente
Oberflächen in Berlin-Brandenburg
Zur Querschnittstechnologie ›Intelligente Oberflächen‹ gehört eine Vielzahl von
Technologien, die in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern bzw. Industriezweigen angewendet werden. Weder in der Region noch übergeordnet
existiert eine Plattform zur Bündelung der Technologie- oder Forschungsförderung, die vorhandene Kompetenzen über die jeweiligen Disziplinen hinaus
bekannt macht und Reibungsverluste zwischen Interessenvertretern abfangen
kann.
Dabei liegt die Chance der Querschnittstechnologie gerade in ihrer Eigenart,
Querbezüge herstellen, Synergien fördern und ›Innovationen als neue Kombinationen‹ (Schumpeter) hervorbringen zu können. Vor diesem Hintergrund ist
es naheliegend, dass die Länder Berlin und Brandenburg hier eine Pilotfunktion übernehmen und der Region auf diese Weise einen Wettbewerbsvorteil
verschaffen.
Dazu könnten und sollten die folgenden Aufgaben und Maßnahmen in den
bereits bestehenden Strukturen umgesetzt werden:
■ Um das Wissen über potenzielle Netzwerkpartner zu erweitern, empfiehlt
sich zunächst ein Forum für informelle Kontakte zwischen Forschungsstellen und Unternehmen oder Netzwerkteilnehmern. Die Intensität der
Zusammenarbeit kann dabei vom einfachen Erfahrungsaustausch über
Gesprächskreise bis zu gemeinsamer Lobby-Tätigkeit reichen. Auch ein
›Open Innovation‹-Ansatz, also ein Marktplatz für das Vermitteln von
Projektpartnern und den Austausch von Ideen wäre denkbar. Für die
Bündelung von Kapazitäten würde eine gegenseitige Nutzbarmachung
von Ressourcen (zum Beispiel Equipment, Experimentierzeiten) sprechen.
Verbindungen bzw. persönliche Kontakte sollten durch Sensibilisierung,
324
10.02.12 14:20
■
■
■
■
■
Wissensvermittlung, gemeinsame Ideenfindungskultur sowie Rechtssicherheit (zum Beispiel bei Lizenzfragen) gekennzeichnet sein.
Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Hauptstadtregion eine Koordination
vorhandener Kompetenzen benötigt, um als Standort für oberflächentechnologische Forschung und Entwicklung wahrgenommen zu werden. Die
Einrichtung eines physischen Zentrums erscheint allerdings als unrealistisch. Vielmehr gilt es, Kapazitäten und Kompetenzen einzeln auszubauen
und in einem virtuellen Zusammenschluss zu agieren, der auch vermehrt
mittel- bis langfristiges Denken und Handeln zulässt.
Mit einer verstärkten Vernetzung der Akteure könnten Verwertungsketten
von Forschungseinrichtungen über kleine und mittlere Industriefirmen bis
zu Großunternehmen aufgebaut bzw. vervollständigt und damit die regionale Wertschöpfung insgesamt erhöht werden. Als Querschnittstechnologie
sind die Intelligenten Oberflächen dazu prädestiniert, da sie ohnehin (Teil-)
Kompetenzen entlang von Material, Komponente, Bauelement, Endprodukt verknüpfen. Die Netzwerkpartner können entsprechend Ebenen ihrer
Zusammenarbeit definieren. Ansatzpunkte sind Analogien in den Materialsystemen, in der Herstellung, beim Equipment, beim Technologietransfer,
bei der Vermarktung oder auch beim Entwurf von Anwendungsszenarien.
In einigen dieser Ebenen und zur verstärkten Implementierung und Verbreitung neuer oberflächentechnologischer Erkenntnisse, speziell in den
kleinen, hoch innovativen Technologiegebieten, ist eine intensivere Einbindung der Kreativbranche angezeigt. Für Zusammenstellung und Vorbereitung von F&E-Tandems bzw. Verbundprojekten sollten fach- und
branchenübergreifende Workshops realisiert werden, in denen Ergebnisse
aus der vorwettbewerblichen Forschung oder komplementären Einzeldisziplinen aufgegriffen werden. Damit können Ideen für neue Vorhaben,
eventuell auf Anwendungsfeldern von gemeinsamem Interesse, generiert
und im Nachgang zu Projektanträgen (industrielle Gemeinschaftsforschung)
erweitert werden.
Das Bewusstsein für die Oberflächen- und Schichttechnologien als wichtigem Bestandteil der Werkstoffforschung und -technik muss in Fachöffentlichkeit und Technologiepolitik entwickelt werden – in Berlin-Brandenburg wie im nationalen Kontext. Eine Erfolg versprechende Maßnahme
auf regionaler Ebene ist die Akquisition von Veranstaltungen mit dem Ziel,
einschlägiger Austragungsort für Messen, Tagungen und Symposien zu werden. Eine Rolle bei der Sichtbarmachung des Innovationsgeschehens in der
Region spielt auch die Technologiekommunikation, die der Darstellung des
F&E-Outputs vor allem Kontinuität verleihen sollte.
In einem Technologiefeld den Überblick über Wissensangebot und -bedarf
der Akteure zu behalten ist oft schwierig (sensible Daten) und zeitaufwendig. Für ein zeitgemäßes Wissensmanagement und zur Identifikation von
Wissenslücken und Forschungsbedarf in der Region könnten Intermediäre
Methoden wie Technologiemonitoring, Technologieplanung oder Tech-
325
10.02.12 14:20
■
■
■
■
■
nologiefrühaufklärung einsetzen und damit von Zeit zu Zeit Status und
Tendenzen ermitteln. Durch eine solche Erarbeitung und Veröffentlichung
von Wissen über das Technologiefeld würde eine qualifizierte Beratung für
F&E-Community und Politik gesichert.
Formen für den Zugang zu Wissen aus dem Technologiefeld gibt es mehrere.
Zu unterscheiden sind Wissenslandkarten, die lediglich auf verankertes Wissen verweisen, und Wissensdatenbanken, in denen das Fachwissen selbst
›abgelegt‹ ist. Für eine Wissenslandkarte mit den relevanten Wissensträgern
hat die vorliegende Studie bzw. das durchgeführte Technologie-Scanning
wichtige Vorarbeit geleistet. Die Erstellung einer Wissensdatenbank zum
Technologiefeld und die kontinuierliche Pflege des Datenbestands bedeuten dagegen einen hohen Aufwand.
Die Region Berlin-Brandenburg könnte Oberflächen visuell und haptisch
erfahrbar machen, indem sie eine ›Oberflächenbibliothek‹ aufbaut. Nach
Art und Weise einer Materialbibliothek, wie sie die Kreativbranche zu
nutzen versteht, wären die oberflächentechnologischen Entwicklungen
der Region anschaulich vermittelbar. Der Zusammenschluss der dahinterliegenden realen Orte, zum Beispiel Showrooms der Forschungseinrichtungen, wäre auch virtuell möglich, indem sie in einer Wissenslandkarte
verortet werden.
Eine Vernetzung und Ausgestaltung gemeinsamer interdisziplinärer Innovationsthemen hat darüber hinaus Auswirkungen auf koordinative Fragen
der Förderung. Diese betrifft sowohl die Aufforderung an die Akteure in
oberflächentechnologischer F&E, themenoffene Förderprogramme stärker
zu nutzen, als auch an die Landes- oder Bundespolitik, trotz aller Themenschärfung Förderprogramme für Querschnittsthemen offen zu halten.
An die Landesregierungen von Berlin und Brandenburg richtet sich der Vorschlag, Oberflächentechnologien thematisch aufzugreifen. Auf diese Weise
können die im Masterplan Industriestadt Berlin vorrangig angesprochenen
Branchen eher verflochten werden. Für die Cluster, Kompetenzfelder und
Netzwerke der Region bedeutet dies gleichzeitig, verstärkt auf die clusterspezifischen Oberflächenthemen einzugehen.
Die Koordination von Aus- und Weiterbildung könnte ebenfalls zum Handlungsfeld der Region im Bereich Oberflächentechnologien werden. Langfristig heißt das Einrichtung individueller und intradisziplinärer Bildungsgänge, Öffnung von Lehrveranstaltungen für Fachfremde, Ein und Ausrichtung gemeinsamer Aufbaustudiengänge, die Inhalte quer über Natur-,
Ingenieur- und teils Gesellschaftswissenschaften verbinden, Förderung des
akademischen Nachwuchses mit oberflächenspezifischen Graduiertenkollegs und Förderung von Frauen in Oberflächentechnologien in Analogie
oder Ergänzung zu ›Frauen in Nano‹/Frauen in Technik.
326
10.02.12 14:20
Anhang
10.02.12 14:20
10.02.12 14:20
Literatur
Arthur D. Little GmbH et al. (2005): Studie zur Konzeption eines Programms für die Steigerung
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Stichworte
II-VI-Verbindungshalbleiter · 109, 210, 307
Cadmiumselenid (CdSe) · 109, 210
Cadmiumsulfid (CdS) · 113, 115, 119, 210, 308
Cadmiumtellurid (CdTe) · 108, 109, 120, 210, 304,
308
Zinkoxid (ZnO) · 112, 113, 114, 115, 119, 136, 161, 184,
196, 197, 210, 304
Zinkselenid (ZnSe) · 210
Zinksulfid (ZnS) · 115, 210
Zinktellurid (ZnTe) · 210
III-V-Verbindungshalbleiter · 116, 125, 160, 161, 165, 167,
168, 175, 181, 183, 187, 188, 198, 200
Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) · 175, 304
Aluminium-Indium-Gallium-Nitrid (AlInGaN)
212, 175
Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP)
176, 304
Aluminiumnitrid (AlN) · 162
Galliumarsenid (GaAs) · 166, 168, 169, 175, 176, 183,
188, 189, 193, 198, 199, 210
Galliumnitrid (GaN) · 34, 162, 165, 166, 168, 175, 183,
188, 189, 209, 212, 213, 304, 307
Galliumphosphid (GaP) · 166, 175, 210
Indium-Aluminium-Gallium-Nitrid (InAlGaN) · 165
Indiumarsenid (InAs) · 160, 183
Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) · 162, 165
Indiumnitrid (InN) · 162
Indiumphosphid (InP) · 160, 166, 167, 176, 189, 193,
210
IV-IV-Verbindungshalbleiter
Siliziumcarbid (SiC) · 61, 90, 110, 131, 143, 166, 175,
183, 184, 188, 189, 211, 219, 222, 227, 228, 277
Siliziumgermanium (SiGe) · 188, 193, 205, 206
Abgeschwächte Totalreflexion (ATR-Spektroskopie)
47, 120, 170, 202, 260, 268
Antireflex-Beschichtung (AR), Entspiegelung · 47, 55,
105, 106, 107, 108, 109, 152, 153, 154, 163, 165, 293,
298, 304, 308
Atommanipulation, Einzelmolekülmanipulation · 49,
91, 132, 182, 194, 199
Aufrauen · 64, 241, 301
Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) · 52, 110, 116, 131,
183, 195, 206, 219, 294, 296, 297, 310
Bipolartransistoren mit Heteroübergang (HBT) · 188,
202, 205, 206, 215, 304
Brechungsindex · 58, 120, 152, 170, 202, 252, 260, 298,
308
Chalkopyrite, CIS-Technologie · 108, 113, 114, 115, 119, 123,
124, 302, 304, 308, 310
CIGS (Kupfer-Indium-[Gallium-]Disulfid) · 108, 121,
124, 304
CIGSe (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) · 108,
121, 124
Chemical Solution Deposition (CSD) · 121
Chemical Vapour Deposition (CVD)
CVD ·44, 50, 97, 113, 136, 138, 193, 208, 219, 222, 225,
256, 258, 266, 267, 284, 306
ICPECVD · 167, 308
MOCVD · 50, 113, 116, 173, 195, 206, 213, 304
PECVD · 50, 97, 119, 122, 167, 189, 197, 226, 263, 298,
302, 308
Chemo-mechanische Politur (CMP) · 210
Diffraktiv-optische Elemente (DOE) · 159, 164, 167, 170,
221, 297
Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-TransformSpektroskopie (DRIFT) · 112, 260, 268
Distributed Bragg Reflector (DBR) · 169, 199
339
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Elektronenbeugung
Hochenergetische Elektronenbeugung (RHEED) · 113,
207, 297, 309
Niederenergetische Elektronenbeugung (LEED) · 52,
113, 116, 127, 180, 195, 207, 297, 307, 310
Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) · 52, 199
Hochaufgelöste ElektronenenergieverlustSpektroskopie (HREELS) · 160
Elektronenstrahlverdampfung (EBE) · 50, 94, 112, 153,
163, 167, 294, 295, 309
Ellipsometrie · 95, 162, 168, 169, 172, 195, 198, 266, 267,
297, 308
Entrosten · 301
Entschichten · 48, 123, 138, 241, 301
Flüssigphasenepitaxie (LPE) · 117, 175
Fokussierte Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie
(FIB) · 206, 277
Galvanik · 37, 48, 49, 50, 53, 93, 94, 167, 189, 191, 209,
238, 241, 248, 254, 266, 270, 271, 274, 277, 278, 280,
283, 289, 290, 291, 293, 304, 305, 307
Glätten · 64, 241, 301
Gradientenmuster · 42, 64, 71
Graphen · 178, 180, 181, 182, 184, 187, 193, 206, 214, 221,
248
Härte · 47, 64, 153, 284, 292, 295, 307
Härtemessung · 198, 236, 259, 261, 267, 281, 295, 306
Härten · 49, 55, 144, 153, 254, 263, 271, 287, 288, 293,
306, 307, 309, 310
Hartstoffe · 143, 221, 248, 258, 264, 266, 267, 282, 284,
299, 307, 311
AlZrO2 · 264
CrN , CrCN · 197
(CVD-)Diamant · 178, 248, 256, 258, 259, 267, 268,
269
Diamond-like-carbon (DLC) · 66, 178, 248, 258, 306,
308
Hartstoffschichten · 221, 248, 258, 266, 267, 282, 284,
299, 307, 311
Kubisches Bornitrid (cBN) · 258, 259, 286
TiN, TiCN · 97, 136, 225, 248, 278, 284
WC, W2C · 264
High-k-Materialien · 186, 199, 206, 304
Holographie, Hologramm · 153, 162, 163, 164, 167, 171,
172, 224, 297, 315
Indiumzinnoxid (ITO) · 114, 129, 136, 153, 197, 308
Infrarotspektroskopie
Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)
79, 91, 116, 120, 136, 169, 170, 198, 200, 202, 221,
222, 260, 268
Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie
(IRRAS) · 93, 268
Nahinfrarotspektroskopie (NIR-Spektroskopie) · 120,
165, 168, 170, 202, 221, 297
Kristallzüchtung · 34, 38, 117, 118, 129, 155, 195, 196, 222,
227, 271, 293, 309, 310
Lack · 21, 29, 42, 48, 50, 53, 143, 145, 157, 185, 189, 223,
235, 238, 241, 243, 244, 245, 252, 254, 260, 270, 274,
277, 278, 285, 288, 290, 291, 292, 293, 304, 310
Entlacken · 241, 291, 301
Lasermaterialbearbeitung · 186, 254, 259, 271, 279, 285,
293, 295, 290, 292, 293, 295, 300, 307
Lichtemittierende Diode, LED · 35, 159, 160, 162, 165,
166, 168, 170, 171, 174, 175, 176, 192, 207, 208, 209, 212,
232, 233, 245, 298, 299, 304, 313, 314, 316
Lithographie · 36, 50, 70, 91, 165, 170, 171, 173, 175, 179,
180, 185, 189, 192, 193, 197, 204, 209, 210, 211, 215,
221, 224, 225, 227, 231, 249, 262, 296, 297
Micro-Contact-Printing (µCP) · 95, 96, 172, 204, 225
Nanoimprint · 71, 96, 172, 204, 211, 225
Low-k-Materialien · 201
Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) · 50, 161,
162, 165, 166, 167, 173, 189
Molekularstrahlepitaxie (MBE) · 50, 161, 168, 183, 206,
293, 294, 300, 304, 309, 310
Monolithisch-integrierter Mikrowellenschaltkreis
(MMIC) · 188, 209, 215
Multilayer · 44, 63, 66, 85, 94, 109, 179, 214, 235, 238,
299, 300
Nichtflüchtige Speicher (NVM) · 184, 206, 276
340
10.02.12 14:20
Oberflächenemittierender Laser (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser VCSEL) · 162, 170, 174, 213
Oberflächenvorbehandlung · 38, 48, 49, 72, 138, 191,
250, 254, 257, 269, 270, 271, 278, 286, 293
Oberflächenaktivierung · 47, 48, 49, 133, 134, 138,
141, 191, 203, 261, 270, 273, 305
Organische Photodiode (OPD) · 208
Organische lichtemittierende Diode, OLED · 159, 160,
170, 171, 172, 192, 207, 208, 233, 245, 298, 299, 304,
314
Polymere lichtemittierende Diode, PLED · 170, 172
Organischer Feldeffekt-Transistor, OFET · 89, 90, 172,
186, 201, 202, 207, 208, 215
Passivierung · 50, 96, 113, 175, 176, 184, 191, 193, 211, 216,
270, 278, 279, 281, 286
Phasenwechselmaterialien (phase change materials,
PCM) · 126, 136, 137, 199, 274, 312
Photoelektronenemissionsmikroskopie (PEEM) · 110, 131,
184, 206, 219, 296, 309, 310
Physical Vapour Deposition (PVD) · 50, 63, 94, 97, 106,
112, 113, 115, 117, 139, 208, 211, 225, 236, 238, 258, 261,
263, 266, 267, 284, 311
Plasmaspray · 62, 63, 65, 138
Polieren · 49, 64, 65, 209, 259, 285, 286
Chemo-mechanische Politur (CMP) · 210
Profilometrie · 74, 198, 222, 300
Quantenpunkt, Quantenfilm · 109, 111, 116, 127, 132, 160,
161, 162, 164, 167, 168, 169, 171, 175, 178, 183, 195, 198,
201, 207, 213, 214
Raman-Spektroskopie · 78, 120, 134, 163, 169, 170, 179,
194, 195, 200, 202, 206, 249, 295, 297, 302
SERS · 179, 194, 249
TERS · 179, 194, 249
Rapid Thermal Processing (RTP) · 97, 115, 116, 226
Rapid Thermal Annealing (RTA) · 189, 206
Rasterelektronenmikroskopie (REM) · 52, 74, 79, 91,
97, 131, 149, 162, 168, 195, 222, 226, 255, 277, 295,
296
Rasterkraftmikroskopie (AFM, SFM) · 52, 66, 74, 79, 91,
92, 97, 98, 110, 132, 136, 153, 162, 168, 168, 172, 179,
184, 195, 206, 210, 217, 219, 222, 226, 249, 277, 295,
299, 300, 302
Rastertunnelmikroskopie (STM) · 52, 66, 98, 110, 116, 127,
132, 136, 162, 180, 183, 184, 195, 206, 219, 295, 297,
300, 310
Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskopie (LTSTM)
199
Rastertunnelspektroskopie (STS) · 66, 98, 199, 183
Inelastische Elektronen-Tunnelspektroskopie (IET)
199
Reaktives Ionenätzen (RIE) · 171, 308
Reflektometrie · 304, 308
Röntgen-Reflektometrie (XRR) · 207, 217
Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) · 164, 297,
304
Reinigung · 22, 24, 44, 47, 48, 65, 94, 102, 105, 111, 123,
142, 147, 149, 150, 158, 191, 197, 236, 257, 261, 269, 293,
301, 304, 305
Röntgenbeugung (XRD) · 116, 162, 167, 199, 207, 295, 302
EDXRD · 116
Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA, XRF) · 52, 277, 296,
297, 300, 301, 302
Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie
(NEXAFS) · 110, 131, 183, 193, 219, 296
Schleuderbeschichtung (Spin-Coating) · 50, 57, 74, 96,
111, 164, 171, 172, 186, 192, 201, 202, 203, 204, 210, 219,
225, 260, 268
Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) · 52, 167,
206, 222, 296, 307, 309
Selbstorganisation · 55, 67, 71, 77, 79, 81, 84, 85, 89, 92,
94, 96, 143, 160, 161, 162, 168, 168, 172, 180, 181, 182,
183, 190, 198, 204, 224, 225, 287, 312
Selbstreinigung · 47, 123, 149, 150, 257
Silizium · 111, 113, 117, 118, 119, 122, 205, 225
Amorphes Silizium (a-Si) · 108, 113, 119, 308
Kristallines Silizium (c-Si) · 113, 119
Mikrokristallines Silizium (µ-Si) · 108, 119, 122, 308
Sol-Gel · 44, 50, 55, 57, 143, 152, 153, 164, 221, 222, 227,
230, 266, 267, 287
Spiegel · 152, 153, 163, 166, 169, 189, 199, 210
Verspiegelung · 47, 165
341
10.02.12 14:20
Spotten · 92, 96, 99, 101
Sputtern · 50, 94, 106, 107, 115, 121, 124, 136, 153, 163,
165, 167, 185, 189, 193, 197, 210, 221, 230, 236, 261, 276,
293, 294, 295, 300, 310
Superlattice · 42, 169, 199
Surface Acoustic Waves (SAW) · 169, 200, 206
Surfaceplasmonenresonanz (SPR) · 89, 91, 92, 266
Synchrotronbasierte Photoemissionsspektroskopie
Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) · 52,
110, 113, 116, 131, 183, 185, 206, 219, 268, 295, 297,
309, 310
Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS)
52, 110, 113, 116, 131, 183, 206, 219, 297, 310
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) · 52, 79, 91,
131, 195, 199, 206, 222, 300
Transparentes leitfähiges Oxid (TCO) · 121, 123, 130, 157,
178, 196, 197, 303, 304, 308
siehe auch ZnO · 112, 113, 114, 115, 119, 136, 161, 184,
196, 197, 210, 304
UV-VIS-Spektroskopie · 79, 120, 131, 136, 170, 198, 202, 221
Wärmebehandlung · 29, 138, 208, 236, 240, 261, 287,
306, 310
Weißlicht-Interferometrie · 153, 259, 300
Wellenlängendispersive Röntgen-Spektroskopie (WDX)
52, 110, 131, 183, 219
Tauchbeschichtung (Dip-Coating) · 50, 74, 96, 152, 153,
204, 225
Time of Flight-Spektroskopie (TOF) · 196, 206, 223, 296
342
10.02.12 14:20
Akteure
Wissenschaft
Prof. Armin Abel • 237
Prof. Dr. Jörg Acker • 111
Prof. Dr. Marion AnsorgeSchumacher • 102
Prof. Dr. Matthias Ballauf • 57, 94
PD Dr. Uwe Bandelow • 169
Dr. Marcus Bär • 116
Prof. Dr. Monika Bauer • 260
Dr. Uwe Beck • 266
Prof. Dr. Ingeborg Beckers • 163
Dr. Marc Behl • 73
Dr. Georg Berger • 56
Prof. Zane Berzina • 314
Prof. Dr. Frank Fabian Bier • 94
Dipl.-Ing. Martin Bilz • 269
Prof. Dr. Dieter Bimberg • 161
Dr. Mario Birkholz • 97, 225
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Bock • 183
Dr. Torsten Boeck • 117
Dr.-Ing., Jun.-Professor Astrid Böger
• 229
Prof. Dr. Christian Boit • 110
Prof. Dr. Gerald Brezesinski • 84
Dr. Cinzia Casiraghi • 178, 248
Prof. Dr. Klaus Christmann • 126
Prof. Dr. Mario Dähne • 182
Prof. Dr.-Ing. Werner Daum • 230
Prof. Dr.-Ing. Hans Demanowski •
252
Christian Dils • 231
Prof. Dr. Wolfgang Dreyer • 200
Prof. Dr. Matthias Drieß • 128
Dr. Claus Duschl • 95
Dr. Eva Ehrentreich-Förster • 96
Prof. Dr. Hans Joachim Eichler •
162
Prof. Dr. Stefan Eisebitt • 194
Prof. Andrea Engelmann • 314
Dr. Götz Erbert • 165
Prof. Dr. Norbert Esser • 297
Dr. Carlo Fasting • 109
Prof. Dr. Sebastian Fiechter • 135
Dr. Stefan Fiedler • 93, 190
Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck • 56
Dr.-Ing. Arturo Flores Renteria • 275
Prof. Dr.-Ing. Manuel Fraatz • 56
Prof. Hajo Freund • 134
Prof. Dr. Bärbel Friedrich • 127
Prof. Dr. Jörg F. Friedrich • 267
Prof. Dr. Paul Fumagalli • 179
Dr. Lutz Geelhaar • 168, 198
Prof. Dr.-Ing. Chistoph Gengnagel •
313
Prof. Dr. Reimund Gerhard • 220
Dr. Hans-Detlev Gilsing • 204
Prof. Dr. Anna Gorbushina • 144
Dipl.-Ing. Matthias Graf von der
Schulenburg • 257
Prof. Dr. Holger T. Grahn • 169, 200
Dr. Leonhard Grill • 194
Prof. Dr. Andreas Grohmann • 133
Dr. Klaus-Dieter Gruner • 168, 197,
222
Prof. Dr. Rainer Haag • 55, 77, 88,
143
Dr.-Ing. Wolfram Hage • 237
Dr. Mathias Hahn • 80, 136, 145,
274
Dr. Robert Hahn • 133
Dr. Thomas Hannappel • 116
343
Dr. Lutz Hartmann • 201
Prof. Rainer Hascher • 312
Dipl.-Ing. Gregor Hasper • 259
Prof. Dr. Stefan Hecht • 181
Dr.-Ing. Friedhelm Heinrich • 187,
221
Prof. Dr. Wolfgang Heinrich • 188
Prof. Dr. Fritz Henneberger • 160
Dipl.-Ing. Arch. Ingrid
Hermannsdörfer • 313
Dr. Michael Herzog • 144, 246, 264
Prof. Dr.-Ing. Eva Hille • 60
Prof. Kathrin Hinz • 314
Dr. Andreas Holländer • 203, 273
Prof. Dr. Dietmar Hömberg • 271
Dr. Thomas Hübert • 221
Prof. Jörg Hundertpfund • 314
PD Dr. Dietmar Janietz • 173
PD Dr. Silvia Janietz • 120, 172, 202
PD Dr. Christoph Janowitz • 185
Dipl.-Phys. Erik Jung • 57
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Jung • 59, 74
Prof. Dr.-Ing. Robert Kabbert • 249
Dr. Olaf Kahle • 201, 271, 297
Dr. Christine Kallmayer • 191, 232
Prof. Dr.-Ing. Erwin Keeve • 60
Prof. Dr. Erhard Kemnitz • 55, 152
Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter
Kleinschrodt • 262
Prof. Dr. Michael Kneissl • 162, 165
Prof. Dr. Norbert Koch • 182
Dr.-Ing. Jens König • 268
Prof. Dr. Joachim Koetz • 79
Dr. Thomas Köpnick • 96, 225, 204
Dr. Lars Korte • 113
Prof. Dr.-Ing. Marc Kraft • 60
Dr. Karl Kratz • 73
Dr. Olaf Krüger • 189
Prof. Dr. Mont Kumpugdee-Vollrath
• 79
Prof. Dr. André Laschewsky • 80,
103, 224
344
Prof. Dr. Andreas Lendlein • 82
Prof. Dr. Marga Lensen • 70
Prof. Dr. Martin Lerch • 129
Dipl.-Ing. Torsten Linz • 231
Prof. Dr. Fred Lisdat • 92
Prof. Dr.-Ing. Thomas Löher • 231
Dr. Jean-Francois Lutz • 81
Prof. Dr. Martha Christina LuxSteiner • 113
Prof. Dr. W. Ted Masselink • 160,
181
Prof. Dr. Gerard Meijer • 193
Prof. Dr. Burkhard Micheel • 72
Dr.-Ing. Jürgen Mietz • 145
Prof. Dr. Vladimir M. Mirsky • 92
Prof. Dr. Helmut Möhwald • 83
Dipl.-Ing. Günther Mollath • 270
Prof. Dr. Klaus-Peter Möllmann •
220
PD Dr. Werner Moritz • 216
Dr. Axel T. Neffe • 59
Prof. Dr. Dieter Neher • 111, 186
Prof. Holger Neumann • 313
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nitsche •
217, 235
Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt • 259
Prof. Axel Oestreich • 314
Dr. Hermann Oppermann • 166
Prof. Dr. Jose Ignacio Pascual • 180
Prof. Dr. Beate Paulus • 133
Prof. Dr. Jürgen P. Rabe • 109, 181
Prof. Dr. Bernd Rech • 112
Prof. Dr.-Ing. Ingo Rechenberg •
254
Prof. Dr. Stephanie Reich • 180
Prof. Frank Reichert • 144
Prof. Dr. Jürgen Reif • 185
Prof. Dr. Walter Reimers • 242, 256
Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier •
268
Sebastian Richarz • 258
Prof. Dr. Asta Richter • 295
Dr. Helge Riemann • 118
Prof. Dr. Karola Rück-Braun • 78
Prof. Dr. Peter Rudolph • 118, 196
Prof. Dr. Eckart Rühl • 78
Prof. Dr. Peter Saalfrank • 132
Prof. Dr. Katrin Salchert • 72, 250
Prof. Dr. Svetlana Santer • 91
Prof. Dr. Joachim Sauer • 127
Dr. Nico Scharnagl • 74
Prof. Dr. Michael Scheffler • 186,
260
Dr. Martin Schell • 167
Dr. Rutger Schlatmann • 119
Prof. Dr. Robert Schlögl • 134
Prof. Dr. Dieter Schmeißer • 89,
110, 131, 183, 219
Dr. Frank Schmidt • 170
Dipl.-Ing. Ralf Schmidt • 190
Prof. Burkhard Schmitz • 313
Prof. Dr.-Ing. Thomas Schneider •
230
Dr. Jürgen Schneider • 119, 170,
202
Prof. Dr. Hans-Werner Schock • 114
Dr. Daniel Schondelmaier • 296
Prof. Dr. Sigurd Schrader • 60, 164,
221, 264
Dr. Thomas Schröder • 206
Prof. Dr. Helmut Schubert • 55, 71,
131
Dr. Burkhard Schulz • 205
Dr. Detlev Schulz • 196
Dr. Jutta Schwarzkopf • 195
Prof. Susanne Schwarz-Raacke •
314
Prof. Dr. Nikolaus Schwentner • 179
Dr. Arno Seeboth • 157
Peter Semionyk • 191
Dr. Dmitry Shchukin • 275
Dr. Adam Lee Sisson • 83
Dr. Joachim Storsberg • 58
Prof. Dr. Peter Strasser • 130
Prof. Dr. Peter Strauch • 143
PD Dr. Joachim Stumpe • 172
Dr. Heinz Sturm • 265
Prof. Dr. Petra Tegeder • 159
Prof. Dr.-Ing. Roland Thewes • 89,
217
Prof. Dr. Arne Thomas • 129
Prof. Dr. Bernd Tillack • 205, 225
Dr. Michael Töpper • 192
Dr. Achim Trampert • 199
Prof. Dr. Günther Tränkle • 187
Prof. Dr. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann •
268
Dr. Wolfgang Unger • 295
Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger •
236, 261
Prof. Dr. Regine von Klitzing • 216
Prof. Dr. Felix von Oppen • 180
Dr. Waltraud Vorwerg • 57, 103, 272
Dr.-Ing. Stefan Wagner • 133
Dr. Günter Wagner • 222
Dr. Xinchen Wang • 137
Prof. Dr.-Ing. Herbert Weber • 250
Dr. Armin Wedel • 171, 202, 223,
251
Dr. Reiner Wedell • 297
Prof. Dr. Martin Weinelt • 196
Dr. Eugen Weschke • 195
PD Dr. Markus Weyers • 189
Prof. Dr.-Ing. Johannes Wilden •
256
Prof. Dr.-Ing. Ralf Winkelmann •
243, 263
Prof. Dr. Helmut Winter • 293
Prof. Dr. Martin Wolf • 194
Prof. Dr. Ulla Wollenberger • 90
Dr.-Ing. Joachim Würfl • 188
Michael Zwanzig • 93, 190
345
Wirtschaft
A + Z Oberflächenveredelung Erwin
Zuhse GmbH & Co. KG • 291
A bis Z Oberflächenveredelung
GmbH & Co. KG • 291
aap Implantate AG • 62
abs Glashaus GmbH (abs concept
GmbH) • 315
acolma GmbH • 279
AEMtec - Advanced Electronic
Microsystems GmbH • 209
aeroix GmbH • 146, 239
AHC Oberflächentechnik GmbH •
280
AKON GmbH • 291
Allresist GmbH, Gesellschaft für
chemische Produkte zur
Mikrostrukturierung mbH • 209
alphacontec Consulting & Services
GmbH, Scanning Probe Microscopy
• 299
ALUCOAT Oberflächentechnik
GmbH • 291
Andus Electronic GmbH • 209
Arc Precision GmbH • 281, 298
Astro- und Feinwerktechnik
Adlershof GmbH • 240
Atotech Deutschland GmbH • 277
AZBS Ausbildungszentrum
Bootsbau, Schiffbau,
Dienstleistungs GmbH • 246
B. Braun Melsungen AG • 60
B+R Oberflächentechnik GmbH •
291
Bayer Health Care Pharmaceuticals
• 85
BBG Bootsbau Berlin GmbH • 246
BeMiTec AG • 209
Berlin Heart GmbH • 67
Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz
GmbH & Co. • 153
Berliner Nanotest und Design
GmbH • 299
346
Berolina Metallspritztechnik
Wesnigk GmbH • 282
Bestec GmbH • 299
Biomet Deutschland GmbH • 62
Biotronik SE & Co. KG • 61
BLO Böhnstedt-Lackier- u.
Oberflächentechnik OHG • 291
BMW Werk Berlin • 244
Bombardier Transportation • 245
Borderstep Institut für Innovation
und Nachhaltigkeit gemeinnützige
GmbH • 316
Bruker Nano GmbH • 300
BST Biosensor Technologie GmbH
Berlin • 97
Bundesdruckerei GmbH • 207
Capsulution Pharma AG • 63, 85
CFX Berlin Software GmbH • 283
Coyando GmbH • 253
Createc Fischer & Co. GmbH,
STM/AFM Facility/Research Lab •
300
Creativ Color GmbH
(Beschichtungen) • 291
CryoSnow GmbH • 301
Crystal GmbH • 209
CrysTec GmbH • 210
Dangelmayr Oberflächentechnik
GmbH • 291
Dangelmayr Pulverbeschichtungs
GmbH • 291
DIC Berlin GmbH, R & D Laboratory
• 284
Diessner GmbH & Co. KG, Lackund Farbenfabrik • 291
Dr.-Ing. Rainer Heyer
Werkzeugtechnik GmbH • 284
Druckwerkstatt Klaus Regel • 291
DS-Galvanotechnik GmbH
Oberflächenveredelung • 291
eagleyard Photonics GmbH • 175
ENVIRAL Oberflächenveredelung
GmbH • 291
EPIGAP Optronic GmbH • 175
Ferropharm GmbH • 85
Feuerverzinkerei Waldhelm
Perleberg-Düpow GmbH • 291
First Sensor Technology GmbH •
227
First Solar Manufacturing GmbH •
120
Firstwood GmbH • 146
FK Solartechnik GmbH • 107
Fotochemische Werke GmbH
(Markenname X-ray RETINA) • 291
Frank Optic Products GmbH • 154
FRG Oberflächenbehandlung
GmbH • 291
Galfa Industriegalvanik GmbH • 291
G-Elit Präzisionswerkzeug-GmbH
(Gühring-Gruppe) • 278
Gesimat GmbH, Gesellschaft für
intelligente Materialien und
Technologien • 157
Global Solar Energy • 121
GP innovation GmbH • 301
GZO Oberflächentechnik GmbH •
291
Hanomag Härtol Berlin Lohnhärterei
GmbH • 291
Hell GmbH & Co.
Oberflächenveredelung KG • 291
HEMA Beschichtungstechnik • 146
HTB Härtetechnik GmbH • 291
Human Factors Consult HFC • 316
HVB Hoch-Vakuum-Beschichtungs
HWL Löttechnik GmbH • 291
ib Industrielle Beschichtung GmbH •
291
IfG - Institute for Scientific
Instruments GmbH • 301
InnoRa GmbH • 63
INPRO Innovationsgesellschaft für
fortgeschrittene Produktionssysteme
in der Fahrzeugindustrie mbH • 243,
285
Institut für ökologische
Wirtschaftsforschung IÖW (gGmbH)
• 316
Inventux Technologies AG • 122
IS - Steinführer & Co. GmbH
Oberflächenveredelung • 291
ISO-TEAM Kunststoffbeschichtungs
GmbH • 291
ITW Oberflächentechnik GmbH •
291
J. Mayer H Architekten • 316
JENOPTIK Diode Lab GmbH • 173
Jonas & Redmann Group GmbH •
302
JPK Instruments AG • 302
KBB Kollektorbau GmbH • 106
KMM Oberflächenbearbeitung
GmbH • 291
Krause & Splett Pulverbeschichtung
GbR • 291
Krauss GmbH Aviation
Technologies • 240
Kuhle Oberflächentechnik GmbH •
291
L.SCHULTE & Co. GmbH • 291
LANKWITZER PREMIUM
COATINGS • 291
Largentec Vertriebs GmbH
Innovation Medizintechnik, Hygieneund Wassertechnik GmbH • 147
Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg
GmbH • 285, 303
LayTec In-Situ- and Nanosensors
AG • 303
347
Lechmann Engineering GmbH •
253, 286
Lens Wista AG • 64
LEONI Fiber Optics GmbH • 67, 174
LEP LOLL Entlackungs- und
Pulverbeschichtungs-GmbH • 291
LIAS GmbH • 304
Lumics GmbH • 175
OTEK Oberflächentechnik Köninger
OTR Oberflächentechnik GmbH •
291
Ova Oberflächenveredelung in
Adlershof GmbH • 291
OVG GmbH (Pulverbeschichtungen)
• 291
Mercedes-Benz-Werk BerlinMarienfelde/Daimler-AG, MercedesBenz Werk Berlin • 244
Merete Medical GmbH • 64
micro resist technology GmbH • 210
Milde-Beschichtungen GmbH • 291
MSG Lithoglas AG • 211
Müller GmbH • 291
Peckel Oberflächenveredlung • 291
Performance Fibers • 291
Phönix SonnenWärme AG • 107
Photon Laser Engineering GmbH •
291
Pioneer Medical Devices AG • 66
PlasmaChem GmbH • 66, 98
Plasmetrex GmbH • 306
PolyAn GmbH • 66, 98, 104
Prignitz - Color GmbH
(Oberflächenveredlung,
Pulverbeschichtungen) • 291
ProColor Pulverbeschichtungs
GmbH • 291
Pulverbeschichtung Nord GmbH •
291
Pulverlackierung Sarnoch GmbH •
291
Nano Zentrum Berlin NZB GmbH •
291
nano² Meißner & Powelz Gbr • 291
nanopartica GmbH • 86, 139, 148
NAPIERALA GmbH • 291
Neißner GbR
(Pulverbeschichtungen) • 291
Neuser GmbH • 291
NMTC NANO & MICRO
TECHNOLOGY CONSULTING •
315
NNT Nanotechnology AG • 286
Novak Siebdruck, Heike Novak u.
Ulrich Schmidt-Novak GbR • 291
Oberflächentechnik Kläke GmbH
OTEK • 291
Oculentis GmbH Berlin • 67
Odersun AG • 123
OHST Medizintechnik AG • 65
OSA Opto Light • 176
OTA Oberflächentechnik
Anlagenbau GmbH • 304
OTB Oberflächentechnik in Berlin
GmbH & Co • 305
OTE Oberflächentechnik GmbH •
291
348
R. E. Müller GmbH
(Pulverbeschichtungen) • 291
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co
KG • 226, 238
Roth & Rau AG (Niederlassung
Berlin) • 298
RST Rail System Testing GmbH •
306
RTG Mikroanalyse • 307
Scansonic IPT GmbH • 307
Schempp & Decker Präzisionsteile
und Oberflächentechnik GmbH •
278
Schröder Galvanik e. K. Inh. Tanja
Busch • 291
Schulz Rene Fräs- und
Strahltechnik GmbH
Oberflächenbehandlung • 291
Scienion AG • 98
Sentech Instruments • 308
sglux SolGel Technologies GmbH •
227
SICC GmbH • 148
Siemens AG, Gasturbinenwerk •
138
Siemens AG, Niederlassung Berlin •
208
Siemens Energy/Turbine Airfoil
Coating and Repair (TACR) • 138
SK Steiner Oberflächentechnik •
291
SKS Pulverbeschichtung GbR • 291
Soltecture GmbH • 124
SPECS Surface Nano Analysis
GmbH • 309
Stadler Reinickendorf GmbH
(Stadler Rail AG) • 245
Steremat Elektrowärme GmbH • 309
Steremat Galvanik GmbH Berlin •
291
Surflay Nanotec GmbH Berlin • 67,
286
Systec Oberflächen GmbH
Oberflächenbehandlung • 291
TASK Architekten und Prof. Heike
Klussmann (freischaffend) • 315
Tilse Formglas GmbH • 158
TOPASS GmbH • 86
Torkret Oberflächenschutz Berlin
Trevira GmbH, Werk Guben • 291
tscar, die Glanzschmiede • 291
u²t Photonics AG • 176
Verzinkerei Trebbin GmbH • 291
Weidling GmbH industrielle
Kennzeichnungen • 291
Zellwerk GmbH (HiPer-Gruppe) • 75
Zweigwerk - KEIMFARBEN GmbH
& Co. KG, Niederlassung Alteno •
291
Netzwerke
AMA Fachverband für Sensorik e.V.
• 228
Arbeitsgemeinschaft
Wärmebehandlung und
Werkstofftechnik (AWT) • 287
BioTOP Berlin-Brandenburg • 76
DEMEA Deutsche
Materialeffizienzagentur (VDI/VDE
Innovation + Technik GmbH) • 288
Deutsche Forschungsgesellschaft
für Oberflächenbehandlung e.V.
DFO • 288
Deutsche Gesellschaft für Galvanound Oberflächentechnik (DGO) e.V.
im Zentralverband
Oberflächentechnik e.V. (ZVO) •
289
Deutsche Gesellschaft für
Materialkunde e.V. DGM • 289
Deutscher Industrieverband für
optische, medizinische und
(SPECTARIS) • 68, 100, 155, 177
DiagnostikNet | BB • 99
DVM • Deutscher Verband für
Materialforschung und -prüfung e.V.
• 289
Effizienzfabrik, Innovationsplattform
„Ressourceneffizienz in der
Produktion“/Funktionale
Oberflächen • 289
349
Energy Harvesting Net c/o BKS
Consult GmbH • 140
Europäische
Forschungsgesellschaft Dünne
Schichten e.V. EFDS • 211
Europäisches ElektroniktechnologieKolleg • 212
Forschungs- und
Anwendungsverbund
Verkehrssystemtechnik Berlin FAV •
240
Forschungsgemeinschaft BionikKompetenz-Netz e.V. BIOKON •
148
Forschungskuratorium Textil e.V. •
233
Energien FVEE • 124, 141
Gesellschaft für Tribologie GfT,
Arbeitskreis Berlin/Brandenburg •
289
Initiative Berlin WideBaSe (Wide
Bandgap Semiconductors) • 212
IVAM - Internationaler Fachverband
für Mikrotechnik, Nanotechnologie
und Neue Materialien • 212
NanOp - Competence Centre for the
Application of Nanostructures in
Optoelectronics • 213
Network of Competence - Solutions
for Surface Science and
Nanotechnology • 310
350
OpTec BB e.V. • 154, 158, 176
PhotonikBB e.V. • 177
Technologie und Frauen,
Geschäftsstelle Projekt Zukunft •
317
Taschentuchlabor • Impulszentrum
für Integrierte Bioanalyse • 100
TSB Medici/medtecnet BerlinBrandenburg • 68
Unifying Concepts in Catalysis
(unicat), Exzellenz-Cluster • 141
Verband der Chemischen Industrie
e.V. -Landesverband Nordost • 290
Verband deutscher
Industriedesigner e.V. VDID • 317
Verband Deutscher Maschinen- und
Anlagenbau e.V. VDMA,
Fachabteilung Oberflächentechnik •
310
Bezirksverein Berlin-Brandenburg •
68, 290
ZEMI - Zentrum für
Mikrosystemtechnik • 213
Zentrum für Molekulare Diagnostik
und Bioanalytik (ZMDB) • 101
13.02.2012
11:12 Uhr
Seite 2
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Seite 1
REGIOVERLAG
13.02.2012
Zur Autorin
Ines Junge
Dipl.-Ing. Ines Junge, Maschinenbau-Studium in der Fachrichtung Technisches Design an der Technischen
Universität Dresden; von 2009 bis 2010 Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der TU Berlin
(Forschungsprojekt zu autostereoskopischer Darstellungstechnik am Fachgebiet Landschaftsarchitektur/
Freiraumplanung); seit 2010 wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der TSB Technologiestiftung Berlin im Bereich
Technologie und Innovation.
www.tsb-berlin.de
ISBN 978-3-929273-83-0
Dieses Projekt der TSB Technologiestiftung Berlin wird aus
Mitteln der Investitionsbank Berlin gefördert, kofinanziert
von der Europäischen Union, Europäischer Fonds für
Regionale Entwicklung. Investition in Ihre Zukunft!
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REGIOVERLAG

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