MATERIALS. Institut für Oberflächentechnologien und Photonik

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1 The Innovation Company MATERIALS Institut für Oberflächentechnologien und Photonik

2 Kontakt JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh MATERIALS Institut für Oberflächentechnologien und Photonik Franz-Pichler-Straße Weiz Tel Fax joanneum.at /materials 2

3 MATERIALS Institut für Oberflächen technologien und Photonik Wir sind Ihr erster Ansprechpartner für die Technologieund Prozessentwicklung in den Gebieten : Mikro- und Nanostrukturierung LLOrganische Elektronik LLPyzoFlex LLHybrid Integration LLR2R Printing and Mastering Licht- und Optotechologien LLGreen Photonics: Devices LLGreen Photonics: Virtual Prototyping Laserproduktionstechnik Sensorsysteme LLChemo- und Biosensorik Funktionelle Oberflächen LLPlasma Surface Engineering LLDigitale Druckverfahren Ihr Nutzen Wir sichern unseren Kunden den Zugang zu neuesten Technologien für die Umsetzung in innovative Produkte und Dienstleistungen. Durch langjährige Erfahrung im Management einer Vielzahl von Forschungskooperationen ermöglichen wir unseren Kunden die erfolgreiche Teilnahme an nationalen und internationalen, geförderten Forschungsprojekten. Unser Angebot Unsere inzwischen fast 70 Mitarbeiter / innen liefern inter - disziplinäre Lösungsansätze für die gesamte Wert schöpfungs - kette von der Idee bis zum Prototypen unter Einsatz moderner, auf Miniaturisierung, Integration und Werk stoff optimierung beruhender Technologien und Verfahren. Kombiniert mit modernster Ausstattung und Infrastruktur bieten wir zukunftsweisende Lösungen und Dienstleistungen, die auf die Anforderungen der Wirt schaft und Industrie abgestimmt sind. Eine über 20 Jahre enge Kooperation mit führenden nationalen und internationalen wissenschaftlichen Einrichtungen garantiert eine stetige Erneuerung und Weiterentwicklung unseres Kompetenzportfolios. Durch die Nähe unserer Tätigkeit zu produzierenden Unternehmen betreiben wir angewandte Forschung und Entwicklung auf höchstem Niveau. 3

4 Mikro- und Nanostrukturierung Wir entwickeln innovative Strukturierungsverfahren für die großflächige Fertigung biegsamer mikro- und nanostrukturierter Schichten. Weiters forschen wir an integrierten Komponenten für die organische Elektronik, Verpackungstechnologie, Optoelektronik, die Licht- und Medizintechnik, sowie für die chemische, physikalische und biologische Sensorik. Die Kombination aus Druckprozessen und Strukturierung ermöglicht uns die Entwicklung innovativer Sensortechnologien, die als interaktive Oberflächen und Mensch- Maschine-Schnittstellen eingesetzt werden können, die Erzeugung nanostrukturierter Oberflächen mit speziellen dekorativen, optischen, energiesparenden, reinigenden und haftenden Funktionalitäten, sowie die Herstellung mikrofluidischer Strukturen. Organische Elektronik Kostengünstige Herstellung organischer elektronischer Bauelemente und Schaltungen auf flexiblen Substraten PyzoFlex Piezo- und Pyroelektrische Sensorik und Energy Harvester Siebdruckverfahren zur Herstellung funktioneller Schichten für gedruckte Elektronik und Sensorik Hybrid Integration moderne Verbindungstechnik für anorganische und organische Elektronik auf flexiblen und formbaren Substraten fs-laserbasierte maskenlose 3D-Strukturierung mittels Zwei-Photonen-Absorption Roll-to-Roll Printing and Mastering Hochpräzise UV-Nanoimprintlithographie und Heißprägen zur Mikro- und Nanostrukturierung folienbasierter Materialien und funktioneller Schichtsysteme Nanotechnologie auf Makroflächen Mit unserer innovativen R2R-Prägeanlage können wir Strukturen mit Dimensionen unter 200 nm kontinuierlich auf Foliensubstraten herstellen. Damit ist es möglich, in einem produktionsnahen Verfahren sehr feine Strukturen auf großen Flächen schnell und präzise zu realisieren. 4

5 Licht- und Optotechnologien Der Fokus unserer Arbeit ist der Einsatz des» Werkzeuges Licht «für neuartige Technologien zur energie effizienten Beleuchtung, Energie gewinnung (Photo voltaik), Sensorik und Material bearbeitung sowie die Entwicklung der entsprechenden Fertigungs methoden und Überführung dieser Technologien in die industrielle Produktion. Mit den im Forschungsthema Green Photonics: Virtual Prototyping eingesetzten optischen Simulationsmethoden (Ray-Tracing und wellenoptische Methoden, sowie einer innovativen Kombination von Ray-Tracing und wellenoptischen Simulationen) können wir maßgeschneiderte optische Elemente und Komponenten entwerfen. Das Portfolio reicht von diffraktiven und refraktiven optischen Elementen bis zu Freiformmikrooptiken. Damit kann die ganze Bandbreite optischer Effekte sowohl in der Beleuchtung als auch in der Photovoltaik zielgerichtet ausgenutzt und die Energieeffizienz weiter gesteigert werden. Im Forschungsthema Green Photonics: Devices werden diese optischen Komponenten und Systeme mittels Rapid-Prototyping-Verfahren gefertigt und in Labormustern integriert. Wir bieten dabei eine Wertschöpfungskette von der Simulation bis zur Analytik: Optische Simulation von (mikro-)optischen Elementen und Strukturen Design und Rapid Prototyping mittels maskenloser UV-Graustufenlithographie, fs-laserablation oder Aerosoljetdrucktechnologien Überführung in seriennahe Prototypen sowie erste Stufen einer Prozessentwicklung (z. B. für Rolle-zu-Rolle Herstellung von Mikrooptiken) a a Optische Analytik von Schichten, Strukturen und Wellenleitern Mit unseren umfassenden Simulations- und Rapid Prototyping Werkzeugen können wir optische Strukturen in einem weiten Größenbereich simulieren und fertigen. 5

6 Laserproduktionstechnik Die Laserproduktionstechnik ist auf die Entwicklung von Prozessen der Lasermaterialbearbeitung für die industrielle Anwendung fokussiert. Es stehen jene Bereiche im Vordergrund, bei denen das metallkundliche Wissen um die Werkstoffeigenschaften für die Entwicklung der Prozesse eine große Rolle spielt. Die Expertise der Forschungsgruppe baut auf den Erfahrungen der letzten Jahrzehnte auf und umfasst die Technologiefelder Laserschweißen, Laserlegieren und Laserauftragsschweißen. Die Reparatur und Herstellung von metallischen Bauteilen sind die Schwerpunkte beim 3D-Laserauftragsschweißen. Prozessentwicklung im Bereich des Laser(tief)- schweißens, des Laserlegierens und des Laserauftragsschweißens sowie in der laserbasierenden generativen Fertigung Unterstützung bei der Erstellung der Anlagenkonzepte und Überleitung der Prozesse in die Serienproduktion Prozessoptimierung und Qualitätssicherung nach erfolgter Umsetzung in die Serienproduktion Laserstrahldiagnostik Beratung in der Lasermaterialbearbeitung bei Fragen zu Werkstoffen, Konstruktion und Auslegung Laserlegieren Das Laserlegieren ermöglicht die Herstellung neuer Legierungen direkt am Bauteil oder Werkzeug. Das Gefüge und die Zusammensetzung werden dabei lokal verändert, sodass aufbauend auf dem Basiswerkstoff bessere Werkstoffeigenschaften erzielt werden. 6

7 Sensorsysteme Chemo- und Biosensorik Unsere Forscher befassen sich mit der Entwicklung von innovativen Chemo- und Biosensoren und entsprechenden kompakten analytischen Systemen zur Erfassung chemischer oder biochemischer Parameter (wie beispielsweise Sauerstoff, ph, Amine, Metabolite, Proteine und Nukleinsäuren, etc.). Wesentliche Anwendungsgebiete liegen in den Bereichen: industrielle Prozesskontrolle Bioanalytik und in-vitro Diagnostik online-diagnostik und Monitoring Lebensmitteltechnologie Mikrofluidik und Lab-on-Chip Technologien Wir entwickeln Biosensoren, mikrofluidische Systeme und miniaturisierte Labs-on-Chip mit integrierten optischen oder elektronischen Sensoren. Dabei stützen wir uns auf skalierbare und industriell einsetzbare Fertigungstechnologien basierend auf Kunststoffmaterialien und flexiblen Folien. Optische Sensormaterialien und -systeme Wir entwickeln innovative Sensormaterialien (z. B. Indikatorfarbstoffe und Polymere) sowie komplette optische Sensorsysteme für online-monitoring in Medizin und industrieller Prozesskontrolle mittels optischer Absorptionsund Fluoreszenzspektroskopie bzw. Fluoreszenzabkling zeitoder -phasenmessung. Die umfangreiche Expertise in den Bereichen Materialentwicklung, Oberflächenchemie, Mikro- und Nanostrukturierungstechnologien, Optik und Elektronik ermöglicht die umfassende Entwicklung komplexer (bio)analytischer Gesamtsysteme und geeigneter Fertigungsprozesse. Design und Auslegung von Sensoren und analytischen Systemen Entwicklung innovativer Sensormaterialien und oberflächen Fertigungstechnologien für miniaturisierte Sensoren und analytische Systeme Prototypenentwicklung und elektronische Instrumentierung von Messsystemen Durch den Einsatz von Nanosensoren und Nanofasern werden neue hochsensitive und im Millisekundenbereich ansprechende Sensoren entwickelt, welche für viele Applikationen in der Prozessüberwachung und Medizintechnik hochrelevant sind. 7

8 Funktionelle Oberflächen Wir bieten die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten in hoher Qualität sowie Oberflächen modi fikationen und deren Überführung in praktische Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik, Optik, Sensorik, Medizin technik, Life Sciences, Solartechnik, Lichttechnik, Maschinen- und Apparatebau, Werkzeugbau und dekorative Beschichtung. Mit Hilfe von digitalen Druckverfahren können wir diskret funktionelle Strukturen (z. B. Elektroden, Leiterbahnen oder Sensorspots) aufbringen. Plasma Surface Engineering Laser- und plasmaunterstützte Abscheideverfahren aus der Gasphase: Physical Vapour Deposition PVD / Pulsed Laser Deposition PLD, Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition PACVD (z. B. Plasmagestützte Fluorinierung und Polymerisation) Niedrigtemperaturbeschichtungsverfahren Plasmktivierung und Plasmareinigung Schichtcharakterisierung (µ-identation, µ-scratchtester, Tribologie, Profilometrie) Digitale Druckverfahren Aerosoljet- und Inkjet-Printing für gedruckte Elektronik und Optik zur diskreten und ressourcenschonenden Auftragung von Materialien mit verschiedensten chemischen und physikalischen Eigenschaften im Mikrometermaßstab Diamond-like Carbon Kohlenstoff stellt in den Arbeiten der Forschungsgruppe einen wichtigen Schichtwerkstoff dar. Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC = diamond-like carbon) werden mit Hilfe von plasma- und laserunterstützten Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellt und besitzen herausragende Eigenschaften. Zukünftig sollen auch ultradünne Schichten mit graphenartigen Strukturen realisiert werden. ta-c a-c(:h) sp 2 Graphit Diamant sp 3 ta-c:h a-c:h Polymere (CH x ) gasförmig H 8

9 Ansprechpersonen Direktor DI Dr. Paul Hartmann joanneum.at Stellvertr. Direktor DI Dr. Georg Jakopic joanneum.at Mag. a Dr. in Barbara Stadlober Mikro- und Nanostrukturierung joanneum.at DI Elmar Brandstätter Laserproduktionstechnik elmar.brandstaetter@joanneum.at DI Dr. Stefan Köstler Sensorsysteme stefan.koestler@joanneum.at DI Dr. Wolfgang Waldhauser Funktionelle Oberflächen wolfgang.waldhauser@joanneum.at DI Dr. Franz-Peter Wenzl Licht- und Optotechnologien joanneum.at DI Ulrich Trog Innovationsmanagement und Marketing ulrich.trog@ joanneum.at 9

10 Infrastruktur und Methoden Reinraum Reinraum der Klasse 6 zertifiziert gemäß ISO Nanoimprintlithographie Rolle-zu-Rolle Anlage mit Heißprägen Rolle-zu-Rolle Anlage mit UV-Nanoimprintlithographie Nanoimprintlithographie im Batchprozess (bis 4 x 4 inch²) unter Reinraumbedingungen Lithographie und Mastering hochauflösende 3D-Strukturierung mittels Zwei-Photonen-Absorption Elektronenstrahllithographie Maskenlose Graustufenlithographie 3D-Plotter Photolithographie Reaktives Ionenätzen (anisotropes Ätzen) Optische Simulation Ray-Tracing (ASAP, Zemax) Multilayer-Analysis Wellenausbreitungsmethoden (FDTD-Solutions, Virtual Lab) Methodenentwicklung für die Kombination von Strahlen- und Wellenoptik Freiform-Optik Vakuumbeschichtungsverfahren Industrielle Vakuumbeschichtungsanlagen für Hybrid- PLD-Beschichtungsprozess (Magnetron-Kathodenzerstäubung und Ionenstrahlbeschichtung), max. Rezipientendurchmesser 500 mm, Beschichtungshöhe 400 mm Plasmagestützte Fluorinierung Plasmagestützte Polymerisation Niedrigtemperatur-Sputteranlage (max 50 C Substrattemperatur) 2-Kammer Hochvakuum Beschichtungsanlage mit Proben und Maskentransfer für kombinierte Organikund Anorganik-Beschichtungen Parylen-Beschichtung (Oberflächenpolymerisation) Oberflächenmodifikation mittels O 2 / N 2 / H 2 0 / NH-Plasma, UV / Ozon Behandlung oder Primer- Beschichtung Additive Druck- und Beschichtungsverfahren Rolle-zu-Rolle-Anlage mit Gravurdruck Siebdruck mit automatischer Siebausrichtung Aerosoljetdruck Inkjetdruck Tampondruck Rakeltechnologien Spin-Coating Sprühverfahren Elektrospinning Mikrospotter Elektronik Optoelektronik- und Elektronikentwicklung Fräsbohrplotter für Rapid-Prototyping Analog- und Digitaltechnik Aufbau von Prüf- und Kalibrationsverfahren Laseranlagen sowie NC- und robotergesteuerte Bearbeitungsanlagen mit Industriestandard: Yb:YAG-Laser, Nd:YAG-Laser und CO 2 -Laser mit Strahlleistungen von 100 W bis 6 kw und Strahldurchmessern von 100 μm bis 6 mm. CNC-gesteuerte Bearbeitungsstationen (bis zu 6 Achsen) und Knickarmroboter (6 Achsen + externe Dreh- und Kippachse) kombinierte Laser- und Frässtation spezielle Laseroptiken (PFO-»Scanneroptik«, Bifokaloptik, dynamische Fokussieroptik, ) Oberflächen-, Schicht- und Materialcharakterisierungsmethoden Untersuchung von Permeationsvorgängen: Hochleistungsbarriere bzw. O 2 -Permeation (Nachweisgrenze im Bereich 10-5 bis 10-6 cm 3 / m 2 Tag bar) 10

11 Chemische Oberflächenanalytik mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS/ ESCA, Tiefenprofilanalyse) Spektroskopische Ellipsometrie Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) Oberflächenmorphologie mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) oder Atomkraft-Mikroskopie (AFM) Profilometrie (Stylus-Profilometer) Schichtdickenbestimmung nach der Kalottenschleifmethode (Schichten im Mikrometerbereich) Bestimmung von Schichteigenspannungen über die Biegebalkenmethode Mikrotribologie Schichthaftungsprüfung mittels Mikro-Scratchtest Härte- und E-Modulbestimmung mittels Mikroindentation Kontaktwinkelmessung Viskosimetrie Zeta-Potenzial Elektrische Charakterisierung von Bauelementen mittels Parameter-Analyser UV-VIS-NIR Spektroskopie Lumineszenzspektroskopie Fluoreszenzmikroskopie Polarisationsspektroskopie Pikosekunden-Photophysik Mehrphotonen-Spektroskopie und Lithographie Lichtmikroskopische Untersuchungen Farbmessung Photogoniometrie Cyclovoltametrie Quarzkristall-Mikrowge mit Dämpfungsmessung (QCM-D) Thermoanalyse (Thermogravimetric Analysis / Differential Scanning Calorimetry TGA / DSC) Infrarotspektroskopie Metallographie Röntgenfluoreszenzanalyse 11

12 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh MATERIALS Institut für Oberflächentechnologien und Photonik Franz-Pichler-Straße Weiz Tel Fax joanneum.at /materials prmpbf Stand Juli 2015 The Innovation Company