Technikrevolutionen mit neuen Werkstoffen Fünf Beispiele aus der Materialforschung. DGM-Tag 2011 Dresden

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1 Technikrevolutionen mit neuen Werkstoffen Fünf Beispiele aus der Materialforschung DGM-Tag 2011 Dresden Wolfgang Faul ProjektEntwicklung Werkstofftechnik, Jülich 1

2 Fünf Beispiele aus der Materialforschung 1. Vom Isolator zum organischen Metall Leitfähige Polymere 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 5. Ausgedient Von der Fernsehröhre zum Flachbildschirm 2

3 1. Vom Isolator zum organischen Metall L. Brassat, H.C. Starck 3

4 1. Vom Isolator zum organischen Metall 4

5 1. Vom Isolator zum organischen Metall 5

6 1. Vom Isolator zum organischen Metall Die intrisische elektrische Leitfähigkeit ist abhängig von der chemischen Struktur der Polymer- Morphologie und dem Dotierungsgrad L. Brassat, H.C. Starck 6

7 1. Vom Isolator zum organischen Metall Nobelpreis Chemie 2000 Intrinsisch leitfähige Polymere Heeger Die Entdeckungen wurden durch einen Wägefehler eines Mitarbeiters von Shirakawa initiiert. Anfang der 1970er Jahre suchte Hideki Shirakawa nach einer Herstellungsmethode für Polyacetylen, bei der das Verhältnis von cisund trans-isomer besser auszubalancieren ist. Durch einen Fehler beim Einwiegen des Katalysators kam die tausendfache Menge zum Einsatz. Dabei entstand ein silbrig schimmernder Polyacetylen-Film, der trotz des metallischen Aussehens kein metallischer Leiter, sondern ein Halbleiter war. MacDiarmid Shirakawa MacDiarmid lud Shirakawa zu gemeinsamen Experimenten an die Universität von Pennsylvania ein. Dort fanden sie gemeinsam heraus, dass man Shirakawas silberfarbenes trans-polyacetylen mit Iod-Dämpfen dotieren musste, um die Leitfähigkeit bis auf die Werte von Kupfer und Silber zu erhöhen. FAN/UBT 7

8 1. Vom Isolator zum organischen Metall 8

9 1. Vom Isolator zum organischen Metall Anwendung wiederaufladbare Batterie Display, "smart window" genutzter Effekt Redox-Prozess Elektrochromie Durchkontaktierung von Leiterplatinen elektrische Leitfähigkeit Sensorik elektrische Leitfähigkeit Verpackungsfolie für elektronische Bauteile elektrische Leitfähigkeit 9

10 1. Vom Isolator zum organischen Metall Die Vision: Isolator wird zum elektrischen Leiter Ein Wägefehler bei der Materialsynthese macht die Vision real TU Darmstadt Werkstofftechnik erschließt eine Vielzahl auch völlig neuartiger Anwendungen und Produkte fmf.uni-freiburg 10

11 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter J. Wosnitza, TU Dresden 11

12 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter The Nobel Prize in Physics 1987 J. Georg Bednorz K. Alex Müller J. Wosnitza, TU Dresden 12

13 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter Aktuelle Entwicklungen: Strangpresswerk auf Basis von Hochtemperatursupraleiter Magnetheizer erwärmen Aluminiumblöcke. Ihre Lebensdauer liegt bei >20 Betriebsjahren. Der Stromverbrauch wird halbiert. Die optimale, gleichmäßigere und schnellere Erwärmung der Alublöcke von innen steigert die Produktion und verringert den Ausschuss. 13

14 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter Strangpresswerk, magnetische Block-Aufheizung auf Basis von Hochtemperatursupraleiter 14

15 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter Strangpresswerk, magnetische Block-Aufheizung auf Basis von Hochtemperatursupraleiter 15

16 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter HTSL-Kabel April 30, 2008 Das Kabelsystem (138 kv, 574 MVA, 600 Meter Länge) besteht aus drei parallelen einphasigen Hochtemperatur-Supraleiter-Kabeln (HTS) und ist das weltweit erste Supraleiterkabelsystem, das in einem kommerziellen Netz auf Übertragungsspannungsebene eingesetzt wird. 16

17 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter aktueller Rekord (138 K) Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Die Vision: Supraleitung bei Raumtemperatur Goldrausch-Fieber in der Materialforschung Vision (noch) nicht realisiert. Aber beharrliche Werkstoffentwicklung öffnet die Tür für eine Vielzahl völlig neuartiger Anwendungen und Produkte J. Wosnitza, TU Dresden 17

18 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Thomas Alva Edison brachte 1879 das elektrische Licht in die Haushalte. Genius is one per cent inspiration and ninety-nine per cent perspiration. Wikepedia 18

19 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Materialforschung pur: Ingenieure im Team von Edison identifizierten die Fasern schnellwachsender tropischer Pflanzen als prinzipiell geeignet. In akribischen Testreihen wurden die Eigenschaften geprüft und nach 18 Monaten japanischer Bambus als am besten geeignet bestimmt. bakingbusiness.com 19

20 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Element Schmelzpunkt Kohlenstoff 3550 C Wolfram 3410 C Rhenium 3180 C Osmium 3045 C Tantal 2996 C Eisen 1535 C Kupfer 1083 C 20

21 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED theoret. Grenze 220 L/W topbul.com 21

22 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED 22

23 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Erste Entwicklung der LED Entdeckung der Erste OLED Entdeckung der Elektroluminiszenz Elektroluminiszenz von Polymeren erstes 11 Zoll OLED- TV-Gerät Wikepedia 23

24 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Wikepedia 24

25 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen: Wikepedia Blaue LED aus InGaN 25

26 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED OLED 1. Kathode, 2. Emitterschicht (grün) 3. Stattfindende Emission eines Photons durch Rekombination der Ladungsträger, 4. untere Lochleitungsschicht, 5. Anode Wikepedia 26

27 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium The compound is prepared by the reaction of 8-hydroxyquinoline with aluminium(iii) sources Al 3+ + C 9 H 6 NOH Al(C 9 H 6 NO) H + Al(C 9 H 6 NO) 3. Widely abbreviated Alq3 Polyphenylene vinylene Wikepedia 27

28 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Marktdurchdringung von LED-Backlights für diverse Kategorien von Bildschirmen elektroniknet.de 28

29 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED Die Glühlampe hat nach 130 Jahren weitgehend ausgedient Materialforschung und Werkstofftechnik führen zu neuartigen Lösungen und senken den Energiebedarf dramatisch Völlig neue Anwendungen werden realisiert Wikepedia 29

30 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 1969: The idea of a compact disc was born in the mind of Klass Compaan, a Dutch physicist. 1970: A glass disc prototype that was readable by laser was created by Klass Compaan and Pete Kramer at Philips. 1975: Research on laser and optical disc technology started by Sony. 1977: Philips began researching laser and optical disc technology. 1976: Demonstration of an optical digital audio disc by Sony. 1978: Sony demonstrated an advanced version of optical digital audio disc with playing time of 150 minutes. 1979: Philips launched compact disc. 30

31 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 1980: CD-DA format introduced by Philips and Sony, and standards were laid down in the Red Book. 1981: First test CD created in Hannover, Germany by the Polydor Pressing Operations plant. 1982: Manufacturing of CDs began on a large scale in a factory. 31

32 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 74 min Audio Storage Capacity complete performance of Beethoven s 9th Symphony Bayer Strohriegel/UBT 32

33 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 780 nm 650 nm 650 nm 405 nm CD DVD DVD 700 MB 4,7 GB 8,5 GB GB double/dual layer Blu-ray/ HD Lack Lack Aluminium Polycarbonat- Polycarbonat 1,2 mm Aluminium Synthese Polycarbonat Polycarbonat 780 nm 0,6 mm Lack Aluminium Polycarbona Aluminium t 0,6 mm Polycarbonat 0,6 mm 0,6 mm Strohriegel/UBT

34 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD Polycarbonat-Synthese aus dem sehr giftigen Phosgen und Bisphenol A. In einer Polykondensation entsteht ein Polycarbonat unter Abspaltung von Chlorwasserstoff (Herrmann Schnell, 1953, Bayer AG) Wikipedia 34

35 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD Geforderte Werkstoff-Eigenschaften Hohe Transparenz Optische Reinheit Niedrige Doppelbrechung Hohe Abformgenauigkeit Geringe Wasseraufnahme große Härte hohes Maß an Unzerbrechlichkeit Formstabilität muss unzersetzt schmelzbar sein möglichst preiswert. Gute Metallisierbarkeit Gute Planarität Niedrige Viskosität Kurze Zykluszeiten Bayer Materials Science 35

36 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD PC PMMA Transmission Härte Doppelbrechung Bruchfestigkeit Wasserabsorption Spritzguss Wärmeformbeständigkeit Preis Strohriegel/UBT 36

37 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 37

38 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD Synergie-Effekte 2008: Sales for large durch label 3 CDs Entwicklungen: drops due to rising popularity of MP3 Entwicklung audio. von spezifisch funktionalisiertem Polycarbonat Entwicklung der Lasertechnik zum lesen und schreiben Entwicklung der Rechen-Routine zur fehlertoleranten Umsetzung digitalisierter Daten (Reed-Solomon-Code) 38

39 Technikrevolutionen mit neuen Werkstoffen Vier Beispiele aus der Materialforschung 1. Vom Isolator zum organischen Metall Leitfähige Polymere 2. Widerstand zwecklos Hochtemperatur-Supraleiter 3. Mehr Licht Von der Glühlampe zur LED und OLED 4. Beethovens 9. Von der Schallplatte zur CD/DVD 39

40 Technikrevolutionen mit neuen Werkstoffen Vier Beispiele aus der Materialforschung System (Anwendung) Komponente Bauteil Wertschöpfungskette Wertschöpfungsanteil Halbzeug Material Technologie-Sprünge. 40

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