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Durchbruch bei der massenproduktionstauglichen Atomlagenbeschichtung

| Redakteur: Kristin Rinortner

Das niederländische Start-up SALD hat ein Verfahren entwickelt, mit dem atomdünne Schichten großflächig aufgebracht werden können. Die nun mögliche Beschichtung im industriellen Maßstab hat das Potenzial, Branchen wie E-Mobility, Solartechnik, Textilindustrie oder Verpackungsindustrie zu revolutionieren.

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SALD: Die atomdünne Beschichtung wurde in eine kompakte Maschine überführt, die sowohl für die Forschung als auch für die Produktion eingesetzt werden kann. Dabei spielt es keine Rolle, um welchen Einsatzzweckes sich handelt: Batterie, Solarpanel, OLED oder Folie.
SALD: Die atomdünne Beschichtung wurde in eine kompakte Maschine überführt, die sowohl für die Forschung als auch für die Produktion eingesetzt werden kann. Dabei spielt es keine Rolle, um welchen Einsatzzweckes sich handelt: Batterie, Solarpanel, OLED oder Folie.
(Bild: Photovoltaik Dachanlage Hannover - Schwarze Heide - Leistung 1 MW / Photovoltaik Dachanlage Hannover - Schwarze Heide - Leistung 1 MW / AleSpa / CC BY-SA 3.0 / CC BY-SA 3.0)

Das in Eindhoven ansässige niederländische Start-up Sald hat ein Verfahren entwickelt, mit dem im industriellen Maßstab Beschichtungen auf Oberflächen aufgetragen werden können, die eine einzige Atomlage betragen. Die Entwickler nennen das Verfahren „Spatial Atom Layer Deposition“ (dt. räumliche Atomlagenabscheidung), kurz SALD.

Diese Beschichtungen haben das Potenzial, zahlreiche industrielle Fertigungsprozesse und damit ganze Industriezweige zu revolutionieren. Dazu gehören die Fertigung von Solarpaneelen, Batterien für die Elektromobilität und Smartphones ebenso wie neuartige Textilien für Mode und Medizinprodukte sowie Verpackungen für die Nahrungsmittelindustrie und Konsumgüter.

So revolutionär das Beschichtungsverfahren im atomaren Maßstab ist, so gut ist es dennoch bereits erprobt, erklären die Erfinder. Sald ist als Spinn-off aus SoLayTec ausgegründet worden, einem Unternehmen, das seit 2010 SALD-Maschinen für die Massenfertigung von Solarpaneelen vor allem nach China liefert.

Diese Maschinen gelten als entscheidend dafür, dass es China gelungen ist, binnen weniger Jahre den Weltmarkt mit guten und dennoch preisgünstigen Solarpaneelen zu dominieren. Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit deutschen Fraunhofer-Instituten.

E-Autos mit Reichweiten weit über 1000 Kilometer

Für die wachsende Nachfrage nach Elektromobilität können dank Spatial ALD Autobatterien hergestellt werden, die dreimal mehr Reichweite haben und fünfmal schneller geladen werden können als die derzeit auf dem Markt befindlichen Batterien, so der Hersteller. Damit sind Reichweiten weit über 1000 km möglich und das Nachladen würde kaum 10 min dauern.

Das niederländische Start-up hat diese Technologie gemeinsam mit dem Fraunhofer-Pendant TNO (The Netherlands Organisation) entwickelt, dem nationalen Institut für angewandte Forschung in den Niederlanden. Der technische Unterschied zur heutigen Situation: Mit SALD lassen sich Festkörperbatterien herstellen, die viel bessere Eigenschaften aufweisen als die heute üblichen Flüssig-Lithiumbatterien.

Smartphones, die tagelang ohne Nachladen funktionieren

Als erstes Einsatzgebiet werden allerdings nicht Automobile angestrebt, sondern Smartwatches und Smartphones, die mit der neuen Batteriegeneration tagelang ohne Nachladen funktionieren. Die Niederländer seien bereits mit den namhaften Herstellern von Batteriezellen im Gespräch, um die industrielle Fertigung voranzutreiben, heißt es aus Firmenkreisen.

Batterien mit langer Lebensdauer, die sich schnell laden lassen, stellen in vielen Branchen den Schlüssel zur nächsten Generation dar – E-Autos und Smart Devices aller Art (Smartphones, Smartwatch, AR/VR-Brillen, Smart Home, Sensoren etc.) sind nur die gängigsten Anwendungen aus heutiger Sicht.

Techno-Textilien ermöglichen neue Mode-Trends

Es gibt zahlreiche weitere Einsatzgebiete für die Beschichtungen in der Massenproduktion. Dazu gehört beispielsweise die Textilwirtschaft. Die bislang vor allem durch modische Strömungen bestimmte Fashion-Branche kann künftig dank Atomlagenabscheidung zusätzlich durch technologie-getriebene Trends weiterentwickelt werden.

Neue Materialien ermöglichen Outfits, die man noch nie gesehen hat, mit neuartigen Eigenschaften, die dünner, haltbarer, wetterfester oder eben „einfach nur“ schicker sind.

Techno-Textilien können indes weit über Kleidung hinaus für Medizin- und Hygieneprodukte wie Verbandsmaterial, Binden, Mund-Nasen-Masken und viele weitere Anwendungsgebiete zum Einsatz gelangen.

Atomdünne und dennoch reißfeste Folien

Atomdünne und dennoch reißfeste Folienverpackungen haben das Potenzial, verschweißten Lebensmittel völlig neue Impulse zu geben. Die Niederländer arbeiten ebenfalls bereits mit den Herstellern von Folien und Verpackungsmaschinen zusammen.

Auch in der Solarbranche treibt das Start-up die Innovation voran. Durch die räumliche Atomlagenabscheidung soll sich die Effizienz von Solarzellen um 5 bis 10% steigern lassen. Damit ist diese Branche auf dem Weg, den Traum wahr zu machen, dass sich künftige Smartphones, Autos und Häuser über hocheffiziente Solarpaneele autark mit Strom versorgen können. Bis dieses Ziel erreicht ist, wird es allerdings noch einige Jahre dauern.

Wie funktioniert die räumliche Atomlagenabscheidung?

Mit der Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) lassen sich sehr dünne, gleichmäßige Schichten definierter Dicke und Zusammensetzung auf atomarer Ebene erzeugen. ALD ist vor allem für die Herstellung von Computerchips bekannt. Der Nachteil ist, dass das Verfahren langsam arbeitet; jede Schicht benötigt relativ viel Zeit. Im Jahr 2008 haben Wissenschaftler vom niederländischen TNO dafür eine Lösung entwickelt: Die Räumliche ALD (Spatial Atomic Layer Deposition, SALD). Mit dieser Technik ließ sich die Produktionsgeschwindigkeit bei gleich bleibender Beschichtungsqualität um das 5- bis 10-fache steigern.
Bei der räumlichen ALD werden durch Inertgas-Zonen getrennte, sogenannte Präkursoren kontinuierlich an verschiedenen Orten auf ein Substrat geleitet. Das Schichtwachstum erfolgt an den Stellen, die den unterschiedlichen Präkursoren ausgesetzt sind. Das Verfahren arbeitet sehr schnell und ist kompatibel mit Herstellungsverfahren wie Rolle-zu-Rolle (R2R). SALD ist vielseitig und kostengünstig in der Skalierung und kann bei Umgebungsdruck und im Freien durchgeführt werden, ohne dass die Abscheidungsrate beeinträchtigt wird.
SoLayTec entwickelt und verkauft die passenden Maschinen für die Massenproduktion von Solarpaneelen. Die räumliche ALD kombiniert mit der Fähigkeit, diese vom Labor in die Fertigung zu übertragen, bietet große Potenziale in den Wachstumsmärkten E-Mobility, Vakuumverpackungen, Solartechnik und Tech-Textilien. Aus diesem Grund wurde neben SoLayTec mit Sald ein Start-up gegründet, das diese Entwicklungen vom Labormaßstab auf die Großserienproduktion hochskalieren soll.

100 Prozent umweltfreundlich

Ob Batterien, Textilien, Verpackungen oder Solarpanel – die räumliche Atomlagenabscheidung istin allen Fällen zu 100% umweltfreundlich. Mit dem Einsatz von SALD können zahlreiche Branchen dem Ruf nach mehr Nachhaltigkeit durch eine innovative Technologie gerecht werden. So wäre beispielsweise eine reißfeste Verpackungsfolie, die sich nach Gebrauch rückstandsfrei entsorgt, eine Revolution.

„Es gilt der Grundsatz: Zukunft hat, wer sie macht“, sagt Sald-CEO Frank Verhage: „Noch vor zehn Jahren hätte sich niemand die heutigen Smartphones und Computeruhren vorstellen können. Die Autoindustrie steht exemplarisch dafür, wie Visionen, die zur Realität werden, eine ganze Branche fundamental verändern. Die räumliche Atomlagenabscheidung auf Oberflächen wird viele Branchen auf den Kopf stellen.“

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