Plasmagestützte Nanostrukturierung von ETFE-Folie

Steiner, Cindy

Für die Untersuchung der Strukturbildung auf Ethylentetrafluorethylen-Folie (ETFE) im Plasmaätzprozess wird ein Doppel-Magnetron-System als Plasmaquelle genutzt. Im Plasma gebildete negative Sauerstoffionen interagieren mit dem Polymer und führen zur Strukturierung. Durch Variation der Energiedosis im Prozess werden die Strukturbildung und die optisch entspiegelnde Wirkung der Strukturen beeinflusst. Der Zusammenhang zwischen dem Plasmaparameter „Energiedosis“, der Transmissionsänderung und den Strukturdimensionen wird dargestellt und diskutiert. Die verwendeten Charakterisierungsmethoden werden vorgestellt und bewertet. Der Einfluss der kristallinen Bereiche auf die Strukturbildung wird anhand monoaxial verstreckten ETFEs untersucht. Der Zusammenhang zwischen Strukturbildung und den kristallinen Bereichen des ETFE wird untersucht und diskutiert. Abschließend wird die Stabilität des nanostrukturierten ETFE gegenüber Witterungseinflüssen für Anwendungen im Außenbereich dargestellt.

This thesis deals with the investigation of the formation of nanostructures on ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) in a plasma etching process. The plasma source was a dual magnetron system with pulsed direct current discharge. Oxygen ions were generated in a pure oxygen plasma and were accelerated to the substrate by the electric field in the cathode sheath. The negatively charged oxygen ions interact with the ETFE surface resulting in formation of stochastic nanostructures. The first part of the thesis deals with the influence of process parameters on the formation of nanostructures. The nanostructures were characterized regarding their anti-reflective (AR) effect as well as structure size, shape and depth. The AR effect was quantified by measuring the increase in light transmittance through the treated films. Increasing the plasma intensity creates deeper structures yielding higher transmission up to a maximum. Further increase of the plasma intensity results in a reduction of transmission. The relationship between plasma intensity, change in optical transmission and structure shape and depth is discussed. Different characterization methods are used to determine geometrical properties of the nanostructures. Limitations in applicability of the methods for describing nanostructured ETFE surfaces are discussed. The orientation of crystalline areas near the polymer surface has significant influence on the formation of nanostructures. In the second part of the thesis, semi-crystalline ETFE was uniaxially stretched resulting in a changed orientation of the crystalline lamellae. The shape, size and pattern of nanostructures were different on stretched ETFE compared to cast ETFE surfaces. A detailed comparison of the dimensions of nanostructures and crystalline areas is given and discussed. Finally, application relevance of the results is demonstrated by showing different ways to enhance optical transmission of polymer webs. The plasma etching process was transferred to polyethylene terephthalate (PET) based on the findings in this thesis. The outdoor stability of a nanostructured ETFE surface is shown using an outdoor weathering test located in central Europe proving the potential of nanostructured ETFE for outdoor applications such as the encapsulation of solar cells.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Strukturbildung auf Ethylentetrafluorethylen-Folie (ETFE) in einem Plasmaätzprozess. Als Plasmaquelle wird ein Doppel-Magnetron-System mit gepulster Gleichspannung genutzt. In einer reinen Sauerstoffatmosphäre bilden sich negative Sauerstoffionen, die im Kathodenfall zum Substrat beschleunigt werden und mit diesem interagieren. Durch die Wechselwirkung mit der ETFE-Folie wird deren Oberfläche nanostrukturiert. Zunächst wird durch Variation der Energiedosis der Einfluss der Prozessparameter auf die Strukturbildung untersucht. Die Nanostrukturen werden hinsichtlich ihrer reflexionsmindernden und damit transmissionserhöhenden Wirkung sowie ihrer Strukturgrößen, -formen und -tiefen analysiert. Mit steigender Energiedosis zeigt sich ein Anstieg der Strukturtiefe. Damit verbunden steigt die Transmission bis zu einem Maximum an und fällt bei weiterer Steigerung der Energiedosis wieder ab. Der Zusammenhang zwischen der Energiedosis, der Transmissionsänderung und den Strukturdimensionen wird dargestellt und diskutiert. Die zur Analyse der Nanostrukturen genutzten Charakterisierungsmethoden werden miteinander verglichen und auf ihre Anwendbarkeit zur Beschreibung nanostrukturierter ETFE-Folie untersucht und bewertet. Weiterhin wird der Einfluss der kristallinen Bereiche auf die Strukturbildung untersucht. Dafür wird die teilkristalline ETFE-Folie monoaxial verstreckt. Die Kristalllamellen richten sich im ETFE aus. Im Plasmaätzprozess bilden sich auf den gereckten ETFE-Folien Nanostrukturen aus, die sich von denen auf ungerecktem ETFE unterscheiden. Die Dimensionen der Nanostrukturen werden in Bezug zu den Dimensionen der kristallinen Bereiche betrachtet und der Zusammenhang zwischen Strukturbildung und den kristallinen Bereichen des ETFE untersucht und diskutiert. Abschließend werden Möglichkeiten zur weiteren Erhöhung der Transmission dargestellt. Die im Rahmen der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Strukturbildung von den Plasmaparametern werden auf das Polymer Polyethylenterephthalat (PET) übertragen. Außerdem wird die Stabilität des nanostrukturierten ETFE gegenüber Witterungseinflüssen gezeigt und damit das Potenzial nanostrukturierten ETFE-Folie für Außenanwendungen wie der Verkapselung von Solarzellen dargestellt.

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Steiner, Cindy: Plasmagestützte Nanostrukturierung von ETFE-Folie. Ilmenau 2018. Universitätsverlag Ilmenau.

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