Intelligente Oberflächen (5 MB)

Studien zu Technologie und InnovationTSB Technologiestiftung Berlin

www.tsb-berlin.de

ISBN 978-3-929273-83-0

REGIOVERLAG

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Zur Autorin

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.

Dieses Projekt der TSB Technologiestiftung Berlin wird ausMitteln der Investitionsbank Berlin gefördert, kofinanziertvon der Europäischen Union, Europäischer Fonds fürRegionale Entwicklung. Investition in Ihre Zukunft!

Ines Junge

Intelligente OberflächenInnovationen aus Wissenschaft und Wirtschaft in Berlin-Brandenburg

US_TSB_Oberflächen+Klappe 13.02.2012 11:12 Uhr Seite 1

Intelligente Oberflächen

TSB_Oberflächen.indd 1TSB_Oberflächen.indd 1 10.02.12 14:1910.02.12 14:19

Studien zu Technologie und Innovation

Eine Schriftenreihe der TSB Technologiestiftung Berlinherausgegeben von Christian Hammel


Ines Junge

Intelligente OberflächenInnovationen aus Wissenschaft und Wirtschaftin Berlin-Brandenburg

REGIOVERLAG


Herausgeber

Dr. Christian Hammel

TSB Technologiestiftung Berlin

Fasanenstraße 85 · 10623 Berlin

fon +49.30.46302-500

fax +49.30.46302-444

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Lektorat Dr. Peter Ring

Übersetzung Text International GmbH, Berlin

Layout Hans Spörri

Lithos und Fotosatz typossatz GmbH Berlin

Druck 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 Mueller-

Elsner

Die Autorin weiß um die Bedeutung einer geschlechtergerechten Sprache und

befürwortet grundsätzlich den Gebrauch von Parallelformulierungen. Von

einer durchgehenden Benennung beider Geschlechter bzw. der konsequen-

ten 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


5

Inhalt

Norbert Quinkert

TSB Technologiestiftung Berlin sieht zunehmende Bedeutung der

Oberflächentechnologien für Entwicklung der regionalen Cluster 9

Zusammenfassung 11

Summary 14

1 Grundlagen 17

1.1 Fragestellung und Ziele der Studie 17

1.2 Methodischer Ansatz und Datenbasis 18

2 Politische Rahmenbedingungen 21

2.1 Nationale bzw. europäische Strategien 21

2.2 Regionale Verbünde und Netzwerke 28

2.3 Studien und Veröffentlichungen zur Querschnitttechnologie

Oberflächentechnik 28

2.4 Oberflächentechnologie im Rahmen der Innovationsstrategie

Berlin-Brandenburg 31

2.5 Schlussfolgerungen 32

3 Oberflächentechnologien in Wissenschaft

und Wirtschaft von Berlin-Brandenburg 33

3.1 Wissenschaft 33

3.2 Wirtschaft 38

3.3 Innovationsfähigkeit anhand des Patentierverhaltens 39

4 Das Technologiefeld Funktionale bzw. Intelligente

Oberflächen 41

4.1 Begriffsdefinition 41

4.2 Verknüpfte Themen 43

4.3 Oberflächen-Funktionalisierungen 46

4.4 Verfahren zur Oberflächenbehandlung 48

4.5 Anlagentechnik zur Oberflächenbehandlung 51

4.6 Oberflächen- und Schichtanalytik 51


6

5 Potenziale der Region Berlin-Brandenburg

in einzelnen Technologie- und Anwendungsfeldern 53

5.1 Branchen und Anwendungsgebiete 53

5.2 Life Science 53

5.2.1 Biokompatible und bioaktive Oberflächen 54

5.2.2 Oberflächentechnik im Tissue Engineering 70

5.2.3 Oberflächen in der Nano-Biotechnologie 76

5.2.4 Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik 88

5.2.5 Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik 102

5.3 Energietechnik 105

5.3.1 Solarthermie 105

5.3.2 Photovoltaik 108

5.3.3 Energiewandlung und -speicherung 126

5.3.4 Umwelttechnik 142

5.4 Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und

Kommunikationstechnologien 151

5.4.1 Optische Vergütung 151

5.4.2 Chromogene Dünnschichten 156

5.4.3 Lichtemission/Photonik 159

5.4.4 Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik 178

5.4.5 Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik 215

5.4.6 Funktionstextilien 229

5.5 Verkehr und Mobilität 234

5.5.1 Luft- und Raumfahrttechnik 235

5.5.2 Fahrzeugbau 242

5.5.3 Marine Technik 246

5.6 Werkstofftechnik/Chemie/Analytik 247

5.6.1 Verpackungstechnologie für die Lebensmittelindustrie 248

5.6.2 Printprodukte 252

5.6.3 Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation 254

5.6.4 Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik 292

5.7 Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E 311


7

6 Erkenntnisse und Empfehlungen 319

6.1 Aussichtsreiche Handlungsfelder in Berlin-Brandenburg 319

6.2 Maßnahmen zur Stärkung des Technologiefelds Intelligente

Oberflächen in Berlin-Brandenburg 324

Anhang

Literatur 329

Stichworte 339

Umschlag-Ausklapptafel

Anwendungen und Anwendungsziele für intelligente Oberflächen

in Berlin-Brandenburg


8


9

TSB Technologiestiftung Berlin sieht

zunehmende Bedeutung der Oberflächentechnologien

für Entwicklung der regionalen Cluster

Die Untersuchung der regionalen Kompetenzen und Potenziale bei den Ober-

flächentechnologien 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 Ober-

flächentechnologie 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 Spitzentechnolo-

gien 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 wirt-

schaftlichen 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 Forschungseinrich-

tungen 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 Regio-


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 regiona-

len Cluster weiter an Bedeutung gewinnen.

Norbert Quinkert

Vorstandsvorsitzender

TSB Technologiestiftung Berlin


11

Zusammenfassung

Oberflächentechnologien werden in nationalen wie internationalen Strategien

als wichtige Zukunftstechnologie bezeichnet. Allerdings sind Definition und

Einordnung des Technologiefelds uneinheitlich: Als Teil von Materialinnova-

tionen werden intelligente bzw. funktionale Oberflächen je nach Gewichtung

unter Materialforschung bzw. Werkstofftechnik, Nanotechnologie oder Pro-

duktionstechnologie 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 Förder-

statistiken 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 Innovations-

strategie der Länder Berlin und Brandenburg beitragen.

Es wird eine systematische Darstellung der einzelnen zur Oberflächen-

technologie gehörenden Technologien vorgenommen. Diese werden den

innovationspolitischen Clustern der Region und der Vielfalt der Oberflächen-

technologie 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 pro-

filieren 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 Unter-

nehmen (davon 79 in Berlin) sowie 19 Großunternehmen (davon 16 in

Berlin) ausschließlich oder zum Teil Forschung und Entwicklung in den

Ober flächentechnologien. Dazu kommen 66 Unternehmen, die ober-

flächen technologische Dienstleistungen anbieten ohne signifikant eigene

Forschung zu betreiben.


12

■ Etwa 2.500 industrielle Arbeitsplätze bestehen in Unternehmen, die Ober-

flächentechnik 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 – iden-

tifiziert.

■ In der Dünnschichttechnik, konkret bei Dünnschicht-Elektronik und -Mess-

technik (Sensorik), Photonik und Dünnschicht-Photovoltaik, gehört Berlin-

Brandenburg zu den führenden Regionen in Deutschland. Vergleichsweise

gut aufgestellt ist die Hauptstadtregion auch bei Bauteilbeschichtung/

Verfahrenstechnik, Oberflächen- und Schichtanalytik/Anlagentechnik,

bio kompatiblen und bioaktiven Oberflächen, Bio-Analytik und Diagnostik

sowie Nano-Biotechnologie. Hohe Forschungskompetenz bei gleichzei-

tig 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 Oberflächen-

und Schichtanalytik/Anlagentechnik, biokompatible und bioaktive Ober-

flächen sowie Energiewandlung und -speicherung werden dagegen über-

wiegend in Berlin bearbeitet.

■ Im Bereich der akademischen Aus- und Weiterbildung sind oberflächen-

technologische Inhalte breit gestreut, und zwar sowohl über die verschie-

denen natur- und ingenieurwissenschaflichen Fächer als auch über die

regionale Hochschullandschaft. Einschlägige Studiengänge werden nicht

angeboten. Im Rahmen der Studiengänge Verfahrenstechnik, Werkstoff-

technik, Physik und Chemie bestehen jedoch vielfältige Möglichkeiten zur

Vertiefung des Themas Oberflächen. Von Nachwuchssorgen bzw. Fach-

kräftemangel berichten einige Akteure in den Oberflächentechnologien,

dem insbesondere bei hochspezialisierten Anforderungen mit dem Heran-

ziehen 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 regio-

nalen Cluster sowie die Schaffung von Arbeitsplätzen in Industrie und indust-

rienahen Dienstleistungen, voranzutreiben. Die stärkere Bekanntmachung und

Vernetzung der über eine Vielzahl von Branchen und Wissenschaftsdisziplinen

verteilten Kompetenzen erscheint als geeignetes Mittel, Kooperationspotenziale

zu mobilisieren.


13

Kernempfehlungen zur Weiterentwicklung der Kompetenzen in Berlin und

Brandenburg sind

■ die verstärkte Verbreitung von Informationen über die regionalen Kompe-

tenzen in den Oberflächentechnologien mit dem Ziel, die interdisziplinäre

Vernetzung innerhalb der Forschungslandschaft sowie zwischen Wissen-

schaft und Wirtschaft zu erhöhen,

■ das Aufgreifen der Oberflächentechnologien durch Intermediäre, im Tech-

nologietransfer und in den Clustermanagements mit dem Ziel, (Verbund-)

Projekte zu initiieren und dadurch die Cluster und die vom Berliner Master-

plan Industrie adressierten Branchen zu stärken,

■ die verstärkte Einbeziehung der Kreativbranche zur Entwicklung von An -

wendungsszenarien für neue Oberflächentechnologien und darauf basie-

rende Oberflächeneigenschaften,

■ die Verbesserung des Zugangs zu oberflächentechnologischen Erkennt-

nissen und Entwicklungen, beispielsweise durch Gründung einer ›Ober-

flächenbibliothek‹,

■ das Offenhalten von Förderprogrammen für Forschung und Entwicklung in

Querschnittsgebieten wie Oberflächentechnik.


14

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 vari-

ously 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 inno-

vation strategy.

The individual technologies associated with surface technology will be

systematically investigated. These technologies will be assigned to the inno-

vation-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-Branden-

burg 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.


15

■ 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, com-

panies and networks – were identified.

■ Berlin-Brandenburg is one of the leading regions in Germany for thin-

film technology – more specifically, thin-film electronics and measuring

systems (sensor systems), photonics and thin-film photovoltaic engineer-

ing. 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 com-

petence, 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 engineer-

ing, biocompatible and bioactive surfaces and energy conversion/storage

are focused primarily in Berlin.

■ In academic education and training, there is a wide distribution of sur-

face-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-genera-

tion 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 strat-

egy. 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 exper-

tise in surface technologies, with the aim of increasing interdisciplinary

networking within the research environment and between science and

industry.


16

■ 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 develop-

ments, for example by establishing a ›Surface Library‹.

■ Retaining support programmes open for research and development in sur-

face technology and other cross-disciplinary fields.


17

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 oberflächentechno-

logi schen Kompetenz in der Region Berlin-Brandenburg und die Ermittlung

ihres Potenzials. Die Studie fungiert zum einen als Informationsquelle (Orien-

tierungswissen) und zum anderen, ohne dabei einen Foresight-Ansatz (Vor-

hersage 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-Aktivitä-

ten im Technologiefeld.

Voraussetzung für die koordinierte Behandlung der vorhandenen Exper-

tise ist eine möglichst breite Erfassung der entsprechenden F&E-Tätigkeiten

in Berlin und Brandenburg. Dies wird dadurch erschwert, dass keine allge-

meingültige Abgrenzung des Technologiefelds ›Oberflächen‹ existiert: Ober-

flächentechnologische 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 initia-

len 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 Themen-

gebiet 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 Betrachtun-

gen, die den Bereich der Gebrauchstechnologie bzw. das zugehörige Dienst-

leistungsgewerbe einschließen und quantitative Untersuchungen erfordern,

werden lediglich punktuell angestellt. Die Arbeitsdefinition umfasst F&E an

Oberflächenphänomenen (Grundlagenforschung), Oberflächenfunktionalisie-

rungen (angewandte Forschung), innovative Verfahren zur Herstellung (Ober-

flächenbehandlung, 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 zuge-

ordnet sowie deren Bedürfnisse und Vernetzungsgrad analysiert (Kapitel 5).

Damit können Wachstumsfelder innerhalb der Oberflächen- und Schicht-


18

2

Vgl. Lichtenthaler, Eckhard (2008),

S. 9 f.

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 erforder-

lichen 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 Outside-

In-Perspektive (sogenanntes Scanning) muss oft auf Quellen zurückgegriffen

werden, die einen Überblick über einzelne Themenbereiche zulassen. In bisher

un bekannten 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 In -

novationsverhalten 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 standardisier-

ten Befragung größeren ›Natürlichkeit‹ der Interviewsituation wesentlich

authentischere Informationen gewonnen werden können.

Das individuelle Expertengespräch wurde wegen des vertretbaren Zeitauf-

wandes (geringer Vorlauf, sukzessive Wissensakquise) gegenüber einem Exper-

ten-Workshop bevorzugt. Dabei wurden die angemeldeten Interviews durch

spontane Gespräche am Rand von Fachveranstaltungen mit Vorträgen von Wis-

senschaftlern und Unternehmern ergänzt. Durch die aufeinanderfolgenden,

mit mehreren Akteuren durchgeführten Befragungen konnten Erkenntnisse aus


19

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 behan-

deln.‹ 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 vorhan-

dene Expertenwissen voll ausgeschöpft wird. Ein Leitfadeninterview mit ent-

sprechend offener Gestaltung stellt hohe Ansprüche an die Kompetenz des

Interviewers, an dessen Geschick und Verantwortung es liegt, relevante Infor-

mationen 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 Novem-

ber 2010 und Juni 2011 85 ausführliche Interviews und punktuelle Gespräche

mit Kompetenzträgern aus Wissenschaft, Wirtschaft sowie Verbänden/Initiati-

ven geführt worden (Tabelle 1).

D ie 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 Einzel-

fallanalyse verallgemeinerte Aussagen und eine Typisierung, wie sie für die

Formulierung von Thesen, die Potenzialbeschreibung der Technologie und

die Formulierung von Handlungsempfehlungen benötigt werden. Die Dar-

stellung 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 Veröf-

fentlichung der Studie dar und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Tabelle 1: Zahl der Experten gespräche nach Zielgruppen und Regionen

Zielgruppe Berlin Brandenburg andere Stand orte

Insgesamt

Wissenschaft 22 7 18 47

Wirtschaft 18 1 7 26

Intermediäre 9 1 2 12

Insgesamt 49 9 27 85


20

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.


21

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 europäi sche Fördereinrichtungen evaluieren Forschung

und Entwicklung in den jeweiligen Sparten und richten diese strategisch aus

(Forschungsprogramme, Förderrankings). Oberflächen- und Schichttechnolo-

gien tauchen dabei unter verschiedenen anderen Technologiefeldern auf, etwa

unter Werkstofftechnologie, Nanotechnologie oder Ressourcen- und Materia-

leffizienz.

■ In der Hightech-Strategie für Deutschland 2006 wird gefordert, die Nano-

technologie-Forschung und -Entwicklung im Hinblick auf Nanomateria-

lien, Systemintegration und Produktionstechnik (z. B. Photovoltaik, Lack-

produktion) auszubauen, die Anwendung insbesondere im Umwelt- und

Ressourcenschutz zu forcieren und in bisher unbeteiligten Branchen (z. B.

Textilgüter-, Investitionsgüter- oder Bauindustrie) Produkt- und Verfah-

rensentwicklungen anzustoßen.1

Zur Beschleunigung der Entwicklung in den Werkstoffwissenschaften sollen

Simulation und Entwurf von maßgeschneiderten Werkstoffen, Verarbei-

tungstechnologien und Bauteileigenschaften mit informationstechnischer

Hilfe ausgebaut werden. Den Leistungsgrenzen bei Miniaturisierung und

Funktionsintegration in der Mikroelektronik soll mit neuen hochintegrier-

ten, multifunktionellen Elektronikwerkstoffen (unter anderem elektro-

aktive und photokatalytische Oberflächen) begegnet werden. Dadurch

könnten Innovation und Umweltschutz gleichzeitig erreicht bzw. win-win-

Situationen erzeugt werden.2

■ Auch in der Hightech-Strategie Deutschland 2020 3 werden Werkstofftech-

nologie 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-Initiative-

Aktionsplan 2010. Darin werden geförderte Leitinnovationen beschrieben,

beispielsweise ›NanoMikroChem‹ als strategische Forschungskooperation

zwischen chemischer Industrie sowie der Energie- und Mikroprozesstech-

nik für Nanoschichten und -werkstoffe mit sicherheitsrelevantem Aspekt.4


22

5

BMBF, Referat Schlüsseltechnologien;

Strategie und Grundsatzfragen (Hrsg.)

(2010).

6

BMBF, Referat Publikationen; Internet-

redaktion (Hrsg.) (2004), S. 14.

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 Innovati-

onen für eine ressourceneffiziente Produktion (Bereich Produktionssysteme

und Fertigungstechnologien), wurden vom BMBF Funktionale Oberflächen

als Themenschwerpunkt für die Suche nach und im Wettbewerb um Pro-

jektideen 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 kataly-

tische 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 Kom-

pe tenz karte, aus der die vorhandenen Kapazitäten (universitäre und

außer universitäre Forschungseinrichtungen, Unternehmen) in den Feldern

›Ultra dünne Schichten‹ und ›Ultrapräzise Bearbeitung von Oberflächen‹

in Berlin und Brandenburg hervorgehen (Abbildung 1).6 Auch der

Kompetenz atlas 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.werkstoff-

technologien.de, Teil der Hightech-Strategie Deutschland) mit möglicher

Recherchefilterung nach Werkstoffklassen oder Technologien (von beson-

derem Interesse ›Oberflächen und Schichttechnik‹) liefert dagegen weniger

und kaum aktualisierte Ergebnisse.

■ Das Förderranking 2009 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

vermitt elt Informationen zur regionalen Verteilung von Bundes-, EU- und

DFG-Förderung sowie zu den zugehörigen thematischen Profilen und

Kooperationsbeziehungen. Bei der Projektförderung des Bundes als Mate-

rialforschung, physikalische und chemische Technologien, bei der Förderung

im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm als Nanotechnologien, multifunk-

tionelle Werkstoffe, neue Produktionsverfahren und -anlagen bezeichnet,

und bei der DFG-Bewilligung nach natur- und ingenieurwissenschaft lichen

Fächern gegliedert, lassen sich jeweils Werkstoffentwicklungen und deren

Fördervolumen regional aufgeschlüsselt bzw. auf einer Fächerlandkarte

ermitteln (Abbildungen 2 bis 5).


23

7

BMBF, Referat Öffentlichkeitsarbeit (Hrsg.)

(2007), S. 7.

8

Vgl. Rainfurth, Claudia (2008); European

Commission (2011).

■ Auch im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm für den Zeitr aum 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 gene-

ration‹, ›Photocatalytic materials for depollution‹, aber auch zu Inte gration

und Vernetzung innerhalb der Materialwissenschaften, zum Beispiel mit

der Kreativbranche (›Novel materials and design-based solutions for the

creative industry‹).8

Abbildung 1: Netzwerke und Einrichtungen der Nano technologie

Quelle: BMBF, 2004.


24

Abbildung 2: Projektförderung des Bundes

Quelle: DFG, 2009.


25

Abbildung 3: Förderung im 6. EU-Forschungsrahmenprogramm

Quelle: DFG, 2009.


26

Abbildung 4: Fächerlandkarte für Naturwissenschaften auf Basis von DFG -Bewilligungen

Quelle: DFG, 2009.


27

Abbildung 5: Fächerlandkarte für Ingenieurwissenschaften auf Basis von DFG -Bewilligungen

Quelle: DFG, 2009.


28

9

BMBF, Referat Regionale Innovations-

initiativen; Neue Länder (2009).

10

Oertel, Hans-Werner (2011).

11

Landesentwicklungsgesellschaft

Thüringen (2011).

2.2 Regionale Verbünde und Netzwerke

In einigen Bundesländern und Regionen Deutschlands existieren zur Ober-

flächentechnik bzw. zu den Materialwissenschaften mit einem Schwerpunkt

funktionale Oberflächen oder ähnlichem Forschungsverbünde bzw. Netz-

werke/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 Norddeutsch-

land,

■ 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 (Ostsach-

sen).

In weiteren Regionen gibt es Bestrebungen, Kompetenzen in der Oberflächen-

technik 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 Ober-

flächenbeschichtungen 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, bio-

logische 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 Oberflä-

chen- und Schichttechnologien auf Landesebene hat soweit bekannt lediglich

Thüringen vorgenommen.11 Auch hier besteht ein starker Bezug zur Nanotech-

nologie.


29

12

VDI Technologiezentrum GmbH (2000);

VDI Technologiezentrum GmbH (2002).

Verschiedene Publikationen zu Oberflächentechnologien ohne regionalen

Bezug aus dem Zeitraum zwischen 1997 und 2010 wurden zum Vergleich her-

angezogen:

■ Aus der Publikation Ifo Studien zur Innovationsforschung – Evaluation des

Förderschwerpunktes Oberflächen- und Schichttechnologien (1997) gehen

technischer Stand und Innovationspotenzial, Verbreitung sowie Markt-

struktur der Oberflächen- und Schichttechnologien (OSTec) in der deutschen

Industrie hervor. Dabei beschränken sich OSTec auf plasma-, vakuum-,

ionen- und laserunterstützte Verfahren, das Anwendungsfeld Mikroelek-

tronik ist kein Bestandteil der Studie.

■ Mit einer Schriftenreihe im Auftrag und mit Unterstützung des BMBF

widmete sich das VDI Technologiezentrum einer Informations-, Qualifi-

zierungs- und Normungsinitiative Oberflächentechnik (2000–2002).12

Über Befragungen von produzierenden Unternehmen wurden eingesetzte

Verfahren, Schichtmaterialien, Oberflächenfunktionalitäten und Anwen-

derbranchen 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-

Quelle: Statistisches Bundesamt. DFO, 2006.

Galvanisieren26,0

sonstigeVerfahren(i. W. mecha-nischeBearbeitung)19,0

Wärmebehandlung13,0

Vakuum-verdampfung5,0

Eloxieren8,0

sonstigemetallischeÜberzüge11,0

Lackieren12,0

nichtmetallischeÜberzüge6,0

Abbildung 6: Anteile verschiedener Verfahren an der Oberflächen-

veredelung (in Prozent)


30

13

Roths, Klaus und Gochermann, Josef

(2006).

14

Ohne dass der Mehrwert für einzelne

Produkte durch Oberfl ächentechnik

(Schutzfunktionen wie Korrosions-

schutz) eingerechnet wäre.

15

Fraunhofer Gesellschaft (2008).

5

4

3

2

1

0

Mrd. EUR

Quelle: FERI. DFO, 2006.

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Abbildung 7: Entwicklung der Umsätze in der Oberflächenveredelung

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 deutschland-

weit). 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 Investi-

tionsgütern 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 Produk-

tionstechnik zur Erzeugung funktionaler Oberflächen an.15 Ermittelt wurde

der Forschungs- und Handlungsbedarf, eingeteilt in die Handlungsfelder

›Energie- und Ressourceneffizienz in Prozess und Produkt‹, ›Fertigungsin-

tegrierte Erzeugung funktionaler Oberflächen‹ und ›Produktionstechnologie

mit Hochleistungsprozessen‹ (inkl. Modellierung/Simulation und Prozess-

kontrolle/Analytik). Über eine Befragung von produzierenden Unterneh-

men wurden Relevanz (auch Reifegrad) und Bedarf an verschiedenen

Oberflächentechnologien (Verfahren) bestimmt sowie Defizite in der Werk-

stoffentwicklung sowie Relevanz, Reifegrad und Entwicklungsbedarf der

Schichtfunktionalitäten ermittelt.


31

16

Wietschel, Martin (2010).

Quelle: ZAB ZukunftsAgentur Brandenburg, 2011.

Abbildung 8: Übersicht der Cluster und Querschnitts themen in Anlehnung

an die Innovationsstrategie innoBB

■ 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 energie effizienter

Oberflächentechnik; außerdem wurden Entwicklungshemmnisse und

Relevanz öffentlicher Forschungsförderung unter dem Aspekt technischer

und wirtschaftlicher F&E-Risiken bewertet.

2.4 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 Ober-

flächen auch Smart Materials, Leichtbau sowie Be- und Verarbeitungstech-

nologien 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 darge-

stellt.


32

2.5 Schlussfolgerungen

Die Oberflächentechnik ist in diversen nationalen und internationalen Stra-

tegien als wichtige Zukunftstechnologie genannt. Allerdings wird die Ober-

flächentechnik 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 Förder statistiken

lassen sich hinreichend aussagekräftige Grundlagen für eine regionale Stra-

tegie nic ht ableiten, da die Förderschwerpunkte bzw. -programme so stark

diver gieren und sich überlappen, dass kein Gesamtbild gewonnen werden

kann. Die vorliegende Studie will diese Lücke zumindest für die Region Berlin-

Brandenburg schließen und damit zur Fundierung der regionalen Innovations-

strategie beitragen.


33

1

Vgl. ZAB (2011).

3 Oberflächentechnologien in Wissenschaft

und Wirtschaft von Berlin-Brandenburg

3.1 Wissenschaft

Forschungseinrichtungen

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 wissen-

schaftliche Einrichtungen und Institute: sieben Universitäten, 21 Hochschulen

sowie mehr als 250 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, unter ande-

rem Forschungseinrichtungen des Bundes.1

Über Kompetenzen in der oberflächenrelevanten Forschung und Entwick-

lung verfügen sechs (Berlin vier) Universitäten, sieben (Berlin drei) Hoch-

schulen und 25 (Berlin 17) Forschungsinstitute, insgesamt also 38 (Berlin 24)

wissenschaft liche 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 verbun-

den. 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 funk tionalen Oberflächen dargestellt.

Mathematische, informationstechnische und gesellschaftswissenschaft liche

Begleitforschung zu Material- und Oberflächeninnovationen werden soweit

Übersicht 1: Wissenschaftliche Einrichtungen mit Bezug zu Oberflächen-

technologien in Berlin

Einrichtung Homepage

Beuth Hochschule für Technik Berlin

Chemische und Pharmazeutische Technologie | Medizinphysik/Labor ›Optik und Lasertechnik‹ | Labor Verpackungstechnik | Center of Food Packaging | Lebensmit-telmikrobiologie: 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


34


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


35


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 Werkstoffwissen-schaften und technologien | Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-System-technologien | 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 Nanotechno-logien 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 Oberflächen-

technologien in Brandenburg


Brandenburgische Technische Universität Cottbus BTU

Institut für Physik und Chemie | Architektur | Institut Werkstoffe und Produktions-forschung

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/


36

2

Amt für Statistik Berlin Brandenburg

(Hrsg.) (2011a); Amt für Statistik Berlin

Brandenburg (Hrsg.) (2011b).

vorhanden erwähnt. Um inhaltliche Zusammenhänge bei gegebener Themen-

spezifik zu wahren, sind einige Doppelungen in der Darstellung nicht zu ver-

meiden.

Wissenschaftliche Ausbildung

Im Wintersemester 2010/2011 waren in Berlin gut 143.000 und in Brandenburg

annähernd 51.000 Studierende an Universitäten und Hochschulen immatri-

kuliert.2 Einschlägige Studiengänge zum Thema Oberflächen- und Schichttech-

nologien werden jedoch in der Hauptstadtregion nicht angeboten. Das gilt auch


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/Metallogra-phie

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/einrichtun-gen/de/pantarhei/

Technische Hochschule Wildau

Fachgruppe Physikalische Technik | AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnolo-gien | 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/


37

3

›... studieren künftige Oberfl ächen-

Ingenieure und -Ingenieurinnen zu

etwa 90 Prozent Fertigungs- oder

Verfahrenstechnik bzw. Industrial

Engineering, vorrangig an einer Fach-

hochschule‹, 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 Master-

studiengang ›Angewandte Oberflächen- und Materialwissenschaften‹ genannt

(Übersicht 3).

Oberflächen- und beschichtungsrelevante Studienrichtungen (Vertiefun-

gen) finden sich in Berlin und Brandenburg wie deutschlandweit in Studien-

gängen wie Fertigungs-/Verfahrens-/Produktionstechnik3, Werkstoffkunde/-

technik/-wissenschaften/Materialwissenschaften oder Chemie (zum Beispiel

mit Schwerpunkt Elektrochemie) bzw. Chemieingenieurwesen.

Übersicht 3: Akademische Ausbildung (Bachelor/Master, Promotion )

in Oberflächentechnologie an deutschen Hochschulen

Einrichtung Studiengang Vertiefung(en) Abschluss Semester

Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Technologie der Funktions-werkstoffe

B. Sc., M. Sc., Promotion

6, 43 Jahre

TU Chemnitz Maschinenbau Werkstoff- und Oberflächentechnik

B. Sc. 6

Fachhochschule Gelsenkirchen, Bocholt, Recklinghausen

Nano- und Materialwissen-schaften

Oberflächen und nanoskalige Funktions-materialien

B. Sc. 6

Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft (HTW)

Oberflächen- und Werkstoff-technik

B. Eng. 7

Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft (HTW) in Kooperation mit Hochschule Esslingen

Angewandte Oberflächen- und Materialwissenschaften

M. Eng. 3

Hochschule Hof Systemwerkstoffe (ehem. Dipl.studiengang Werkstoff- und Oberflächentechnik)

OberflächentechnikKunststofftechnik

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 Oberflächentech-nologien

M. Eng. 3

TU Ilmenau (mit ZVO gemeinsam getragen)

Einzurichtender Master-studiengang ›Elektrochemie und Galvanotechnik‹1

Master Akad. o. berufs-begl.

1 König, Uwe (2010).


38

4

Berlin Partner GmbH (2011).

5

ZVO (2011).

Sowohl naturwissenschaftliche als auch ingenieurwissenschaftliche Fächer

bie ten in den Studienrichtungen oder als Teilgebiet verschiedener Studien-

gänge entsprechende Lehrinhalte:

■ Biologie, Biochemie, Biotechnologie, Bioverfahrenstechnik,

■ Organische (Polymer-), Anorganische, Technische, Physikalische und Fest-

körper-Chemie,

■ (Angewandte) Physik, Physik Weicher Materie (Soft Matter), Biophysik, Phy-

sikalische Technik,

■ Mikro(system)technik, Feinwerktechnik,

■ Halbleitertechnologien, Dünnschichttechnologien, Kristallzüchtung,

■ Fertigungstechnik, Beschichtungstechnik, Fügetechnik (Oberflächenvorbe-

handlung),

■ 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 beschichtungstechnologi-

sche 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 mittelstän-

dische 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 Betriebs-

größenstruktur 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 Einrich-

tungen und schnelleren Entwicklungsdurchsatz kompensiert.

Unternehmen, die sich ausschließlich (Anbieter) oder teilweise (Abneh-

mer) mit Oberflächentechnologien befassen, lassen sich wie folgt klassifizie-

ren:

■ Anbieter oberflächentechnologischer Dienstleistungen (Lohnbetriebe),

■ Hersteller von Anlagen der Oberflächentechnik inkl. Labor- und Messge-

rätehersteller für die Oberflächen- und Materialanalytik,


39

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 Credit-

reform Marketingdatenbank ermittelt

werden konnten.

■ Zulieferer/F&E-Einrichtungen, forschend und entwickelnd, Kleinserien und

Spezialaufträge in Lohnauftrag nehmend und/oder beratend tätige Anbie-

ter,

■ Nutzer oberflächentechnologischer Leistungen (Anwenderfirmen),

■ Inhouse-Lösung oder Zukauf oberflächentechnologischer Leistungen

(Fremd bezug),6

■ Kombinationen von zwei oder mehr Kompetenzen in der Oberflächentech-

nologie:

– 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 mit-

telständische 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 einge-

schlossen), davon rund 1.000 in Großunternehmen. Weitere 25.000 Arbeits-

plätze sind in Unternehmen vorhanden, für die Oberflächentechnologien rele-

vant sind, davon 17.000 in Großunterneh-men.8

Im Kapitel Potenziale der Region Berlin-Brandenburg in einzelnen Techno-

logie- und Anwendungsfelder werden die wirtschaftlichen und wissenschaft-

l ichen Kompetenzen in der Region themenspezifisch aufgearbeitet.

3.3 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 Sonder-

auswertung der Patentstatistik bedürfte) nicht zufriedenstellend ermittelt wer-

den. 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 Ober flächen-

bzw. Beschichtungsbezug, im Mittel also rund 150 erteilte Patente jähr-

lich.


40

9

Vgl. Wirtschaftswunder Berlin-Bran-

denburg (2010).

10

DPMA (2011), S. 3.

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 ober-

flächen- 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 Auswer-

tung und eines unvertretbar großen Aufwands im Falle einer Einzelsichtung

der Patente wurde das Patentierverhalten der Region in den Oberflächentech-

nologien über die hier vorgelegte Schätzung hinaus nicht vertiefend unter-

sucht.


41

1

Suppa, Manfred und Kollasa, Michael,

S. 5.

4 Das Technologiefeld Funktionale bzw. Intelligente

Oberflächen

4.1 Begriffsdefinition

Als Oberfläche wird die äußere Grenzfläche eines Werkst ücks/Gegenstands

zu seinem Umgebungsmedium bezeichnet. Sie ist begr ifflich eine Teilmenge

von Grenzflächen, die jegliche Grenze zwischen wohlunterscheidbaren Pha-

sen (Stoffen, Medien) darstellt. Mit dem Attribut ›funktional‹ oder ›intelligent‹

werden diejenigen Oberflächen bezeichnet, die einen Unterschied der Ober-

fläche 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 Grundwerk-

stoff) erreicht.

Derartige Strukturgrößen bewegen sich zwischen wenigen nm und weni-

gen 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 Schich-

ten häufig nur dann als dünn, wenn sie weniger als ein µm Schichtdicke

Abbildung 9: Tiefenbereiche an Oberflächen

Quelle: Dzur, Birger (2007); Original aus: Pritzlaff, Dieter und Lautner, Volker (1997), S. 16.


42

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).

auf weisen. 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 implemen-

tiert wird.2

Die funktionale Oberfläche ›emanzipiert‹ sich förmlich vom Material. Als

Kontaktfläche zur Außenwelt kann sie die Beanspruchung en, die vielfach an

dieser Grenzfläche wechselseitig wirken, aufnehmen oder ihnen entspre-

chend 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 Werk-

stoffaspekte 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 Werk-

stoffe benennen:

■ Funktionswerkstoff (Nebenfunktion) auf (in/um) einem Grundwerkstoff

(Hauptfunktion),

■ Funktionswerkstoff (Hauptfunktion) auf einem Trägerwerkstoff (Neben-

funktion), 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 aus machen. Das

Spektrum an Funktionswerkstoffen reicht von anorganischen über organische

(Lacke, organische Moleküle mit funktionellen Gruppen, Weiche Materie) bis

zu hybriden Werkstoffen und Werkstoffverbünden/-mischungen (Metall-

legierungen, Kunststoff-Blends).5

Komplexere Eigenschaftsprofile als beim monolithischen Werkstoff las-

sen sich durch schichtweise aufgebaute Funktionswerkstoffe (oder Bauteile)

bzw. Eigenschaftsgradienten (in Schichten oder Randzonen) erreichen.6 Die

Beschichtungssysteme (Abbildung 10) reichen von Hart-/Weich-Kombinatio-

nen über gradierte und Mehrlagenbeschichtung bzw. Superlattice bis zu nano-

skaligen Verbünden. In jedem Falle bietet die gezielte Oberflächenbehandlung


43

Chancen für ein effektives Materialdesign, denn Beschichtungen und Ober-

flächenveredelungen 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 ko mmen die Be- und Verarbeitungstechnologien von Bauteiloberflä-

chen und Schichtmaterialien (Anlagentechnik, Verfahrenstechnik) – gemein-

hin als klassische Oberflächentechnik bezeichnet. Die einzelnen Richtungen der

Werkstoffwissenschaften (Polymer-, Metall-, Keramikforschung, Hochdurch-

satz- 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 Ober-

flächenphänomene einen wesentlichen Teil der Forschungsbemühungen aus.

Mit der Thematik verknüpft sind schließlich Querschnittsthemen wie Energie-

und Ressourceneffizienz oder Nachhaltigkeit (Substitution von Gefahrstoffen,

Recycling). Überlappungen gibt es hier mit den Clean Technologies, in denen

sich oberflächentechnologische Fragestellungen mit Nutzen für die Energie-

und Umwelttechnik widerspiegeln (Übersicht 4).

Abbildung 10: Beschichtungssysteme

Substrat

Quelle: Bertling, Jürgen und Rechberger, Marcus (2011), S. 18.


44

7

Bullinger, Hans-Jörg (Hrsg.) (2006),

S. 42.

Materialentwicklungen kommen kaum ohne naturwissenschaftliche Grund-

lagenforschung zur Synthetisierung, Formulierung und Adaption von Werk-

stoffen zustande. Zum Grundlagenverständ nis, insbesondere bei der Entwick-

lung 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 Dimen-

sion 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 Nano-

technologie spricht man von geometrischen Basisstrukturen, die null- (punkt-

förmig), ein- (linienförmig) oder zweidimensional (flächenförmig) sind.7

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.

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.

Übersicht 5: Klassifizierungsansätze für Nanomaterialien

Übersicht 4: Wissensgebiete in den Clean Technologies*


45

8

Bachmann, Gerd (2007), S. 10.

9

Deutsche Messe AG Hannover (2010).

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. Schicht-

technologien ist offensichtlich, aber nicht zwingend exklusiv, keines der bei-

den Gebiete ist also eine echte Teilmenge des anderen (Abbildung 11). ›In der

überwiegenden Zahl der konkreten Einsatzfälle ist »nano« heute Oberflächen-

technologie.‹9

Etabliert hat sich der Querschnittscharakter des Themas Oberflächen, das

verschiedenste Branchen und Wertschöpfungsketten verbindet und mög-

lichst Synergien hervorbringen soll. Die For schung zielt derzeit vor allem auf

Oberflächen- undBeschichtungstechnologie

(nm- bis mm-skalig)

Nano-Robotik, Positionier-

und Messsysteme,

Nano-Fluidik, Nano-

drähte und -röhren

Nanopartikel,

-drähte, -röhren

Nano-Dispersionen

"Vehikel""Mechanik"

Min

iatu

risie

rung

,

Dünn

schi

chtte

chni

k

Nan

otec

hnol

ogie

Verkapselung, Nano-

Composite-Schichten

Nanostruktur der Oberflächenm-dünne Schichten

Mikro- und Makrostruktur der Oberflächeµm- bis mm-dicke Schichten

Abbildung 11: Überschneidung von Nanotechnologie und Oberflächen/

Beschichtungstechnologie

Quelle: Eigene Darstellung basierend auf: Wilden, Johannes et al. (2006), S. 5.


46

10

Gilt sinngemäß wie für Smart Materials:

VDI-TZ Internetagentur Düsseldorf

(2010b).

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 insbe-

sondere Benutzeroberflächen für Computeranwendungen oder auf die künst-

lerisch-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. Pro-

duktfunktionen 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 biolo-

gischer, chemischer, physikalischer, optischer, thermischer, elektrischer oder

sonstiger Art (Übersicht 6). Die bewusste Implementierung einer oder mehre-

rer Funktionen der Oberfläche kann als Funktionalisierung bezeichnet werden

und spiegelt die Zielsetzung jedweder oberflächentechnischen Maßnahme

wider.

Grenzflächenwechselwirkung

Biologisch – Kompatibilität/HaftungChemisch – Bindung/KatalysePhysikalisch – Anziehung/Berührung/Haftung/EnergiewandlungOptisch – Transmission/AbsorptionThermisch – AbsorptionElektrisch – Leitung

Barrierefunktion

Biologisch – Binde-/AnhafthemmungChemisch – Vermeidung von Reaktionen/BindungenPhysikalisch – Vermeidung von Diffusion/Berührung/ReibungOptisch – Reflexion/StreuungThermisch – Isolation/StrahlungsreflexionElektrisch/magnetisch – Abschirmung)

Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Bullinger, Hans-Jörg (Hrsg.) (2006), S. 46.

Übersicht 6: Kategorien d er Grenzflächenwechselwirkung bzw. Barriere-

funktion


47

Biol

ogisc

h BiokompatibilitätBesiedelbarkeit, ZelladhäsionSpezifische Bindung oder AbstoßungMimetik (zum Beispiel Virenimitation)

Wirkstoffdepot (organisch)KeimhemmungHemmung von Inkrustierung

Chem

isch Korrosionsschutz

Chemikalienresistenz, Eignung pH-UmgebungSpezifische chem. BindungKatalytische Eigenschaft

Permeabilität (Membran), FiltereigenschaftWirkstoffabgabe (anorg./technisch)Flammschutz-/Brandschutzeigenschaft

Elek

trisc

h Leitfähigkeit, SupraleitungIsolierung, SuperisolationAnti-Statik (stat. Aufladung), PolaritätHalbleiter, mikrotechn. Funktionalität

Magnetische/Elektret-EigenschaftInformationsspeicherung (inkl. Sicherheitsmerkmale)Energiegewinnung/Stromerzeugung, Energiespeicherung

Ther

misc

h Hitze-/Kälteresistenz, HochtemperaturschutzWärmedämmung/thermische IsolationHeizbarkeit , Wärmespeicherung

Optis

ch

Transmission (Transparenz), RefraktionReflexion (Verspiegelung, Totalreflexion – Schichtwellen-leiter, Antireflex/Anti-Fingerprint)Lumineszenz, FluoreszenzDekoration (Mattierung/Glanz)

Farbgebung, DünnschichtinterferenzUV-BeständigkeitPhotochemische StrukturierungInformationsspeicherung (inkl. Sicherheitsmerkmale)

Stof

flich

/Trib

olog

isch/

Mec

hani

sch Diffusionssperre/Barrierewirkung

Oberflächenaktivierung (Benetzbarkeit): Hydrophilie/Hydrophobie, Anti-Fog, Anti-BeschlagGefrierbeständigkeit/EnteisungOleophilie/OleophobieSelbstreinigung: LotuseffektSelbstreinigung: PhotokatalyseEasy-to-clean (ETC)Geruchs-/SchadstoffadsorptionVerschleiß-/Abriebfestigkeit

Reibungsarmut, TrockenschmierungStrömungsoptimierungAdhäsion: Antihaftverhalten, Haftvermittlung, TraktionKratzresistenzHärte, SchlagfestigkeitOberflächenrauheit, AbdruckgenauigkeitHaptikWitterungsbeständigkeit

Akus

tisch Schalldämpfung

Schallerzeugung/-leitung

Sens

orisc

h Sensorik biologischer ParameterSensorik chemischer ParameterSensorik elektrischer/magnetischer ParameterSensorik thermischer Parameter

Sensorik optischer ParameterSensorik mechanischer Parameter/Berührungs-empfindlichkeitSensorik akustischer Parameter

Scha

ltbar

Biologisch gesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit biologischer ParameterChemisch gesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit chemischer ParameterElektr./magn. Schaltbarkeit/Schaltbarkeit elektr./magn. ParameterTemperaturgesteuerte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit thermischer Parameter

Opt. gest. Schaltbarkeit/Schaltbark. optischer ParameterStoffbasierte Schaltbarkeit/Schaltbarkeit stofflicher ParameterTribolog./mechan. Schaltbarkeit/Schaltbarkeit tribolog./mechan. ParameterAkustische Schaltbarkeit/Schaltbarkeit akustischer Parameter

Übersicht 7: Oberflächenfunktionalitäten/-funktionalisierungen


48

11

Luther, Wolfgang et al. (2004), S. 54;

Roths, Klaus und Gochermann, Josef

(2006), Abs. 2.2.

12

Dzur, Birger (2007), S. 3.

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 dies en

Daten eine umfangreiche Systematisierung der Funktionalitäten erstellt worden

(Übersicht 7). Tendenziell werden Oberflächen nur einfach funktio nalisiert,

teilweise findet aber auch eine Funktionsbündelung, also die Bereitstellung

mehrerer Funktionen durch eine Oberfläche/Schicht, statt (Abbildung 12).

4.4 Verfahren zur Oberflächenbehandlung

Noch vielschichtiger als die möglichen Oberflächen- und Schichtfunktiona-

li tä ten sind die Verfahren zu ihrer Erzeugung (Übersicht 8). Grundsätzlich

lassen sich unter dem Oberbegriff Oberflächenbehandlung die Teilgebiete

Ober flächenmodifikation, Randzonenmodifikation und Beschichtung unter-

scheiden.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 Ober-

flächenaktivierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit), spezielle Verfahrens-

technik je nach Materialsystem und Verarbeitungsart (Galvanotechnik, Lackier-

technik, Spritztechnik, Emailliertechnik, Kunststoffbeschichtung, Plasma-Ober-

flächentechnik, Laser-Oberflächentechnik, Ultrapräzisionsbearbeitung usw.)

Quelle: Institut für Wissenschaftstransfer, Bremen. VDI Technologiezentrum GmbH (2000), S. 24.

eineFunktion

72,0

mehr alsdrei Funktionen

2,0

zweiFunktionen24,0

drei Funktionen2,0

Abbildung 12: Anzahl der umgesetzten Oberflächenfunktionen


49

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 Qualitätskon trolle,

aber auch Versorgungstechnik (Rohstoffe) und Umweltschutztechnik (zum Bei-

spiel 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, mecha-

nische, thermische und thermomechanische Beschichtungsverfahren). Wei-

tere Unterscheidungskriterien sind die Phase der Ausgangsstoffe (fest, flüssig,

gelöst, gasförmig), Schichtmaterial und erzielbare Schichtdicken.14

Übersicht 8: Verfahren der Oberflächenmodifikati on, Randzonen-

modifikation 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, PolierenStrahlverfahren MikrostrahlenBeizen, Brünieren

}

Gängige Verfahren der Substrat vorbehandlung (zum anschließenden Beschichten)

Silanisieren, SilikatisierenÄtzen/Trockenätzen, PhotoätztechnikLaserstrukturierung (Laserbeschriftung, Freilasern)Rastersondenmikroskopische AtommanipulationLithografie (optisch, Elektronenstrahl-, Röntgen-, extreme Ultraviolett-, Elektronen- und Ionenprojektionslithographie, maskenlos)Funkenerosion, SprengprägenStrukturierte galvanische Oberflächen, Galvanoformung im Rolle-zu-Rolle-ProzessNano-Imprint, Course4®-Technologie

RandzonenmodifikationDie Modifikation der Randzone eines Bauteils erfolgt meist unter thermischer Anregung oder mechanisch.

Thermische Randschichthärtung Thermochemische Diffusionsverfahren zur Randschichthärtung

Mechanische Härtung

HärtenVergütenBainitisieren

Aufkohlen (Carburieren)Einsatzhärten (Aufkohlen und Härten oder Direkthärten)NitrierenCarbonitrierenChromierenBorierenAlumieren, Silizieren, Titanieren

KugelstrahlenFestwalzen


50

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 Gasphasen abscheidung (PVD)

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Nasschemische Beschichtung

Thermisches VerdampfenEBE ElektronenstrahlverdampfenPLD Laserstrahlverdampfen, Pulsed Laser DepositionArc-PVD Lichtbogen-VerdampfenMBE MolekularstrahlepitaxieIBAD Ionenstrahlgestützte Deposition, ion beam assisted depositionICBD ClusterstrahltechnikIonenplattierenHochleistungskathodenzerstäuben (Sputtern)

PECVD plasma enhanced CVDHF CVD hot filament CVDLPCVD low pressure chemical vapour depositionAPCVD atmospheric pressure chemical vapour depositionMOCVD metal organic chemical vapour depositionMOVPE metal organic vapor phase epitaxyVPE vapor phase epitaxyALD Atomic Layer DepositionCVI chemical vapour infiltration

Tauchbeschichtung (Dip-Coating)Schleuderbeschichtung (Spin-Coating)RakelnSprühen (Spray-Coating)(Sol-Gel-Verfahren)

Galvanik Halbleiterdotierung Drucktechnik

Anodische Oxidation (bei Al Eloxieren) zur Passivierung/Färben von MetallChemisches Galvanisieren (außen-stromlos oder per Reduktion)Chromatieren (Passivierung)Elektrolytisches GalvanisierenPhosphatierenVeralisierenVerchromenVerstahlen

BandgalvanisierenGepulste Elektrodeposition Gestellgalvanisieren Kunststoff galvanisierungTampongalvanisierenTauchverfahren (früher Sudverfahren)Trommelgalvanisierung

DiffusionElektrophoreseSublimation aus der GasphaseIonenimplantation (Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum)

Hochdruck Flexodruck (Stempeldruck)Flachdruck OffsetdruckTiefdruck Auflagendruck/Dekordruck/

nahtloser Endlosdruck TampondruckDurchdruck SiebdruckElektronische Druckverfahren (Non-Impact-Printing) Thermodirekt-, Thermotransfer-,

Thermosublimationsdruck Plotten TintenstrahldruckDigitaldruck (ohne statische Druck-form)Transferdruck WassertransferverfahrenTextildruck Sublimationsdruck BeflockungHeißprägen (Prägefoliendruck)IMD Inmold Decoration

Kombinationsverfahren

Plasma-Printing und MetallisierungLaser-CVDGalvanik und LasertechnikLIGA (Lithographie und Galvanik)


51

15

Vgl. Ochel, Wolfgang et al. (1997),

S. 92 ff.

16

Vgl. Kopnarski, Michael (2010).

4.5 Anlagentechnik zur Oberflächenbehandlung

Die verschiedenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung bedürfen jeweils

entsprechender Anlagentechnik, die zusätzlich anhand verschiedener Parame-

ter (Größe des Substrats/Bauteils, geforderte Güte/Materialreinheit, Fertigungs-

integration 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 vakuumge-

stützten Oberflächenbehandlungsverfahren einen hohen bis mittleren Markt-

anteil. 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 bei-

getragen.15

Über das in der Region Berlin-Brandenburg vorhandene Equipment zur

Oberflächenbehandlung existiert soweit bekannt keine vergleichbare Erhe-

bung. In der vorliegenden Studie wird die bei Forschungsgruppen und Unter-

nehmen vorhandene Ausstattung erfasst und dargestellt, ohne allerdings

Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben.

4.6 Oberflächen- und Schichtanalytik

Für Produktentwicklung sowie Prozess- und Qualitätssicherung bei der Herstel-

lung von Oberflächen und Schichten (Optimierung von technologischen Pro-

zessen, Fehlersuche) ist eine instrumentelle Oberflächen- und Schichtanalytik

unverzichtbar.16 Dabei erstrecken sich die analytischen Aufgaben nicht nur auf

dezidiert oberflächentechnologische Erzeugnisse, sondern auch auf ›unbe-

handelte‹ Oberflächen von Bulk-Materialien, natürlichen Artefakten usw. ›Als

Auftragen Lackiertechnik Thermisches Spritzen

Schmelztauchen (Feuerverzinken, -zinnen, Wirbelsintern)SchmelzauftragsschweißenAuftragslötenAufplattieren (Walzplattieren)Emaillieren, Glasieren

Pinsel/RolleTauchen/Fluten, RakelnSprüh-/Spritzapplikation (Pistole, Airlesszerstäuben, pneumatisches, Hochrotationszerstäuben)VorhangbeschichtungPulverlackierenIMC Inmold CoatingFolienhinterspritzen (Film Insert Molding)

SchmelzbadspritzenLichtbogenspritzen (Drahtlichtbogen-spritzen)PlasmaspritzenFlammspritzen (Pulver-/Draht-/Kunststoff flammspritzen)Hochgeschwindigkeit-FlammspritzenDetonationsspritzen (Flammschock-spritzen)KaltgasspritzenLaserspritzen

Quelle: Eigene Darstellung basierend auf: VDI Technologiezentrum GmbH (2000); Lake, Markus (2009); Fraunhofer Gesellschaft (2008); VDI-TZ Internetagentur Düsseldorf

(2010c); Wikipedia (2010).


52

17

Kopnarski, Michael (o. J.), S. 2.

Werkzeuge für die Untersuchung von [...] grenzflächennahen Zonen stehen

[...] eine ganze Reihe von Analyseverfahren zur Verfügung, die in den ver-

gangenen Jahrzehnten aus der modernen Oberflächenphysik heraus entstan-

den 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 zugäng-

lich 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-Spektromet-

rie RBS, Rasterelektronenmikroskopie REM, Transmissionselektronenmikrosko-

pie TEM). Verfahren der analytischen Elektronenmikroskopie wie die energie-

oder wellenlängendispersive Röntgenanalytik (EDX, WDX) sowie die Elektro-

nenenergieverlustspektroskopie (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 Ober-

flächen 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.

Information durch: Anregung mit:

Photonen Elektronen Ionen

Photonen RFA/EXAFS SCANIIR

Elektronen PES: XPS(ESCA)/UPS

AES/EELS/LEED/TEM

Neutralteilchen SNMS

Ionen SIMS/LEIS

EXFAS: Röntgenabsorptions-Feinstrukturanalyse, SCANIIR: Optische Spektroskopie zerstäubter Oberflächenteilchen,

SNMS: Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie, SIMS: Sekundärionen-Massenspektrometrie, LEIS: Rück-

streuung langsamer Ionen von Oberflächen, XPS: Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. PES: Photoelektronen-

Spektroskopie, 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

Übersicht 9: Einige Oberflächenanalyseverfahren nach Anregungsart


53

1

Vgl. Böger, Frank (o. J.), S. 1.

2

Vgl. Deutsche Messe AG und Landes-

messe Stuttgart GmbH (Hrsg.) (2008),

S. 3.

3

ZukunftsAgentur Brandenburg GmbH

und TSB Innovationsagentur Berlin GmbH

(Hrsg.) (2009).

4

INPLAS – Kompetenznetz Industrielle

Plasma-Oberfl ächentechnik 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 Landesentwicklungs-

gesellschaft 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 Indus-

trie (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 Oberflächentech-

nik 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 Wertschöpfungs-

anteil betrachtet.

Zu den Anwenderbranchen existieren – ebenso wie zu den Oberflächen-

funktionalitäten – unterschiedlichste Aufzählungen und Rankings2. Hier erfolgt

die letztendliche Einteilung entlang der fünf Zukunftsfelder bzw. Cluster der

gemeinsamen Innovationsstrategie der Länder Berlin und Brandenburg3

(Life Science, Energietechnik, IKT/Medien, Optik, Verkehrssystemtechnik), das

entspricht weitgehend der Einteilung nach INPLAS (Industrielles Plasmaober-

flächentechnik-Netzwerk).4

In einem iterativen Prozess und mit Hilfe von Schaubildern5 zu branchen-

relevanten 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 Pro-

zessierbarkeit 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 d en drei zu den Lebenswissenschaften gehörenden Branchen Biotech-

nologie, 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


54

7


und TSB Innovationsagentur Berlin

GmbH (Hrsg.) (2009).

8

Kompetenznetzwerk Bioaktive Ober-

fl ächen (o. J.).

9

Vgl. ZiG/TU Berlin (2009), S. 53.

10


Plasma-Oberfl ächentechnik e. V.

(2010).

konzentriert sich auf die Handlungsfelder medizinische Bildgebung, Tele-

medizin, Bioanalytik und Diagnostik, Wirkstoffentwicklung sowie regenerative

Therapien.7 In einigen dieser Bereiche finden sich spezifische Oberflächen-

und Beschichtungstechnologien, vor allem dort, wo Werkstoffoberflächen in

Wechsel wirkung mit Zellen oder Gewebe stehen (›Werkstoffe im Zellkontakt‹,

Materialforschung trifft auf Medizin/Biotechnologie). Sie werden zur Entwick-

lung von Implantaten, Herzunterstützungssystemen, Knochenersatzwerkstof-

fen, Bioreaktoren und Biosensoren benötigt.8

5.2.1 Biokompatible und bioak tive Oberflächen

Abgrenzung

Der Bereich biokompatible und bioaktive Oberflächen lässt sich den Werk-

stoffen im Zellkontakt zuordnen und betrifft vor allem die Oberflächeneigen-

schaften Histokompatibilität (Gewebeverträglichkeit) und Hämokompatibilität

(Blutverträglichkeit) in biologischem Kontakt befindlicher Bauteile (Implan-

tate, 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 wer-

den, 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). Oberflächen-

modifizierungen 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 folgen-

den konkreten Themen oder Produkten gezeigt werden:

■ Gelenk- und Knochenimplantate (Hüfte, Knie usw.),

■ Gefäßimplantate/Gefäßstützen (Stents), Herzunterstützungssysteme

(im plan tier bare Herzschrittmacher),

■ Intraokularlinsen,

■ Medizinische Geräte/Hilfsmittel (Katheter, Wundverbände),

■ Medizinische Geräte/Hilfsmittel (OP-Besteck, Blutkonservenbeutel

usw.).


55

11

Vgl. Trechow, Peter (2011a).

Wissenschaft

Prof. Haag, Inhaber der Professur Organische Chemie am Institut für Chemie

und Biochemie der Freien Universität Berlin, forscht auf dem Gebiet organi-

sche und makromolekulare Chemie, speziell an dentritischen Polymeren, die

der Herstellung funktionaler Molekülarchitekturen, unter anderem auf Ober-

flächen, dienen. Für Anwendungen mit Schwerpunkt Biokompatibilität sind

solche Strukturen von Bedeutung, um biologisch inerte Oberflächen herzustel-

len, die die Biofilmbildung und daraus resultierende Infektionen verhindern.

Aufbauend auf den Ergebnissen zu protein-resistenten selbstorganisierenden

Poly glycerol-Layern auf Goldsubstrat (Kapitel Oberflächentechnik in Bio-

Analytik 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. Kemnitz forscht im Fachgebiet Anorganische Chemie der Humboldt-

Universität zu Berlin in der Fluor-Chemie zum einen an nanoskaligen Metall-

fluoriden für die Katalyse (Kapitel Energiewandlung und -speicherung), zum

anderen an Nanometallfluoriden für optische Zwecke (in Form von Beschich-

tungen) 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 biolo-

gischen Kontakt (Knochenimplantate, insbesondere Gelenkpfannen, Dental-

bereich, Augenheilkunde/Intraokularlinsen) in Frage.

Die weitere Applikationsforschung zu Sol-Gel-Metallfluoriden und die Ver-

marktung entsprechender Produkte bei Materialherstellern, Beschichtern und

Produktherstellern obliegt der ausgegründeten Firma Nanofluor GmbH.11

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 Ober-

flächentechnik im Tissue Engineering) und als bioaktive/biokompatible Werk-

stoffe im Zellkontakt.

Eine solche biokompatible Beschichtung ist die mit Hydroxylapatit, die

besonders für perkutane Silikon- und Titanimplantate vorgesehen ist. Der-

artige unter die Haut oder mit einer Durchtrittsstelle durch die Haut implan-

tierte medizinische Hilfsmittel gewährleisten entweder eine medizinische

Versorgung (etwa Silikonkatheter mit guter Blutverträglichkeit) oder fixieren

Prof. Dr. Rainer Haag

Prof. Dr. Erhard Kemnitz

Prof. Dr. Helmut Schubert


56

externe Epitesen (Titanimplantate/-abutments). Bisher wird die vorhandene

Infektionsgefahr an der Hauteintrittsstelle durch das Inkorporieren von Anti-

biotika oder antimikrobiellen Mitteln wie Silber in die Werkstoffoberfläche

reduziert.

Nach dem natürlichen Vorbild einer bakteriendichten Hautdurchleitung

(Zahn des Hirschebers ›Babyrussa‹) werden Silikonkatheter und Titanabut-

ments 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 RFGD-

Verfahren/Plasmaätzung, die die Keimbildung fördert, folgt die nasschemische

Beschichtung in einer wässrigen Kalziumphosphatlösung (Fällungsreaktion bei

Silicon und elektrochemisch im Falle Titan) mit anschließender Hydrothermal-

behandlung, bei der die Kalziumphosphatschicht in die Apatitphase umge-

wandelt 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 Umgebungsbe-

dingungen getestet. Ein komplexes, aber sehr wichtiges Phänomen ist die Bio-

korrosion. Hier wird das Werkstoffverhalten mechanisch beanspruchter tech-

nischer Bauteile unter korrosiven bzw. biokorrosiven Umgebungsbedingungen

ermittelt.

Prof. Fraatz vertritt das Fachgebiet Augenoptik mit Schwerpunkt Contact-Optik/

Sehhilfen an der Beuth Hochschule für Technik Berlin. Mit der ›Streifenpro-

jektion zur Topometriebestimmung des vorderen Augenabschnitts‹ ist es ihm

und seinen Mitstreitern gelungen, ein etabliertes Verfahren zur Oberflächen-

vermessung, die Streifenprojektion, für die Bestimmung der Hornhauttopo-

graphie 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 Vorderflä-

che der Hornhaut abgestimmte Freiformflächen und plasmabehandelte Ober-

flächen haben. Damit lässt sich der Abstand zwischen Contactlinsenrückfläche

und Hornhautvorderfläche minimieren (weniger Tränenflüssigkeit dazwi-

schen, mehr Auflageflächen), wodurch sich die Trageeigenschaften gegenüber

marktüblichen Kontaktlinsen signifikant verbessern dürften.

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 Konstruk-

tionsmaterialien). Dabei geht es auch um biokeramische Schichten, die durch

Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck

Prof. Dr.-Ing. Manuel Fraatz

Dr. Georg Berger


57

12

Ploska, Ute und Berger, Georg (2003).

Salzbad-Verfahren bzw. Sol-Gel-Synthese hergestellt (schutzgasgespülter Salz-

badofen) 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-Behand-

lung zu beschichten, um damit den Kontakt zwischen Implantat und Knochen

ohne verbindendes Gewebe herzustellen.12

Die Gruppe Medical Micro Systems (MMS, Dipl.-Phys. Jung) des Fraunhofer-

Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration forscht und entwickelt zur

Miniaturisierung von implantierten Mikrosystemen und den Integrationsmög-

lichkeiten 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 Anwen-

dung evaluiert. Mit Partnern der Medizintechnik werden somit beispielsweise

Herzschrittmacher, Netzhaut-Implantate, Lab-on-Chip-Plattformen, neuro-

prothetische 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).

Mit dem Bereich Weiche Materie und funktionale Materialien am Helmholtz-

Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der gleichnamigen Stif-

tungsprofessur 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 Ver-

fahren wie Layer-by-layer-Deposition, Schleuderbeschichtung (Spin-Coating),

Langmuir-Blodgett- und Langmuir-Schäfer-Technik Schichten präpariert, um

beispielsweise Prinzipien der ›Bio-Schmierung‹ (biolubrication) zu untersu-

chen 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 Dia-

gnostik beschrieben.

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

Dipl.-Phys. Erik Jung

Prof. Dr. Matthias Ballauf

Dr. Waltraud Vorwerg


58

13

Fraunhofer-IAP (2006).

14

Sauser, Brittany (2011).

erforscht und gewinnen in Form von Additiven und Beschichtungen durch ihre

Oberflächeneigenschaften Blutverträglichkeit oder -gerinnungsförderung viel-

fach Anwendungsmöglichkeiten in Medizin und Medizintechnik. Als selektive

Trägersysteme und Trennmaterialien können sie auch zur Blutentgiftung einge-

setzt werden (Kapitel Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik).

Die Arbeitsgruppe Funktionspolymere für die Medizintechnik um Dr. Storsberg

am Fraunhofer-IAP entwickelt Polymere, die ihre Anwendung in biomedi-

zinischen Materialien finden, insbesondere bei Implantaten in der Augen-

heilkunde. 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 biokompa-

tibel 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 spezi-

ell unterschiedliche Oberflächeneigenschaften in Bezug auf die Zell adhäsion

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 Implan-

tats 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

Dr. Joachim Storsberg

Künstliche Hornhaut (Fraunhofer-IAP)


59

Das Zentrum für Biomaterialentwicklung (Standort Teltow) des Helmholtz-

Zentrums 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 Quer-

schnittsprogramm ›Regenerative Medizin‹ der Helmholtz-Gemeinschaft im

Forschungsfeld Gesundheit eingebunden. Neben der umfangreichen multi-

funktionalen Materialentwicklung (bestimmte mechanische oder zum Bei-

spiel Formgedächtniseigenschaften) stehen viele medizinisch und biotechno-

logisch relevante Oberflächeneigenschaften und -phänomene im Fokus der

F&E.

In der Abteilung Biomimetische Materialien (Dr. Neffe) des HZG forschen Wis-

senschaftler an ebensolchen der Natur nachempfundenen Materialien. Dabei

interessieren besonders die chemische Struktur der Materialien, ihre mecha-

nischen Eigenschaften und ihre biologische Aktivität. Die biologischen Wech-

selwirkungen 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 ver-

schiedener Verbindungen/Substanzen aufklären.

Prof. Jung führt sowohl in der Abteilung Biokompatibilität am HZG als auch

in der Forschergruppe Biointerface Engineering/In vivo-Testing am Berlin-

Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) breitgefächerte Evaluie-

rungen von Polymersystemen hinsichtlich ihrer Biokompatibilität (Histo- und

Hämokompatibilität) und für den Einsatz als kurz- oder langfristig resorbier-

bares Implantatmaterial durch.

Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf Gefäßstützen (Arterienpro-

thesen) 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 Gefäß-

innenhaut, blutverträglich sind. Die Regeneration der äußeren und inneren

Blutgefäßwand soll dabei durch eine Medikamentenbeschichtung und -frei-

setzung 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).

Prof. Dr. Andreas Lendlein

Dr. Axel T. Neffe

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Jung


60

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 Hilfs-

mitteln zur Rehabilitation, Aufbereitung von Medizinprodukten, minimal-

invasive Techniken,

■ Prof. Hille (HS Lausitz), Werkstoffprüfung/Metallographie: Lehrveranstaltung

›Biokompatible Werkstoffe‹,

■ Prof. Schrader (TH Wildau), AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnolo-

gien: Entwicklung eines Herstellungsverfahrens von nm-dünnen hydro-

phoben PTFE-Schichten für medizinische Instrumente bzw. Prothetik,

■ Berliner Zentrum für Mechatronische Medizintechnik BZMM (Joint Excellence

Center von Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktions-

technik IPK und Charité, Prof. Keeve): Entwicklung von Therapietechnolo-

gien, unter anderem chirurgische Instrumente und smarte Implantate.

Wirtschaft

Die B. Braun Melsungen AG Vascular Systems Berlin entwickelt und produziert

Medizinprodukte für die Angioplastie und spezielle gefäßchirurgische Implan-

tate. 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 Wirk-

stoffverteilung.

Die weiteren gefäßchirurgischen Implantate sind Gefäßprothesen und

Patches, die meist durch Imprägnierung, Beschichtung oder Ummantelung

biokompatible (hämo- und histokompatible), zelladhäsive oder zellabsto-

ßende 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 Besiede-

lung 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-

Prof. Dr.-Ing. Marc Kraft

Prof. Dr.-Ing. Eva Hille

Prof. Dr. Sigurd Schrader

Prof. Dr.-Ing. Erwin Keeve

B. Braun Melsungen AG


61

fizierter Gelatine. Die Imprägnierung reduziert die ursprüngliche Porosität,

das heißt die Prothese ist blutdicht. Das Uni-Graft® Imprägnierungsverfah-

ren ist aldehydfrei und garantiert damit Biokompatibilität.

■ Uni-Graft® W ist eine gewebte, imprägnierte Gefäßprothese aus Polyester

(Uni-Graft® Imprägnierung, biokompatibel) mit guten Einheilungseigen-

schaften durch den externen Velours und die glatte innere Oberfläche, die

außen die Gewebeinfiltration und innen eine thrombenfreie Blutzirkula-

tion ermöglichen.

■ VascuGraft SOFT ist eine aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehende Gefäß-

prothese 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).

Die Biotronik SE & Co. KG ist ein Medizintechnikunternehmen, tätig vor allem

auf dem Gebiet der Herztherapie mit den Geschäftsbereichen Herzrhythmus-

Management (implantierbare Herzschrittmacher), Elektrophysiologie und Vas-

kuläre 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, Stofftrans-

portmechanismen und Gewebeveränderungen zu beeinflussen. Damit wird

versucht, der Forderung nach lebenslang funktionstüchtig im Organismus ver-

bleibenden 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 Metall-

gefäßstütze, die durch Kombination der passiven PROBIO®-Beschichtung

und einer aktiven Komponente BIOlute® (bioresorbierbare mit Limus-

Medikament versetzte Polymermatrix) eine kontrollierte Wirkstoffabgabe

zur Behandlung der Koronarstenose sicherstellt und langfristig lediglich

PROBIO®-beschichtet im Körper des Patienten verbleibt.

Biotronik SE & Co. KG


62

Die aap Implantate AG ist ein Medizintechnikunternehmen, das sich auf Ent-

wicklung und Produktion von Implantaten für Gelenkersatz und Knochenfrak-

turheilung 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 kom-

men, oberflächenbehandelt, das heißt die Titanlegierung wird per Plasma-

spray-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.

Die Biomet Deutschland GmbH ist ein auf künstliche Gelenke und orthopä-

dische Implantate spezialisiertes produzierendes und entwickelndes Medizin-

technikunternehmen. Zum Produktspektrum gehören künstliche Gelenke und

Gelenkersatz für Knie, Hüfte, Schulter, Ellenbogen, Fuß, Hand und Kiefergelenk

sowie Biomaterialien/Knochenenzemente. Biomet wendet auf die Implantat-

werkstoffe verschiedene Technologien zur Oberflächenbehandlung an.

aap Implantate AG

Biomet Deutschland GmbH

BoneMaster-Beschichtung auf einem Hüftimplantat-Schaft mit

Porous-Plasma-Spray-/PPS-Oberflächenstruktur (Biomet)


63

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 Kobalt-

Chrom 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 ver-

bessern, 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 Mik-

rometer dünne Beschichtung, die die zugrunde liegende Titan-Makrostruktur

(Porous-Plasma-Spray-/PPS-Struktur, für die mechanische Verankerung) bei-

behält. Durch Kombination von Chemie (Osteokonduktivität des Hydroxylapa-

tits) und der dem Knochen nachempfundenen Oberflächenstruktur wird die

Heilung zwischen Knochen und Implantat gefördert und somit das Implantat

schneller fixiert und langlebig stabilisiert.

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 aus-

gerüstet, um sie in den Lebenswissenschaften hauptsächlich als Drug Delivery-

Systeme 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 Ober-

flächenfunktionen 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 Mul-

tilayer-Struktur Wirkstoffe bzw. Medikamente in Molekül- oder Nanokristall-

form oder in einer Mischung aus beiden eingebracht werden. Die Wirkstofffrei-

setzung 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.

Die InnoRa GmbH ist ein 2001 gegründetes Unternehmen, das sich um For-

schung, Entwicklung, Planung medizinischer Studien, Zulassung und Vermark-

tung von Produkten für die diagnostische und therapeutische Radiologie und

verwandte Anwendungen bemüht, unter anderem in Kooperation mit der

Charité Universitätsmedizin.

Capsulution Pharma AG

InnoRa GmbH


64

In tierexperimentellen und Untersuchungen an Patienten konnte InnoRa eine

›Erste Restenoseprävention durch nichtstentbasierte lokale Medikamenten-

applikation‹ evaluieren. Es wurden alternative Verfahren zur lokalen Wirk-

stoffabgabe in Gefäßen, beispielsweise Paclitaxel-beschichtete Ballonkatheter,

eingesetzt, um deren Wirksamkeit im Vergleich zu bekannten Stentsystemen

mit anhaltender lokaler Freisetzung antiproliferativer Medikamente festzustel-

len. Auch nach nur kurzer Exposition der Gefäßwand durch den medikamen-

tenfreisetzenden Ballonkatheter konnte eine Langzeitwirkung erzielt werden.

Folglich ließen sich durch eine nichtstentbasierte lokale Gabe von Wirkstof-

fen 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-Kontakt-

linsen (Monatstauschsystem) und Dauertragelinsen. 2009 startete das Unter-

nehmen 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 Ober-

flächenmodifizierung ist die physikalisch-chemische Behandlung der synthe-

tischen 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.

Das Medizintechnik-Unternehmen Merete Medical GmbH fertigt Implantate

und Instrumente der Endoprothetik und der Osteosynthese und betreibt For-

schungs- 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

Ober flächenbehandlungen umfassen Strahlverfahren (Glasperl-/Korund-

Strah len 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 einzustel-

len. So werden zementfrei einzusetzende MultiCup® Locking PressFit Pfannen

Lens Wista AG

Merete Medical GmbH


65

(Hüftendoprothetik) mit einer Porous-Coat-Titan-Plasmabeschichtung (auch

Porous-Plasma-Spray bzw. PPS genannt) versehen, die wegen ihrer Rauig-

keit 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 Lös-

lichkeiten (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 zwi-

schen Implantat und Knochen ohne verbindendes Gewebe herzustellen. Die

Calcium titanat-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 Calcium titanat 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.

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 Pro-

dukten nach neuesten Erkenntnissen und in Zusammenarbeit mit Hochschulen

und Forschungszentren.

In der Fertigung verfügt OHST hauptsächlich über Ausrüstung für die Guß-

teilherstellung und spanende Bearbeitung. Für die erforderliche Oberflächen-

beschaffenheit von Implantaten (Lebensdauer bestimmend) und OP-Instru-

menten (insbesondere Korrosionsbeständigkeit) stehen Schleif-, Polier- und

Strahlverfahren bzw. -räume zur Verfügung. Zur Beschichtung mit allen eta-

blierten 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. Beschich-

tungstechnolgien 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,

OHST Medizintechnik AG


66

■ 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 Medi-

zinprodukte 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 Doppelbeschich-

tung am Tropheus DES ermöglicht die kontrollierte Wirkstoffabgabe zum Schutz

vor Restenosen, indem das in der Deckschicht aus PLGA – poly(lactic-co-gly-

colic 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 för-

dernde Wirkung entfaltet.

Die PlasmaChem GmbH ist zunächst Spezialist für Nanomaterialien, Abschei-

dungs-, Vakuum- und Plasmatechnologien sowie Dünnschichttechnik und

deren technische und biomedizinische Anwendungen (Kapitel Oberflächen-

technik 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 Techno-

logie 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 anti-

thrombogen.

PolyAn ist ein auf Molecular Surface Engineering (MSE) und Surface Molecu-

lar Imprinting (SMI) spezialisiertes Unternehmen. Diese Technologieplattform

wird unter anderem für Antifouling-Anwendungen genutzt (Kapitel Oberflä-

chentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik, Oberflächen in der Nano-Bio-

Pioneer Medical Devices AG

PlasmaChem GmbH

PolyAn GmbH


67

15

Dähne, Lars (Surfl ay Nanotec GmbH

Berlin) (2009), S. 10.

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) vermei-

den. 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 Entzündun-

gen an Implantaten auftreten, abgewendet werden, ohne dass Wachstum und

Vitalität der umgebenden/vorhandenen Zellen beeinflusst würden. Die modi-

fizierten Oberflächen stoßen die Zellen ab, wirken dabei aber nicht cytotoxisch.

Die Surflay Nanotec GmbH ist ein kleines Unternehmen, spezialisiert auf eine

breitgefächert anwendbare Technologie zur Beschichtung und Funktionalisie-

rung kolloidaler und planarer Materialien. Mit der Layer-by-Layer (LbL)-Tech-

nologie ist es möglich, geladene Polymere in Lösung selbstreguliert an Oberflä-

chen (einem Substrat) adsorbieren zu lassen und so mehrere Layer (abwech-

selnd 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, fluoreszenz-

und magnetismusfunktionalisierte Partikel; Kapitel Oberflächen in der Nano-

Biotechnologie und Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik). Für die

biokompatible Ausstattung von medizinischen Produkten sind die struktu-

rierten TiO2-Schichten mit hoher Hämokompatibilität geeignet. Allgemeiner

können beispielsweise superhydrophobe bis superhydrophile (stufenlos ein-

stellbar) oder mittels Nano- und Mikropartikeln funktionalisierte Oberflächen

(zum Beispiel medikamentenfreisetzende Stentoberflächen) hergestellt wer-

den.15

Weitere wirtschaftliche Akteure mit biokompatiblen Oberflächen als Produkt-

merkmal in der Anwendung sind

■ LEONI Fiber Optics GmbH: Serienproduktion chirurgischer, ophtalmologi-

scher, urologischer, dentaler und endovaskulärer Lasersonden mit biokom-

patiblen Materialien,

■ Berlin Heart GmbH: Entwicklung und Herstellung implantierbarer mecha-

nischer Herzunterstützungssysteme, aus biokompatiblem Titan mit Hepa-

rinbeschichtung (Axialpumpe INCOR®),

■ Oculentis GmbH Berlin: intraokulare Acryllinsen aus HydroSmart®-Material

(Kombination von hydrophilem Material und hydrophob wirkender Ober-

fläche, dadurch faltbar wie hydrophile Linsen, aber besseres Nachstarver-

halten durch hydrophobe Oberfläche).

Surflay Nanotec GmbH Berlin

LEONI Fiber Optics GmbH

Berlin Heart GmbH

Oculentis GmbH Berlin


68

Netzwerke

Der Deutsche Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische

Technologien e.V. (SPECTARIS) mit Sitz in Berlin vertritt mittelständische High-

tech-Unternehmen und gliedert sich in die vier Fachverbände Consumer Optics,

Photonik+Präzisionstechnik, Analysen-, Bio- und Labortechnik so wie Medi-

zintechnik. Einige Berliner und Brandenburger Unternehmen und Forschungs-

einrichtungen 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 Ange-

bote wie Seminare, beispielsweise zum Thema Reinigen in der Medizintechnik,

Trendforen zu Medizintechnik und Augenoptik oder Medizinproduktekonfe-

renzen, außerdem Teilnahme an internationalen Fachmessen und Jahrbücher

über den deutschen Medizintechnikmarkt.

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 Medi-

zintechnik-Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft und

■ um die Steigerung der Attraktivität der Region als Medizintechnik-Standort

vorwiegend in Form von Kompetenzfeldmanagement, Vernetzung, Technolo-

gietransfer, Beratung, Markt- und Technikanalysen.

Im Medizintechniknetzwerk Berlin-Brandenburg (medtecnet-BB), das von der

TSB Innovationsagentur, Bereich Medizintechnik, koordiniert wird, haben sich

seit 2004 Medizintechnikunternehmen zusammengeschlossen, um in Koope-

rationen mit regionalen Kliniken neue und verbesserte Diagnose- und Thera-

piemethoden 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 Bio-

medizinische 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 Rehabilita-

tion sowie jüngste Forschungsergebnisse wie Entwicklungstrends und Evaluie-

rung koronarer Implantate.

Deutscher Industrie verband

für optische, medizinische und

mechatro nische Technologien

e.V. (SPECTARIS)

TSB Medici/medtecnet

Berlin-Brandenburg

Verein deutscher Ingenieure VDI

Bezirksverein Berlin-Branden-

burg – Arbeitskreis

Biomedizinische Technik


69

16

IVAM (2011).

17

Langer, Carola (2011).

18

›Ob neuer Werkstoff oder intelligente

Form oder modifi zierte Oberfl äche:

ein Zusammenspiel der kunststoff-

bezogenen Werkstoffwissenschaften und

der medizintechnischen Anwendung

bietet die Möglichkeit für eine Vielzahl

von Innovationsansätzen.‹ Mack, Anette

(2011).

19

Imhof, Stephan (2010).

20

Laudien, Stephan (2011).

Fazit

Der Bereich Biokompatible Oberflächen ist in Berlin-Brandenburg in Grund-

lagenforschung 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 Tech-

nologie 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 bedeut samen

Beschichtungstechniken für Katheter und Stents, mit deren Hilfe neuartige und

individualisierte Arzneimitteltherapien möglich werden,16 und rein biokompa-

tiblen oder oberflächenmodifizierten Konstruktionsmaterialien (Bare-Metal-

Stents). 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 zuneh-

mender Antibiotika-Resistenzen), gehört zum Vorgehen in der F&E.

Andere Forschungseinrichtungen und Regionen setzen weiterhin auf klas-

sische 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).

Maßgeblich für Initiativen sind aber auch neue Bedürfnisse wie

■ intelligente, heilungsfördernde Wundverbände oder biokompatible Mate-

rialien für Gesundheitsversorgung, Kleidung und darüber hinaus (Minerva-

Forschungsgruppe Aktive Oberflächen und Materialien am Max-Planck-

Institut für Polymerforschung)19,

■ Werkstoffe/Inhaltsstoffe natürlichen Ursprungs (Kompetenzzentrum Poly-

saccharidforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena)20, zum Beispiel

für intelligente Wundverbände.

Die Hauptstadtregion ist bei Materialien für die Medizintechnik bzw. Bio-

materialien etabliert, und zwar hauptsächlich in Feldern, bei denen es um

konstruktionswerkstoffliche Anforderungen und Lösungen geht. Eine zusätz-

liche 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


70

21

Vgl. ZiG/TU Berlin (2009), S. 54.

Zellkontakt beziehen (siehe auch folgende Kapitel). Vernetzungen auf Bundes-

und 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 Erkennt-

nissen zu den klassischen Fragestellungen (Histo-, Hämokompatibilität, anti-

mikrobielle 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 Engi neering, als Zellkulturtechnik verstanden, verfolgt das Grund-

konzept, Zellen außerhalb des Körpers in geeigneter Form zu kultivieren, um

sie danach als vororganisiertes Gewebestück in den menschlichen Organis-

mus einzupflanzen und eine Selbstheilung zu provozieren. Die werkstoff-

wissenschaftliche 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 Bei-

spiel 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 über-

flüssig 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 unter-

sucht: 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. Mit-

tels etablierter Methoden wie Mikrokontakt-Stempeldruck (soft lithography)

Prof. Dr. Marga Lensen


71

und Nanoimprintlithografie werden Oberflächenmuster chemischer oder

topographischer Art, Kombinationen aus den beiden und Gradientenmuster

erzeugt und Zellwachstum und -migration studiert. Daneben werden auch

supra molekulare Selbstorganisationsprinzipien untersucht, um hierarchische

Muster zu bilden. Mit Untersuchungen zum Adhäsionsverhalten von Zellen an

gewissen (Nano-)Topographien versucht man die abgegrenzte zelluläre Ant-

wort (Ausrichtung an µm-Nuten, Verbreitung auf µm-Säulen, sog. ›contact

guidance‹) zu erklären, wobei die initiale Proteinadsorption und die Abhän-

gigkeit 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 Ober-

flächen-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 Herstel-

lungsparametern entstehen Scaffolds (aus biokompatiblem Aluminiumoxid)

mit unterschiedlichen Porenstrukturen. Die gut durchströmbaren Scaffolds

wurden am Fachgebiet Mess- und Reglungstechnik in einem Bioreaktor

Besiedlungstests unterzogen.


Membran aus Gold-Nanopartikeln (Fachgebiet Nanostrukturierte Biomaterialien,

Jun.-Prof. Lensen, TU Berlin)


72

Weitere Teilprojekte zu besiedelbaren/besiedelten Implantatmaterialien wur-

den im Projekt ›Kompetenznetzwerk Bioaktive Oberflächen‹ (2002 bis 2005)

zusammen mit regionalen und überregionalen Forschungspartnern initiiert:

■ Blut-Keramik-Hybridmaterialien als Leitstrukturen für die Knochendefekt-

heilung (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 Wechsel-

wirkungen von Immunzellen mit Oberflächen synthetischer und speziell

biomimetischer Art. Katja Heilmann beschreibt die Herstellung synthetischer

Oberflächen (Flachmembranen), die einen Einfluss auf Wachstum und Anti-

körperproduktion von Hybridomzellen haben. Die bei der Kultivierung ein-

gesetzten 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 Pro-

teinen der extrazellulären Matrix auf Zellwachstum und Antikörpersynthese

von Hybridomzellen zu untersuchen, wurden proteinbeschichtete Polystyrol-

Oberflächen (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.

An der Hochschule Lausitz im Labor Biopolymere beschäftigt sich Prof. Salchert

mit chemisch und physikalisch funktionalisierten Oberflächen von Bulkmateri-

alien 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 Immo-

bilisierung ausgestattet. Die Nutzung von in der Natur bereits vorhandenen

polymeren Verbindungen wie Kohlenhydraten oder Proteinen, die sich schon

Prof. Dr. Burkhard Micheel

Prof. Dr. Katrin Salchert


73

selbst durch Polyfunktionalität auszeichnen, bietet sich nicht zuletzt wegen

ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer Reorganisierbarkeit an.

Zusammenfassend werden folgende Methoden angewendet und Ziele ver-

folgt:

■ Methoden der Funktionalisierung polymerer und biopolymerer Oberflächen

– Erzeugung geeigneter funktioneller Gruppen,

■ Immobilisierung von Proteinen an polymeren und biopolymeren Ober-

flächen,

■ Nachweis der Immobilisierung, Proteinquantifizierung und Stabilitäts-

untersuchungen, 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 Ingenieurnach-

wuchs 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 Mikro-

strukturierung 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-Kultivie-

rung primärer Zellen durch eine auf den jeweiligen Zelltyp anpassungsfähige

artifizielle extrazelluläre Matrix, bestehend aus Adhäsionsproteinen, Signal-

proteinen und Wachstumsfaktoren, gesteigert werden. Durch Abformung von

geeigneten Mastern werden mikrostrukturierte, pseudo-dreidimensionale,

zylindrische Konstrukte auf der Basis von Collagen erzeugt, zusätzlich bio-

chemisch 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.

Die Abteilung Grenzflächen (Dr. Kratz) am HZG, Zentrum für Biomaterial-

entwicklung arbeitet in Kooperation mit den Abteilungen Polymerchemie

(Dr. Behl, Synthese bioabbaubarer oder nicht-degradierbarer biokompatibler

Polymere aus Monomeren/Precursoren) und Polymertechnologie an der Ent-

wicklung 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

Dr. Marc Behl

Dr. Karl Kratz


74

und Differenzierung unterschiedlicher Zelltypen steuern lassen. Zur Struktu-

rierung werden Gießtechniken aus Lösung, Heißprägetechniken und Elektro-

spinnen, für Modelloberflächen auch Schleuder- (Spin-Coating) und Tauchbe-

schichtung (Dip-Coating) eingesetzt. Analysen der Oberflächen erfolgen mittels

Raster-Elektronenmikroskopie (REM), Raster-Kraftmikroskopie (SFM), optischer

Profilometrie und Digitalmikroskopie, die Analyse von Grenzschichten zu wäss-

rigen Umgebungen mittels SFM sowie Kontaktwinkel- und Strömungspoten-

zialmessungen. Weiterhin zählen Untersuchungen zum Einfluss von Sterilisa-

tionsverfahren 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 Rege-

neration (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-Biotech-

nologie. Die Materialien werden multifunktional entwickelt, sie weisen also

Kombinationen von Materialfunktionen wie Biokompatibilität und spezifische

Oberflächeneigenschaften (auch bestimmte mechanische Eigenschaften, Bio-

degradierbarkeit oder Formgedächtniseigenschaften) auf. Über das Verständ-

nis, zum Beispiel mit Hilfe der molekularen Modellierung, soll es gelingen,

durch relativ kleine Änderungen von chemischer Struktur und Verarbeitungs-

bedingungen viele Eigenschaften einzustellen (unter anderem Oberflächen-

phänomene 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 Berlin-

Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT) breit gefächerte Evalu-

ierungen von Polymersystemen hinsichtlich ihrer Biokompatibilität (Histo- und

Hämokompatibilität) durch. Dies ist zum einen mit dem Einsatzzweck kurz-

oder langfristig resorbierbaren Implantatmaterials verbunden (Kapitel Biokom-

patible und bioaktive Oberflächen), zum anderen für Gerüst- und Trägerma-

terialien im Tissue Engineering, als Komponenten von Systemen zur Organun-

terstützung, zur Kultivierung spezieller Zellen und damit für den Einsatz in der

Regenerativen Medizin gedacht.

Im Forschungsfeld ›Polymer-based Biomaterials‹ (geleitet von Prof. Lend-

lein) 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-

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Jung

Dr. Nico Scharnagl


75

22

BSRT (2010), S. 5–6.

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 Oberflächenla-

dung einstellbare Polymere). Dann folgen Tests dieser Materialien im Kontakt

mit Zellen/Gewebe hinsichtlich Toxizität, Biokompatibilität und Zellinterface-

bzw. 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 Produkt-

konzepte 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-Branden-

burg School for Regenerative Therapies (BSRT), in der passende Projekte wie

›Acrylonitrile-based polymeric biomaterials for cell-specific interaction‹ bear-

beitet werden.22

Wirtschaft

Die Zellwerk GmbH (Teil der HiPer-Gruppe) ist ein Entwickler und Hersteller von

Zellträgern und Implantatmaterialien sowie Spezialist in der Zellkulturtech-

nik. Die sogenannte Z® RP-Technologie wurde hier für das adhärente Wachs-

tum 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.

Zellwerk GmbH

HiPer-Gruppe

Besiedlung von Zellträgern, Sponceram®-Scheiben (Zellwerk GmbH)


76

23

TU Hamburg-Harburg (2011), S. 18.

24

Vgl. Fraunhofer Allianz Nanotechno-

logie (2011).

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 wissenschaft-

lichen Schwerpunktthemen wie Regenerative Medizin, Bioanalytik/Diagnos-

tik, Wirkstoffentwicklung), Strategieberatung/Technologietransfer, Branchen-

reports, Standortmarketing usw. engagiert sich BioTOP für die Biotechnologie-

region.

Fazit

Das Forschungsfeld Tissue Engineering bzw. die regenerative Medizin ist ein

Forschungsschwerpunkt in der Hauptstadtregion, die Züchtung verschiedens-

ter Zell- und Gewebearten zur Regeneration krankheitsbedingter oder sons-

tiger Organschäden wird hier vorangetrieben. Forschung und Entwicklung an

Oberflächen und Werkstoffen finden an mehreren Forschungseinrichtungen

der Region statt. Schwerpunktmäßig werden polymere Werkstoffe mit ein-

stellbaren Oberflächeneigenschaften (bezüglich Zelladhäsion, -migration und

-differenzierung) untersucht. Anhand von funktionalen, besiedelten Träger-

strukturen (Scaffolds), beispielsweise als Knochenersatzimplantat, und mit

Zellen interagierenden Oberflächen (Signalübertragung) werden die fließen-

den 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 Enginee-

ring ausgebaut werden und von den querschnittsartigen Oberflächen- und

Schichttechnologieentwicklungen profitieren. Andere Forschungseinrichtungen

sehen werkstofftechnische Fragestellungen, insbesondere Oberflächenphäno-

mene, 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 Oberfläc hen in der Nano-Biotechnologie

Abgrenzung

Die Kenntnisse über Bau- und Wirkprinzipien biologischer Prozesse (Musterer-

kennung, 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-

BioTOP Berlin-Brandenburg


77

organisierend (Doppelschichtmembranen, Mizellen und Ähnliche) und dienen

der Mikroverkapselung von Wirkstoffen, dem Wirkstofftransport (Drug Delivery)

und der kontrollierten Wirkstofffreigabe (Controlled Release). An einem natür-

lichen Vorbild orientiert (zum Beispiel Virenimitat), dienen die Oberflächen

nach dem Prinzip der molekularen Erkennung dazu, Wirkstoffe durch natür-

liche Membranen zu schleusen oder eine künstliche Immunreaktion hervor-

zurufen. Die Fachgebiete physikalische Chemie, Pharmazie und Biotechnologie

sind in die Fragestellungen am meisten involviert; zudem können die Erkennt-

nisse und Lösungen aus biologischen Wirk mechanismen 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 Normierungsbemühun-

gen nach sich zieht.

Wissenschaft





flächen, dienen. Für die kontrollierte Einbringung und Abgabe aktiver Stoffe

in den (menschlichen) Organismus, also Drug Delivery, sind solche Molekül-

architekturen von Bedeutung. In Form von Nanokapseln (Nanocarrier) bewerk-

stelligen sie Verkapselung, Transport und kontrollierte Freisetzung von cyto-

toxischen oder instabilen Stoffen (Medikamenten) am Wirkort (zum Beispiel

Tumormedikation, auch DNA/RNA).

Dendritische Polymere können auch funktionale Biomakromoleküle nach-

ahmen (Mimicry), die von therapeutischer Relevanz sind. So wurden bereits

spezielle Proteine (Histone zur DNA-Verpackung) oder Polysaccharide wie Hepa-

rin nachgeahmt, wobei hauptsächlich die Oberflächenladung ein Kriterium

darstellte. Die Anwendungen der Molekülarchitekturen reichen von protein-

resistenten Beschichtungen (Kapitel Biokompatible und bioaktive Ober flächen,

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 Organisa-

tions- und Wirkprinzip: Neue Architekturen, Funktionen und Anwendungen‹

ist Prof. Haag mit dem Teilprojekt A6 ›Modulare Synthese von biokompa tiblen

Gerüstarchitekturen‹ beteiligt. Das Projekt befasst sich mit der modularen

Synthese von dendritischen Polyglycerinen bzw. Hybridträgersystemen, der

Funktionalisierung dieser Gerüstarchitekturen mit biologisch aktiven Oligo-

sacchariden (Sialinsäurederivate bzw. Selektinliganden) und der Synthese



78

linearer biokompatibler Oligoglycerinspacer. Untersucht wird der Einfluss der

Spacerstruktur, die die verschiedenen Bindungsstellen zu einem multivalenten

Bindungspartner verknüpft (für multivalente Wechselwirkungen mit biologi-

schen 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 Bun-

desanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM, der Charité-Universitäts-

medizin 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 Nano-

partikel unterschiedlicher Zusammensetzung und Architektur sowie Funktio-

nalisierung der Oberfläche Forschungsgegenstand. Die physiko-chemische

Charakterisierung wird mit optischer Spektroskopie, Elektronenspinresonanz

EPR, Elektronenmikroskopie, Fluoreszenz-, Raman-Spektroskopie und Expe-

rimenten mit Synchrotronstrahlung, unter anderem zum zirkularen magne-

tischen Röntgendichroismus (X-MCD), sowie Röntgenmikroskopie durchge-

führt.

Am Sonderforschungsbereich 765 ist Prof. Rühl mit dem Teilprojekt C5

›Thermodynamik und Kinetik der Bindung multivalenter Verbindungen an

makroskopischen Grenzflächen und größenselektierten Nanopartikeln‹ betei-

ligt. Untersucht wird die Wechselwirkung multivalenter Systeme (zum Beispiel

Linker) mit planaren wie gekrümmten Grenzflächen. Vor allem sollen ther-

modynamische/kinetische Kenngrößen sowie verbesserte Modellvorstellun-

gen zum quantitativen Verständnis der multivalenten Wechselwirkungen mit

Substraten abgeleitet bzw. gewonnen werden.

Der Arbeitskreis Organische Chemie (Prof. Rück-Braun) der TU Berlin befasst sich

mit organischer und metallorganischer Chemie, speziell Fotoschaltern, metall-

vermittelten Reaktionen und Reaktionskaskaden bzw. Synthese und Funktio-

nalisierung 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. Eckart Rühl

Prof. Dr. Karola Rück-Braun


79

In den Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen

Schaltern an Oberflächen‹ ist die Gruppe von Prof. Rück-Braun mit dem Teil-

projekt B 6 ›Photoschalteinheiten für Elementarprozesse an Oberflächen‹ invol-

viert. Darin werden Photoschalteinheiten und Photoschalter-Linker-Konjugate

als photochrome Systeme im Baukastenprinzip für die Anwendung an Ober-

flächen maßgeschneidert (Azobenzole, Fulgimide und Hemithioindigos sowie

Diarylethene, Spirooxazine, Benzo- und Naphthopyrane). Des Weiteren wer-

den photoschaltbare Self-Assembled Monolayers (SAM) auf Siliziumoberflächen

präpariert (On-Chip-Synthese) und charakterisiert.

Die Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls Kolloidchemie (Prof. Koetz) der Uni-

versität Potsdam betreffen insbesondere die Rolle von Polyelektrolyten in

selbstorganisierten Tensidsystemen, speziell die Wechselwirkung lamellarer

flüssigkristalliner Systeme, das heißt künstlicher Biomembransysteme mit ge -

ladenen Polymeren (Polyelektrolyte). Kationische Polyelektrolyte werden dazu

in ein ionisch geladenes Doppelschichtmembransystem (aus anionischem Ten-

sid: Natriumdodecylsulfat SDS/Dekanol und Wasser oder phospholipidhaltige

Doppelschichtsysteme) eingebracht, ohne dass sich das System entmischt.

Vielmehr wird durch eine partielle Ladungsneutralisation die Doppelschicht-

membran zu Kugeln (multivesikulare Überstruktur) aufgerollt. Diese finden

Anwendung insbesondere bei der Wirkstoffapplikation (Drug Delivery).

Am Labor Chemische und Pharmazeutische Technologie (Prof. Kumpugdee-

Vollrath) der Beuth Hochschule für Technik Berlin beschäftigt man sich mit

verschiedenen Arzneiformen, deren Herstellung und Charakterisierung. Ein

Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung kolloidaler Nano-Drug-Delivery-

Systeme, zum Beispiel von Liposomen, Niosomen, Mikroemulsionen und

Nanopartikeln. Für Strukturuntersuchungen werden verschiedene Charakteri-

sierungsmethoden wie Streuungstechniken (Licht, Röntgen aus Synchrotron-

Quelle, Neutronen), Mikroskopie (TEM, REM, AFM, Fluoreszenz, Polarisation),

Kalorimetrie, Kern-Spin-Resonanz (NMR), UV-VIS-Spektroskopie und Chroma-

tographie eingesetzt. Des Weiteren stehen pharmazeutische Verfahrenstechni-

ken 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-Infrarot-

Spektroskopie 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 Lösungs mittel,

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 umwelt-

Prof. Dr. Joachim Koetz

Prof. Dr. Mont Kumpugdee-

Vollrath


80

25

Vgl. Thümer, Reinhard et al. (Hrsg.)

(2008), S. 46–50.

freundlicher Zeit- und Energieaufwand beim Sprühprozess. Einige geeignete

Überzugsmaterialien (zum Beispiel Hydroxypropylmethylcellulose) wurden im

Rahmen einer Promotion hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit der Arznei-

form 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 Ver-

änderung der Oberfläche von Partikeln/Inhaltsstoffen durch Mikrokapseln, ein

Wandmaterial oder Matrixpartikel präpariert sie für den Einsatz in verschiede-

nen 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.

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 verschiede-

nen Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen, oder Unterneh-

men 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 teilnehmen-

den Firmenmitglieder weiter.

Die Abteilung Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide am Fraunho-

fer-IAP (Prof. Laschewsky, zugleich Professor für Angewandte Polymerchemie

an der Universität Potsdam) beschäftigt sich mit Polymeren und deren Grenz-

flächengestaltung auf Nanoebene.

Zum einen sind Polymere hydrophiler Art, die also mit hydrophilen Grup-

pen ausgestattet sind (Polyelektrolyte), oder auch Überstrukturen bildende,

amphiphile, mit schaltbaren Gruppen versehene Polymere (sowohl hydrophil

als auch lipophil) Forschungsgegenstand. Am Sonderforschungsbereich 448

Dr. Mathias Hahn

Prof. Dr. André Laschewsky


81

›Mesoskopisch strukturierte Verbundsysteme‹ (Laufzeit 1998 bis 2009) waren

die Forscher (Prof. Laschewsky, Dr. Lutz) dazu mit dem Teilprojekt A 17 ›Selbst-

organisation 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 Modellkol-

loide, 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 poly-

merer Oberflächen und Membrane finden sich in den Kapiteln Oberflächen-

technik 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 Fraun-

hofer-Instituten vernetzt.

Polymere Nanopartikel in der Medizin sind auch Arbeitsinhalt der Nachwuchs-

gruppe ›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 Nachwuchs-

gruppe

■ wohldefinierte makromolekulare Strukturen (Diblock-Copolymere zur DNA-

Komplexierung als nichtvirale Genvektoren),

■ die supramolekulare Selbstorganisation (amphiphil segmentiere Block-

Copolymere als organisierte Nanostrukturen, Mizellen, Multikompartment-

Mizellen 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 Polymerma-

terialien 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).

Dr. Jean-François Lutz


82

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 & 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 biolo-

gischen 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 Proteinbioseparatio-

nen‹ 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 Bio-

materials‹ und darin die Key-Technology-Platform Controlled Drug Delivery

Systems (CDDS). Prof. Lendlein ist Leiter des Zentrums für Biomaterialentwick-

lung in Teltow (Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geest-

hacht, 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, Infu-

sion 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 Drug-

Carrier wirkstoffspezifisch und an die jeweilige Indikation oder Freisetzungsrate

angepasst hergestellt werden.

Die Forschungsaktivitäten zu polymerbasierten Biomaterialien am Zen-

trum für Biomaterialentwicklung sind eingebunden in das Querschnitts-

Forschungsprogramm ›Regenerative Medizin‹ der Helmholtz-Gemeinschaft

im Forschungsfeld Gesundheit. Polymerbasierte Biomaterialien werden zur

gezielten Unterstützung der körpereigenen Regeneration (regenerative Medi-

zin) 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


83

weisen also Kombinationen von Materialfunktionen wie Biokompatibilität und

spezifische Oberflächeneigenschaften (auch bestimmte mechanische Eigen-

schaften, 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 Ver-

arbeitungsbedingungen viele Eigenschaften einzustellen (unter anderem Ober-

flächenphänomene in Kombination mit Stimulisensitivität).

Am BMBF-Projekt ›Innovationsnukleus Polymere für die Biomedizin Berlin

Brandenburg‹ (Poly4Bio BB, Start 2011) ist das HZG, Zentrum für Biomaterialent-

wicklung beteiligt. Im Verbund aus HZG, Freier Universität Berlin, Bundesan-

stalt 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.

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 Weite-

ren 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, insbe-

sondere um als Nanovehikel für Drug Delivery zu dienen.

Prof. Möhwald ist Leiter der Abteilung Grenzflächen am Max-Planck-Institut

für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG) mit mehreren Forschergrup-

pen ((Quasi) Planar Interfaces, Solid Interfaces und Non-planar Interfaces),

die an molekularen Grenzflächen im Spektrum von Biophysik bis Material-

wissenschaften grundlagenorientiert forschen. In der Arbeitsgruppe Opti-

cal 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 kon-

trollierten Freigabe werden in der Arbeitsgruppe Active Interfaces and Coatings

(Dr. Shchukin) bearbeitet und im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren,

Simulation beschrieben.

Dr. Adam Lee Sisson

Prof. Dr. Helmut Möhwald


84

Die Gruppe (Quasi) planar interfaces (Prof. Brezesinski) der Abteilung Grenz-

flächen des MPI-KG ist in der Grundlagenforschung von Peptiden (›Peptides

at Interfaces‹), Lipiden (›Lipid-DNA Interactions‹) und synthetischen bioakti-

ven 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 (zweidimensio-

nale, Monolayer, als auch dreidimensionale Strukturen, Vesikel/Mizellen, aus

Phospholipiden). Bei Zugabe von APs wird eine Auflösung von Bakterienmem-

branen bewirkt, während eukariotische Plasmamembranen unbeeinflusst

bleiben. Offenbar adsorbieren die APs an die proteoglykan-reiche Cytoplasma-

membran von Bakterien besonders gut und verändern die Membranintegrität.

Die antibakteriellen Petide werden als vielversprechende Alternative zu Anti-

biotika und zum zugehörigen Problem Resistenzenbildung angesehen.

Ziel der Forschungsrichtung ›Lipid-DNA Interactions‹ ist das Verständnis

der Interaktionen zwischen DNA und speziell formulierten Lipiden (mit Ami-

nen in den Kopfgruppen der Moleküle), die in selbstorganisierten Monolayern

(Langmuir) an der Wasser-Luft-Grenzfläche oder als Vesikel in wässrigen Dis-

persionen 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, funk-

tionalen 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 Anwen-

dungen‹ 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 Pots-

dam und Fh-IBMT) bioaktive Oberflächen. Im Mittelpunkt stehen kolloidale

und flache Modelloberflächen. Diese sind in der Lage, mit verschiedenen bio-

logischen Substanzen wie DNA, RNA, Proteinen, Enzymen, Wachstumsfakto-

ren, Viren, Bakterien, Membrankanälen oder Zellrezeptoren zu interagieren,

also spezifische und responsive Wechselwirkungen mit biologischen Verbin-

dungen 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 Bio-

molekülen und flexiblen bioaktiven Oberflächen‹ (Lipide, Polymere, Proteine,

DNA, Peptide) und kooperiert mit allen anderen Teilprojekten (vergleiche MPI-

Prof. Dr. Gerald Brezesinski


85

KG, Fh-IBMT in diesem Kapitel bzw. in Oberflächentechnik in Bio-Analytik und

Diagnostik).

Wirtschaft

Bayer HealthCare Pharmaceuticals, ein aus der Schering AG hervorgegangener

Unternehmensteil der Bayer AG, ist in der Forschung und Entwicklung nano-

medizinischer Produkte aktiv. Speziell zur verbesserten Freisetzung und Bio-

verfügbarkeit von Wirkstoffen und zur Verminderung von Nebenwirkungen

werden nanotechnologische Formulierungen untersucht. Die zielgerichtete

Therapie (Konzentration am Krankheitsherd, Kontrolle über Wirkstoffvertei-

lung im Körper, Moleküloberflächen zur molekularen Erkennung) erfolgt mit

Hilfe wirkstoffhaltiger Nanopartikel (Nanocarrier). Im Arbeitskreis ›Responsible

Production and Use of Nanomaterials‹ der Gesellschaft für Chemische Tech-

nik und Biotechnologie (DECHEMA) sowie in den BMBF-geförderten Projekten

›NanoCare‹ und ›Tracer‹ engagiert sich Bayer für den verantwortungsbewussten

Umgang mit Nanomaterialien in pharmazeutischen Anwendungen.

Die Capsulution Pharma AG hat sich auf die LbL-Technologie (vergleiche Surflay

Nanotec GmbH) für pharmazeutische Zwecke spezialisiert. Je nach Verwen-

dungszweck werden durch Capsulution Nanokapseln mit speziellen pharma-

zeutischen, biochemischen, elektrischen, optischen oder magnetischen Eigen-

schaften ausgerüstet, um sie in den Lebenswissenschaften, hauptsächlich als

Drug Delivery-Systeme, einzusetzen (zum Einsatz bei Medizinprodukten ver-

gleiche 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: Caps-

Morph™ zur amorphen Verkapselung schlecht löslicher Wirkstoffe bei oraler

Einnahme, CapsInject™ zur verzögerten in vivo-Freisetzung biologischer Kom-

ponenten aus den LBL-Schichten und LBL PLUS, Multilayer-Nanokristalle zur

oralen Einnahme schlecht löslicher Wirkstoffe.

Die Ferropharm GmbH ist ein 1998 gegründetes, in Entwicklung und Vertrieb von

superparamagnetischen Nanopartikeln tätiges Unternehmen. Die superpara-

magnetischen 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 Verhinde-

rung von Aggregation im Schwerefeld der Erde oder in Magnet feldern mit Sta-

Bayer Health Care

Pharmaceuticals

Capsulution Pharma AG

Ferropharm GmbH


86

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 Monome-

ren bietet Vorteile im Sinne einer besseren Beeinfluss barkeit physikalischer und

biologischer Parameter gegenüber herkömmlichen Eisenoxidpräparaten, die

mit polymeren Verbindungen wie Dextran stabilisiert werden. Die mit Phos-

phaten und Silikaten stabilisierten Nanopartikel sind thermisch sehr bestän-

dig und damit auch für technische Anwendungen geeignet (als magnetische

Ionenaustauscher oder als magnetische Adsorbentien bei technischen Sepa-

rationsverfahren). Durch weitere Modifizierung der Oberfläche mit adsorptiv

oder chemisch gebundenen Substanzen (Fluoreszenzfarbstoffe, Komplex-

bildner, Peptide, Proteine, Genabschnitte oder positiv geladene Metallionen

verschiedener chemischer Elemente wie Kupfer, Silber, Gold, Eisenisotop,

Galliumisotop, Technetium-Isotop, Indium-Isotop) werden die Phasengren-

zen 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 hochver-

zweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, damit

in verschiedenen Mitteln löslich sind und unterschiedlichste Moleküle, Metall-

ionen, 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 Pflan-

zenstoffe und Farbstoffe (zum Beispiel Nilrot zum Anfärben von Zell(bestand-

teil)en, Kongorot als pH-Indikator). Die Verkapselung wird so gewählt, dass

die Löslichkeit je nach Anforderung in Wasser, Blut, Serum, Salzlösung, Alko-

holen gegeben ist. Sie kann aus dendritischen Polyclycerolen mit funktionel-

len Gruppen an der Oberfläche oder aus funktionalisierten Polyethyleniminen

(PEI) hergestellt werden und ist in einem weiten pH-Wert-Bereich stabil.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Wirkstoff-Verkapselungskombina-

tionen finden sich in den Kapiteln Energiewandlung und -speicherung und

Umwelttechnik.

Die TOPASS GmbH arbeitet im Bereich Nanomedizin und ist vor allem in der

Entwicklung und Herstellung von Nano-Carriern für die medizinische Anwen-

dung in Diagnostik und Therapie tätig. Auch die Beurteilung und Bewertung

von diagnostischen und therapeutischen Verfahren sowie die Planung, Koordi-

nation und Durchführung von (prä)klinischen Studien zählen zum Aktionsfeld

des Unternehmens.

nanopartica GmbH

TOPASS GmbH


87

26

Vgl. BioPro Baden-Württemberg GmbH

(2004).

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 lang-

sam Wirkstoffe frei. So können Arzneien bei gleicher Dosis länger wirken

und damit Risiko und Menge von unerwünschten Nebenwirkungen redu-

ziert werden.

■ In der zellulären Therapie (beispielsweise Lymphozyten-Transfer) sollen

spezialisierte Zellen transplantiert werden (zum Beispiel zur Hormon-

produktion), deren Oberfläche mit bestimmten Nanopartikeln verändert

wurde, um nicht vom Immunsystem angegriffen zu werden.

■ Zur Transduktion von Genmaterial in Zellen (Gentherapie) sollen Nano-Car-

rier (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

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 Verkapse-

lungsmaterialien (Polymere, Biopolymere) zurückzuführen ist. Die Grund-

lagenforschung an Universitäten und Hochschulen ist stark besetzt. Hinzu

kommen Forschungsinstitute sowie Firmen(ausgründungen) mit einschlä gigen

Kompetenzen in der Biomaterialentwicklung sowie bei Grenzflächen und

Kolloiden. Auf diese Weise sind beste Voraussetzungen für die Zusammen-

arbeit 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 Ober-

flächen, Agrar-, Lebensmittel- und Textiltechnologie oder Easy-to-clean-

Oberflächen gesehen.26


88

27

ZiG/TU Berlin (2009), S. 56.

28

Vgl. Birkholz, Mario (2009), S. 5 –6.

In Bayern hat sich 2003 die Exzellenzinitiative ENNaB – Excellence Network

NanoBioTechnology an der Schnittstelle Nanotechnologie/Biotechnologie ge -

bildet. Kernziel ist die Entwicklung eines landesweiten Nanobiotechnologie-

Clusters 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 Rheinland-

Pfalz haben zur Förderung der noch jungen Forschungsrichtung das gemein-

same 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 (Biomole-

külen) 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 Ober-

fläche (Glasträger mit einer Vielzahl an sensorischen Molekülsektionen auf

einer Ebe ne27, Microarray-/Biochip-/Lab-on-Chip-bzw. Biosensortechnologie).

In der Ent wicklung befindlich sind Verfahren, welche die auf der Oberfläche

stattfindende Analytik direkt in einen darunter liegenden Mikroelektronikchip

einkoppeln (Schichtarchitekturen in der Form Halbleiter-immobilisiertes-Bio-

molekül, zum Beispiel organische Feldeffekttransistoren).28

Von oberflächentechnologischem Interesse ist in der Bio-Analytik außer-

dem die Verhinderung unspezifischer Bindungen, die die Messung verfälschen

würden (vergleichbar mit einem Signal-Rausch-Verhältnis). Dazu dienen pro-

teinresistente oder antimikrobielle Substratoberflächen.

Wissenschaft





flächen, dienen. Für biosensorische Anwendungen sind solche Strukturen

wichtig, um biologisch inerte Oberflächen herzustellen, die beispielsweise eine

unspezifische Proteinbindung verhindern. Polyethylenglycole, kurz PEG, wer-

den derzeit am häufigsten angewendet. Am Institut wurden einfach-funktio-



89

nalisierte Polyglycerol-Derivate in einem selbstorganisierenden Monolayer auf

Goldoberflächen aufgebracht; mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektro-

skopie (SPR) wurde die Dicke des absorbierten Biofilms untersucht. Dabei zeig-

ten Thiol-funktionalisierte Polyglycerole die beste Resistenz gegen Proteine.

Im Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schal-

tern an Oberflächen‹, Teilprojekt B 7 ›Funktionale Imin- und Diazo-Schalt-

einheiten‹ synthetisierten die Forscher licht-schaltbare funktionale Moleküle,

die auf Iminen und Azobenzolen basieren. Die Änderungen ihrer chemisch-

physikalischen (Leitfähigkeit, Hydrophilie, Dipolmoment, Förster-Resonanz-

energietransfer FRET) und biochemischen (Proteinresistenz) Eigenschaften auf

Gold- und Kohlenstoffoberflächen wurden in Kooperation mit physikalischen

und theoretischen Gruppen des Bereichs untersucht.

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, Bio-

chemie, Medizin usw. entstehen beispielsweise Micro-Arrays für die Biomo-

leküldetektion (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-Techno-

logie untersucht, das heißt elektronische Signalwandlungsmethoden (Trans-

ducer) implementiert und ein entsprechendes Schaltungsdesign und System-

integration 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 Aktuator-

technik (auf Silizium- und CMOS-Basis, auch für Anwendungen wie CMOS-

Imaging, CMOS-Kamera, integrierte Temperatursensoren, Beschleunigungssen-

soren, Digital Micro Mirrors), aber auch speziell CMOS-Biosensorik.

Am Lehrstuhl Angewandte Physik II/Sensorik der BTU Cottbus forscht Prof.

Schmeißer mit seiner materialwissenschaftlichen Forschungsausrichtung (Kapi-

tel 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 Carl-

Thiem-Klinikum Cottbus vorgestellt und kontinuierlich weiterverfolgt. Als

Grundlage der neuartigen medizinischen Nachweismethode wird ein orga-

nischer Feldeffekt-Transistor (OFET) als Dünnschicht-Halbleiterbauelement

hergestellt; er dient als Transducer (Signalwandler) für die auf ihm (bzw. der

Prof. Dr.-Ing. Roland Thewes

Prof. Dr. Dieter Schmeißer


90

Gate-Elektrode) immobilisierten Antigene. Die hochselektive Anbindung spe-

zifischer 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 halb-

leitende Polymere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen

aufzuklären, werden am Lehrstuhl Schichten und Schichtstrukturen präpariert

und spektroskopisch oder spektromikroskopisch untersucht (Kapitel Dünn-

schicht-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 Immo-

bilisierung 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 Poly-

meren 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 Hauptstadt-

region wurde 2006 die InnoProfile-Nachwuchsforschungsgruppe ›Integrierte

Proteinchips für die Point-of-Care Diagnostik – iPOC‹ an der Universität Pots-

dam 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


91

Assoziierte Professuren der Universität Potsdam und Partner der auf dem Cam-

pus Potsdam-Golm angesiedelten Nachwuchsgruppe sind die Bioanalytik

(Prof. Scheller), Chiptechnologie (Prof. Bier), Lasertechnik (Prof. Löhmanns-

röben) und Molekularbiologie (Prof. Steup, Prof. Müller-Röber), das Fh-IBMT,

die Franz-Volhard-Klinik Berlin sowie die Firmen FILT Lungen- und Thoraxdia-

gnostik GmbH Berlin, BST Bio Sensor Technologie GmbH Berlin, Celltrend GmbH

Luckenwalde und In.vent Diagnostica GmbH Hennigsdorf.

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 Ober-

flächen mit den Teilthemen

■ Nanomanipulation von absorbierten Partikeln,

■ Interaktion von Einzel-Nanopartikeln und Makromolekülen mit Oberflä-

chen und deren Anwendung in Nanotechnologie/Lebenswissenschaften,

■ globale und koordinierte Einkopplung optischer Energie mit Hilfe nano-

strukturierter 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), Trans-

missionselektronenmikroskopie (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 Magnet-

felder 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 Azo-

Polymeren werden Intensitätsverteilungen förmlich in die Topographie des

Polymerfilms geschrieben (mit Auflösung unterhalb des Beugungslimits und

reversibel). Neben diesen hauptsächlich für die Bio-Analytik/Sensorik wichti-

gen Steuermechanismen (vor allem DNA-Kondensierung und -Konstellation)

beschäftigt sich die Gruppe auch mit der kontrollierten simultanen Bewe-

gung 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.

Prof. Dr. Svetlana Santer


92

Die Arbeitsgruppe Nanobiotechnologie (Prof. Mirsky) an der HS Lausitz befasst

sich mit der Entwicklung von chemischen und biologischen Sensoren mit opti-

schem 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 Oberfächen Plasmonen Resonanz (SPR)-Biosen-

soren.

Insbesondere umfassen die Projekte die Optimierung oder Entwicklung ent-

sprechender 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 Charak-

terisierung von Sensoroberflächen zur Verfügung.

An der TH Wildau im Fachgebiet Biosystemtechnik/Biohybridtechnik wid-

met sich Prof. Lisdat den bioanalytischen Nachweisverfahren und untersucht

sowohl geeignete Materialsysteme in ihrer Funktion als Signalwandler (Elek-

tronentransfer) 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, Impe-

danzspektroskopie, Quarzmikrowaage und Oberflächenplasmonresonanz-

spektroskopie (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, Oberflächen-

plasmonenresonanzspektroskopie SPR, Sputteranalyse/SputterCoater, Plasma-

behandlung von Oberflächen).

Prof. Dr. Vladimir M. Mirsky

Prof. Dr. Fred Lisdat


93

Laufende Forschungsprojekte zielen auf die Bestimmung von Orientierung und

Zusammensetzung von Biomolekülschichten auf Oberflächen mittels In fra rot-

Reflexions-Absorptions-Spektrometrie (IRRAS) und die Etablierung von Präpa-

rationstechnologien modifizierter Nanopartikel im Projekt ›BioNapaTest‹, das

die Sensitivität von bioanalytischen Nachweisverfahren erhöhen soll. Metal-

lische, polymere sowie anorganisch-nicht-metallische Nanopartikel werden

präpariert, um Biomoleküle zu binden und damit Multischichten auf Sensor-

elektroden aufzubauen, aber auch deren katalytische Eigenschaften für ver-

stärkte Stoffumsätze auszunutzen.

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 Erkennt-

nisse 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 Dünnschicht-

Elektronik 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 wissenschaft-

lichen 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 Fraunhofer-

Institut für Biomedizinische Technik, St. Ingbert stromlose und galvanische

Abscheidetechniken kombiniert, Layouts optimiert und erreichte Ergebnisse

evaluiert.

Die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet Nanostrukturen (Herr Zwanzig, Abtei-

lung System Integration & Interconnection Technologies des Fh-IZM) zeigen das

Potenzial metallischer Nano-Strukturen für die Entwicklung neuer Aufbau-

und Verbindungstechniken (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und

Optoelektronik), aber auch als interaktive Oberflächen in Kontakt mit biologi-

schen 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 oberflächen-

aktiv 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

Dr. Stefan Fiedler

Michael Zwanzig


94

stimulieren. Ein am Fh-IZM entwickeltes Verfahren zur Goldgalvanik ermöglicht

außerdem die direkte maskenfreie Abscheidung erhabener kristalliner Struk-

turen – 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-Computer-

Interface, Neurochip).

Mit dem Bereich Weiche Materie und funktionale Materialien am Helmholtz-

Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) und der gleich namigen

Stiftungsprofessur am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin ver-

tritt Prof. Ballauf Forschungskompetenz zu Grenzflächen zwischen biologischem

und funktional-technischem Material. So werden mittels verschiedener Ver-

fahren 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 Biokom-

patible und bioaktive Oberflächen). An Multilayern aus Proteinkomponenten

(Myelin basic protein) und Lipiden wurden Grund lagenuntersuchungen 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 Signal-

weiterleitung oder führt bei Mangel zu einer Signal unterbrechung.

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) betreibt in Potsdam

(seit 2006 im Wissenschaftspark Potsdam-Golm ansässig) mit seinen Abtei-

lungen ›Molekulare Bioanalytik & Bioelektronik‹, ›Zelluläre Biotechnologie &

Biochips‹ und der 2007 ergänzten Abteilung ›Nanobiotechnologie & Nanome-

dizin‹ angewandte Forschung auf den Feldern der molekularen Diagnostik,

der Geräteentwicklung im Bereich Lab-on-Chip-Technologie und der Nano-

Biotechnologie.

Unter der Leitung von Prof. Bier agiert die Abteilung ›Nanobiotechnologie

und Nanomedizin‹ in mehreren Gruppen, darunter ›Biomolekulare Nanostruk-

turen‹ 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 mikro- und spektroskopischen Analyse (Fluores-

zenz-, DIC-, Phasenkontrast-, Dunkelfeld-Mikroskope; konfokales Laserscan-

ning-Mikroskop mit Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, hochsensitive CCD-

Kameras mit Einzelphotonensensitivität, Rasterkraftmikroskope) zur Verfügung.

Die Arbeitsgruppe ›Technische Molekularbiologie‹ behandelt bioaktive

Moleküle an immobilisierenden Oberflächen, erarbeitet Strategien zur Selbst-

organisation der Biomoleküle sowie zur Übertragung einzelner biologischer

Prof. Dr. Matthias Ballauf

Prof. Dr. Frank Fabian Bier


95

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 genann-

ten Prozessen Strategien für Biochipanalyse/-diagnostik und therapeutische

Anwendungen (in vivo-Systeme) generiert.

Außerdem bearbeitet die vom BMBF geförderte Nachwuchsgruppe ›Bio-

mimetische 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.

In der Gruppe Zell-Assay-Entwicklung der Abteilung ›Zelluläre Biotechnolo-

gie & Biochips‹ um Dr. Duschl werden verschiedene Oberflächenmodifikati-

onen angewandt, um den Informationsaustausch zwischen Zellen und ihrer

Mikro umgebung bzw. die Zellen selbst zu steuern, mit dem Ziel, zellbasierte

Diagnose- und Therapieansätze umzusetzen. Insbesondere zur Adhäsions-,

Mobilitäts-, und Differenzierungssteuerung von Zellen sowie zur Beeinflus-

sung ihrer chemotaktischen Aktivität werden Oberflächenarchitekturen zu Hilfe

genommen. Dabei stehen strukturierte Oberflächen (molekulare, topographi-

sche Muster), schaltbare Oberflächen – schaltbare Polymere, die an Oberflä-

chen für die Zellkultur gebunden sind und durch einen Temperaturreiz ihre

Konformation aus zellfreundlichen und zellfeindlichen Molekülanteilen ver-

ändern – oder Micro-Contact-Printing (µ-CP)-Technologie im Mittelpunkt des

Interesses.

Entwicklung und Herstellung solcher Oberflächen mit biologischen Eigen-

schaften werden vom Institut als Dienstleistung angeboten. Zudem stehen den

Wissenschaftlern wie auch Interessierten von außerhalb ein Labor für Ober-

flächenchemie und -biochemie sowie analytische und präparative Geräte

(Multiskop für abbildende Ellipsometrie, Oberflächenplasmonenresonanz-

spektroskopie, 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 Exzel-

lenznetzwerk ›Synthetische Bioaktive Oberflächen – Biologische Modelle und

neue Materialien für biotechnologische Anwendungen‹ zum Thema schalt-

bare Oberflächen mit dem Hauptziel neue Zellsubstrate (Teilprojekt 7, Ober-

flächenbeschichtungen 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.

Dr. Claus Duschl


96

Die Arbeitsgruppe Mikroarrays & Biochiptechnologie in der Abteilung ›Mole-

kulare 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 Fluoreszenz-

markierung oder photometrisch. Spezifische kopplungsfähige Oberflächen,

reversible Oberflächen zum Umschalten von verschiedenen Funktionalitäten

und damit spezifische DNA- und Proteinchips für hochparallele biomoleku-

lare 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 (Point-

of-Care-Diagnostik, POC), Therapiekontrolle und Umweltüberwachung.

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 sensori-

sche Bauelemente ist ein Schwerpunkt der F&E und wird neben der klassischen

Gassensorik (Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik) verstärkt

für die Biosensorik weiterentwickelt.

Dr. Eva Ehrentreich-Förster

Dr. Thomas Köpnick

Erstellung von Microarrays im SciFlex-Spotter, Biochipspotter (Fraunhofer-IBMT), Fotos: Jochen Zick


97

Ganz im Sinne der zunehmenden Konvergenz von Mikroelektronik und Biotech-

nologie ist die Entwicklung eines minimalinvasiven Glukose-Sensors am Leib-

niz-Institut für innovative Mikroelektronik (ihp) durch Dr. Birkholz (GlucoPlant-

Projekt), 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-Elec-

tro-Mechanical System), genauer einem Mikroviskosimeter, das durch die Mini-

aturisierung (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 Mikro-

elektronik wie Photolithografie (Laser-Belichtung), Trockenätzen, physikalische

und chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD, CVD, PECVD, SACVD,

LPCVD), epitaktisches Schichtwachstum (Niedrigtemperatur- und Hochtem-

peratur-Si-Epitaxie), Ionenimplantation, Rapid Thermal Processing (RTP) für

Temperung, Oxidation und Silicierung sowie Messtechniken für Schichtdicken-,

Widerstands-, Defektdichten- und Topologiemessung (Rasterelektronenmikro-

skopie REM, Rasterkraftmikroskopie AFM) und Röntgendiffraktometrie.

Wirtschaft

Die BST Biosensor Technologie GmbH produziert Biosensoren, deren Technolo-

gie 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 Kombinatio-

nen von biologischer Rezeptorkomponente und Transducer für den entspre-

chenden Biosensor.

Auf ein Substrat aus Keramik oder Polymer (Standardsubstrat: Alumini-

umoxid-Keramik) wird durch Siebdruck (Dickschichttechnik) der eigenliche

Detektor aufgebracht und mittels Dispensier- und Spottechniken biologische

Dr. Mario Birkholz

BST Biosensor Technologie GmbH

Berlin


98

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 Lebens-

dauer von über 2.000 Messungen und sollen verstärkt in der Point-of-Care-

Diagnostik direkt beim Patienten Anwendung finden.

Die PlasmaChem GmbH ist spezialisiert auf Nanomaterialien, Abscheidungs-,

Vakuum- und Plasmatechnologien sowie Dünnschichttechnik und deren

tech nische und biomedizinische Anwendungen (Kapitel Biokompatible

und bio aktive Oberflächen). Eine enge Zusammenarbeit besteht mit dem

Lehrstuhl Physik von Makromolekülen der Humboldt-Universität zu Ber-

lin (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 Ober-

flächen zu arrangieren und dies für molekulare DNA-Chips zu nutzen.

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 Mem-

branen für diagnostische Anwendungen genutzt (zu anderen Anwendungen

vergleiche Kapitel Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik, Biokompa-

tible und bioaktive Oberflächen). Mit dem molekularen Prägen und der MSE-

Technik lassen sich Oberflächen maßschneidern, sodass verschiedene Zielstruk-

turen hergestellt werden können, die die molekulare Erkennung nutzen. An

ein Trägermaterial wie Glas, natürliche Polymere wie Cellulose oder künst liche

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 Zusammen-

schluss von Unternehmen und Forschungseinrichtungen der Niederlausitz und

angrenzender Regionen zu dem Zweck, ihr synergistisches, multidisziplinäres

Know-how zur Kernkompetenz Multiparameterimmundiagnostik zu bündeln.

Die Scienion AG entstand 2001 als Ausgründung aus dem Max-Planck-Institut

für Molekulare Genetik. Das Unternehmen entwickelt und vermarktet Micro-

array-/Biochip-Technologie, die der DNA-Diagnostik, der Genom- und Pro-

tein-Forschung sowie der Wirkstoffentwicklung/Pharmazeutik dient.

Die Chipoberfläche wird von Scienion derart gestaltet, dass möglichst

universell wichtige Klassen von Biomolekülen in biologisch aktivem Zustand

PlasmaChem GmbH

PolyAn GmbH

Scienion AG


99

29

Vgl. TSB Technologiestiftung Berlin (2007),

S. 39.

(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) ready-

to-use DNA-Microarrays, daneben ready-to-spot-Systeme (sciCHIP – Slides mit

funktionalem Polysiloxan-Layer, die für DNA- und Protein-Microarray-Anwen-

dungen optimiert sind), bis hin zu Protein-Microarrays sowie Instrumenten für

die Chipherstellung (Piezo-Spotter, Inkubationssystem für Biochips).

Netzwerke

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 Wertschöpfungs-

kette der in vitro-Diagnostik möglichst weitgehend abzudecken. Als Vor läufer

des Netzwerks gilt der BioHyTec e.V. (Prof. Lisdat, TH Wildau); dieser Verein

bearbeitete in der Zeit von 2000 bis 2006 bereits vielfältige Projekte (Biochip-

entwicklungen), die sich nicht auf den Humanbereich beschränkten, sondern

auch Bereiche wie Lebensmitteltechnologie und Kosmetikaherstellung einbe-

zogen.29

Die Kompetenzen der am Netzwerk DiagnostikNet-BB beteiligten For-

schungseinrichtungen 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.

DiagnostikNet | BB


100

Der Deutsche Industrieverband für optische, medizinische und mechatroni-

sche Technologien e.V. (SPECTARIS) mit Sitz in Berlin vertritt deutschlandweit

mittelständische Hightech-Unternehmen und gliedert sich in die vier Fachver-

bände Consumer Optics, Photonik + Präzisionstechnik, Analysen-, Bio- und

Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Unternehmen und Forschungsein-

richtungen aus Berlin und Brandenburg sind Mitglied im Verband, der Bran-

chen- 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 Analy-

sen-, Bio- und Labortechnik und ihre Exportmärkte.

Unter dem Namen ›Taschentuchlabor: Impulszentrum für Integrierte Bio-

analyse‹ haben sich im Rahmen der Initiative ›Spitzenforschung und Inno-

vation 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-Aktor-

Molekülen generiert werden, in die einerseits die Bindung des Analyten aus

einer komplexen Umgebung und andererseits die Signalgenerierung inte-

griert sind. Ziel ist die vollständige Integration aller bioanalytischen Prozess-

schritte 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

Partner aus der Wirtschaft sind:

■ MicroDiscovery GmbH, Berlin

■ BST Bio Sensor Technology GmbH, Berlin

■ CONGEN Biotechnologie GmbH, Berlin

■ Scienion AG, Berlin

■ PolyAn GmbH, Berlin

Deutscher Industrieverband


mechatronische Technologien

e.V. (SPECTARIS)

Taschentuchlabor: Impuls zentrum

für Integrierte Bioanalyse


101

Das Zentrum für Molekulare Diagnostik und Bioanalytik (ZMDB) dient als Platt-

form in Grundlagenforschung, Technologieentwicklung, klinischer Forschung

und industrieller Anwendung für innovative Diagnostika in Berlin-Branden-

burg. 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/Anti-

gen-Antikörper) und zur Signaltransduktion betrieben. Damit soll die Point-

of-Care-Diagnostik indikationsbezogen per Zielmoleküldedektion (Biochip/

Microarray) bzw. Massen-/Konzentrationsbestimmung (Biosensor) entwickelt

und insgesamt vorangetrieben werden. Kopplungstechniken bzw. Immobi-

lisierungsmethoden 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, Biomo-

lekül 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 Nanobioanalytik-

Region Münster mit dem voraussichtlich 2012 fertiggestellten Nanobioanalytik-

Zentrum für Molekulare Diagnostik

und Bioanalytik (ZMDB)

c/o BioTOP Berlin-Brandenburg


102

30

Zukünftige Technologien Consulting

(ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH

(Hrsg.) (2006), S. 66.

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 uni-

verselle Kopplungs - bzw. Immobilisierungsmethoden, wie sie weltweit als

Beschichtungsstrategie für neue DNA-Mikroarray-Techniken (Bindung von

DNA-Molekülen ohne deren biologische Aktivität zu beeinflussen) von Inter-

esse sind.

5.2.5 Oberflächentechnik in der Bioverfahrenstechnik

Abgrenzung

Die Bioverfahrenstechnik (auch Bioprozesstechnik) ist der Bereich der Biotech-

nolog ie, der sich mit der verfahrenstechnischen Umsetzung von Stoffumwand-

lungen 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 Bei-

spiel Glas, Ton, Sand, Metalloxide, nichtrostender Stahl oder kovalente Bin-

dung 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 biokataly-

sierten 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 ökologi-

schen Vorteilen ersetzen. Eine enge Verknüpfung der affinen oder katalytischen

Oberflächen besteht zu Schadstoffabtrennung, Filtrations- und Reinigungspro-

zessen (Graue oder Braune Biotechnologie/Umweltbiotechnologie), die Enzyme

und Mikroorganismen (jedoch auch in nicht-trägerfixierter Form) für die Auf-

bereitung von Trinkwasser, Abwasser, Abluft, Abfällen usw. nutzen (Kapitel

Umwelttechnik).

Wissenschaft

Das Fachgebiet Technische Chemie/Enzymtechnologie um Prof. Ansorge-Schu-

macher 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 Verbin-

dung mit dem Graduiertenkolleg ›Biokatalyse in unkonventionellen Medien‹

(GRK 1166, ›Bionoco‹) an der RWTH Aachen.

Prof. Dr. Marion Ansorge-

Schumacher


103

Im Mittelpunkt der Forschung stehen vielversprechende kommerzielle Enzyme,

aber auch – vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit nachwachsender Roh-

stoffe – 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 Syn-

these 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 Diag-

nostik 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 Nano-

Biotechnologie).

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) werden am

gleichnamigen Fachbereich Biopolymere (Dr. Vorwerg) untersucht und ent-

wickelt, die zum einen auf Stärke basieren (Kapitel Bauteilbeschichtung,

Verfahren, Simulation), zum anderen Cellulose involvieren (Kapitel Biokom-

patible und bioaktive Oberflächen). Als selektive Trägersysteme und Trenn-

materialien können Celluloseprodukte zur Blutentgiftung eingesetzt werden;

weitere Anwendungen sind Symplex-Membranen für die destillationsfreie

Lösungsmitteltrennung in der chemischen Industrie und in der Lebensmittel-

industrie.

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 Grenzflächen-

gestaltung auf Nanoebene. Ein Arbeitsfeld ist die Latex-Synthese durch Emul-

sions- 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, hoch-

spezifische 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 be -

schrie ben.

Das Fh-IAP ist mit seiner Forschung zur ›Verbesserung der Biokompatibi lität

und Funktion von medizin- oder biotechnisch eingesetzten Materialien‹ im

Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile – MATERIALS aktiv, der die Kompe-

tenzen von 13 materialwissenschaftlich orientierten Instituten der Fraunhofer-

Gesellschaft bündelt.




104

Wirtschaft

Die PolyAn GmbH ist ein auf Molecular Surface Engineering (MSE) und Surface

Molecular Imprinting (SMI) spezialisiertes Unternehmen. Diese Technologie-

plattform wird neben der Entwicklung von Biochips, diagnostischen Mem-

branen 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 maß-

schneidern, dass verschiedene Zielstrukturen hergestellt werden können, die

die molekulare Erkennung nutzen. Poröse mit molekular geprägten Polyme-

ren (MIPs) versehene Trägermaterialien werden somit als Nano-/Ultra-/Mikro-

filtrationsmembran 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) Hochleistungs-

Kompositmembranen entwickelt. Bei diesen wendet man das ›pore-filling‹-

Konzept an, auf diese Weise können die Membranen auf spezifische Trenn-

probleme zugeschnitten werden. Ein dünner funktioneller Polymer-Film wird

dazu kovalent in der Separationsschicht einer asymmetrischen Ultrafiltrations-

membran 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.

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 biokataly-

tischen bzw. affinen Substanzen (Membrantechnik) separat zu ermitteln. Dabei

sollte das Themenfeld über die Kategorie Life Science hinaus in Bezug auf wei-

tere Anwendungsmöglichkeiten (vor allem biokatalysierte chemische Synthese,

Umwelttechnik/Bautechnik: Wasseraufbereitung, Schadstoffabtrennung, Luft-

PolyAn GmbH


105

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.

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 energie-

bezogene Forschung. Und mit rund 47.000 Beschäftigten ist die Energiewirt-

schaft bedeutend für Wirtschaftsleistung und Beschäftig ung 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 innova-

tive Materialien und insbesondere Effekte in Nanodimensionen, die durch

die veränderten physiko-chemischen Werkstoffeigenschaften (größeres Ober-

fläche-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 bedeu-

ten (Reinigungsaufwand, Strömungswiderstand, Wärmeübertragung/Isola-

tion, Witterungsbeständigkeit, Hochtemperaturschutz, Flamm-/Brandschutz).

5.3.1 Solarthermie

Abgrenzung

In der Solarthermie gilt es die Wechselwirkung an der Oberfläche von Solar-

kollektoren zu optimieren. Funktionale Schichten werden hier zur Verringe-

rung von Verlusten an einfallender Sonnenstrahlung (Antiref lexbeschichtung)

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 elektroche-

misch schwärzte oder schwarz lackierte, um Lichtaufnahme und Kollektor-

temperatur zu maximieren, begann man um 1990 mit dem Einsatz selektiver


106

36

KBB Kollektorbau (2006); KBB Kollek-

torbau (o. J.).

37

Murphy&Spitz Green Capital AG (2011).

Absorberschichten wie Schwarzchrom auf Kupferabsorbern. Als selektiv werden

diese Oberflächen bezeichnet, weil sie zwischen hoher Lichtaufnahme einer-

seits (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 Depositions-

verfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition) und Sputtern durchgesetzt

(Tinox-Beschichtung, Sunselect).

Wissenschaft

Solarkollektoren haben generell einen verhältnismäßig hohen Entwicklungs-

stand 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 Solarkollekto-

ren (Flachkollektoren, Vollflächenabsorber und Montagezubehör) operiert als

unabhängiger Erstausrüster, beliefert entsprechend OEM-Partner, die ther-

mische Solartechnik unter eigenem Namen vertreiben. Die KBB ver wendet

hochselektive Absorberbeschichtungen auf Aluminiumabsorberblech ver-

schiedener 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 Kern-

kompetenz 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 korrosions-

beständiges, 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


107

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 Beschich-

tungen für Solarkollektoren‹, u. a.

Bandbeschichtung zur Herstellung

von solarselektiven Absorberschichten

mittels Sputtern; Gombert, Andreas

(Fh ISE) et al. (2007).

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 – ähn-

lich 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

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

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; Antireflexbeschich-

tung und Infrarotreflexionsschicht konzentrieren die Strahlung für eine maxi-

male Absorption im Inneren.

Vakuum-Röhrenkollektor, FK Solinas 3® (FK Solartechnik GmbH)

Fazit

Anders als im bundesweit organisierten ForschungsVerbund Erneuerbare

Energien (FVEE)41 hat die Region in der wissenschaftlichen Forschung zur

Beschichtungstechnologie für Solarkollektoren keine spezialisierte Kompe-

tenz. Wirtschaftsrelevante F&E-Kompetenz ist nur ansatzweise vorhanden.

Absorber beschichtungen werden hauptsächlich von auswärtigen Anbietern

bezogen. Von einer geschlossenen Verwertungskette mit regionalen Beschich-

tungsdienstleistern für die Energietechnik insgesamt könnte die Solarthermie

aber durchaus profitieren.

Erforderlich ist, den Forschungs- und Entwicklungsbedarf zu Solar-Absor-

berbeschichtungen, also Material- und Verfahrensentwicklungen zur Wir-

Phönix SonnenWärme AG

FK Solartechnik GmbH


108

42



(2010).

43

CIS = Gruppe der Verbindungshalb-

leiter, 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

kungsgradsteigerung und reproduzierbare, kostengünstige, energie- und res-

sourceneffiziente Beschichtungstechnologien, im Einklang und in Zusammen-

arbeit 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 -en twicklung für die Photovoltaik hat sich in jüngs-

ter Zeit von der etablierten waferbasierten Technologie (µm-dicke freitragende

Funktionsschichten) hin zur Dünnschichttechnologie mit wesentlich verrin-

gertem Materialverbrauch entwickelt.42 Noch haben die klassischen Silizium-

Wafer 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; CIS43),

■ organische (Kunststoffe, Farbstoffe) oder hybride Materialien (Tandem- oder

Multispektralzellen), Nanokomposite,

Abbildung 13: Rekordwirkungsgrade von Laborsolarzellen

Quelle: Soltecture GmbH (2011a).


109

44

Vgl. Kniprath, Rolf et al. (2009b).

45

Vgl. Kniprath, Rolf et al. (2009a).

■ transparente leitfähige Schichten als Elektroden,

■ Antireflexbeschichtung und

■ Verkapselung gegen O2 und H2O.

Wissenschaft

Im Fachgebiet Organische und Makromolekulare Chemie der Freien Universität

Berlin forscht unter Leitung von Dr. Fasting eine Nachwuchsgruppe an Farb-

stoffsolarzellen, 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.

Im Fachgebiet Physik von Makromolekülen der Humboldt-Universität zu Ber-

lin 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-Netz-

werk mit PTEBS als Lochleiter förmlich befüllt. Sie bilden eine Typ II- Hetero-

gen-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-

Dr. Carlo Fasting

Prof. Dr. Jürgen P. Rabe

Abbildung 14: Vorte ile der Dünnschichttechnologie

gegenüber konven tionellem Solarsilizium

Quelle: Soltecture GmbH (2011b).


110

phenoid-Lagen als großflächige elektrisch leitfähige, optisch transparente

Beschichtungsmaterialien erforscht (Kontaktierung unter anderem für Solar-

zellen).

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 Halb-

leiterbauelementen mit speziellem Fokus auf Analyse und Reparatur von elek-

trischen Fehlfunktionen, unter anderem in Solarzellen (Kapitel Dünnschicht-

Elektronik und Optoelektronik).

Das materialwissenschaftlich orientierte Forschungsfeld am Lehrstuhl Ange-

wandte 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, Ober-

flächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik). Mit dem Ziel, elektronische

Eigenschaften und geometrische Strukturen verschiedener Materialien, wie

WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Polymere, intermetallische Ver-

bindungen (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), wellenlängen dispersive Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und

Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) sowie die spektro-

mikroskopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch

wird hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II

genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchun-

gen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).

Zum Thema organische Solarzellen arbeitet der Lehrstuhl gemeinsam mit

dem HZB an kostengünstigen Herstellungsweisen aus organischen Lösungs-

mitteln, vor allem an der Optimierung der Solarzellenperformance (Wirkungs-

grad) anhand von Präparationsbedingungen (Art der Halbleiter, Mischungs-

verhältnis, Lösungsmittel, Temperung). Forschungsergebnisse zu alternativen

PV-Materialien wurden in einschlägigen Veranstaltungen vorgestellt, so ›Fer-

roelectric 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 Dünn-

schicht-Systemen unter praxisnahen Bedingungen und Analyse ihrer poly-

kristallinen Materialeigenschaften‹ durch Ausbau einer Collaborating Research

Group (CRG) am Elektronenspeicherring BESSY II die Grundlagenforschung an

physikalisch-chemischen Prozessen an Oberflächen von polykristallinen Mate-

Prof. Dr. Christian Boit



111

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.

Am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, Fachbereich

Physik Weicher Materie, um Prof. Neher forscht man am Thema ›Meso-struc-

tured Conjugated Polymeric Systems for Photovoltaic Applications‹, also an

organischen (polymeren) ultradünnen flexiblen Solarzellen und am Verständ-

nis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen.

Halbleitende Polymere als aktive Layer in Solarzellen versprechen eine hohe

Quantenausbeute und einen viel höheren Absorptionsgrad als Siliziumsolar-

zellen. Innerhalb von einem Millimeter Dicke kann hier das gesamte einfal-

lende 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 Phasensepa-

ration (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 techni-

schen Eigenschaften der Polymere.

Bei der von Prof. Acker geleiteten Forschungsgruppe Siliziumchemie an der

Hochschule Lausitz stehen Gewinnung, Aufbereitung und Umsetzung von Sili-

zium 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 Reini-

gungsverfahren 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-Atom-

Prof. Dr. Dieter Neher

Prof. Dr. Jörg Acker


112

46

Vgl. FH Lausitz (o. J.).

absorptionsspektrometer, ein Diffuse-Reflexions-Infrarot-Fourier-Transform-

Spektrometer (DRIFT) zur Charakterisierung der Oberflächenbindungen von

Silizium.46

Eines von zwei Projekten, die der Fachbereich Bio-, Chemie- und Verfah-

renstechnik der Hochschule Lausitz im Rahmen des Förderprogramms ›Ingeni-

eurNachwuchs 2010‹ des BMBF einwerben konnte, ist ›ProSol – Prozesskont-

rolle für die Solarzellenfertigung‹. Damit verfolgt die Gruppe das Ziel, ein Ver-

fahren 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 Erneu-

erbare 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 Siliziumche-

mie- und Photovoltaikforschung an der HS Lausitz stärker verankert. Vor dem

Hintergrund des noch vorhandenen Wirkungsgradvorsprungs von Solarsili-

zium 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 Halb-

leiter-Systemtechnologien der TU Berlin. Durch diese Einrichtungen werden

Dünnschichtsolarzellen mittels Elektronenstrahlverdampfung (E-Beam, PVD-

Verfahren) 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 Festphasenkristal-

lisationsverfahren 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 elek-

tronischen Mobilitäten und guter Temperaturstabilität. Derzeit ist Aluminium-

dotiertes 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-Dünnschicht-

solarzellen (Festphasenkristallisation/Solid Phase Crystallization SPC von amor-

phem Silizium) steigern. Ziele sind ein Wirkungsgrad von zwölf Prozent und Kos-

ten von 0,70 Euro pro Watt. Man produziert entsprechend Module als De mon-

stratoren und nutzt hochentwickelte Materialcharakterisierungsmethoden.

In der Lehrveranstaltung ›Dünnschichtsolarzellen und neue Konzepte‹ im

Modul Photovoltaik vermittelt Prof. Rech material- und systemtechnologische

Prof. Dr. Bernd Rech


113

Konzepte und Strategien zur Entwicklung von neuen Solarzellen an Master-

Studenten der Fächer Elektrotechnik, Technische Informatik, Physik, Energie-

technik und Wirtschaftsingenieurwesen.

Die Gruppe Silizium-basierte Heterostrukturen um Dr. Korte (Abteilung Solar-

energieforschung 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 amor-

phes Silizium Hetero-p-n-Übergänge schafft und gleichzeitig eine sehr gute

Passivierung der c-Si-Oberfläche ermöglicht. Die Forscher zeigten mit nume-

rischen Simulationen (AFORS-HET) darüber hinausgehende Wirkungsgrade für

alternative Designkonzepte. Das Heterostruktur-Konzept soll auch auf Dünn-

schichtabsorber aus polykristallinem Silizium (und kostengünstige Silizium-

Substrate) übertragen werden. In einem BMBF-Grundlagenforschungsnetz-

werk 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. 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, hochabsorbie-

rende Verbindungshalbleitermaterialien (CIS-Materialsystem, Chalkopyrite)

und industrierelevante Technologien zu ihrer Herstellung für den Einsatz in

Dünnschicht-Solarzellen. Zwei Industriestandard-Solarzellen sollen entwi-

ckelt 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-)

Photo elektronenspektroskopie (in-situ XPS/UPS) am Speicherring BESSY und

Elektronenbeugung (LEED, RHEED) zur Oberflächen- und Schichtcharakteri-

sierung 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-Base-

line hergestellt werden, sowie Cd-freie Pufferschichten zur Passivierung von

Absorberoberflächen von Interesse. Alternative chemische Dünnschichtab-

scheidungsmethoden wie die Nicht-Vakuum-Verfahren Ion Layer Gas Reaction

(ILGAR) und Spray-Pyrolyse werden ebenfalls entwickelt und zweckmäßig ein-

gesetzt.

Dr. Lars Korte

Prof. Dr. Martha Christina

Lux-Steiner


114

Von 2006 bis 2009 waren die HZB-Forscher am ATHLET-Projekt der Europäi-

schen 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 Mischschichtsolar-

zellenkonzepte 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 Solar-

energieforschung 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 Träger-

materialien/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, Verbes-

serung der Langzeitstabilität gegenüber Umwelteinflüssen, Vereinfachung des

Herstellungsprozesses, also Optimierung der Präparation durch Prozesskon-

trolle, und Analytik der Schichtzusammensetzung (Tiefenprofile). Untersuchte

Prof. Dr. Hans-Werner Schock

ZnO-Sputteranlage (HZB)


115

und verbesserte Prozessschritte oder Teilaspekte werden in den Baseline-Pro-

zess übernommen, der damit kontinuierlich den neuesten Erkenntnissen ent-

spricht. Die gesammelten Erfahrungen sind auch in Hinsicht auf die praktische

Prozessführung von Bedeutung.

Die Dünnschichtsolarzellen auf Basis von CuInSe2 werden in einem mehr-

stufigen Verfahren hergestellt: Nacheinander werden Metallschichten aus

Molyb dän, Kupfer und Indium durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf

Kalk-Natron Floatglas (Fensterglas) abgeschieden und anschließend in ele-

mentarem 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 Proben größen

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 Kupfer-

sulfidphase wird nasschemisch eine dünne n-leitende Cadmiumsulfid-Schicht

abgeschieden, die den pn-Übergang komplettiert. Anschließend wird als

transparenter leitfähiger Vorderseitenkontakt Zinkoxid wieder durch Katho-

denzerstäubung aufgebracht.

Zur Herstellung von Modulen, die aus mehreren integriert serienverschal-

teten Einzelzellen bestehen, werden zwischenzeitlich die Schichten strukturiert

(aufgetrennt). Durch diese integrierte Serienverschaltung lassen sich nicht nur

einzelne Solarzellen, sondern komplette Module herstellen. Im letzten Pro-

zessschritt 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 geeig-

nete Chalkopyrit-Dünnschichtsolarzellenstrukturen. Es wurde ein Baseline-

Prozess 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 photo-

voltaisch aktiven Schichten durch Modifikation der Chalkopyrit-Verbindungs-

halbleiter. 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 Gasphasen-

abscheidung (PVD) hergestellt, ein langsamerer Prozess, in den Charakterisie-

rungsmethoden wie die in situ-Laserlichtstreuung integriert werden können.


116

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 physikali-

schen 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 Pho-

tovoltaik (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-V-

Halbleiter-auf-Siliziumwafer, werden präpariert und mit analytischen Metho-

den strukturell, elektronisch und optisch untersucht. Zu den analytischen und

präparativen Methoden gehören gängige Ober- und Grenzflächenmessmetho-

den (Low Energy Electron Diffraction LEED, Ultraviolett-Photoelektronen- UPS,

Röntgen-Photoelektronen- XPS, Auger-Elektronenspektroskopie AES, Raster-

tunnelmikroskopie STM, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie FTIR), die

zeitaufgelöste Laserspektroskopie, nasschemische Präparation und die metall-

organische Gasphasenabscheidung (MOCVD) von III-V-Halbleiterstrukturen. Die

Verfahren sind über ein mobiles Ultrahoch-Vakuum-Transfersystem kontami-

nationsfrei miteinander verbunden und lassen auch Messungen bei BESSY zu.

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 Dünnschicht-

solarzellen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und elektroni-

schen Struktur entstehen an den Grenzen der einzelnen Schichten Zentren

der Rekombination (von Elektron-Loch-Paaren). Zunächst werden Verhalten

Dr. Thomas Hannappel

Dr. Marcus Bär


117

und Charakteristik der Solarzellen bestimmt, die anfängliche elektronische

und chemische Interface-Struktur untersucht und unvorteilhafte Oberflächen-

paarungen identifiziert (Analyse), sodass um die Verluste zu reduzieren oder

zu eliminieren (Optimierung) maßgeschneidert Grenzflächenmodifikationen

vorgenommen werden können.

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 Keim-

zentren durch Aufbringen von metallischen Tröpfchenfeldern, die als Lösungs-

mittel 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 Rege-

lung des vertikalen Temperaturgradienten im LPE-Züchtungsgefäß.

Dr. Torsten Boeck

Silizium-Nanosäulen auf vorstrukturiertem Silizium-Substrat (IKZ)


118

47

Vgl. Wiemer, Gesine (2009).

Im Rahmen ihrer Promotion am IKZ und an der Humboldt-Universität beschäf-

tigte 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 Halbleiter-

materials.

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.

Prof. Rudolph arbeitete am IKZ an der Schmelzzüchtung von Halbleitermate-

rialien mit Hilfe von Magnetfeldern (Abteilung Klassische Halbleiter, Schmelz-

züchtung im Magnetfeld). Durch Beeinflussung und Kontrolle der Strömungs-

verhältnisse in Halbleiterschmelzen industrieller Dimension mittels nicht-

stationärer 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 Bedeu-

tung, 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 Pro-

jekten KristMAG (2005 bis 2008) und AVANT-Solar (2008 bis 2011) statt.

Dr. Helge Riemann

Prof. Dr. Peter Rudolph


119

48

Vgl. MULTIPOL (FP6) (2010).

Das Photovoltaik-Kompetenzzentrum für Dünnschicht- und Nanotechnolo-

gien 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 Ver-

bindung 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 Bei-

spiel Wachstum von Cu(In,Ga)Se2),

■ Plasmaphysik, Plasmadiagnostik,

■ Laser-Strukturierung,

■ Solarzellenanalytik, Charakterisierung von dünnen Schichten.

Das Kompetenzzentrum ist mit vielen weiteren Forschungs- und Bildungsein-

richtungen sowie Solarfirmen vernetzt (Hochschule für Technik und Wirtschaft

Berlin; Joint Lab ihp/BTU; TUB – Berlin Laboratory for innovative X-ray Techno-

logies 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 Disserta-

tionen.

An der Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite PYCO

werden unter Leitung von Dr. Schneider, speziell im Projekt MULTIPOL48, multi-

funktionale Polymermaterialien mit maßgeschneiderten mechanischen, elekt-

rischen 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 Subst-

rat, wobei mit Hilfe des Parylens auch Flüssigkristallmischungen eingekapselt

werden können. Die Charakterisierung der Polymermaterialien erfolgt mittels

Dr. Rutger Schlatmann

Dr. Jürgen Schneider


120

49

Vgl. innovations monitor berlin |

brandenburg (o. J.).

spektroskopischer Verfahren (Fourier-Transform-Infrarot-/FTIR-ATR-, Nahes

Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungsindexbestim-

mung. Die Anwendungsgebiete sind neben organischen elektronischen Bau-

elementen (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik)

organische Solarzellen.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), Bereich Poly-

mere und Elektronik (Dr. Janietz) werden Polymere für den Einsatz in elektro-

nischen Bauelementen erforscht und entwickelt (Kapitel Lichtemission/Photo-

nik, 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.

Wirtschaft

Die First Solar Manufacturing GmbH ist eine in Frankfurt (Oder) ansässige Tochter

des führenden US-amerikanischen Herstellers von Photovoltaik-Dünnschicht-

modulen 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 Halb-

leiterbeschichtung 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 Rück-

nahme- und Recyclingprogramm für Solarmodule eingeführt.

Auf einer Fläche von 162 Hektar des ehemaligen Truppenübungsplatzes

Lieberose (Spree-Neiße) wurde mit der Installation von 700.000 Solarmodu-

len ein Leuchtturmprojekt, das größte Photovoltaik-Kraftwerk Deutschlands

(53 MW Leistung, Strombedarf von ca. 14.000 Haushalten), geschaffen.49

PD Dr. Silvia Janietz

First Solar Manufacturing GmbH


121

Global Solar Energy Inc. ist ein in Tucson (USA) und Berlin-Adlershof ansässi-

ger Hersteller von flexiblen Solarzellen auf Basis der Kupfer-Indium-Gallium-

Diselenid- (CIGSe)-Dünnschichttechnologie. In einem Rolle-zu-Rolle-Produk-

tionsprozess gefertigt, eignet sich das leichte, flexible PV-Material (PowerFLEX T)

für die Verwendung in herkömmlichen Glasmodulen und die gebäudeinte-

grierte Photovoltaik (BIPV-Produkte).

Folgende Verfahrensschritte kennzeichnen die Herstellung des CIGS-PV-Mate-

rials:

■ 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 (energieumwan-

delnde) Schicht.

■ Schritt 3 – CSD: Aufbringen eines sehr dünnen Pufferschicht auf den CIGS-

Layer (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 Modul-

hersteller weltweit.

Global Solar Energy

Einzelne flexible CIGS-Solarzelle (Global Solar)


122

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 PV-

Anlagen 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 Wirkungs-

gradpotenzial der siliziumbasierten Dünnschicht-PV), aber gleichzeitig ist die-

selbe Technologie zur Herstellung der beiden Materialien nutzbar.

Inventux-Solarzellen bestehen aus in Superstratkonfiguration auffeinan-

derfolgend auf einem Frontglas abgeschiedenen Schichten (Superstrat-Konfi-

guration, 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 Bauele-

ments. Für die Produktion der Absorberschichten wird die plasmaunterstützte

chemische Abscheidung (PECVD) mit gasförmigen Siliziumverbindungen ange-

Inventux Technologies AG

Dünnschichtsolarzellen- bzw. Modulproduktion (Inventux Technologies AG)


123

wendet. Per Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) werden die Front-

und Rückkontaktschichten (transparente leitfähige Oxide – TCO) aufgebracht.

Der Unterteilung in einzelne lange Zellen und deren Verschaltung dient

die Laserstrukturierung der beschichteten Flächen in Form ultradünner Strei-

fen (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 Randbe-

reich werden elektrische Schichten sublimiert (ohne Verletzung der Glasober-

fläche), 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 Rück-

glas im Druckautoklaven zu einem Sicherheitsglas verbunden, was eine hohe

Modullebensdauer involviert.

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 Dünn-

schichtsolarzellen aus einem hochfeinen CIS-Halbleiter (Kupfer-Indium-Disul-

fid), 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-zu-

Rolle-Prozess. Die Zellstreifen werden dann zu verschiedenen Varianten kun-

denspezifischer Solarmodule weiterverarbeitet, das heißt in Streifen variabler

Länge geschnitten, leicht überlappt und mit leitfähigem Kleber zu so genann-

ten Superzellen verschaltet. Module entstehen aus einer oder mehreren mit-

einander 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 Hitze-

schutz, zur Selbstreinigung oder zur Blendfreiheit. Verschiedene Gestaltungs-

möglichkeiten ergeben sich durch Größe, Geometrie/Form, Musterung/Semi-

transparenz, Farbgebung und Bedruckung der Module.

Ca. 20 Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten bei Odersun in der For-

schung und Entwicklung mit modernen Methoden der Materialforschung,

der Analytik, der Messtechnik und der Simulation – beispielsweise an der

Optimierung der photoelektrischen Parameter durch Einsatz neuer Materia-

lien und Anpassung des Zelldesigns. Hinzu kommen intensive Kooperationen

mit wissenschaftlichen Instituten, Hochschulen und Industriepartnern sowie

öffentlich geförderte Projekte.

Odersun AG


124

50

Vgl. Meyer, Nikolaus (2004), S. 84.

51

PVcomB (2011).

Die Soltecture GmbH ist ein aus der Berliner Sulfurcell Solartechnik hervorge-

gangenes Unternehmen mit zehnjähriger Erfahrung in der CIS-Dünnschicht-

photovoltaik. Entwickelt wurden zwei CIS-Technologien – eine auf Schwefel-

basis (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-Technol-

ogien). Daneben hat die Firma Anlagen zur CIGS- und CIGSe-Beschichtung ent-

wickelt 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 Ver-

kapselung 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

Netzwerke

Im ForschungsVerbund Erneuerbare Energien FVEE mit Sitz in Berlin kooperie-

ren 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.

Fazit

F&E für Photovoltaik, das heißt zugehörige Materialforschung, Oberflächen-

und Schichttechnologien, sind in der Hauptstadtregion ein Schwerpunkt von

überregionaler/internationaler Bedeutung und Vernetzung, ohne dass die

querschnittartig involvierten Oberflächentechnologien besonders betont wer-

den. Es besteht eine ›in Deutschland einmalige Dichte von Kompetenzen in

der Dünnschichttechnologie‹51; vielfach kooperieren Unternehmen und Wis-

senschaftseinrichtungen. Insbesondere das Photovoltaik-Kompetenzzentrum

für Dünnschicht- und Nanotechnologien Berlin PVcomB gilt als Vorzeigeprojekt

Soltecture GmbH

ForschungsVerbund Erneuerbare

Energien FVEE


125

des Zukunftsfeldes Energietechnik im Rahmen der gemeinsamen Innovations-

strategie der Länder Berlin und Brandenburg.

Die vielschichtig betriebene grundlagen- und anwendungsorientierte For-

schung (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 Mate-

rialien 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 Geo-

wissenschaften/Fachgebiet Oberflächenforschung zu Dünnschichtsolarzel-

len, Dünnschicht-Lithiumionen-Leitern, photoelektrochemische Energie-

wandlung).

Die Vertreter der PV-Wirtschaft verfolgen weltweit eine gewisse Differenzie-

rungsstrategie (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-Bran-

denburg durchaus wettbewerbsfähig. Um das Grundlagen-Know-how der

Region auszuschöpfen, müssen allerdings die Zulieferketten gesichert und aus-

Abbildung 15: Positionierung der bestehenden Dünnschicht-U nternehmen

Quelle: EuPD Research (2011).


126

52

Zentrum für Brennstoffzellentechnik

Duisburg GmbH (ZBT) (2003), S. 6.

53

Reißig, Hans-Ulrich (2008), S. 22.

gebaut werden. Dabei geht es unter anderem um Beschichtungsdienstleistun-

gen 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 Energiespeiche-

rung (Batterien) und Wärmeenergiespeicherung/-bereitstellung (Latentwär-

mespeicher, heizbare Beschichtungen) bzw. Energiegewinnung aus der Umge-

bung (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 Energie-

wandlung und -speicherung sind

■ katalytische Beschichtungen (heterogene Katalyse) in Brennstoffzellen, Ab -

gaskatalysatoren,

■ Ersatz von teuren Katalysatormaterialien wie Platin, alternative (biologi-

sche) 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 ande-

rem 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


127

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 Elekt-

ronenbeugung (LEED), Thermodesorption (TDS), Schwingungsspektroskopie

und Photoelektronenspektroskopie,

■ Wachstum dünner Metallfilme auf Metalloberflächen, Untersuchungsme-

thoden: LEED, TDS und Rastertunnelmikroskopie (STM),

■ Koadsorption von Edelmetallatomen (Silber, Gold) und Gasen (Kohlenmon-

oxid) 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 Kohlenmo-

noxid.

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 (Alumosili-

kate) 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 Beziehun-

gen 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 ver-

stehen, 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 Pro-

fessoren 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 wissenschaft-

lichen Nachwuchs vermittelt bzw. mit diesem erforscht werden.

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

Prof. Dr. Joachim Sauer

Prof. Dr. Bärbel Friedrich


128

Concepts in Catalysis‹ beteiligt. Prof. Friedrich leitet das Projekt B2 ›Struktur-

Funktionsbeziehungen von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen‹, in dem

– als Grundlage für die Anwendung als Wasserstoff aktivierendem Katalysa-

tor in Bio-Brennstoffzellen – NiFe-Hydrogenasen hinsichtlich des Reaktions-

mechanismus, ihrer Sauerstofftoleranz und Kohlenmonoxidunempfindlichkeit

charakterisiert werden.

Im Projekt B1 ›Photosynthetische Oxidation von Wasser und Hydrogenase-

basierte Bio-Brennstoffzellen‹ wendet Dr. Lenz in Kooperation mit Partnern

von der Oxford University die Hydrogenasen prototypisch in Bio-Brennstoff-

zellen 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) gewon-

nen.

Die Arbeitsgruppe Anorg anische Chemie/Metallorganische Chemie und Anor-

ganische Materialien um Prof. Drieß an der TU Berlin widmet sich anorgani-

schen Materialien für die Katalyse. Konkret werden molekulare Modelle für

heterogene Katalysatoren erstellt (zum Beispiel Metalloxide wie Magnesium-

oxid als Platinersatz zur Umwandlung von Erdgas in Ethylen) und molekulare

Prof. Dr. Matthias Drieß

Abbildung 16: Bio-Brennstoffzelle auf Basis von biokatalysator-

beschichteten Graphitelektroden

Quelle: UniCat


129

54

Light2Hydrogen ist ein interdisziplinäres

Netzwerk aus sieben Partner-

Einrichtungen, darunter die Professoren

Thomas, Drieß, Blechert, Schomäcker

der TUB und die Forschungsinstitute

HZG und MPI-KG.

Einkomponenten-Vorstufen (Precursoren) für nanoskalige anorganische Mate-

rialien (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 Her-

stellung von Wasserstoff aus Wasser mit einem Katalysatordesign auf Basis

neuer Hybrid-Materialien zum Ziel hat.54

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, Festelektro-

lyte, 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 Brenn-

stoffzellen werden in einem DFG-geförderten Forschungsverbund Mayenit-

basierte 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.

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. Silizium-

und 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 erhal-

ten aufgrund der großen Oberfläche (bis zu 1.000 m2/g) eine große katalytische

Aktivität. Die Materialien, welche in der Gruppe Funktionsmaterialien Verwen-

dung 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 Light2Hydro-

gen ›Energie für die Zukunft – Photokatalytische Spaltung von Wasser zu

Wasserstoff‹ (2009 bis 2014) aktiv, das die direkte photokatalytische Herstel-

lung 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

Prof. Dr. Martin Lerch

Prof. Dr. Arne Thomas


130

55

Exzellenzcluster UniCat (2010).

functionalization‹); die Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Fischer erforscht im Pro-

jekt 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 bio-

electrodes‹).

Die Arbeitsgruppe Technische Chemie (bzw. Elektrochemische Katalyse, Ener-

gie und Materialwissenschaften ECEMS) um Prof. Strasser an der TU Berlin

erforscht grundlegende atomare und molekulare Zusammenhänge von Struk-

tur, Komposition und oberflächenkatalytischer Reaktivität nanostrukturierter

Partikel in gasphasenkatalytischen und elektrokatalytischen Prozessen. Gas-

phasenprozesse konzentrieren sich auf die Umwandlung von Methan zu Brenn-

stoffen oder Zwischenprodukten. Die elektrokatalytischen Prozesse betreffen

unter anderem die Energieumwandlung in Wasserstoffbrennstoff zellen und

Methanolbrennstoffzellen, die photoelektrochemische Wasser spaltung (neue

Sauerstoff-Evolutions-Katalysatoren unter Verwendung von n-leitenden

photo sensitiven Materialien mit niedrigeren Bandlücken), die katalytische CO2-

Entfernung und regenerative Brennstoffzellen (elek trochemische Energiespei-

cherung, auch Flow Battery oder Redox-Batterie genannt).

Das Forschungsinteresse an Niedrigtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Mem-

bran-Brennstoffzellen (PEMFCs) gilt neuen Synthesetechniken, der Charakte-

risierung, dem mechanistischen Verständis von Mehrkomponenten-Elektro ka-

talysatorgemischen und funktionellen katalytischen Tests in elektro che mi schen

Zellen, Brennstoffzellen oder Festbettreaktoren. Mit Hilfe von Synchrotronstrah-

lung (Röntgenstrahlenbeugung XRD, Klein winkel rönt gen strahlungs streuung

SAXS) und Elektronenmikroskopie wird das Verhalten von neuen Elektrokata-

lysatoren in situ und unter reaktiven Bedingungen studiert. Von besonderem

Interesse sind Struktur-Wirkungs-Beziehungen bimetal lischer Nanopartikel

oder Nanopartikelensembles, neue Kern-Schale-Kata lysatorkonzepte (wie

durch einen Kupfer-Mischungs- und Entmischungsprozess hergestellte kom-

pressiv 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 cata-

lysts‹ 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 (›Ratio-

nales Design Poröser Katalysatorschichten‹) im Rahmen des BMBF-Programms

Nanofutur (2006 bis 2011) Wandkatalysatoren herstellte. Dabei waren eine

definierte Synthese von mesoporösen Trägeroxidfilmen und Edelmetall-Nano-

partikeln, deren Kombination zu Katalysatorschichten sowie die Charakterisie-

rung der präparierten Materialien von Bedeutung. Nanokristalline Schichten

Prof. Dr. Peter Strasser


131

verschiedener Metalloxide wurden auf mikrostrukturierten Substraten hier-

archisch strukturiert präpariert, wodurch kontrolliert vernetzte Porensysteme

entstanden, die die Größe der spezifischen Oberfläche sowie die Stofftranspor-

teigenschaften bestimmen (poröse Trägermaterialien wurden mittels Raster-

elektronenmikroskopie REM, Transmissionselektronenmikroskopie TEM, SAXS,

Weitwinkel-Röntgenstreuung WAXS, BET-Messung und Röntgen-Photoelekt-

ronenspektroskopie 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- (Sekun där-

elektronenmikroskopie SEM, TEM, XRD) sowie in-situ-Methoden (UV-VIS-

Spektroskopie; 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/biokompa-

tible 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 Aktivkom-

ponente-Träger-Wechselwirkung‹ widmete er sich Vanadiumoxid(V2O5)-Pul-

verpartikeln 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

Ange wandte Physik II/Sensorik um Prof. Schmeißer (BTU Cottbus) zielt auf

verschiedenste Anwendungen (vergleiche Kapitel Photovoltaik, Dünnschicht-

Elektronik und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik

und Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik). Mit dem Ziel, elek-

tronische Eigenschaften und geometrische Strukturen verschiedener Materia-

lien, 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 spektromi-

kroskopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch

wird hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II




132

als Anregungsquelle genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikros-

kopische 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 Bedin-

gungen und Analyse ihrer polykristallinen Materialeigenschaften‹, in dem

Dünnschicht-Systeme auch für den Anwendungsbereich Batterien vorgesehen

werden, sowie die Themen Materialforschung für Brennstoffzellen, Sabatier-

Prozesse, Katalyse und CO2-Reduktion. Beim 9. Cottbuser Leichtbauworkshop

(2011) wurde unter dem Thema ›Materialien für innovative Energietechnik/Sta-

tusseminar Innostructure‹ die Beteiligung des Lehrstuhls Angewandte Physik II/

Sensorik an der Verbundforschung GeoEnergie Phase II vorgestellt. Hierzu steu-

ert der Lehrstuhl schwerpunktmäßig materialwissenschaftliche Forschung im

Bereich der Katalyse und Korrosion bei. Eine Kurzvorstellung des Verbundpro-

jektes GeoEn II gab Prof. Schmeißer, über Katalysatoren für die CO2-Wandlung

zu C2H4 referierte Dr. Klaus Müller. Partner im GeoEn-Verbund sind die Univer-

sität Potsdam (UP), die Brandenburgische Technische Universität Cottbus (BTU)

und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ (Federführung.)

Der Lehrstuhl kooperiert(e) vielfach mit regionalen und überregionalen For-

schungsinstituten 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 Einzelmolekül-

manipulation, Mikrostrukturierungen von Oberflächen und an der Ober fläche

stattfindende Reaktionen und Energietransfer (Heterogene Katalyse). For-

schungsschwerpunkte und untersuchte oberflächenrelevante Phänomene sind

■ Photo- und Rastertunnelmikroskopie-induzierte Chemie an Oberflächen

für Anwendungen wie Mikrostrukturierung von Materialien, Oberflächen-

photo- und -femtosekundenchemie, Einzelmolekülmanipulation,

■ Photodesorption von Atomen und kleinen Molekülen aus Metallober-

flächen,

■ Rastertunnelmikroskopie-induzierte Desorption und Reaktionen (zum Bei-

spiel Schalten) von Atomen und Molekülen an Halbleiter- und Metallober-

flächen,

■ 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).

Universitäre Forschungskompetenzen zur Energiewandlung/-speicherung sind

auch bei zwei weiteren Akteuren angesiedelt:

Prof. Dr. Peter Saalfrank


133

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 (Nanocom-

posite, ›vertikal‹ und ›lateral‹ nanostrukturierte thermoelektrische Systeme) zur

Stromerzeugung unter anderem aus Umgebungswärme.

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 ›Oberflächen-

fixierte schaltbare Metallkomplex-Ensembles‹ beteiligt. Neben der Bildung

und Unter suchung aktiver Enzymzentren und der Verwendung der Metallkom-

plexe für Krankheitsdiagnose/-therapie und Biomineralisation ist ein Anwen-

dungsziel deren Einsatz zur Energiegewinnung, zur ›künstlichen‹ Photosyn-

these.

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 Dünnschicht-

und 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 Mate-

rialien und Dünnschichtspulen)

■ Untersuchung von Piezofolien (5-Layer-Stapel, rund 30 µWs Energiegewinn

auf etwa Chipkartenfläche pro Aktivierung ) und Solarmodulen für die Ener-

giegewinnung in Mikrosystemen

Eines von drei Projekten mit Berliner Beteiligung bei der Initiative Effizienz fabrik

– Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produktion‹ im Themenfeld

›Funktionale Oberflächen‹ ist das Verbundprojekt ›LOKEDEL – Effiziente Ferti-

gungstechnik zur Oberflächenveredelung‹ (2009 bis 2012). Daran ist die Gruppe

Portable Power Supply des Fh-IZM mit Dr. Wagner beteiligt. Ent wickelt werden

Massenfertigungstechnologien für Brennstoffzellen: Zur Rolle-zu-Rolle-Mon-

tage von Brennstoffzellen wird eine taugliche Rollenproduktion der Substrate

sowie ganzflächiger oder lokaler Oberflächenveredelungen (Korrosionsschutz-

und Kontaktschichten) entwickelt. Diese LOKEDEL-Technologien können auf

Prof. Dr. Beate Paulus

Prof. Dr. Andreas Grohmann

Dr. Robert Hahn

Dr.-Ing. Stefan Wagner


134

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, Nano-

structures, High Temperature Catalysis, Electrochemistry und Electron Micro-

scopy. Die Forschung der Abteilung an langjährigen Fragestellungen zur

Katalyse, speziell an der Aktivierung kleiner Moleküle wie Wasser, CO2 und CH4

ist im Energie kontext, 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 Gründungs direktor des geplanten Max Planck Institute for Chemical Energy

Conversion (CEC, Mülheim), benannt.

Die Gruppen der Abteilung Inorganic Chemistry forschen an folgenden

energie- und oberflächentechnologisch relevanten Themen und Methoden:

■ Untersuchung von Katalysatoroberflächen in Bezug auf elektronische Struk-

tur und funktionelle Gruppen

■ Korrelationen von Oberflächeneigenschaften und Performance von Kata-

lysatoren

■ mechanistisches Verständnis von chemischen und physikalischen Ober-

flächen-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-Spektro-

skopie und Molecular Beam Mass Spectrometry (MBMS)

■ Elektrochemie für Energiewandlung und -speicherung, klassische elektro-

chemische Experimente mit Hilfe oberflächen- und nanotechnologischer

analytischer Instrumente; Nanocarbonmaterialien für Supraleiter, Lithium-

Ionen-Batterie-Elektroden, Wasserspaltung an Edelmetall- und Kohlen-

stoff-basierten Katalysatoren

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 Metalloxid-

Clustern/funktionellen Gruppen an Grenzflächen und

■ Kinetik der heterogenen Katalyse.

Am Sonderforschungsbereich 546 ›Struktur, Dynamik und Reaktivität von Über-

gangsmetalloxid-Aggregaten‹ (1999 bis 2011) ist Prof. Freund mit dem Teilprojekt

C1 ›Adsorptions- und Reaktionsstudien an Vanadium- und Molybdän-gedop-

Prof. Dr. Robert Schlögl

Prof. Hajo Freund


135

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, Anlagen technik).

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 entspre-

chend assoziierten Professoren betreibt das FHI die International Max Planck

Research School (IMPRS) ›Complex Surfaces in Material Science‹, in der physi-

kalische und chemische Grundlagen von Oberflächenphänomenen (insbeson-

dere Heterogene Katalyse, Korrosion, Miniaturisierung in der Elektronik und

Biokompatibilität) an den wissenschaftlichen Nachwuchs vermittelt bzw. mit

und durch diesen erforscht werden.

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-) Elektrolyt-

Grenzflächen. Im Vordergrund der Forschungsaktivitäten stehen Katalysatoren

für die lichtgestützte Wasserspaltung (solare Wasserstofferzeugung). Zu diesem

Zweck soll Wasserstoff in einem monolithischen Materialsystem erzeugt wer-

den, bei dem halbleitender Absorber und Katalysator ineinander integriert

sind. Dadurch sind die Wandlung von Licht in elektrische Energie über photo-

nische Anregung des Halbleiters und die katalytischen Vorgänge an der Elekt-

rolyt-Elektroden-Grenzfäche zur Wandlung in speicherbare chemische Energie

(Wasserstoff als regenerativer Primärenergieträger) direkt gekoppelt.

Die Bewertung der Materialien erfordert entsprechende Charakterisierungs-

methoden und interdisziplinäre Zusammenarbeit der Bereiche Photophy-

sik, 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 tech-

nische Anwendung qualifiziert: pyrolysierte Übergangsmetall-Chelat-Verbin-

Prof. Dr. Sebastian Fiechter


136

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), Mehr-

zonenöfen und im Autoklaven (500 °C, 100bar).

Die Materialcharakterisierung oder das Grenzflächen-Engineering erfolgt

mittels FTIR-Spektroskopie, UV-VIS-Spektroskopie, Röntgenpulverdiffrakto-

meter (XRD), Partikelgrößenmessungen, BET-Adsorptionsmessungen, Raster-

sonden-Mikroskopie (AFM, STM), kombiniertem Elektrochemie/UHV-Ober-

flächen-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 Nano-

Biotechnologie, Umwelttechnik und Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simula-

tion (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 Ver-

änderung der Oberfläche von Partikeln/Inhaltsstoffen durch Mikrokapseln, ein

Wandmaterial oder Matrixpartikel präpariert sie für den Einsatz in verschiede-

nen 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 Phasenwechsel-

materialien).

Dr. Mathias Hahn


137

56

Vgl. Wittwer, Volker et al. (2009).

Die Latentwärmespeicherung mittels ›Phasenwechselmaterialien‹ in Mikrokap-

selform, inkorporiert in Baustoffe (Putz) oder sogar flexible Materialien, über-

führt Wärmespeicherung und Speicherkapazität aufgrund miniaturisierter Sys-

teme 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 Phasen-

wechseltemperatur 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.

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

an organischer Halbleitermaterialien, sondern über polymere und organisch-

anorganische Hybridmaterialien mit Nanostrukturierung:

■ nanostrukturierte Photokatalysatoren,

■ neue Photoanodenmaterialien,

■ photokatalytische Wasserspaltung usw.

Die organischen oder Hybridmaterialien sind potenzielle Energiewandler für

die künstliche Photosynthese mit Anwendungsmöglichkeiten wie Energieum-

wandlung, Umweltreinigung (Luftreinhaltung) und Synthese von organischen

Verbindungen.

Außerdem existiert in der Abteilung Kolloidchemie des MPI die Arbeits-

gruppe Sustainable Materials for Energy Storage, Catalysis and Separation

Science (Dr. Titirici) mit vielen assoziierten Forschern und Projekten zu Ober-

und Grenzflächenphänomenen in Energietechnik und chemischer Verfahrens-

technik.

Dr. Xinchen Wang


138

Wirtschaft

Im Gasturbinenwerk Berlin der Siemens AG werden Gasturbinen und ent-

sprechende Kraftwerksanlagen entwickelt, produziert und Serviceleistungen

erbracht. Neue Technologien und Lösungen betreffen hauptsächlich Verbesse-

rungen der Performance von Kraftwerksanlagen wie verlängerte Lebensdauer,

Emissionsreduktion, Leistungs- und Zuverlässigkeitssteigerungen. Modernisie-

rungsprogramme, 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).

Am Thema Werkstoffe für den Hochtemperaturschutz wird im Siemens Gas-

turbinenwerk intensiv geforscht (zum Beispiel Hitzeschilder aus Keramik, mit

denen das Innere von Brennkammern ausgekleidet wird). Sämtliche Ober-

flächenphänomene 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 Opto-

elektronik.

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 ent-

schichtet und neu beschichtet. Die Beschichtung von Gasturbinenschaufeln

stellt den Hochtemperaturschutz sicher; je höher die mögliche Verbrennungs-

temperatur, 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 Vakuum-

Plasma-Spray VPS (sowohl Low Pressure Plasma Spray LPPS als auch Low

Vacuum Plasma Spray LVPS)

■ Wärmebehandlung

Siemens AG

Gasturbinenwerk Berlin

Siemens Energy/Turbine Airfoil

Coating and Repair (TACR)


139

■ Thermal Barrier Coating TBC per Electron-Beam Physical Vapor Deposition

EB-PVD (auslaufende Technologie) bzw. per atmosphärischem Plasmasprit-

zen (APS-Coating) mit ZrO bzw. per Hochgeschwindigkeitsflammspritzen

(High Velocity Oxygen Fuel HVOF) eine durch die kinetische Energie gut haf-

tende Schicht

TACR war ursprünglich 1996 als Spin-off des Siemens-Gasturbinenwerks ent-

standen, 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 Hoch-

geschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) ein.

Die nanopartica GmbH produziert und vertreibt Nanokapseln, die aus hochver-

zweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, somit


ionen, Metallnanopartikel usw. einschließen können. Je nach Anwendung

wird eine chemische Verbindung eingekapselt, die eine spezifische Funktion

erfüllt. Im Bereich der metallischen Nanopartikel (auch Legierungsnanopar-

tikel) lassen sich insbesondere Gold, Rhutenium, Palladium und Platin für

katalytische Applikationen (Inkorporation von Nanokapseln in entsprechend

nanopartica GmbH

Turbinenschaufel in Behandlung (Siemens AG, München/Berlin, Siemens-Pressebild)


140

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 Anwendungsmög-

lichkeiten 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 (Fußbodenbeschichtungs-

systeme 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, intel-

ligente Oberflächen mit Hilfe der 16 interdisziplinären Partner zu entwickeln

und zu vermarkten.

Im Netzwerk Energy Harvesting Net entwickeln die Partner seit 2011 Tech-

nologie, Verfahren, Anlagen und Geräte zur Energiegewinnung aus der Umge-

bung. Das sogenannte Niedrigtemperatur-Thermo-Harvesting ist eine Techno-

logie 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 Kunst-

stoffschicht (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 Wärmeleitfähig-

keit von 6.000 W/(m•K) mit speziellem Dispergierverfahren in der Polymer-

matrix 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


141

57

Aschenbrenner, Norbert (2003), S. 26.

58

Institut für Print- und Medientechnik,

TU Chemnitz (2011).

59

BMBF (2010).

60

Rohweder, M. (2010), S. 7.

Im ForschungsVerbund Erneuerbare Energien FVEE (mit Sitz in Berlin) koope-

rieren deutsche außeruniversitäre Forschungseinrichtungen bei Forschung und

Entwicklung zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Neben dem Haupt-

gebiet photovoltaische Energiegewinnung (vergleiche Kapitel Photovoltaik)

ist das Helmholtz-Zentrum Berlin an dem kaum weniger gewichtigen Thema

›Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicher‹ im Verbund aktiv.

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-Planck-

Institut 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 Kon-

zepte in der Katalyse (homogene, heterogene und biologische) zu vereinen;

das Spektrum reicht dabei von einfachen Gasphasenreaktionen bis zu Prozes-

sen in komplexen biologischen Systemen, und von der Grundlagen- bis zur

angewandten Forschung. Von oberflächentechnologischem Interesse sind vor-

rangig die heterogene Katalyse und Katalysatormaterialien in Schichtform oder

als Partikel, die in Oberflächen/Randzonen inkorporiert werden.

Fazit

Die Region Berlin-Brandenburg ist in der Grundlagenforschung zur hetero-

genen Katalyse stark aufgestellt (Exzellenz-Cluster). Materialien und insbe-

sondere 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 Stand-

orte zu Katalyse, Energiespeicher- und Brennstoffzellentechnik sind

■ Hochsurchsatzsuche nach Katalysatoren mit Hilfe kombinatorischer Chemie,

Universität Saarbrücken57,

■ Verbundprojekt ›Druckbare Dünnschichtbatterien mit neuen Material-

systemen – BatMat‹ (Chemnitz/Jena/Bochum/Stuttgart/und andere, 2011 bis

2014)58,

■ Neugründung des Helmholtz-Instituts für Elektrochemische Energiespei-

cherung (HIU) in Ulm 201159,

■ Zentrum für Elektrochemie (CES) und Kompetenzverbund Nord (KVN):

Ausgewiesene Elektrochemiestandorte gibt es 4 in NRW, je 2 in Nieder-

sachsen, Hessen, Baden-Württemberg und je 1 in Saarland, Bayern und

Sachsen)60,

ForschungsVerbund Erneuerbare

Energien FVEE

Unifying Concepts in Catalysis

(unicat), Exzellenz-Cluster


142

61

Jaeckel, Ralf (2011).

62

Peters, Sascha (2011).

■ Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)-Industriecluster von europäischer

Bedeutung in Dresden61,

■ Nutzung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) für Wärmeübertragung an Flä-

chen (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 Energie-

speichern (als Anwender von Dünnschicht- und Membrantechnologien) ist in

der Region unterrepräsentiert. Es gilt, das Beschichtungs-Know-how (Dünn-

schichttechnik) und entsprechende Kompetenzen im Anlagenbau für energe-

tische 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 Beschichtungs-

systemen) 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 Energie-

speichertechnologien verknüpft; möglicherweise gelingt auch die Energiever-

sorgung 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 Anwen-

dung zu sehen, wo es darum geht, den Reinigungsaufwand von Oberflächen

gering zu halten, den Strömungswiderstand (zum Beispiel in Rohrleitungs-

systemen) und damit kinetische Energieverluste eines strömenden Mediums zu

minimieren, eine barrierefreie Wärmeübertragung zu gewährleisten, Bauteil-

oberflächen vor Verwitterung und Korrosion oder auch Flammen bzw. Feuer zu

schützen. Die entsprechenden makro- und mikroskopischen Funktionalisie-

rungen äußern sich in den folgenden ›Oberflächenprodukten‹:

■ Easy-to-clean- und selbstreinigende Oberflächen

■ Biozide Oberflächen (Anti-Fouling, Schädlingsbekämpfung), Biokorrosions-

schutz

■ Witterungsschutzschichten, Flammschutzbeschichtungen

■ Korrosionsschutz für Stahlbetonbau und andere bautechnische Elemente


143

Wissenschaft





flächen, dienen.

Aufbauend auf den Ergebnissen zu protein-resistenten selbstorganisieren-

den Polyclycerol-Layern auf Goldsubstrat (vergleiche Kapitel Oberflächentech-

nik in Bio-Analytik und Diagnostik) werden diese auf ihre Zell- und Organis-

men-Abstoßung (Adsorptionsgrad) untersucht – zum einen für mögliche bio-

medizinische 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 dentri-

tischen Polymeren sind im Kapitel Oberflächen in der Nano-Biotechnologie

beschrieben.

Prof. Strauch, tätig in der Anorganischen Materialchemie der Universität Pots-

dam, erforscht und synthetisiert mikro- und nanostrukturierte Hartmaterialien

auf Siliziumbasis in Hochtemperaturreaktionen.

Ein von 2003 bis 2005 bearbeitetes Projekt hatte neuartige Silan/Silanol-

Systeme zur Verkieselung von Holzoberflächen zum Gegenstand. Durch Hydro-

lyse 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 Verfah-

ren klassische Lacksysteme, ist deutlich haltbarer und ressourcenschonender.

Untersucht wurde durch die Forscher auch, ob die Synthese solcher ober-

flächenreicher 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, granulo-

metrischer, spurenanalytischer, röntgenographischer, licht- und rasterelektro-

nenmikroskopischer sowie IR-spektroskopischer Charakterisierung des Pflan-

zenmaterials und des SiC.

Ein weiteres Forschungsprojekt (2001 bis 2003) zielte auf Photoinitiatoren,

um Lacksysteme auf der Basis wässriger Bindemittel (Ersatz für Lösungsmittel)


Prof. Dr. Peter Strauch


144

63

FHTW (2004), S. 43–44.

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 Wirt-

schaft Berlin (HTW) Expertise und Forschung zu Raumlufttechnik (Klima- und

Feinstaubmesstechnik, Mitgliedschaft im Kompetenzfeld Welterbe, Prävention

und Umweltanalyse), Abwasserreinigung, Membrantechnik sowie (bio)chemi-

sche 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 Anforderun-

gen Aufnahme von Flüssigkeiten und Geruchsstoffen (geeignete Sorbentien),

natürliche bzw. nachwachsende Materialien (Kompostierbarkeit) und anti-

mikrobielle Wirkung durchgeführt worden. Zu einem geeigneten Papier- bzw.

Kunststoffsubstrat wurde eine kompostierbare Beschichtung gesucht und in

diesem Zusammenhang die antimikrobielle Wirkung von natürlichen Pflan-

zenölen getestet. Partner im Projekt waren unter anderem der INTUS e.V. und

die Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft.63

Im Lehr- und Forschungsgebiet Hochleistungswerkstoffe an der Technischen

Hochschule Wildau verfolgt Dr. Herzog unter anderem das Thema Beschich-

tungswerkstoffe, 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 Unterwas-

seranstrichstoffe. Die langfristige biozide Wirkung der Anstrichstoffe basiert auf

nanoteilchengekoppelten biologisch wirksamen Verbindungen (biozid-wirk-

same Gruppen oder Verbindungen unmittelbar oder mittelbar nach der Her-

stellung von sogenannten Dispersionspolyolen (PHD) mittels chemisch aktiver

nanoskaliger Partikel an diese gekoppelt), die somit nicht aus der Beschichtung

ausgelaugt werden können.

Die BAM-Fachgruppe Biologie im Umwelt- und Materialschutz von Prof.

Gorbushina untersucht Biozide und Biozidprodukte (zum Beispiel Holzschutz-

mittel) auf ihre Wirksamkeit und Stabilität, analysiert Materialbeständig-

keiten gegenüber Organismen (bzw. biogene Materialschäden) in Feldstudien,

gerafften Prüfverfahren und Langzeituntersuchungen. Außerdem werden die

Besiedlung von Materialoberflächen (Biofilmbildung) sowie deren mikrobio-

logische Seite erforscht.

Prof. Frank Reichert

Dr. Michael Herzog

Prof. Dr. Anna Gorbushina


145

64

Eich, Gerd et al. (2004).

In der Fachgruppe Korrosion und Korrosionsschutz (Dr. Mietz) der BAM-Abtei-

lung 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 Schutz-

system für chloridbelastete Betonflächen aus Spritzverzinkung mit abdichten-

der Beschichtung‹ (2004) für die Instandsetzung korrosionsgeschädigter Stahl-

betonbauteile 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

Die Arbeitsgruppe Mikroverkapselung um Dr. Hahn am Fraunhofer-IAP sei hier

neben anderen Anwendungen (vergleiche Kapitel Oberflächen in der Nano-

Biotechnologie, Energiewandlung und -speicherung und Bauteilbeschichtung,

Verfahren, Simulation) auch mit ihrem Anwendungsbezug zu umweltrelevan-

ten Aufgabengebieten beschrieben.

Die Mikroverkapselung als polymere Umhüllung von gewissen Kernma-

terialien 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 Ober-

fläche 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 standhal-

ten und kontinuierlich über die ganze Saison wirken können,

■ bei der Schädlingsbekämpfung (kontinuierliche Abgabe von Schädlings-

bekämpfungsmitteln),

■ als Farbe und Lack mit verkapselten Antifoulingstoffen zum Schutz vor Bio-

filmbildung.


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.

Dr.-Ing. Jürgen Mietz

Dr. Mathias Hahn


146

Wirtschaft

Das Unternehmen aeroix bewegt sich mit seiner Arbeit im Grenzbereich zwi-

schen angewandter Luftfahrttechnik (vergleiche Kapitel Luft- und Raumfahrt-

technik), Maschinenbau und Architektur/Bauwesen. Ein Standbein des Unter-

nehmens sind innovative technische Textilien: Die sogenannten Aerofabríx-

Materialien 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 Membranwerk-

stoff hat ein sehr geringes spezifisches Gewicht, ist reversibel komprimierbar,

einfach zu konfektionieren sowie transluzent ausrüstbar. Weitere Anwendun-

gen im Bereich mobiler und stationärer Membranbauten sind in Vorbereitung.

Die Firstwood GmbH ist Produzent von sogenanntem Thermoholz. Dieses Pro-

dukt 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 Oberflächen-

eigenschaften 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 Oberflä-

chenbehandlung geschieht,

■ langfristig bewahrte, durchgängig dunkle Farberscheinung der Holzober-

fläche, falls diese mit Holzöl oder ähnlichen Stoffen behandelt wird.

Die HEMA Beschichtungstechnik ist ein 1986 gegründeter Berliner Ingenieur-

und Fachbetrieb für Dachbeschichtungen, insbesondere mit Sanierungsaufträ-

gen. Im Unternehmen sorgen farben- und lackerfahrene Ingenieure und Fach-

arbeiter für die Verarbeitung von Dachbeschichtungen aus dem haus eigenen

Produktsortiment (Rezepturen), das durch Forschungsarbeiten auf dem neu-

esten Stand der Technik gehalten wird; übliche Handelsprodukte werden nicht

für die Sanierungsmaßnahmen eingesetzt. Die Dachbeschichtungsprodukte

aeroix GmbH

Firstwood GmbH

HEMA Beschichtungstechnik


147

65

Vergleich von Strategien zur Abstoßung

und Abtötung von Mikroorganismen in:

Landau, Uwe et al. (2009), S. 15.

66

Aus Vortrag: Landau, Uwe (2011).

werden je nach Kundenvorgaben und Erfahrungen angewendet, erprobt und

weiterentwickelt.

Die Sanierungsmaßnahmen bestehen meist aus Reinigung und Beschich-

tung 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 Eindeckungs-

materialien (Betondachstein, Asbestzement, Platten-Eindeckungen, Tonziegel,

Metalldächer), Flüssigkunststoffbeschichtung zur Flachdachabdichtung sowie

Fassaden- und Holzbeschichtungen an.

Die Largentec Vertriebs GmbH ist Hersteller eines bioaktiven Kontaktkatalysa-

tors 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 Ober-

flächen) 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 Vitamin-

derivat reagieren. Die Wirkung des Kontaktkatalysators ist wegen der Ungiftig-

keit auch für Implantate im menschlichen Körper und als Ersatz bisher zyto-

toxischer Elektronik-Materialien interessant.66

Largentec Vertriebs GmbH

Innovation Medizintechnik,

Hygiene- und Wassertechnik

GmbH


148

Die nanopartica GmbH produziert und vertreibt Nanokapseln, die aus hochver-

zweigten (mit funktionellen Gruppen versehenen) Polymeren bestehen, somit


ionen, 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 Anwendungsmöglichkei-

ten von nanoverkapselten Metallpartikeln, auch Legierungsnanopartikeln und

anderen chemischen Verbindungen, sind in den Kapiteln Oberflächen in der

Nano-Biotechnologie und Energiewandlung und -speicherung beschrieben.

SICC Coatings ist ein Berliner Hersteller und Entwickler von Farben (Anstrich-

stoffen für Gebäude im Innen- wie im Außenbereich), die über den dekorati-

ven 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.

Netzwerke

Der gemeinnützige Verein BIOKON (Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompe-

tenz-Netz e.V.) ist die Organisationseinheit von mehr als 70 Universitäten, For-

schungsinstituten, Unternehmen und Einzelpersönlichkeiten in Deutschland

und Europa. BIOKON bündelt Aktivitäten und Expertenwissen (als Informa-

tions-, 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 Pro-

dukte 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.

nanopartica GmbH

SICC GmbH

Forschungsgemeinschaft Bionik-

Kompetenz-Netz e.V. BIOKON


149

67

Leydecker, Sylvia et al. (2008); Klooster,

Thorsten et al. (2009).

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 Regio-

nen 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 Schnitt-

menge 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 Verschmut-

zungen

■ Oberflächenrauigkeit

■ Oberflächentopographie von biologischen und technischen Oberflächen

■ Quantitative 3D-REM-Oberflächenanalyse

■ Quantitative Oberflächencharakterisierung

■ Selbstreinigende Oberflächen

■ Super- und ultraphobe Oberflächen usw.

Fazit

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 Nanomate-

rialien. In teils populärwissenschaftlicher Form finden sich dazu einschlägige

Veröffentlichungen67, die die Kompetenz Deutschlands im Technologiefeld her-

ausstellen.

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 Anti-

fouling-Anwendungen ansatzweise genutzt. Dabei sollte allerdings die dauer-

hafte physikalische Wirkung dieser Techniken gegenüber sonstigen chemischen

(toxischen, auslaugenden) Methoden mit begrenzter Wirkung und möglicher

(Multi-)Resistenzenausbildung herausgestellt werden.


150

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).

Das große Betätigungsfeld bionische Oberflächen wird in der Region Berlin-

Brandenburg kaum bearbeitet oder zu Rate gezogen. Es könnte jedoch der

systematischen Suche nach Analogien für Anwendungen, speziell (Selbst-)

Reinigung /Hygienisierung, Hydrophobie/Hydrophilie, Luft- und Wasserrein-

haltung, Abstoßung/Antifouling, Selbstheilung, Wärmeisolierung, Strömungs-

optimierung 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, Ver-

fahren, 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 Strukturie-

rung, natürliche Oberflächen mit praktisch nie nur einer Strukturierungs-

ebene, sondern zwischen 10 nm und etwa 100 µm in vielfachen Kombina-

tionen genutzter Längenskala68

■ ›Bio-inspiriertes Antifouling‹ (Bremen)69

■ ›AptaSens‹, Aptamer modifizierte bakterielle Oberflächenstrukturen für

die Entwicklung neuer Sensoren: Wasserreinhaltung/Detektion von Rest-

stoffen70

■ ›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 Abfallver-

meidung, 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 mini-

mieren.72


151

5.4 Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und Kommunikations-

technologien

Das breiteste Anwendungspotenzial von Oberflächenfunktionalisierungen gibt

es zweifellos bei Optik und Mikrosystemtechnik. Hauptzweck ist die Bereitstel-

lung von optischen und elektrischen Funktionen in Form dünner Schichten

(›Dünnschichttechnik‹), um einerseits diffizile und miniaturisierte Komponen-

ten 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 Dünnschichtbauele-

menten – 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 Übertra-

gung, 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 Eigenschaf-

ten ohnehin gemeinsam gefordert. In der Mikrosystemtechnik ist die Dünn-

schichttechnik 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 gene-

rieren. Diese Miniaturisierung hat in der Vergangenheit die Verbreitung der

Mikro systemtechnik stetig vorangetrieben (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und

Optoelektronik). Getrennt von dieser wird die Dünnschicht-Sensorik aufgrund

der herauszustellenden sensorischen Oberflächen- und Schichtwechselwir-

kungen 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 Materialoberfläche n, vor allem von Glas, Kunststoff, Metall

und Keramik. Sie ist dazu geeignet, eine verbesserte Reflexion oder verbes-

serte Transmission von Licht bestimmter Wellenlänge oder eines Wellen-

längenbereichs (von UV bis IR) einzustellen bzw. Reflexions-, Transmissions-

und Absorptionsgrad präzise zu definieren. Die Funktion der in Form dünner


152

73

Vgl. Kemnitz, Erhard (2009).

74

Vgl. Trechow, Peter (2011a).

Schichten aufgebrachten, optisch aktiven Materialien beruht auf Interferenz-

effekten (destruktive Interferenz, Entspiegelung) bzw. auf der Reflexion metal-

lischer Werkstoffe (Spiegel), wichtig für Anwendungsbereiche wie Architek-

turglas, Displays, aber auch für Solarglas.

Wissenschaft

An der Humboldt-Universität zu Berlin im Fachgebiet Anorganische Che-

mie forscht Prof. Kemnitz in der F luor-Chemie – zum einen an nanoskaligen

Metallfluoriden für die Katalyse (Kapitel Energiewandlung und -speicherung),

zum anderen an Nanometallfluoriden für optische Zwecke und deren Herstel-

lung 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 Tauch-

beschichtung, 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, Knowledge-

based 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 anorga-

nischen fluoridischen Systemen gegenüber oxidischen aufzuholen. Beson-

deres 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


153

Wirtschaft

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 Marktsegmen-

ten Displayglas (TV & Public/Mobile und Monitor) und Glass Processing (Sur-

face Technology/Glass for Devices), sind vier Standorte tätig. Die angebotenen

Veredlungsleistungen sind Ätzen (für Glanz- und Reflektionsminderung),

Beschichten, Bedrucken, Chemisch Härten /Vorspannen, Laminieren. Konfek-

tionierung bzw. Assemblierung schließen sich an.

Im Bereich Optische Komponenten bietet Berliner Glas folgende Beschich-

tungsprodukte (dünne Schichten/optische Beschichtung und Mikrostrukturie-

rung) 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 Titan-

nitrit, Leitfähigkeit/chemische Beständigkeit durch Gold)

Dazu werden Beschichtungsverfahren wie Kalt- und Heißbeschichtung, plas-

maunterstützte Kaltbeschichtung auf temperaturkritischen Materialien (plas-

magestützte reaktive Elektronenstrahlverdampfung), Sputterverfahren und

die Sol-Gel-Tauchbeschichtung angewendet. Unter Reinraumbedingungen

werden reproduzierbar Schichten hergestellt, die auch durch hohe Packungs-

dichte, Temperatur- und Feuchtigkeitsstabilität, hohe Haftfestigkeit und Härte

gekennzeichnet sind. Der Geschäftsbereich Medizinische Anwendungen hat

2011 in Berlin eine neue Beschichtungsanlage mit optischem Breitbandmoni-

toring 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).

Berliner Glas KGaA

Herbert Kubatz GmbH & Co.


154

Die Frank Optic Products GmbH ist ein Berliner Unternehmen, das optische,

faseroptische, optomechanische und optoelektronische Komponenten, Bau-

elemente und Systeme bis hin zu Geräten fertigt, wie sie aus Medizin, Laserin-

dustrie, Licht- und Beleuchtungstechnik, Sensorik, Biotechnologie, Automobil-

und Luftfahrtindustrie, Signal- und Kommunikationstechnik, Optoelektronik

sowie Forschung und Entwicklung nachgefragt werden.

Optische Komponenten und Bauelemente wie Plan- und Planparallel-

fenster, 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 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 industriel-

ler Forschung, Entwicklung und Ausbildung im Bereich aller Technologien

zur Erzeugung, Verstärkung, Formung, Übertragung, Messung und Nutzbar-

machung von Licht. Schwerpunkte setzt OpTecBB mit den zehn Kompetenz-

bereichen Aus- und Weiterbildung/UV- und Röntgentechnologien/Biomedi-

zinische 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 unter-

schiedlichster Art, die bei der Initiierung von interdisziplinären Kooperationen

Frank Optic Products GmbH

OpTec BB e.V.


155

und Technologietransfer durch den Verein nicht explizit, aber selbstredend in

Betracht kommen.

Insgesamt sind 98 Organisationen, davon 63 Firmen und 31 wissenschaft-

liche Einrichtungen Mitglied im Verein. Ausgewählte Unternehmen und For-

schungseinrichtungen, die in den Kapiteln Optik/Mikrosystemtechnik, Infor-

mations- und Kommunikationstechnologien, Oberflächen- und Schichtana-

lytik, Anlagentechnik näher betrachtet werden, sind in Übersicht 10 aufgelistet.





Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Berliner und Brandenburger Unter-

nehmen 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.



mechatro nische Technologien e.V.

(SPECTARIS)

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)


156

75

Vgl. Ritter, Axel (2006), S. 72 ff.

Der Fachverband Photonik + Präzisionstechnik vertritt die Hersteller von opti-

schen Komponenten, organisiert branchenspezifische und branchenüber-

greifende Arbeitskreise sowie Kongresse für seine Mitglieder und hält Infor-

mationen zum Weltmarkt sowie eine Datenbank für optische Komponenten

(OptoIndex) vor.

Fazit

Auch eine etablierte Technologie wie die optische Vergütung erfährt heutzu-

tage 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 Ver gütung,

in der Anwendung stellt diese aber ein Massenprodukt dar. Auf natio naler 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 chr omogen (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 (Transmissionsände-

rung),

■ elektrischer Impuls: Elektrochromie, Ionochromie,

■ mechanischer Impuls: Piezochromie, Tribochromie oder ein

■ chemischer Impuls: Chemochromie (Gaschromie, Halochromie, Solvato-

chromie, Hygro-/Hydrochromie)75 sein.

Für großflächige optische Schichten werden die ersten drei Gruppen ange-

wandt, 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 (Elektrochro-

mie) findet man bei einigen Übergangsmetalloxiden, organischen Polyme-

ren und anorganischen Komplexverbindungen. Sie werden in Form dünner

Schichten zwischen Glassubstraten (Sandwichstruktur) zur manuellen Regulie-


157

rung des Lichteinfalls, etwa als Sonnenschutzverglasung eingesetzt, bis hin zu

selbstregulierenden Systemen (Photochromie für abtönende Brillengläser).

Wissenschaft

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, Piezochro-

mie, 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, Elastome-

ren, 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/Fahrzeug-

technik und in der Informationstechnik.

Die selbstregulierende Sonnenschutzverglasung SOLARDIM®-ECO wurde

gemeinsam mit der Firma Tilse Formglas GmbH entwickelt, die das Produkt

auch vertreibt.

Wirtschaft

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

Dr. Arno Seeboth

Gesimat GmbH, Gesellschaft

für intelligente Materialien

und Technologien


158

76

Vgl. Trechow, Peter (2011b).

der zum Schalten notwendige Strom in das elektrochrome System eingekop-

pelt. Auf die Leitschicht folgen die elektrochromen Schichten Wolframoxid

(Scheibe 1) und Preußischblau (Scheibe 2) – ein 1706 in Berlin erfundener, resis-

tenter 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 Glasbeschichtungs-

anlage. Mit der Laminierung beider Gläser ist das elektrochrome Verbundglas

analog zu herkömmlichem Sicherheitsglas mit entsprechenden Sicherheits-

und Schallschutz eigenschaften fertiggestellt. Es lässt sich im Verdunkelungs-

grad 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 innen-

liegender 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 ent-

sprechende 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 Umgebungstem-

peratur 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 Ein-

trübung 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 Einspa-

rungen 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.

Netzwerke

Der OpTecBB-Verein für Akteure in den optischen Technologien ist bereits im

Kapitel Optische Vergütung vorgestellt.

Tilse Formglas GmbH

OpTec BB e.V.


159

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 For-

scher (hauptsächlich an Fraunhofer-Instituten) bearbeitet. Vielfach werden

Anwendungen konzeptionell (im Bereich Architektur/ Bauwesen/Design/Kunst)

vorgedacht, aber noch nicht massentauglich umgesetzt (Mangel an Langzeit-

stabilität, hohe Herstellungskosten).

Die F&E-Ergebnisse in Berlin-Brandenburg sind vielversprechend und von

überregionaler Bedeutung. Insbesondere in der Kooperation mit der Kreativ-

branche (Kapitel Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E) bestehen Mög-

lichkeiten, Anwendungsszenarien zu Basistechnologien zu entwickeln sowie

umgekehrt aus Anforderungen visionärer Wohn-, Lebens- und Gesellschafts-

vorstellungen 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 T echnologien. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind

mikro- und nano-strukturierte Komponenten/Bauelemente, also Lichtquellen

(LED, OLED, Laserdioden), Lichtwellenleiter (Schichtwellenleiter/Planar- und

Streifenwellenleiter, Photonische Kristalle als ›optische Halbleiter‹) und photo-

nische Speicher (All Optical Flip-Flop, AOFF: photonische Informationsspeiche-

rung 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 Kon-

text. Bezüglich der Materialbasis wird an organischen Stoffen mit Eignung für

die Lichtemission (sogenannte Green Photonics) geforscht.

Wissenschaft

Die Arbeitsgruppe Molekulare Prozesse an Oberflächen (Prof. Tegeder, Insti-

tut 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).

Prof. Dr. Petra Tegeder


160

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 orga-

nische Solarzellen),

■ Wechselwirkungen organischer Moleküle mit Substratoberflächen (Film-

wachstum 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-Energie-

verlust-Spektroskopie (HREELS), Rumpfniveau-Spektroskopie sowie nicht-

linear optische Methoden der Summenfrequenzerzeugung (SFG) und Fre-

quenzverdoppelung (SHG) ein.

Die Forschungsarbeit zu molekularen Prozessen an Oberflächen ist einge-

bettet in den Sonderforschungsbereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen

Schaltern an Oberflächen‹, Projekt B1 ›Molekulare Schaltprozesse an Ober-

flächen: 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-Born-

Institut, 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-Hetero-

strukturen 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 InP-

Substrat) mit Anwendungspotenzial als 1,55 µm-Laser.

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. W. Ted Masselink

Prof. Dr. Fritz Henneberger


161

■ Molekularstrahlepitaxie (Radical-source MBE von ZnO-basierten Hetero-

strukturen, zum Beispiel ›ZnCdO/ZnO hetero- and quantum well structu-

res 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 ›Organisch-

anorganische Halbleiternanostrukturen: Untersuchung von Energietransferpro-

zessen und nichtlinear optischen Eigenschaften‹, und zwischen 2004 und 2006

mit dem Teilprojekt ›Hybride Anregungen in organisch-anorganischen Nano-

strukturen: Epitaktisches Wachstum und optische Eigenschaften‹ am Sonder-

forschungsbereich 448 ›Mesoskopisch strukturierte Verbundsysteme‹ beteiligt.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Bimberg am Institut für Festkörperphysik der TU

Berlin erforscht komplexe Heterostrukturen und laterale Nanostrukturen, spe-

ziell 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 Gasphase-

nepitaxie (MOVPE). Zur Untersuchung der strukturellen, optischen und elektri-

schen Eigenschaften werden die Methoden

■ Photo-, Kathodo-, Elektro-, und Mikro-Lumineszenz,

■ Anregungsspektroskopie,

■ Kapazitätstransientenspektroskopie und

■ Tripelkristall-Röntgendiffraktometrie

genutzt.

Des Weiteren werden numerische Modellierungen von Materialverspan-

nungen, Energieniveaus und Eigenschaften photonischer Bauelemente (basie-

rend 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, Einzel-

photonenquellen‹ und C5 ›Halbleiterlaser hoher Brillanz‹.

Die AG Bimberg/Institut für Festkörperphysik ist Mitglied im NanOp – Com-

petence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics.

Prof. Dr. Dieter Bimberg


162

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 Verbindungs-

halbleiter-Nanostrukturen, vor allem von Halbleitern großer Bandlücke wie

Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AIN) und Indiumnitrid (InN), mittels

metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Ziel sind innovative Emitter-

technologien 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 Projekti-

onsdisplays 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 Geräte-

desinfektion, 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 Datenkommu-

nikation und Displays,

■ GaN-basierte Distributed Feedback (DFB)-Laserdioden für den Einsatz bei

der digitalen holografischen Datenspeicherung,

■ Optical Microcavities für Einzelphotonen-Emitter mit möglichen Anwen-

dungen in der Quantenkryptographie.

Zur Charakterisierung des MOVPE-Wachstums dieser Nanomaterialien werden

verschiedenene in situ-Methoden (zum Beispiel spektroskopische Ellipso-

metrie) 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 ›Halbleiter-

Nanophotonik‹, dessen Sprecher Prof. Kneissl ist.

Im Bereich explorative Oberflächenphysik beschäftigt sich die AG außer-

dem 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. Michael Kneissl

Prof. Dr. Hans Joachim Eichler


163

77

Eichler, Jürgen et al. (2007).

Materialbearbeitung, Glasstrukturierung, Ramanlaser/-streuung, Femtosekun-

den-Spektroskopie und Fluoreszenzspektroskopie, verfügt aber auch über

Kompetenzen in der Siliziumphotonik, Faseroptik und bei optischen Schicht-

systemen.

Im zugehörigen Beschichtungslabor werden Faserendflächen reflexions-

und antireflexionsbeschichtet; verschiedene Substratmaterialien und optische

Komponenten wie poliertes Glas, Laserkristalle, Keramiken, Wafer, Küvetten-

fenster, 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 Wachstums-

prozesse sowohl von Einzelschichten als auch von Multischichtstapeln auf

Glasssubstraten untersucht. Ziel war die Optimierung des Aufdampfprozesses

(Elektronenstrahlverdampfung von Schichten mit möglichst geringen Streu-

verlusten und hoher Reproduzierbarkeit, Untersuchung der Oberflächen-

topologie). 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 Antireflexbeschich-

tungen, die Transmission und Reflexion, Polarisationsrichtungen und verschie-

dene Einfallswinkel betreffend, durch.

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 Part-

ner ein PRO INNO II-Förderprojekt der AiF zum Thema Holographie durchge-

führt (›Entwicklung von Dichromat-Schichten für industrielle Hologramme‹).77

Während herkömmlich zur Herstellung von Reflexionshologrammen vor-

nehmlich 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 Dichromat-

gelatine auf eine Glasplatte oder Kunststofffolie aufgetragen und getrock-

net (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 pho-

tochemische 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 Beleuch-

tungstechnik, in der Innenarchitektur und in der Sicherheitstechnik (Sicher-

heitshologramme an Produkten).

Prof. Dr. Ingeborg Beckers


164

In der AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien (Prof. Schrader) der

TH Wildau werden in Zusammenarbeit mit anderen wissenschaftlichen Ein-

richtungen und Wirtschaftspartnern optische und photonische Komponenten

entwickelt. Die Proje kte betreffen beispielsweise diffraktiv-optische Elemente,

optische Modulatoren, neuartige Lichtquellen, Photodioden sowie Kompo-

nenten 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 Ausbil-

dungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbildung

auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger silizium-

basierter Bauelementekonzepte und Technologien für Hochgeschwindigkeits-

Elektronik und Photonik (SiliconLight).


Übersicht 11: Forschungsprojekte der AG für Photonik,

Laser- und Plasmatechnologien

Projekt Regionale Partner Ziel/Inhalt

ELSTERElektrisch schalt- und einstellbare diffraktiv-optische Elemente auf Basis neuartiger Flüssigkristall-Polymer-Materia-lien (2010 bis 2013)

Fraunhofer- Institut für angewandte Polymerforschung IAP, Institut für Dünnschichttech-nologie 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-Kompositmateria-lien; Schalter, Trimmer, Strahlteiler, Koppelgitter; Material-, Prozess- und Device-Entwicklung zusammengeführt

OMEGAMaterialien 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 Hochfre-quenz- und Halbleiter-System-technologien), (Merge Optics GmbH, Berlin)

Entwicklung neuer, stabiler Polymer- und Sol-Gel-Materialien mit hoher quadratischer nichtlinearer optischer Suszeptibilität (Wirt-Gast-Systeme 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 Abschei-dung geeigneter Materialien mittels Langmuir-Blodgett-Technik

SiliconLightNeuartige Lichtquellen und Komponenten für die Silizium- Photonik, Teilvorhaben: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zu Materialien (2008 bis 2011)

TU Berlin(Merge Optics GmbH, Berlin)

Leuchtdioden auf Siliziumbasis durch gezielt eingebrachte Defektstrukturen, sog. Versetzungsnetz-werke, direkte elektronische Übergänge, welche dann mit relativ großer Quantenausbeute Licht emittieren; Integration optischer Wellenleiter, Modulatoren, Verstärker und Frequenzwandler

UV-PhotodiodenUV-Photodiodenchips auf Basis von TiO2 – Teilvorhaben: Elektronische, optische und photoelektrische Eigenschaften neuartiger Titandioxid-Funkti-onsschichten (2008 bis 2010)

sglux SolGel Technologies GmbH, Berlin

Problemlösung aufgrund eines für die Massenan-wendungen UV-Flammenüberwachung, UV-Entkei-mungsüberwachung und Consumer-UV-Messung zu langsamen und für die UVC-Strahlung zu anfälligen Photodiodenchips (Sol-Gel-Chemie und Ti:TiO2:Pt-Halbleiterstruktur) mit zu geringer Visible Blindness (Unempfindlichkeit im sichtbaren Spektralbereich)


165

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 Material-

eigenschaften, als auch maßgeschneidert für Kunden aus F&E in einem breiten

Wellenlängenbereich, vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot (NIR), ent-

wickelt. 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).

Im Geschäftsbereich GaN-Optoelektronik beschäftigt sich das Ferdinand-

Braun-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 Spektralbe-

reich) und Leuchtdioden (nahes und fernes UV). Bestandteile der Forschungs-

und Entwicklungsarbeiten sind

■ die Abscheidung defektfreier InGaN-Emitterschichten, InGaN-Vielfach-

quantenfilmstrukturen, 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 Laserfacet-

ten,

■ die Entwicklung von Breitstreifen- und Rippenwellenleiterstrukturen

und

■ das letztendliche Bauelementedesign und anwendungsspezifische Bauele-

mentstrukturen wie Distributed-Feedback(DFB)-Diodenlaser oder Super-

lumineszenz-LEDs.

Dr. Götz Erbert

Prof. Dr. Michael Kneissl


166

Das FBH ist mit diesen einschlägigen Forschungsarbeiten in der Initiative Berlin

WideBaSe und im NanOp – Competence Centre for the Application of Nano-

structures 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-elekt-

ronische 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 (Reaktiv-

harze 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

MOVPE-Planetenreaktor für bis zu fünf 4-Zoll-Wafer aus InP oder GaAs (FBH)


167

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, Fres-

nellinsen, 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 entwi-

ckelt und fertigt InP-basierte Wafer für die optischen und optoelektronischen

Komponenten; für die jeweiligen Materialsysteme InGaAsP und InGaAlAs ste-

hen 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 Bauteilinte-

gration,

■ Quantenpunktentstehung und -implementierung in Emitterstrukturen,

■ Entwicklung eines Wachstumsprozesses mit N2-Trägergas,

■ In situ-Analysemethoden für die Oberflächenpräparation und Überwa-

chung des Wachstumsprozesses (Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie

RAS).

An ex situ-Analysemethoden werden unter anderem Röntgenbeugung, Pho-

tolumineszenz-Mapping, Hall-Messungen und Sekundärionenmassenspek-

troskopie (SIMS) angewendet. Die Gruppe Processing behandelt die weiterver-

arbeitenden Verfahren zur Strukturierung, Kontaktierung der Wafer/optoelek-

tronischen Komponenten. Das sind

■ Elektronenstrahllithographie zur Maskenherstellung oder direkten Belich-

tung (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 (Flip-

Chip bumps).

Dr. Martin Schell


168

Verwendete analytische Methoden sind Rasterkraftmikroskopie (AFM), Raster-

elektronenmikroskopie (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 Hochtech-

nologien 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 Strahlungsquel-

len in Sensoren für Biologie, Medizin, Umweltanalytik. Auch die Allgemein-

beleuchtung mit LED bzw. Beleuchtungs- und Bestrahlungstechnik (2009

Demonstrator für eine Gasaufsatzleuchte auf LED-Basis, Forschungsprojekt

›Innovative Beleuchtung für Berlin‹) und andere Anwendungen in Automobil-

industrie, Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik sowie Spezialanwendun-

gen als Gewächshausbeleuchtung oder Sonnensimulatoren sind Forschungs-

themen. Der OUT e.V. involviert in die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

zur LED-Technik intensiv den wissenschaftlichen Nachwuchs (Praktika, Bache-

lor- und Masterarbeiten, Promotionen).

In der Abteilung Epitaxy (Dr. Geelhaar) des Paul Drude Instituts für Festkörper-

elektronik PDI (Leiter Prof. Riechert) erforscht man die Molekularstrahlepitaxie

(Optimierung der Parameter) und die Fertigung spezifischer nanostrukturier-

ter Proben (aus III-V-Halbleitern) im Hinblick auf Wachstumsmechanismen,

Selbst organisationseffekte und Kinetik der Grenzflächenbildung.

Um neue Materialkombinationen oder epitaktische Orientierungen für

maß geschneiderte Materialeigenschaften zu schaffen, werden ungleiche Ma -

te ria lien (Hetero-Strukturen), Grenzflächen- und Defekt-Engineering ange-

wandt (zum Beispiel niedrigdimensionale GaAs-basierte Heterostrukturen,

meta stabile ternäre und quarternäre III-V-Halbleiterverbindungen und Ver-

bin dun gen ungleicher Materialien mittels extremer Heteroepitaxie). Spezielle

Forschungsinhalte (Materialsysteme, Verfahren, Anwendungsgebiete opto-

elektronischer Art) sind:

■ Gruppe III-Nitride für die Optoelektronik

– mit plasmaunterstützter (N2) oder reaktiver (NH3) Molekularstrahlepitaxie

(MBE) gezüchtete breitlückige Gruppe III-Nitride: GaN-Filme mit unpo-

laren Oberflächen, Gruppe III-Nitrid-Heterostrukturen speziell (In,Ga)N/

GaN-Quantentröge und GaN-basierte Nanostrukturen

Dr. Klaus-Dieter Gruner

Dr. Lutz Geelhaar


169

■ 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.

Die Abteilung Semiconductor Spectroscopy (Prof. Grahn) des PDI untersucht

Halbleitermaterialien für optoelektronische (Erzeugung, Verstärkung, Über-

tragung und Manipulation von Licht) und spin-/magnetoelektronische

Anwendungen (Kodierung, Übertragung und Verarbeitung von Information,

vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik) in entspre-

chenden Dünnschichtbauelementen. Spezifische Untersuchungsthemen sind

zum Beispiel

■ optische Eigenschaften von breitlückigen Gruppe III-Nitrid-Schichten,

-Hetero- und -Nanostrukturen,

■ optische und elektrische Eigenschaften von GaAs-basierten Quantenkaska-

denlasern 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-), Photo-

strom- und Photoreflectance- (PR-) Spektroskopie,

■ Kathodolumineszenz- (CL-) Spektroskopie im SEM usw.

Das Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) führt

mathematische Forschungsprojekte, insbesondere zur Modellbildung, zur

mathematischen Analyse der Modelleigenschaften, zur Entwicklung von Algo-

rithmen 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

Prof. Dr. Holger T. Grahn

PD Dr. Uwe Bandelow


170

78

Vgl. MULTIPOL (FP6) (2010).

und Simulation von Halbleiterproduktions- und -prüftechnik (Anwendungen

der diffraktiven Optik, Photoresists), Halbleiter-Nanostrukturen, Halbleiter-

lasern 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, oberflächenemittie-

rende Laser VCSEL, Halbleiterlaser, sowie von Lithographie- und Photomasken-

technologien (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 Kompo-

nenten erlangt werden soll.


in Teltow werden unter Leitung von Dr. Schneider speziell im Projekt MULTI-

POL78 multifunktionale Polymermaterialien mit maßgeschneiderten mecha-

nischen, 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-/FTIR-

ATR-, Nahes Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungs-

indexbestimmung.

Die Anwendungsgebiete sind neben der organischen Photovoltaik (verglei-

che Kapitel Photovoltaik) elektronische und speziell opto-elektronische Dünn-

schichtbauelemente wie organische Leuchtdioden (OLED, PLED) und optische

Wellenleiter.

Aus den BMBF-geförderten Forschungsarbeiten zu polymerbasierten opti-

schen 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

Dr. Frank Schmidt



171

durch Rotationsbeschichtung (Spin-Coating) entsprechender Prepolymerlö-

sungen und anschließende Photolithographie sowie reaktives Ionenätzen (RIE)

hergestellt.

Dr. Wedel leitet am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

die Abteilung Funktionale Polymersysteme, deren Forschungs- und Entwick-

lungsinhalte (opto-)elektronische Bauteile bzw. Materialien sind.

Die Umsetzung von Fertigungstechnologien einer nächsten OLED-Gene-

ration (kundenspezifische OLEDs – OLED-OFIES®) zählt dazu, ebenso die Her-

stellung polymerer Nanocomposite (Dotierung optisch transparenter Polymer-

materialien mit Laserfarbstoffen, Nanophosphoren und Quantenpunkten) zur

spektralen Lichtwandlung, großflächigen Strahlungsdetektion oder Lichtkon-

zentration.

Einige optische Bauelemente auf Basis der entwickelten Polymere sind

■ Leuchtdioden, Displays (OLEDs auf Basis von lösungsmittelbasierten Pro-

zessen, elektrolumineszierende, photolumineszierende, flüssigkristalline

Polymere),

■ spektrale Lichtwandler,

■ Lichtsender und -empfänger,

■ holographische Bauelemente (holographisch erzeugte Oberflächenreliefgit-

ter),

■ anisotrope Bauelemente und

■ optische Datenspeicher.

Dr. Wedel vertritt im Rahmen des im Jahr 2009 entstandenen Fraunhofer-

Innovationsclusters ›Sichere Identität Berlin-Brandenburg‹ das Projekt ›Sec-

MaTec – 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 gro-

ßen 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 druck-

bar 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 Unternehmens-

partner 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/bereitzu-

stellen, welche die eindeutige Identifizierung von Personen, ID-Dokumenten

und Prozessen sicherer und mobil machen. Der Aufbau einer Entwicklungslinie

Dr. Armin Wedel


172

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 konju-

gierten und phosphoreszenten Polymermaterialien für den Einsatz in OLEDs

(bzw. PLEDs) dar. Dort werden Triple-Emitter-Monomere (RGB, phosphores-

zente 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 Vakuumab-

scheidung hergestellt. Die Entwicklung weiterer elektrisch aktiver (auch halb-

leitender) Polymere für den Einsatz in der organischen Photovoltaik, bei orga-

nischen Feldeffekttransistoren (OFETs), Dioden und Sensoren ist in den Kapiteln

Photovoltaik und Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik beschrieben.

Die Gruppe Polymerphotochemie (Dr. Stumpe) am Fraunhofer-IAP beschäf-

tigt sich mit Verfahren der Photochemie (Behandlung mit polarisiertem Licht,

lichtinduzierte Orientierung von Polymeren, Photoalignment, Photopolymeri-

sation, Photovernetzung) an und für optische und photosensitive Funktions-

materialien (Polymere, supramolekulare Systeme, Komposite).

Daraus hervorgehende Bauelemente oder Produkte können sein

■ holographische Materialien, Verfahren und Elemente (Oberflächenreliefgit-

ter, schaltbare Gitter),

■ lichtinduziert hergestellte optische Funktionselemente (Filter, Retarder,

Polarisatoren, Diffuser, Gitter, optische Speicher, Orientierungsschichten,

Sicherheitsmerkmale),

■ optische Systeme auf Basis von Selbstorganisationseffekten (kolloidale Kris-

talle, photonische Kristalle, LC-Komplexe, Kombination lichtinduzierter

Prozesse und Selbstorganisation ).

Die optischen und photosensitiven Materialien sowie Funktionselemente wer-

den mittels Spektroskopie, Ellipsometrie, Rasterkraftmikroskopie (AFM), Polari-

sationsmikroskopie und Mikroskopspektrometrie charakterisiert.

Mit der Initiative ›OptoMat – Strukturierung optischer Funktionsmateria-

lien‹, deren Koordinator das Fh-IAP ist, wird versucht, institutsübergreifend

Kompetenzen aus den Regionen Berlin/Brandenburg und Thüringen zu ver-

binden und ein interdisziplinäres Kompetenzfeld ›Strukturierung optischer

Funktionsmaterialien‹ aufzubauen. Dabei geht es um photostrukturierbare,

druckbare, optische Funktionsmaterialien, die mit den Strukturierungstech-

nologen Photostrukturierung, Holographie, Plasmabehandlung, Inkjet-Druck-

techniken, Micro-Contact-Printing und Nanoimprinting zu optischen Funk-


PD Dr. Joachim Stumpe


173

79

Fraunhofer-IAP (2010), S. 62.

tionselementen und funktionalen Oberflächen (der Mikrooptik, integrierten

Optik, Sensorik, Lasertechnik, IKT, Sicherheitstechnik) und strukturierten Ober-

flächen für biorelevante Anwendungen umgesetzt werden. Kooperationspart-

ner 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).

In der Gruppe Optische Funktionsmaterialien (Dr. Janietz) am Fraunhofer-IAP

werden neue funktionelle flüssigkristalline Materialien entwickelt, die zur

Herstellung ultradünner anisotrop strukturierter Filmkomponenten mit kom-

plexen optischen Eigenschaften (lichtmodulierend, Erzeugung und Wand-

lung 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. Einlagen-

strukturierung 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 Mikro-

strukturierung sowie die permanente Fixierung der inneren Filmstruktur. Ziel

ist die Anwendung von Farbstoffen bzw. dünnen Emitterschichten in flexiblen

Displays und von ultradünnen, lichtmodulierenden strukturierten Funktions-

schichten als Schlüsselkomponenten in den optischen Technologien.

Wirtschaft

Die JENOPTIK Diode Lab GmbH ist ein 2002 als Spin-off aus dem Ferdinand-

Braun-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH) gegründetes und zur JENOPTIK-

Gruppe 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 verschiede-

ner Bauform wie Laserbarren und Einzelemitter, die in Bauelemente wie

PD Dr. Dietmar Janietz

JENOPTIK Diode Lab GmbH


174

■ 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 Bauele-

mente auf Basis breitlückiger Halbleiter.

LEONI Fiber Optics Berlin ist seit 2010 in die LEONI Fiber Optics GmbH inte-

griert (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 Multimode-

Anwendungen (mit Stufen- oder Gradienten-Index) aus Quarz gezogen und

mit unterschiedlichen (Spezial-)Beschichtungen und Ummantelungen ver-

sehen, 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 Beschich-

tungen (Metall, Hochtemperaturdoppelacrylat) unter anderem für den

Hochtemperatur-, Vakuum- und Nuklearbereich.

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).

LEONI Fiber Optics GmbH

Epitaxieschichten und Laserbarren (JENOPTIK Diode Lab)


175

Im Rahmen des überregionalen Verbundprojekts ›Innovative Beschichtungs-

systeme für optische Spezialfasern auf Basis von nanoskaligen, hybridpolyme-

ren Materialien (BEOS)‹ widmet sich LEONI Fiber Optics der Erforschung neuer

Beschichtungsmaterialien mit besseren optischen, mechanischen und thermi-

schen Eigenschaften.

LEONI Fiber Optics ist Mitglied im Kompetenznetz OpTecBB.

Auf der Basis von GaAs-Wafern stellt die eagleyard Photonics GmbH – ein 2002

gegründetes Spin-off aus dem Ferdinand-Braun-Institut für Hochfrequenz-

technik 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 Ent-

wicklung von Nitrid-Halbleiterlasern (AlInGaN), involviert.

Eagleyard photonics ist Mitglied der Initiative Berlin WideBaSe zur Erfor-

schung und Entwicklung optoelektronischer und elektronischer Bauelemente

auf Basis breitlückiger Halbleiter.

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-Halbleiter-

materialbasis 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, Flüssig-

phasenepitaxieanlagen (LPE), Chipprozesstechnik (Metallisierung der Wafer,

Photolithographie, Vereinzeln der Chips) und entsprechende Messtechnik zur

Verfügung. Die Anwendungen der Sender- und Empfängerbauelemente bewe-

gen sich im Bereich industrielle Sensorik, Mess- und Regeltechnik, Automati-

sierungs- und Sicherheitstechnik sowie Biotechnologie und Medizintechnik.

Die Lumics GmbH ist ein spezialisierter Hersteller von Hochleistungshalb-

leiterlaserkomponenten und -subsystemen. Die besondere Chiptechnologie für

möglichst hohe Leistungsdichte zeichnet sich durch die spezielle Laserfacetten-

passivierung 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 Entste-

hung von Defekten an den Chipfacetten bei Luftkontakt (kantenemittierende

Rippenwellenleiterlaser). Um die resultierende Degradierung oder Zerstörung

eagleyard Photonics GmbH

EPIGAP Optronic GmbH

Lumics GmbH


176

(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 (ehe-

mals OSA-Elektronik GmbH, 1991 hervorgegangen aus dem Werk für Fernseh-

elektronik) neu geformtes Unternehmen, widmet sich der Entwicklung und

Herstellung von LED-Chips (sichtbarer, Infrarot- und Ultraviolettspektralbe-

reich), SMD-LEDs (Surface Mounted Devices), LED-Leuchtmitteln und -Modu-

len. 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 zusam-

men mit der LayTec AG, dem Ferdinand-Braun-Institut, dem Leibniz-Institut

für Höchstfrequenztechnik und der Technischen Universität Berlin im Verbund-

projekt ›Power LED 350 –300 nm‹ aktiv und mit der Chip-Herstellung (Chip-

Bewertung, Chip-Prozess) und dem Packaging bis hin zur Primäroptik (zur

Kollimation des Lichts) beschäftigt.

Die u²t Photonics AG ist ein 1998 als Spin-off aus dem Heinrich-Hertz-Institut

für Nachrichtentechnik gegründetes Unternehmen mit Expertise in InP-basier-

ter Optoelektronik. Unternehmenszweck ist die Herstellung und Kommerziali-

sierung opto-elektronischer Komponenten nach neuestem Stand der Technik

und den Entwicklungen aus Forschungslaboren. An ultraschnellen opto-elek-

tronischen Komponenten oder auch Systemen der Mikrowellen-Photonik (Fre-

quenzen >40GHz) für die faseroptische Datenkommunikation bietet das Unter-

nehmen Photodioden (Photodetektoren, Photoreceiver), seit 2009 auch Photo-

modulatoren (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 Nano-

structures in Optoelectronics.

Netzwerke

Der OpTecBB-Verein für Akteure in den optischen Technologien ist bereits im

Kapitel Optische Vergütung vorgestellt.

OSA Opto Light

u²t Photonics AG

OpTec BB e.V.


177

80

LMU München (o.J.).

81

Fraunhofer Gesellschaft (2007).

82

Fraunhofer Gesellschaft (2011b).

PhotonikBB ist ein Netzwerk zur Förderung von Wirtschaft und Wissenschaft

sowie zur Bildung von Kooperationen in Brandenburg und Berlin im Technolo-

giefeld 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 ver-

breitern, eine Marke ›Photonik made in Brandenburg-Berlin‹ aufzubauen und

international als Photonik-Region Brandenburg-Berlin aufzutreten.





Labortechnik sowie Medizintechnik. Einige Unternehmen und Forschungsein-

richtungen 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 branchenspezifi-

sche und branchenübergreifende Arbeitskreise sowie Kongresse für seine Mit-

glieder. Außerdem bietet er Informationen zum Weltmarkt sowie eine Daten-

bank für optische Komponenten (OptoIndex).

Fazit

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 vernetz-

ter 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

PhotonikBB e.V.



mechatro nische Technologien e.V.

(SPECTARIS)


178

Verständnis von Grenzflächenphänomenen und zur Prozessoptimierung.

Akteure aus mehreren einschlägigen Forschungsinstituten verfolgen gemein-

same 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 Inform ation auf Basis elektrischer oder magnetischer (und

angrenzend auch optischer) Parameter. Elektrische Leitfähigkeit oder Isolie-

rung/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 Materialeigen-

schaften, die mittels dünner Schichten und einer Strukturierung zu Bauele-

menten 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 Speicher-

prozesse). 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 verschie-

denste 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 Oberfläche-

Volumen-Verhältnisses und Leitfähigkeit in Batterien, in Feldemittern, als

transparente Membran, in Mikroresonatoren und als chemischer Sensor (selek-

tive Reaktivität) Anwendung finden. Auch Quantenpunkte aus Graphen sind

möglich und würden Einzelelektronen-Transistoren erlauben.

Dr. Cinzia Casiraghi


179

Die Untersuchung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erfolgt mittels Raman-

Spektroskopie, 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 ›Intro-

duction to Nanoscience‹ in Seminarform vermittelt.

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 Nanocrystal-

line 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

Die Gruppe Photochemisches Ätzen (Prof. Schwentner) am Institut für Experi-

mentalphysik der FU Berlin analysiert unter anderem photochemische Reak-

tionen und strukturiert Oberflächen durch photochemisches Ätzen, indem

durch kurzwellige Strahlung ein photochemischer Prozess an angelagerten

Prof. Dr. Paul Fumagalli

Prof. Dr. Nikolaus Schwentner


180

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 Grund-

lagen der Molekular- und Oberflächenphysik (elektronische, magnetische,

Schwingungs- und strukturelle Eigenschaften von Oberflächen und Adsorba-

ten, Selbstorganisation ) mittels Rastertunnelmikroskopie (STM, temperatur-

variabel) 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 Raster-

tunnelmikroskopie‹), außerdem des Schwerpunktprogramms 1243 ›Quantum

transport‹ und des ESF-Netzwerks EIPAM ›Electron induced processes at the

molecular scale‹.

Prof. Reich und die Gruppe Physik von Nanostrukturen an der FU Berlin erforscht

schwerpunktmäßig eindimensionale Nanostrukturen wie Kohlenstoffnano-

röhren, 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 elek-

tronischen Eigenschaften (metallisch/halbleitend, Größe der Bandlücke) und

die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Molekülen (Beeinflussung der

Photoisomerisierung).

Am Institut für Theoretische Physik (Prof. Oppen) der FU Berlin werden im

Rahmen des Sonderforschungsbereichs 658 ›Elementarprozesse in molekula-

ren Schaltern an Oberflächen‹ Grundlagen von Schaltprozessen systematisch

untersucht. Durch externe Stimuli an molekularen Systemen im Kontakt mit

Festkörperoberflächen ausgelöste reversible Übergänge von Zuständen bewir-

ken 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. Jose Ignacio Pascual

Prof. Dr. Stephanie Reich

Prof. Dr. Felix von Oppen


181

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 Schalter-

molekülen in der molekularen Elektronik zu erlangen.

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 Poly-

mere) 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 Sonderforschungs-

bereich 658 ›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹

leitet Prof. Hecht das Teilprojekt B8 ›Schalterarchitekturen für kollektive Schalt-

prozesse und Kontrolle von Ladungstransport‹.

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 -Nanostruktu-

ren, 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 Lichtemis-

sion/Photonik) drehen sich die elektronischen Anwendungen um

■ Micro-Hall-Sensoren,

■ Universalsubstrate (Wachstum von dickeren epitaktischen Layern auf Subst-

raten mit signifikantem Gitterversatz) und

■ verdünnte magnetische Halbleiter (DMS), mit ferromagnetischen und halb-

leitenden Eigenschaften.

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

Prof. Dr. Stefan Hecht

Prof. Dr. W. Ted Masselink

Prof. Dr. Jürgen P. Rabe


182

■ 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‹ (Kon-

taktierung in elektronischen Bauelementen) und

■ ein DFG-Projekt mit japanischen Forschungspartnern zu Nanoelektronik mit

großen konjugierten Makromolekülen (zum Beispiel Dioden und Transis-

toren auf Basis einzelner konjugierter Moleküle).

Prof. Rabe erforscht vor allem Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von synthe-

tischen (polymeren) Makromolekülen bzw. Bio-Makromolekülen sowie zwei-

dimensional vernetzte Systeme wie Graphen. Die Möglichkeiten, Atome und

Moleküle gezielt auf Oberflächen zu manipulieren, soll zum Aufbau miniaturi-

sierter Funktionselemente genutzt werden (bottom-up-Strategie). Neue mole-

kulare Hybridsysteme können somit hergestellt und untersucht werden und

sich mit Hilfe von Selbstorganisationsmechanismen zu einem makroskopischen

System weiterentwickeln. Hybride Strukturen sind in erster Linie Elektronen-

Donor 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 Net-

work for Initial Training (ITN) ›Graphene-Organic Hybrid Architectures for Orga-

nic 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 Dünnschich-

ten (Sexithiophen/6T, alpha,omega-Dihexylsexithiophen/DH6T; PEDOT:PSS),

Grenzflächen zwischen organischen und anorganischen Layern (Au, SiO2),

epitaktische Adsorbate an definierten anorganischen Substraten (SiO2 auf hoch-

dotiertem Silizium, Mylar®) und elektrische Eigenschaften von elektroaktiven

konjugierten organischen Materialien im Mittelpunkt.

Die AG Atomare Struktur und elektronische Eigenschaften von Oberflächen,

Grenzflächen und Nanostrukturen (Prof. Dähne) am Institut für Festkörper-

physik der TU Berlin beschäftigt sich mit der Untersuchung von Nanodrähten

Prof. Dr. Norbert Koch

Prof. Dr. Mario Dähne


183

und Clustern auf Siliziumoberflächen sowie III-V-Halbleiter-Nanostruktu-

ren (zum Beispiel Quantenpunkte). Themen bzw. spezielle Materialsysteme

sind

■ Silizid-Dünnschichten, Silizid-Nanodrähte und -Cluster,

■ InAs/GaAs-Wetting-Layer (atomare epitaktische Startschicht für Quanten-

punkte 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 Rastertunnelmik-

roskopie (STM, auch an Querschnittsflächen: XSTM) sowie entsprechende Spek-

troskopien (STS, XSTS).

Das Fachgebiet Polytronische Mikrosysteme (Prof. Bock) am Institut für Hoch-

frequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien der TU Berlin erforscht polymere

Werkstoffe für elektronische Bauelemente. Betrachtet werden Herstellung und

Charakterisierung technologischer Oberflächen und Grenzschichten, die Mikro-

und Nanostrukturierung polymerer Werkstoffverbunde, Mehrlagentechno-

logien, additive Strukturierungsverfahren und Selbstorganisation . Außerdem

werden Kontaktierungen zwischen Metallen und organischen Leitern zu orga-

nischen 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 Forschungs-

schwerpunkt ›Technologien der Mikroperipherik‹ der TU Berlin und dem Fraun-

hofer-IZM.


wandte 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, lei-

tende 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-Photoelek-

tronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen- (UPS), wellenlängendispersive

Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und Röntgen-Nahkanten-Absorp-

tions-Spektroskopie (NEXAFS) und die spektromikroskopische Abbildung mittels

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Bock



184

Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch wird hochbrillante Synchrotron-

strahlung am Elektronenspeicherring BESSY II als Anregungsquelle genutzt. Zur

Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopische Untersuchungen (Raster-

kraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).

Aktuelle Forschungsprojekte mit Anwendungsbezug zu Dünnschicht-Halb-

leiter-Elektronik sind:

■ ›Writing Graphene: Ion-beam modification of thin polymer layers‹ (2010

bis 2013, Kooperation mit Universität Erlangen-Nürnberg, im DFG-Schwer-

punktprogramm 1459 ›Graphene‹): neuer Ansatz zur Graphenherstellung,

›horizontales‹ Graphenwachstum anstelle von Exfoliation oder Oberflä-

chenreaktionen. Dazu wird eine Monomerschicht eines Polymers als Pre-

kursor benutzt (Atomlagenabscheidung von Polyimid im Monomerdicken-

bereich ist zu entwickeln) und soll durch Niedrigenergie-Ionenbeschuss in

eine Graphenschicht verwandelt werden (Graphenwachstum in Fahrtrich-

tung 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 mikroskopi-

schen 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 Dünnschicht-

Halbleiter-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-SiC-

Oberflächen 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 Grenzflä-

chenzuständen 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, DFG-

Schwerpunktprogramm 1157 ›Integrierte elektrokeramische Funktionsstruk-

turen‹).

■ ›PEEM- und Kelvin-AFM-Untersuchungen an dielektrischen Schichten für

organische Feldeffekttransistoren‹ (2003 bis 2007, DFG-Schwerpunktpro-


185

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 For-



Die anwendungsorientierten Forschungsaktivitäten der Experimentalphy-

sik (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 Tem-

peraturen und starken Magnetfeldern untersucht und dienen der Technolo-

gieentwicklung für Hochtemperatur-Supraleiter und magnetische Materia-

lien, 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 einkris-

tallinen 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 pho-

toempfindlichen 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 Oberflächen-

wellen mit Interdigitalwandlern auf einkristallinem Lithiumniobatsubstraten

(LiNbO3) erzeugt werden und bei ihrer Ausbreitung durch dünne Schichten auf

dem Substrat hinsichtlich ihrer Dämpfung und ihrer Ausbreitungsgeschwin-

digkeit 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/piezo-

elektrischen Eigenschaften der zu untersuchenden Schichtstrukturen gezogen

werden.

Der Lehrstuhl Experimentalphysik II/Materialwissenschaften (Prof. Reif) der

BTU Cottbus forscht schwerpunktmäßig an nichtlinearer Optik an der Oberflä-

che 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.

PD Dr. Christoph Janowitz

Prof. Dr. Jürgen Reif


186

Gegenwärtige Forschungsprojekte bzw. Arbeitsthemen sind

■ Dynamik der Mehrphotonen-Anregung an der Oberfläche von transparen-

ten 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-Funktions-

materialien für Halbleiter-Bauelemente hervor. Ein erheblicher Teil der Arbei-

ten 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 entwickel-

ten die Forscher ein Verfahren zur Einbringung von Schichtsilikaten in polymere

Matrices zur Verringerung der Wasserdampfdiffusion, gedacht für die Verkap-

selung von mikroelektronischen Bauteilen (Speicher, Prozessoren) und deren

dadurch verlängerte Betriebsdauer und höhere Zuverlässigkeit.

Weitere Anwendungsfelder von Leichtbaukeramiken, besonders im Hoch-

temperaturschutz, sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation

erläutert.

Am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, Fachbereich

Physik Weicher Materie um Prof. Neher forscht man an organischen (polyme-

ren) 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 ver-

gleichbar mit amorphem Silizium ist. Weiterhin wird der Einfluss von Mole-

kulargewicht 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. Michael Scheffler

Prof. Dr. Dieter Neher


187

Am Fachbereich werden des Weiteren Studien zu licht- und temperaturindu-

zierten Eigenschaftsveränderungen (mechanische, dielektrische) bei Azoben-

zol-Dünnschichten durchgeführt (per elektromechanischer Spektroskopie).

Solche Dünnschichten können durch Absorption von Laserlicht strukturiert

werden (Oberflächenreliefgitter), wobei das Material weit unterhalb der Glas-

übergangstemperatur zu fließen vermag. Zusammen mit weiteren spezifischen

Eigenschaften befähigt dies das Material, speziell für hochdichte optische Spei-

cher eingesetzt zu werden.

Vorlesungen hält Prof. Neher zu organischen Halbleitern und im Master-

studiengang Polymer Science zu physikalischen und technischen Eigenschaften

der Polymere.



richtungen 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 Aus-

bildungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbil-

dung auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger

siliziumbasierter Bauelementekonzepte und Technologien, unter anderem für

die Hochgeschwindigkeits-Elektronik. Im Projekt ›Funktionale Kohlenstoff-

schichten‹ (2009 bis 2011, Dr. Heinrich) lag das Interesse besonders bei Graphen,

daraus aufzubauenenden Höchstfrequenzbauelementen und deren Anwen-

dungen. Insbesondere wurden Verfahren zur Erzeugung von Graphenschich-

ten untersucht und anschließend versucht, mit den Schichten höhere Grenz-

frequenzen im Terahertz-Bereich zu erreichen und damit neue Anwendungen

wie kohlenstoffbasierte elektronische und optoelektronische Schaltkreise oder

ultraschnelle Modulatoren und Terahertz-Bauelemente zu erschließen.

Prof. Tränkle ist seit 1996 Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-

Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Schlüsseltechnologien in der

Mikrowellentechnik und Optoelektronik erforscht und dazu Höchstfrequenz-

Bauelemente und Schaltungen für Kommunikationstechnik/Sensorik, Leucht-

dioden (im UV-Bereich) sowie Diodenlaser für verschiedene Anwendungs-

bereiche entwickelt. Hohe Kompetenz hat das Institut in der III-V-Halbleiter-

technologie – speziell bei Halbleitern großer Bandlücke – und der entspre-

chenden Reinraumfertigung mittels Gasphasen-Epitaxie.

Seit 2002 hat Prof. Tränkle die Professur für Mikrowellen- und Optoelek-

tronik am Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien der

TU Berlin inne.

Dr.-Ing. Friedhelm Heinrich


Prof. Dr. Günther Tränkle


188

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 wer-

den. Dabei liegt der Schwerpunkt auf III-V-Halbleitertechnologien (GaAs, GaN)

und Hochleistungsanwendungen. Der zugehörige Geschäftsbereich Mikrowel-

lenkomponenten und -systeme ist auf Kommunikations- und Radar-Anwen-

dungen im Frequenzbereich von ein bis 100 GHz sowie auf Quellen zur Erzeu-

gung 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 Allgemei-

nen 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).

Ziel des Geschäftsbereichs GaN-Elektronik (Dr. Würfl) des FBH ist es, GaN-

basierte elektronische Bauelemente zu entwickeln und reproduzierbar her-

zustellen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Mikrowellen-Leistungs-

bauelemente (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.

Prof. Dr. Wolfgang Heinrich

Dr.-Ing. Joachim Würfl

GaN-MMICs auf SiC-Substrat (FBH)


189

Die Abteilung Materialtechnologie (Dr. Weyers) ist am FBH das Kompetenzzen-

trum für die Umsetzung von optoelektronischen und elektronischen Bauele-

mentekonzepten. 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 kunden-

spezifischer Schichtstrukturen inklusive materialanalytischer Untersuchungen

an Halbleiterschichten und Bauelementen angeboten.

Die Abteilung Prozesstechnologie (Dr. Krüger) des FBH verarbeitet die epitaxier-

ten 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, Mikrostruk-

turierung mit Lacken und Polymeren)

■ Ätztechniken (Nasschemisches Ätzen, Trockenchemisches Ätzen)

■ Depositionstechniken (für metallische Kontakte und Leiterbahnen, isolie-

rende Schichten oder dielektrische Spiegel)

■ Ionenimplantation

Die eingesetzten Depositionstechniken reichen vom physikalischen Vaku-

umverdampfen 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 Kontakt-

flächen und Leitbahnen zur Wärmeableitung

Die Ionenimplantation dient der Modifikation der Werkstoffeigenschaften. In

den Wafer eindringende Ionen beeinflussen sowohl die elektrischen Eigen-

schaften als auch die Mikrostruktur des implantierten Bereichs (Aktivierung der

Implantation durch thermische Behandlung, Rapid Thermal Annealing; late-

rale Strukturierung durch Photolackmasken).

PD Dr. Markus Weyers

Dr. Olaf Krüger


190

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 biomi-

metischer 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 (selbst-

organisierende Lipid-Doppelschicht) Lösungs-Tröpfchen umhüllen, also ein

Vesikel bilden. Dies dient entweder zur Stabilisierung gewünschter Lösungsbe-

standteile (Barrierewirkung), zum Transport von Nanopartikeln oder erfüllt in

fester Phase verschiedene chemische Funktionen (abgeschlossenes Reaktions-

system).

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 bio-

kompatible Substrate in Kontakt mit Zellen (vergleiche Kapitel Oberflächentech-

nik in Bio-Analytik und Diagnostik), als auch für die Entwicklung neuer Auf-

bau- und Verbindungstechniken in der Dünnschicht-Elektronik (und -Mess-

technik). Bei den Strukturen handelt es sich um Nano-Kollonaden oder Nano-

Drähte (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 Bio-

analytik) 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 ver-

schleißarmen Oberflächen mitgewirkt (Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren,

Simulation, TU Berlin, Prof. Rechenberg).

Dr. Stefan Fiedler

Dipl.-Ing. Ralf Schmidt

Michael Zwanzig


191

Die Fortsetzung von metallischem Nanorasen stellen sogenannte Haizahn-

schichten dar, kristalline Goldstrukturen, die galvanisch , direkt und masken-

frei abgeschieden werden. Diese haben nanoskalige Spitzen und eine breitere

Basis (deshalb ›Zähne‹) und zeichnen sich durch ihr hohes Anwendungspo-

tenzial 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 Hai-

zahnschichten für die Niedrigtemperaturverbindungstechnik (<200 °C Verar-

beitungstemperatur, Bumphöhen <10 µm, für Chip/Chip-, Chip/Wafer- und

Chip/Flex-Verbindungen).

Zur Herstellung bzw. Abscheidung beliebig geformter Strukturen auf plana-

ren Oberflächen wurde ein gravitationsgestütztes Galvaniksystem entwickelt,

das durch eine geschlossene schwenkbare Prozessbox eine horizontale Aus-

richtung des zu beschichtenden Wafers (4’’ bis 8’’-Wafer) mit parallel darüber

ausgerichteter Anode im Abscheidungsbetrieb (mit weitgehend reproduzier-

baren Konvektionsverhältnissen) gewährleistet. Diese Konfiguration ermöglicht

es, die für optimale Abscheidungsbedingungen erforderlichen Konzentrations-

gradienten und Diffusionsschichtdicken ausschließlich über Metallionenkon-

zentration, Stromdichte und Temperatur einzustellen.

Dipl.-Ing. Schmidt ist am Fh-IZM allgemein für die Verfahren der elektro-

lytischen und außenstromlosen Beschichtung mit Metallen zuständig: Be -

schichtungen mit Kupfer, Nickel, Eisen, Zinn, Blei, Silber, Gold und Platin sowie

diversen Legierungen wie SnAg3 oder NiPx können im Gleich- oder Pulsstrom-

betrieb 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 (Start-

schichterzeugung, Bohrlochmetallisierung, Kontakte).

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 & Inter-

connection 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 mög-

lich, Mikrostrukturierungen vorzunehmen, sei es zum Trimmen von gedruckten

Widerständen oder zum selektiven Entfernen von Schichten (Passivierungen

und Lötstopplacke).

Die Gruppe System on Flex (Dr. Kallmayer) am Fh-IZM betreibt neben den F&E-

Arbeiten zur Integration ultradünner Elektronik in Textilien (Kapitel Funktions-

textilien) in Zusammenarbeit mit der Bundesdruckerei das ›Security Lab Berlin‹,

in dem die Integration ultradünner Komponenten in Sicherheitsdokumente

Peter Semionyk

Dr. Christine Kallmayer


192

(mobile Elektronik) im Mittelpunkt steht. Auch im Rahmen des 2009 entstan-

denen 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 Manipulations-

sicherheit 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 Fh-

IZM wendet die Gruppe Photolithography and Thinfilm Polymers (Dr. Töpper)

photolithografische und Verfahren zur Abscheidung von polymeren Dünn-

schichten 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 Abdeck-

folien 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)


193

Dünnschichtpolymere (Benzocyclobuten- [BCB], Polyimid- [PI], Polyphenylen-

2,6-benzobisoxazol- [PBO] und Epoxidharze) werden in Form von permanen-

ten dielektrischen Schichten (von 100 nm bis 100 µm Dicke) zur Passivierung,

elektrischen Isolierung (speziell bei Multi-Layer-Wiring) oder als Kleber/Haft-

schichten 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 Photoresist-

Musters, Galvanisieren von Mikrostrukturen mit SnPb63-, PbSn5-, SnAg3.5-,

SnCu0.7-, AuSn20-, Sn-, Cu/Sn-, Ni/Au- oder Au- Bumps, Differenzätzen, …)

verarbeitet.

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‹ Mole-

külen. Die Gruppe Electronic Structure of Surfaces and Interfaces (Prof. Horn)

erforscht Grundlegendes zum epitaktischen Wachstum von Graphen und Gra-

phen-Stapeln (wenige Layer) und zur Funktionalisierung von Graphen.

In einem SiC-CVD-Reaktor wurden Graphen-Layer per Festphasen-Gra-

phitisierung auf glatten SiC-Oberflächen erzeugt, indem bei Erhitzung über

1150°C Silicium freigesetzt wird und Kohlenstoff auf der Oberfläche zurück-

bleibt. Per Cracken von Propen-Gas konnte auf einer Nickel-Oberfläche ein

geordneter passivierter Graphen-Layer (monolayer of graphite, MG) herge-

stellt werden. Die so passivierte Nickel-Oberfläche könnte als Quelle spin-

polarisierter Elektronen dienen, die keine reaktiven Gase adsorbieren. Der

Elektronen-Spin im Graphen-Layer kann manipuliert und kontrolliert wer-

den, sodass graphen-basierte Bauelemente für Spintronic-Anwendungen in

den Bereich des Möglichen rücken. Rastertunnelmikroskopische Aufnahmen

von Graphen-Monolayern auf Rhodium-Substratoberflächen zeigen ihr weit-

gehend 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 Funk-

tionalisierungen von Graphen im Hinblick auf viele Anwendungen in der

Elek tronik erarbeitet (graphenbasierte elektronische Bauelemente wie Feld-

effekttransistoren). 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-Absorptions-

Spektroskopie NEXAFS untersucht.

Prof. Dr. Gerard Meijer


194

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 manipu-

liert nanoskalige Strukturen, einzelne Atome und funktionelle Moleküle auf

Oberflächen. Mittels Rastertunnelmikroskopie und spektroskopischen Verfah-

ren werden Abbildungen und Informationen über elektronische Eigenschaf-

ten gewonnen. Ziel ist auch, per bottom-up-Ansatz, also mit supramoleku-

larem Wachstum und Direkt-Polymerisation auf der Oberfläche, molekulare

Nanostrukturen zu erzeugen. Die Gruppe ist am Sonderforschungsbereich 658

›Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹, am Sonderfor-

schungsbereich 951 ›HIOS – Hybrid Inorganic/Organic Systems for Opto-Electro-

nics‹ sowie an den EU-Projekten ARTIST (›Alternative routes towards informa-

tion 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 wer-

den 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).

Die Gemeinsame Forschergruppe Funktionale Nanomaterialien des Helmholtz-

Zentrum 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 Spek-

troskopie 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. Martin Wolf

Dr. Leonhard Grill

Prof. Dr. Stefan Eisebitt


195

Die Gruppe Dünne magnetische Schichten und Nanostrukturen (Dr. Weschke)

am HZB bearbeitet aktuelle Fragestellungen zu neuartigen magnetischen Mate-

rialien in nanoskaligen Dimensionen wie extrem dünne Schichten, Schichtsys-

teme und lateral strukturierte Schichten. Diese spielen eine Rolle in der Grund-

lagenforschung zum Magnetismus und in der Entwicklung neuer Materialien

für technologische Anwendungen wie Magnetsensoren, Leseköpfe in der mag-

netischen Datenspeicherung, Magnetoelektronik.

Maßgeschneiderte Schichtproben werden in UHV-Anlagen präpariert, wobei

die Einzelheiten der Struktur einen entscheidenden Einfluss auf das mikro-

und makroskopische magnetische Verhalten haben. Zur in situ-Charakterisie-

rung 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.

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 oxi-

discher Schichten. Zu den bearbeiteten Themen und angewandten Methoden

zählen

■ Abscheidung von bleifreien Oxidschichten mit guten ferro-/piezoelektri-

schen Eigenschaften auf Pt/Si-Substraten (höhere Informationsdichte von

Speichermedien auf Basis ferroelektrischer Dünnschichten als bei ferro-

magnetischen); Abscheidung per Spin-MOCVD (rotierendes, bis zu 900 °C

erhitztes Substrat),

■ Abscheidung von epitaktischen Schichten auf Oxidsubstrate mit abwei-

chenden Gitterkonstanten (Gitterverspannung, ›Strain engineering‹; in Zu -

sammenarbeit mit der Gruppe Oxide),

■ Untersuchungen zum Zusammenhang von Struktur und dielektrischen

Eigenschaften mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Ellipsometrie, Glimm-

entladungsspektroskopie, optischer Mikroskopie, in Zusammenarbeit mit

der Gruppe Charakterisierung auch Röntgendiffraktometrie, Raman- Spek -

tros kopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselek tronen-

mikroskopie (TEM), elektrische Messungen,

■ Präparation von gestuften Substratoberflächen mit ca. 200 nm breiten, ato-

mar 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).

Dr. Eugen Weschke

Dr. Jutta Schwarzkopf


196

Prof. Rudolph arbeitete am IKZ an der Schmelzzüchtung von Halbleitermate-

rialien mit Hilfe von Magnetfeldern (Abteilung Klassische Halbleiter, Schmelz-

züchtung im Magnetfeld). Durch Beeinflussung und Kontrolle der Strömungs-

verhältnisse in Halbleiterschmelzen industrieller Dimension mittels nichtstati-

onärer 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 Kapi-

tel 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 Gra-

dient Freeze-/VGF-, Liquid Encapsulated Czochralski-/LEC- und Vapor Pressure-

controlled Czochralski-/VCZ-Anlagen) fanden in den Zukunftsfonds-geförder-

ten Projekten KristMAG (2005 bis 2008) und AVANT-Solar (2008 bis 2011) statt.

Die Gruppe Zinkoxid (Dr. Schulz) am IKZ (Abteilung Dielektrika & Wide Band-

gap Materialien) beschäftigt sich mit dem breitlückigen Halbleiter ZnO und

seinen zahlreichen technischen Anwendungsmöglichkeiten als transparen-

tes leit fähiges 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-Einkristallzüchtungs-

verfahren, darunter Hydrothermalzüchtung aus wässriger Lösung, Sublimation/

chemischer Transport und Schmelzzüchtung unter Druck. Trotz extremer Anfor-

derungen konnte Letztere am IKZ erfolgreich implementiert werden (Vorteil:

hohe Wachstumsgeschwindigkeit in Kombination mit hoher Materialreinheit).

Die Vergrößerung des Kristalldurchmessers und die Entwicklung einer geeigne-

ten Politur-Technologie zur Herstellung von Wafern (in Kooperation mit exter-

nen Partnern wie CrysTec GmbH) stellen derzeit Schwerpunkte der Arbeiten

dar.

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 ›Time-

resolved photoelectron spectroscopy‹ (Elektronendynamik an Halbleiterober-

flächen, Time of Flight/TOF-Spektroskopie) und zum anderen ›Smarte Materia-

lien‹ (molekulare Schalter, Nanopartikel und femtosekundenlaser-strukturierte

Oxide). Mit der Kopplung photochromer Schaltermoleküle an Oberflächen

beschäftigten sich die Forscher im Sonderforschungsbereich 658 ›Elementar-

prozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen‹, Teilprojekt B2 ›Einfluss der

Prof. Dr. Peter Rudolph

Dr. Detlev Schulz

Prof. Dr. Martin Weinelt


197

Kopplung photochromer Schaltermoleküle an Oberflächen auf Ladungstransfer

und Schalteffizienz‹.

Die Materialstrukturierung mit Femtosekundenlasertechnologie (Dr. Rosen-

feld) 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 Nanofunktionali-

sierung 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 Nanostruktu-

rierungen (laser-induced periodic surface structures, LIPSS) für unterschiedliche

technische und biomedizinische Anwendungsfälle. Vorteile dieser Laserstruk-

turierung 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 Hochtechnolo-

gien mit Kompetenzen in Beschichtungstechnologien, Halbleiter- und Mikro-

systemtechnik, 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 Mikro-

elektronik 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 ent-

sprechender Messtechnik charakterisiert:



198

■ 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 Abriss-

test), an dünnen Schichten im Bereich 0,01 bis 0,1 µm (Kratztest)

– Oberflächenprofilometrie

– Oberflächenprofil-/Schichtdickenbestimmung durch Stufenhöhenmes-

sung zwischen zehn Nanometer und zehn Mikrometer

F&E-Projekte in der Vergangenheit befassten sich mit der ›Entwicklung ohm-

scher 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 Schichteigenschaf-

ten‹ (im Rahmen des Kooperationsprojektes ›Anlage und Verfahren für die Her-

stellung 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 Festkörper-

elektronik PDI (Leiter: Prof. Riechert) erforscht man die Molekularstrahlepitaxie

(Optimierung der Parameter) und die Fertigung spezifischer nanostrukturier-

ter Proben (aus III-V-Halbleitern) im Hinblick auf Wachstumsmechanismen,

Selbst organisationseffekte und Kinetik der Grenzflächenbildung.

Um neue Materialkombinationen oder epitaktische Orientierungen für maß-

geschneiderte Materialeigenschaften zu schaffen, werden ungleiche Materia-

lien (Hetero-Strukturen), Grenzflächen- und Defekt-Engineering (zum Beispiel

niedrigdimensionale GaAs-basierte Heterostrukturen, metastabile ternäre und

quarternäre III-V-Halbleiterverbindungen und Verbindungen ungleicher Mate-

rialien mittels extremer Heteroepitaxie) angewandt. Spezielle Forschungsin-

halte (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


199

stapel auf GaAs (Distributed Bragg Reflector DBR, dielektrischer Spiegel),

in denen die relativ dicken AlAs- oder (Al,Ga)As-Komponenten zuguns-

ten 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/Pho-

tonik.

Die Abteilung Microstructure (Dr. Trampert) des PDI forscht sowohl grund lagen-

als auch anwendungsorientiert am Verständnis struktureller, chemischer und

mechanischer Eigenschaften von Halbleitern, Heterostrukturen, metastabi-

len 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, Materialsys-

teme) 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-Tunnelspek-

troskopie (IET); Manipulation einzelner Atome/Moleküle an Oberflächen

(atom by atom engineering); Nutzbarmachung von Schalt- und Leitungs-

prozessen, 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 Zusammen-

setzung aus Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) im TEM

Dr. Achim Trampert


200

■ Atomare Ordnung (Wachstumsbedingungen) von ferromagnetischen Heus-

ler-Legierungen (Co2FeSi) als Kandidaten für Ferromagnet-Halbleiter-

Hybridstrukturen

Die Abteilung Semiconductor Spectroscopy (Prof. Grahn) des PDI untersucht

Halbleitermaterialien für optoelektronische (Erzeugung, Verstärkung, Übertra-

gung 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 ferro-

magnetischen, auf III-V-Halbleitern aufgewachsenen Schichten zu verste-

hen 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)

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-, Photo-

strom- und Photoreflectance-/PR-Spektroskopie,

■ Kathodolumineszenz-/CL-Spektroskopie im SEM usw.





aus Wirtschaft und Technologie durch. Im Hauptanwendungsgebiet Phasen-

übergänge 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 Ent-

netzungsprozesse oder epitaktisches Wachstum zum Design von Oberflächen

mit spezifischen Materialeigenschaften untersucht.

Unterthemen sind die Beschichtung moderner Oberflächen oder Multi-

funktionale Nanostrukturen (PD Dr. Wagner). Ersteres umfasst Simulation und

Berechnung von Prozessen mit auftretenden Kapillarkräften, viskoser Dissipa-

tion, nicht-Newtonschen Eigenschaften sowie Verdunstungseffekten oder auch

Diffusion oberflächenaktiver Substanzen. Auf der Mikro- und Nanoskala spie-

Prof. Dr. Holger T. Grahn

Prof. Dr. Wolfgang Dreyer


201

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 Superstruk-

turen (Quantenpunkte), die definierbare opto-elektronische Eigenschaften

erlauben. Des Weiteren stehen Modellierung und Analysis von Entnetzungs-

prozessen im Fokus, mit denen Nanostrukturen erzeugt und dadurch Ober-

flächen funktionalisiert werden. Dies ist wichtig für die Herstellung von Elek-

trochips und Dünnschichtsolarzellen, insbesondere mit Tandem-Struktur.

An der Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Composite (PYCO)

werden im Bereich Bistable Displays (Dr. Hartmann) Displaytechnologien ent-

wickelt 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 UV-

härtendem Klebstoff und präzise zueinander ausgerichtet fixiert. Elektrophore-

tische E-Ink-Displays werden per Heißlamination von Leiterplatten mit einem

Frontlaminat und Schutzfolie hergestellt.

Am PYCO widmet man sich seit Langem polymeren Materialien für die Mikro-

und 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 Funk-

tionspolymere‹ (2002 bis 2004) bearbeitet. Ersteres entstand aus der Forderung

nach neuen Isolierschichten in miniaturisierten mikroelektronischen Bau-

elementen mit niedriger Dielektrizitätskonstante von k < 4 bzw. Ultra-low-

k-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 elekt-

ronisch 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.

Dr. Lutz Hartmann

Dr. Olaf Kahle


202

83

MULTIPOL (FP6) (2010).

Weitere Kompetenzen des Forschungsbereichs sind in den Kapiteln Bauteil-

beschichtung, 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. Die-

ser 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-/FTIR-

ATR-, Nahes Infrarot-/NIR-, Raman-, UV-VIS-Spektroskopie) und Brechungs-

indexbestimmung.

Anwendungsgebiete sind neben der organischen Photovoltaik (verglei-

che 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 Entwicklungsin-

halte 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 funk-

tionaler 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 Orien-

tierung/Photoalignment) zur Strukturierung von elektronischen Schaltungen

und Bauteilen.

In der Gruppe Polymere und Elektronik (Dr. Janietz) des Fh-IAP werden halb-

leitende 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


Dr. Armin Wedel



203

in verschiedenen lösungsmittelbasierten Prozesstechnologien (zum Beispiel

Rakeln oder Drucken) konfektioniert. Weitere Polymerentwicklungen sind in

den Kapiteln Lichtemission/Photonik und Photovoltaik beschrieben.

Mit der Oberflächenmodifizierung von polymeren Werkstoffen – von Kunst-

stoffen wie auch natürlichen Polymeren – sowie mit der Abscheidung orga-

nischer Schichten ist die Fachgruppe Oberflächen am Fraunhofer-IAP um

Dr. Holländer vertraut. Bearbeitet werden oberflächenrelevante Aufgaben-

stellungen der ganzen Werkstoffgruppe, entsprechend vielfältig sind Anwen-

dungen und Nutzen. Die Technologien zur Oberflächenbehandlung bzw.

Schichtabscheidung wie

■ Aktivierung und Funktionalisierung von Polymeroberflächen im Nieder-

druckbereich 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 Kompo-

nenten- oder Bauteilherstellung (weitere Anwendungen im Kapitel Bauteil-

Dr. Andreas Holländer

Spin-Coating von polymeren Schichten (Fraunhofer-IAP)


204

beschichtung, Verfahren, Simulation). Entwicklungen können im Labormaß-

stab wie im kleintechnischen Bereich umgesetzt werden; für die Charakterisie-

rung von Oberflächen und dünnen Schichten steht eine umfassende analyti-

sche Ausstattung zur Verfügung.

Mit weiteren sechs Fraunhofer-Instituten ist das IAP beim Thema Ober-

flächen in der Allianz Polymere Oberflächen POLO verbündet. In die inter-

disziplinären 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 Reinraum-

Glovebox,

■ 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 (Atomkraftmik-

roskopie, Kontaktwinkelbestimmung) insbesondere für die Oberflächenmo-

difizierung und Anwendung als dünne Schichten. Dazu werden Druckver-

fahren (Micro-Printing), Sprüh- (Spray-Coating), Schleuder- (Spin-Coating)

und Tauchbeschichtung (Dip-Coating), Selbstorganisation /Langmuir-Blodgett-

Technik und Vakuumabscheidung eingesetzt. In der Abteilung Synthesen –

Organika (Dr. Gilsing) stehen maßgeschneiderte oberflächenaktive, fluorhaltige

Verbindungen, mit Licht schaltbare Fluortenside und partiell fluorierte Funkti-

onspolymere 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.

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 inte-

grierter Schaltungen und weiterer Produkte. Die Mikro- bzw. Nanolithographie

erweist sich als Voraussetzung für zukünftige elektronische Bauelemente mit

hoher Leistungs- oder Speicherdichte.

Dr. Hans-Detlev Gilsing

Dr. Thomas Köpnick


205

Die Entwicklung optischer und photochromer Funktionspolymere und die pho-

tochemische 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 Flüssig-

kristallen,

■ Erzeugung von Oberflächenreliefgittern,

■ Selbstorganisation thermotroper und amphiphiler Verbindungen und Poly-

mere, supramolekulare Systeme.

Mit den Abteilungen Synthese – Polymere und Synthese – Heterocyclen kom-

men Kompetenzen zur Herstellung elektrisch leitfähiger Polymere (Polythio-

phene, Polypyrrole, Polyaniline) und neuer Materialien für eine organisch

basierte Mikroelektronik und Optronik hinzu.

Weitere Einsatzgebiete der am IDM entwickelten Materialien und Dünn-

schichttechnologien (Abteilung Mikrosensorik) sind in den Kapiteln Oberflä-

chentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik und Dünnschicht-Messtechnik,

Sensorik/Aktuatorik zu finden. Das IDM ist Kooperationspartner in regionalen

Verbundprojekten (ELSTER, Initiative OptoMat – Strukturierung optischer Funk-

tionsmaterialien, Taschentuchlabor) und in Netzwerken (PhotonikBB e.V.,

OpTecBB, Landesvereinigung außeruniversitärer Forschung in Brandenburg,

LAUF e.V.) aktiv.

Prof. Tillack ist Leiter der Abteilung Technologie am Leibniz-Institut für inno-

vative 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,

■ mikro- und 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 Fertigungsüber-

wachung, stabile, zuverlässige Prozesse in der Reinraumfertigung.

Dr. Burkhard Schulz

Prof. Dr. Bernd Tillack


206

Die Halbleitertechnologien werden an der TU Berlin in den Lehrveranstaltun-

gen ›Si/SiGe Halbleitertechnologien für Höchstfrequenzanwendungen‹ und

›Technologie integrierter Schaltungen‹ vermittelt.

Die Abteilung Materialforschung (Dr. Schröder) am ihp widmet sich der Iden-

tifizierung neuer Materialsysteme für (siliziumbasierte) Mikro- und Nanotech-

nologien. Arbeitsschwerpunkte sind neue Hoch-k-Dielektrika in Form von

binären und ternären Legierungen mit Anwendungen in Metall-Isolator-

Metall- (MIM-)Kondensatoren, Speichern und Transistoren sowie als Epita-

xievermittler für heteroepitaktische Halbleiterschichten (Halbleiter-Isolator-

Halbleiter-Schichtstapel). Daneben werden neue Materialien für akustische

Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) und für nichtflüchtige Speicher (NVM)

bewertet. Weitere Aktivitäten konzentrieren sich auf integrierbare THz-Bau-

elemente, insbesondere Bipolartransistoren mit Heteroübergang (HBT) und

Graphen-Transistoren.

Zur Dünnschichtabscheidung stehen verschiedene Methoden zur Verfü-

gung, 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.

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.

Dr. Thomas Schröder


207

Auf Beugung basierende Methoden sind

■ niederenergetische Elektronenbeugung in Rückstreugeometrie (LEED),

■ hochenergetische Elektronenbeugung in Reflexionsgeometrie (RHEED),

■ hochauflösende Röntgenbeugung (HR-XRD), Röntgenbeugung unter strei-

fendem 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 grund-

lagenorientierte Vorlaufforschung zu Si-basierten Lichtemittern für optische

Datenübertragung, zum ›Defect Engineering‹ für künftige Si-Wafer, zum Band-

strukturdesign und Ladungsträgertransport in Si-Quantenstrukturen und zur

Beherrschung der elektrischen Eigenschaften von Kristalldefekten in Solar-

Silizium.

Mit der TH Wildau unterhält das ihp seit 2006 ein Joint Lab, ein gemein-

sames 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

Die Bundesdruckerei GmbH entwickelt und liefert Systemlösungen und Dienst-

leistungen 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 ›Securi-

tyLab 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-card-

Technologien, 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 fälschungs-

sichere Dokumente.

Bundesdruckerei GmbH


208

84

Vgl. Siemens AG Corporate Technology

(2004), S. 8.

85

Vgl. Innovationsallianz Carbon Nano-

tubes (o.J.).

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 Nano-

labor 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-/Schweißver-

fahren.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

be teiligte sich Siemens am Kompetenz-Zentrum ›Ultradünne funktionale

Schich ten‹ CC-UFS, Dresden (Arbeitsgruppe 1 ›Beschichtungsverfahren‹ im

Arbeits kreis 4 ›Mechanische und Schutzschichtanwendungen‹). Siemens ist

Mitglied in der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik

(AWT).

Die Allresist Gesellschaft für chemische Produkte zur Mikrostrukturierung

mbH entwickelt und fertigt prozessangepasste Resists (Photoresists, Elektro-

nenstrahlresists sowie Prozesschemikalien) für die optische und Elektronen-

strahllithografie zur Herstellung elektronischer Bauteile (Mikrosystem technik/

Nanotechnologie). Anhand mehrerer wissenschaftlicher Projekte mit regiona-

len Forschungseinrichtungen zeigt sich das Forschungs- und Kooperations-

interesse der Allresist GmbH:

■ ›Entwicklung vernetzbarer Epoxystyrene für OLED-, OFET- und Mikrostruk-

turierungsanwendungen‹ (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 Fraunhofer-

IAP)

■ ›Charakterisierung und Herstellung von orientierbaren Funktionsschichten‹,

Orientierungsschichten für Displays (2002 bis 2004, mit IDM Teltow)

Siemens AG

Niederlassung Berlin

Allresist GmbH

Gesellschaft für chemische

Produkte zur Mikrostrukturierung

mbH


209

Die AEMtec GmbH ist ein 2000 gegründetes Spin-off von Siemens. Entwickelt

und produziert werden miniaturisierte und komplexe elektronische Schaltun-

gen unter Verwendung von Surface Mount Technology/SMT-, Flipchip-/FC-,

Chip-on-Board/COB- und Opto-Packaging-Verfahren auf den Substraten Lei-

terplatte (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 Anwen-

dungsbereichen wie Medizintechnik (Computertomographen, Hörgeräte), LED-

Beleuchtungssysteme, Industrieelektronik, Sicherheitselektronik, Lithogra-

phie-Systeme der Halbleiterindustrie sowie Daten- und Telekommunikation.

Die Andus Electronic GmbH ist ein Berliner Hersteller von Leiterplatten-Proto-

typen (im Eilservice). Das Unternehmen bietet Starr-, Starrflex- und flexible

Leiterplatten (Substrate), alle üblichen Aufbau- und Verbindungstechnologien

(Löten, Bonden, Kleben) und vorbereitende Oberflächenbehandlungen (che-

misch 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 unter-

schiedlichen Funktionen auf und in die Leiterplatte gebracht werden (Schrift-

druck, Abdecklack, Carbonlack, Flex-Deckfolie).

Die BeMiTec AG ist ein 2006 gegründetes Spin-off des Ferdinand-Braun-

Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Forschungs-

ergebnisse des Instituts (Mikrowellenbauelemente für Frequenzen bis zehn

GHz) in Produkte überführt und vermarktet. BeMiTec konzentriert sich auf

Hochfrequenz-Leistungstransistoren und monolithisch-integrierte Mikrowel-

lenschaltkreise (MMICs) in GaN-Technologie. Derartige Bauelemente werden

in hocheffizienten Mikrowellen-Leistungsverstärkern der Mobilfunktechnik

(Mobilfunk-Basisstationen der nächsten Generation), in der Satelliten-Kom-

munikationstechnik (Leistungsbauelemente für Weltraumanwendungen) und

anderen Bereichen eingesetzt. BeMiTec ist Mitglied in der Initiative Berlin

WideBaSe zur Erforschung und Entwicklung optoelektronischer und elektroni-

scher Bauelemente auf Basis breitlückiger Halbleiter.

Die Crystal GmbH ist Zulieferer von Substratmaterialien, optischen Komponen-

ten und Laserkomponenten für Halbleiterindustrie, Messtechnik und Sensorik,

Kommunikationstechnik sowie Medizintechnik. Crystal beherrscht die Techno-

logie, 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.

AEMtec – Advanced Electronic

Microsystems GmbH

Andus Electronic GmbH

BeMiTec AG

Crystal GmbH


210

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, Spi-

nell 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, Magne-

siumoxid MgO).

Crystal optimierte in der Vergangenheit die chemo-mechanische Politur (CMP)

verschiedenster Kristallmaterialien. Die mit CMP-Technologie gefertigten Ober-

flächen sind insbesondere für Schichtabscheidungen wie Laserabscheidung,

Sputtern oder chemische Dampfphasenabscheidung geeignet. Typische Mikro-

rauigkeiten (Ra) dieser Oberflächen liegen unter einem Nanometer, kombiniert

mit guter Ebenheit. Super-polierte Oberflächen werden auch für optische

Komponenten wie Röntgenmonochromatoren, Laserscannerspiegel und UV-

Fenster benötigt.

Die CrysTec GmbH ist ebenfalls Produzent und Zulieferer von einkristallinen

Substratmaterialien und Wafern zur Abscheidung von supraleitenden, ferro-

elektrischen sowie metallischen Filmen. Diese sind aus Element-Halbleiter-

material (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.

Die micro resist technology GmbH entwickelt und produziert Materialien

für mikroelektronische/Halbleiter-Bauteile (Optoelektronik, Herstellung von

Daten speichern, MEMS und Nanotechnologie). Hauptkompetenz sind Prozess-

entwicklungen und die Verarbeitung hochviskoser, hochaufbauender Positiv-

und Negativ-Photoresiste, also

■ Photoresiste und Photopolymere für UV-, Laser- und Röntgenlithographie,

aber auch

■ Polymere für die Nanotechnologie, DUV- und Elektronenstrahlresiste,

CrysTec GmbH

micro resist technology GmbH


211

■ Polymere für die Nanoimprint-Lithographie und

■ anorganisch-organische Hybridpolymere – ORMOCER®e – für mikro- und

nano-optische Anwendungen.

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 Verkapse-

lungen 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 plasma-

unterstützter 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 typi-

schen 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

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 Oberflächen-

technologien (Prof. Reiners),

■ Arc Precision GmbH.

MSG Lithoglas AG

Europäische Forschungs-

gesellschaft Dünne Schichten e.V.

EFDS


212

86

Vgl. TBB Technologieberatung Bell

(2011); TBB Technologieberatung Bell

(2010).

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 Material-

forschung 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 Anforderun-

gen unter dem Fokus Oberflächen oder Design/neue Produkte (Elektronikinteg-

ration in Textilien, biokompatible Elektronik usw.).86

Die Initiative Berlin WideBaSe (Wide Bandgap Semiconductors) ist die vom

BMBF zwischen 2010 und 2013 geförderte Gemeinschaftsforschung an breit-

lückigen Halbleitern inklusive Entwicklung und Herstellung von optoelektroni-

schen 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.

Der Internationale Fachverband für Mikrotechnik, Nanotechnologie und Neue

Materialien (IVAM) mit Sitz in Dortmund betreibt Technologiemarketing, welt-

weite Netzwerkarbeit sowie Lobbyarbeit für KMU, die in den Hightech-Berei-

chen ›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, Helmholtz-

Zentrum 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.).

Europäisches Elektronik-

technologie-Kolleg

Initiative Berlin WideBaSe

(Wide Bandgap Semiconductors)

IVAM – Internationaler

Fachverband für Mikrotechnik,

Nanotechnologie und

Neue Materialien


213

NanOp – Competence Centre for the Application of Nanostructures in Optoelec-

tronics ist ein nationales Netzwerk (mit Koordination beim Institut für Festkör-

perphysik/TU Berlin) zur Anwendung von lateralen Nanostrukturen, nanoana-

lytischen 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/Umweltmonito-

ring hervorzubringen.

Bearbeitete Projekte drehten sich um

■ Vertical Cavity Surface Emitting Quantum-Dot Laser (QD-VCSEL) – Ober-

flächen emittierende Quantenpunktlaser,

■ GaN based blue emitters – Blau-emittierende Halbleiterlaserdiode auf

GaN-Basis,

■ Quantum Dot Edge Emitting Lasers – Kantenemittierende Quantenpunkt-

Laserdiode,

■ 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-Kompetenz-

zentren Deutschlands (AGeNT – D).

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.

NanOp – Competence Centre

for the Application of Nano-

structures in Optoelectronics

ZEMI – Zentrum für Mikro-

systemtechnik


214

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, mechani-

sche, fluidische oder chemische Signale,

■ effektive Herstellungsprozesse, umweltfreundliche Material- und Verfah-

rensauswahl.

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 Dünn-

schichttechnologie. 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 grund-

lagen- als 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), kohlen-

stoffbasierte Elektronik (Graphen);


215

■ je nach Verfahren und Herstellungsmethode: Analytik in der Halbleiter-

materialforschung, (klassiche) Halbleiterproduktion und Waferherstellung,

Epitaxie, Aufbau- und Verbindungstechnik, gedruckte Elektronik, Litho-

graphie, Miniaturisierung/Nanotexturierung, Simulation von Materialien/

Herstellungsverfahren elektronischer Komponenten;

■ je nach dem Anwendungszweck: Leistungselektronik (Transistoren: OFET,

HBT, Schaltkreise: MMICs), Spin-/Magnetoelektronik für logische Operatio-

nen/Datenspeicherung, Molekularelektronik.

Die einschlägigen Forschungseinrichtungen und Unternehmen gehen vielfach

regionale Kooperationen ein und sind international vernetzt. Die mit Berlin-

Brandenburg konkurrierenden Standorte in Deutschland bearbeiten meist

die gleichen drängenden Fragen, setzen aber mit Blick auf die Entwicklung

von Alleinstellungsmerkmalen oft spezifische Prioritäten. Beispiele einer der-

artigen 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 Rhein-

Neckar-Raum.

5.4.5 Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik

Abgrenzung

Die Dünnschicht-Sensorik bedient sich formal der gleichen Mittel und Mate-

rialien 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 elekt-

rische 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 Bei-

spiel 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-


216

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 ver-

stärken (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 ermög-

licht, quasi ein ›Chemisches Mikroskop‹ (Laserscanning-Meßplatz zur Konzen-

trationsbestimmung 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 Sensor-

verhalten untersuchen. In einem Argon-Plasma wurden dazu ternäre Legie-

rungen (50 nm Schichtdicke) mit einem lateralen Gradienten der Zusam-

mensetzung 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 charak-

terisiert werden.

Weitere derzeit untersuchte chemische Sensoren betreffen den Nachweis

von Sauerstoff, Fluorwasserstoff und Wasserstoff. So ist auf Halbleiterbasis ein

kostengünstig massenproduzierbarer Wasserstoffsensor (für Brennstoffzellen-

sicherheit 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 (Brenn-

stoffzellen) und deren Wirkmechanismen (Korrosionsvorgänge, Deckschicht-

bildung, Passivierung) vermittelt werden.

Der Arbeitskreis Angewandte Physikalische Chemie (Prof. von Klitzing) an der TU

Berlin forscht an Phasen, Grenzflächen und deren physiko-chemischen Wech-

selwirkungen. 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 geome-

trischen Einschränkungen und Grenzflächenmodifikationen auf die Struktur-

PD Dr. Werner Moritz

Prof. Dr. Regine von Klitzing


217

bildung kolloidaler Dispersionen in dünnen flüssigen Filmen‹. Einen zweiten

Arbeitsschwerpunkt bilden Polyelektrolytmultischichten und umgebungs-

sensitive 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 Rasterkraftmikro-

skopie (AFM) und Röntgenreflektometrie (XRR). Die Kenntnis solcher Struktur-

Eigenschafts-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‹, ›Physikali-

sche Chemie der Grenzflächen‹, ›Polymere an Grenzflächen und in Nanofilmen‹

und anderes mehr.

Am Fachgebiet Sensorik und Aktuatorik (Prof. Thewes) der TU Berlin werden

Halbleiter-/CMOS-basierte Sensoren und Aktuatoren erforscht und ent wickelt,

wobei der Schwerpunkt auf biomedizinischen Anwendungen liegt. In einem

interdisziplinären Kontext von Mikroelektronik, Materialwissenschaften, Bio-

chemie 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 (Ver-

öffentlichung ›CMOS Chips for Bio Molecule and Neural Tissue Interfacing‹,

2009).

Je nach Anwendungszweck werden sowohl die biologischen Grund-

lagen 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

CMOS-Biochips werden dabei auf Ebene der Chiptechnologie im Detail bear-

beitet.

Der Fachbereich vermittelt in der Lehre allgemein Sensor- und Aktuator-

technik (auf Silizium- und CMOS-Basis, auch für Anwendungen wie CMOS-

Imaging, CMOS-Kamera, integrierte Temperatursensoren, Beschleunigungs-

sensoren, Digital Micro Mirrors), aber auch speziell CMOS-Biosensorik.

Prof. Nitsche beschäftigt sich im Fachgebiet Aerodynamik an der TU Berlin mit

funktionalen Oberflächen für Strömungsmesstechnik und die aktive Strö-

mungskontrolle an Luftfahrzeugen. Die angewendeten und selbst entwickel-

ten Sensoriken umfassen verschiedene Oberflächenmessverfahren, die unter-

schiedliche Kräfte der über eine Oberfläche strömenden Luft erfassen:

■ Oberflächenhitzdrahtsensoren (oberflächenbündig über einen dünnen

Schlitz gespannter Hitzdraht zur Messung der wandnahen Geschwindig-

Prof. Dr.-Ing. Roland Thewes

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nitsche


218

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 Sensor-

elements, Erfassung der Wandschubspannung),

■ Oberflächenzaun-Sensorik (Druckdifferenzmessung am kleinen Ober-

flächenhindernis zur Bestimmung der Wandschubspannung über Wand-

gesetz der viskosen Unterschicht),

■ Piezofolien-Sensorik (Polyvinylidenfluorid/PVDF zur Messung von Wand-

druckschwankungen über piezo-elektrischen Effekt),

■ Drucksensitive Copolymerbeschichtung (Pressure Sensitive Copolymer/PSC als

Farbanstrich aufgebracht zur hochauflösenden Messung von Wandruck-

schwankungen über piezo-elektrischen Effekt).

Bemerkenswert ist die Entwicklung der Strömungsmess- und -überwachungs-

techniken in Richtung automatisierter, flächiger und mehrkanaliger Signalauf-

nahme bzw. -auswertung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Die

Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik sowie eine systemische Herange-

hensweise 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)


219

beeinflussung wird durch die sensorische Erfassung der Grenzschichtinsta-

bilitäten 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.


wandte 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 ver-

schiedener Materialien, wie WO3, CuInS2, SiC, leitende und halbleitende Poly-

mere, intermetallische Verbindungen (Fe/Al) und Legierungen aufzuklären,

werden Schichten und Schichtstrukturen präpariert (CVD von SiC-Schichten,

Beschichtungseinrichtungen für Sensoren wie Airbrush, Schleuderbeschich-

tung/Spin-Coating, Plotten) und spektroskopisch oder spektromikroskopisch

untersucht. Dafür stehen den Forschern die elektronenspektroskopischen Tech-

niken Röntgen-Photoelektronen- (XPS), Ultraviolett-Photoelektronen- (UPS),

wellenlängendispersive Röntgen- (WDX), Auger-Elektronen- (AES) und Rönt-

gen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) und die spektromikros-

kopische Abbildung mittels Photoelektronen (PEEM) zur Verfügung. Auch wird

hochbrillante Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II als

Anregungsquelle genutzt. Zur Strukturaufklärung dienen zudem mikroskopi-

sche Untersuchungen (Rasterkraft- AFM/Rastertunnelmikroskopie STM/optisch).

Neben den spektroskopischen Untersuchungen von Materialien für Senso-

ren werden am Lehrstuhl auch Sensoren auf der Basis von organischen Feld-

effekttransistoren, Widerstands- und piezoelektrischen Schichten entwickelt

und getestet (Fokus Herstellung von mechanischen, Gas- sowie Biosensoren

und deren Charakteristik bezüglich Sensitivität, Selektivität, Temperaturab-

hängigkeit, 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



220

Polymeroberfläche des Sensors, hochaufgelöste Registrierung durch Ände-

rung 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 Be -

schich tungsmaterial aus funktionalisierten Polymeren für die Detektion von

aliphatischen, aromatischen und halogenierten Kohlenwasserstoffen).

Aktuell wird unter dem Titel ›Präparation von technologisch relevanten Dünn-

schicht-Systemen unter praxisnahen Bedingungen und Analyse ihrer poly-

kristallinen Materialeigenschaften‹ durch Ausbau einer Collaborating Research

Group (CRG) an BESSY II die Grundlagenforschung an physikalisch-chemischen

Prozessen an Oberflächen von polykristallinen Materialien bestärkt. Dies bein-

haltet unter anderem die Herstellung von oxidischen Filmen für chemische

Sensoren.

Der Lehrstuhl kooperiert vielfach mit regionalen und überregionalen For-



An der Universität Potsdam werden im Fachbereich Angewandte Physik kon-

densierter Materie (Prof. Gerhard) homogene und heterogene Polymerschich-

ten und Polymerkomposite untersucht und präpariert, die durch lineare oder

nichtlineare (di)elektrische, piezo- und pyroelektrische Eigenschaften gekenn-

zeichnet 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 unter-

sucht 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.

An der Fachhochschule Brandenburg, Fachbereich Technik, forscht und lehrt

Prof. Möllmann, Professor für Experimentalphysik/Festkörperphysik, im Bereich

Mikrotechnologie und Mikrosystemtechnik. Im Vordergrund stehen Sensor-

entwicklung und -anwendung, also Entwurf, Parametermodellierung, Tech-

nologie- und Prototypentwicklung für Dünnschichtsensoren. Gegenstand der

F&E sind außerdem optische Schichten, Schichtsysteme, elektrische Funk-

tionsschichten und die Entwicklung und Prototypfertigung anderer Dünn-

schichtfunktionselemente, zum Beispiel die in einem Kooperationsprojekt mit

Prof. Dr. Reimund Gerhard

Prof. Dr. Klaus-Peter Möllmann


221

der Industrie entstandenen diffraktiven Optiken wie Fresnellinsen (Silizium-

Mikro strukturen zur optischen Abbildung). Im Mikrotechnologielabor der Fach-

hochschule 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 Material-

systeme und technologischer Verfahren optimiert; der Analytik dienen spek-

troskopische 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 vorgenom-

men werden.



richtungen 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 Ausbil-

dungszentrum. Zentrale Anliegen sind die gemeinsame Lehre und Ausbildung

auf dem Gebiet der Mikroelektronik sowie die Entwicklung neuartiger silizi-

umbasierter Bauelementekonzepte und Technologien, unter anderem für die

Hochgeschwindigkeits-Elektronik. Im Projekt Funktionale Kohlenstoffschichten

(2009 bis 2011) lag das Interesse besonders bei Graphen, daraus aufzubau-

enden Höchstfrequenzbauelementen und deren Anwendungen. Insbeson-

dere wurden Verfahren zur Erzeugung von Graphenschichten untersucht und

anschließend versucht, mit den Schichten höhere Grenzfrequenzen im Tera-

herz-Bereich zu erreichen und damit neue Anwendungen unter anderem in

der Sensorik zu erschließen.

In der Arbeitsgruppe Chemische Sensorik; Sol-Gel-Technik (Dr. Hübert) der BAM-

Fachgruppe 6.4 Oberflächentechnologien liegt der Schwerpunkt auf Oberflä-

chentechnologien für Mikroelektronik und Gassensorik, wozu die Bestimmung

von Struktur und Eigenschaften sowie Herstellung und Anwendung glasiger

und keramischer Werkstoffe in Form von Schichten dienen. Multi funktionelle

Sol-Gel-Beschichtungen, deren Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Sol-

Gel-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


Dr.-Ing. Friedhelm Heinrich

Dr. Thomas Hübert


222

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 siche-

ren 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 Defektstruk-

turen 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 geschlos-

sen werden. Die Schichtabscheidung geschieht nach dem Hot-Wall Chemical

Vapour Deposition-Verfahren (Hot-wall CVD), darauf folgen verschiedene ober-

flächen- und schichtanalytische Verfahren wie

■ Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) zur zerstörungsfreien

Bestimmung der Epitaxieschichtdicke,

■ Rasterkraftmikroskopie (AFM), Oberflächenprofilometrie zur Charakterisie-

rung der Schichtmorphologie,

■ Rasterelektronen- (REM) und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)

zur Untersuchung von Kristalldefekten,

■ Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) zur Ermittlung der Al-Konzen-

tration in den Epitaxieschichten,

■ Kapazitäts-Spannungs-Messung zur Bestimmung der Netto-Ladungsträ-

gerkonzentration in den Schichten.

In einem gemeinsamen Projekt mit der Firma sglux und dem Ferdinand-

Braun-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 Indus-

trieforschungseinrichtung im Bereich optoelektronische Hochtechnologien mit

Kompetenzen in Beschichtungstechnologien, Halbleiter- und Mikrosystem-

technik, Messtechnik/Sensorik (Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelek-

tronik und Lichtemission/Photonik).

Der noch junge Bereich Sensorik befasst sich mit der kompletten Entwick-

lung elektrooptischer Sensoren bis zum Prototypen. 2006 gelang der erfolg-

reiche Abschluss eines Projekts zur Entwicklung eines 3D-Abstandssensors. Das

Dr. Günter Wagner



223

87

Vgl. Standortmanagement Golm

gemeinnützige GmbH (Hrsg.) (2009).

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 anwendungs-

spezifische 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 Airbag-

steuerung oder Steuerung autonomer Roboter/Fahrzeuge.

Dr. Wedel leitet am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung

IAP die Abteilung Funktionale Polymersysteme, deren Forschungs- und Ent-

wicklungsinhalte (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 Auf gaben

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 Schallerzeu-

gung im Kilo- und Megahertzbereich; Projekt ›Entwicklung von Ultraschall-

wandlern 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 Pro-

jekt 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 Fluores-

zenzstrahlung der Sensorschicht; mit entsprechender Auflösung (also Anzahl)

der Fluoreszenz-Sensoren können Objektgröße, Bewegungs geschwindigkeit

und -richtung detektiert werden. Die Sensorschicht kann in Form einer

Folie aufgeklebt oder in Airbrush-Technik auf Fensterscheiben gesprüht

werden.87

Dr. Armin Wedel


224

Die Gruppe Wasserbasierende Funktionspolymere und Kolloide am Fh-IAP (Prof.

Laschewsky, zugleich Professor für Angewandte Polymerchemie an der Universi-

tät Potsdam) beschäftigt sich mit Polymeren und deren Grenzflächengestaltung

auf Nanoebene. Neben Anwendungen in der Nano-Biotechnologie und Bio-

verfahrenstechnik (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 Dispersions-

polymerisation 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 unterschied-

lich 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 Abscheide-

techniken 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 Lichtwellen-

länge 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 (Multi-

schicht-Partikelarrays als 3D-Transmissionsgitter) wird eine einfache Alternative

zu mikrolithographischen oder holographischen Verfahren (top down-Verfah-

ren) 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.



225

Das Institut für Dünnschichttechnologie und Mikrosensorik (IDM) beschäftigt

sich seit Langem mit der Erforschung neuer Materialien, deren Synthetisierung

(chemisches Know-how) und Analytik (Atomkraftmikroskopie, Kontaktwin-

kelbestimmung) 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 her-

angezogen.

Arbeitsschwerpunkt des Bereichs Mikrosensorik (Dr. Köpnick) ist der Einsatz

sensitiver organischer Materialien (Polymere) in dünnen Schichten für senso-

rische Bauelemente. Dies wird unter anderem für die klassische Gassensorik

(Gas- und Feuchtesensoren) weiterentwickelt (zur Anwendung in Biochips ver-

gleiche Kapitel Oberflächentechnik in Bio-Analytik und Diagnostik).

Prof. Tillack ist Leiter der Abteilung Technologie am Leibniz-Institut für innova-

tive Mikroelektronik (ihp) und gleichzeitig Professor im Fachgebiet Technologie

von siliziumbasierten integrierten Höchstfrequenzschaltungen an der TU Ber-

lin. Das Institut widmet sich Si-Halbleitertechnologien für sehr hohe Frequen-

zen, 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 Rahmen-

programm ›Intelligente Implantate‹ gefördert und gemeinsam mit Berlin-

Brandenburger 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-Elec-

tro-Mechanical System), genauer einem Mikroviskosimeter, das durch Mini-

aturisierung (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

Mikro elektronik wie Photolithographie (Laser-Belichtung), Trockenätzen,

physikalische und chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD, CVD,

Dr. Thomas Köpnick

Prof. Dr. Bernd Tillack

Dr. Mario Birkholz


226

PECVD, SACVD, LPCVD), epitaktisches Schichtwachstum (Niedrigtemperatur- und

Hochtemperatur-Si-Epitaxie), Ionenimplantation, Rapid Thermal Proces-

sing (RTP) für Temperung, Oxidation und Silicierung sowie Messtechniken für

Schicht dicken-, Widerstands- , Defektdichten- und Topologiemessung (Raster-

elektronenmikroskopie REM, Rasterkraftmikroskopie AFM) und Röntgendif-

fraktometrie.

Wirtschaft

Bei der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG werden für die Triebwerksent-

wicklung und die damit verbundene messtechnische Kontrolle der Tempera-

turführung, Strömungsführung bzw. Druckverteilung sogenannte Thermal-

farben zur Oberflächentemperaturmessung verwendet. Diese Indikatorfarben

sind temperatursensibel und identifizieren bzw. messen durch eine irreversible

Farbänderung Temperaturhöchstwerte bzw. umgebende Temperaturgradien-

ten. 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 Geo-

metrien 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)


227

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 tem-

peratur- 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 Rolls-

Royce ist im Kapitel Luft- und Raumfahrttechnik dargestellt.

Die First Sensor Technology GmbH ist ein 1999 aus einem Forschungsschwer-

punkt der Technischen Universität Berlin hervorgegangenes Unternehmen, das

Drucksensoren in Serie als auch kunden- und anwendungsspezifisch herstellt.

Anwender der Drucksensoren sind die Automobilindustrie, Luft- und Raum-

fahrttechnik, Prozess- und Automatisierungstechnik (zum Beispiel Vakuum-

technik), Haushaltsgerätetechnik und Medizintechnik.

Bei der Sensor-Entwicklung widmet sich First Sensor Technology Silizium-

Drucksensorchips auf Basis eines piezoresistiven Wirkprinzips (zum Druck pro-

portionales Spannungsausgangssignal) für Absolut- bzw. Relativdruckmes-

sung. 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 Tochter-

gesellschaft der First Sensor AG (ehemals Silicon Sensor International AG).

Die sglux SolGel Technologies GmbH entwickelt und produziert UV-Messtechnik

auf der Grundlage von UV-Photodioden bzw. –detektoren, die auf verschie-

denen Materialsystemen basieren. Das bewährte und damit hauptsächlich

eingesetzte Materialsystem ist Siliziumcarbid (SiC). Für bestimmte Anwendun-

gen 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

Halb leitereigenschaften). 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

First Sensor Technology GmbH

sglux SolGel Technologies GmbH


228

(IKZ) entwickelte sglux ab 2009 aufgrund des Wegfalls der entsprechenden

Zulieferung eine eigene SiC-Photodiode. Die von sglux produzierten strah-

lungsharten SiC-UV-Photodioden zeichnen sich durch ihre hohe Visible Blind-

ness, 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 Mit-

glieder 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.

Fazit

Die Dünnschicht-Messtechnik/-Sensorik ist in Berlin-Brandenburg forschungs-

seitig 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 aktuatori-

scher 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 Senso-

rik 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 Kom-

bination aus Substratwerkstoff-Biomolekül) und teils hochauflösende Micro-

arrays (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 Aus-

wertung des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs nötig. Dabei sollte die

technisch verwandte Aktuatorik-Seite (zum Beispiel Strömungsbeeinflussung/

Aerodynamik) einbezogen werden. Die aktive Beeinflussung von Umgebungs-

parametern (Messen, Schalten, Regeln) mittels Dünnschicht- oder weiterge-

hender Oberflächentechnologien birgt Innovationspotenzial mit engem Bezug

zu Energietechnik, Verkehrstechnik oder allgemein Verfahrens- und Produk-

tionstechnik. Der Darmstädter Exzellenzcluster ›Smart Interfaces‹ erforscht

AMA

Fachverband für Sensorik e.V.


229

88

TU9 German Institutes of Technology e.V.

(o.J.).

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

U nter Intelligenten Textilien/Smart Textiles werden diejenigen textilen Werk-

stoffe und Bauteile verstanden, die mit sensorischen oder elektronischen

Funktionen insbesondere für drahtlose Kommunikation, autarke Energiever-

sorgung 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 ent-

wickelt wird. Das Anwendungspotenzial ist breit gefächert, insbesondere in

Branchen wie Medizin und Sport (Überwachen von Vitalparametern, Mega-

trend ›Boomende Gesundheit‹), Schutzbekleidung, Bauwesen sowie Auto-

motive (Erfassen der Umgebungsbedingungen, Megatrends ›Ubiquitäre Intel-

ligenz‹ und ›Nachhaltigkeit‹).

Für die Oberflächentechnologien stellen Textilien zunächst nur ein anderes

Substrat dar, mit der Besonderheit, dass es flexibel ist und oft als dünner Werk-

stoff fungiert (Membranfunktion) bzw. Veredelungen schon beim Grundwerk-

stoff ›Garn‹ oder ›Faser‹ ansetzen können. Abgesehen von der Forschungsrich-

tung 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. Bögner vertritt seit 2003 das Lehr- und Forschungsgebiet Wearable

Technologien im Studiengang ›Gesundheitswissenschaften und Technologien‹

(zuvor ›Biomedizinische Gerätetechnik‹) an der BTU Cottbus. Mit den Schwer-

punkten ›Smart Textiles and Clothes‹ sowie ›Wearable Computing and Electro-

nics‹ konzentrieren sich Forschung und Lehre inzwischen auf bio medizinische

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

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Astrid Bögner


230

Elektronik und Datenverarbeitung im Mittelpunkt. Sie werden grundlagen- wie

anwendungsseitig – in Zusammenarbeit mit anderen Lehrstühlen wie Mikro-

elektronik, 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 ›Repara-

turtechniken an textilen Flächengebilden für Bekleidung und für technische

Anwendungen‹. Als eine Art der Reparatur von Textilien werden Beschichtun-

gen beschrieben, die beispielsweise der Kaschierung von Befleckungen durch

Überdeckung dienen, das sind

■ Nano-Beschichtung (Lotuseffekt),

■ Schmutzradierer (Abrasiver Abtrag von oberflächennahen Anschmutzun-

gen),

■ Sol-Gel-Beschichtung (Adhäsiver Auftrag von polymeren/keramischen

Dünnschichten),

■ Sputtertechnik (Dünnbeschichtung von Oberflächen durch Aufdampfen

weniger Atomlagen).

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 Oberflächen-

modifikationen, Barrierewirkungen, Wirkstofffreisetzung, Selbstheilung usw.

als Trends in der F&E an Textilien benannt wurden.

In der Fachgruppe 8.1 Mess- und Prüftechnik, Sensorik (Abteilung Zerstörungs-

freie Prüfung) der BAM um Prof. Daum erforscht man unter anderem intelli-

gente Textilien, vornehmlich unter Verwendung faseroptischer Sensoren. Dafür

kommen polymere Fasern zum Einsatz (flexibel, kostengünstig, geringe Ver-

letzungsgefahr bei Faserbruch). Sie können beispielsweise in einem ›medizini-

schen 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 ver-

teilte Mess-Sensoren einsetzbar: Durch Messung des Streuverhaltens über die

Gesamtfaser können Ort und Intensität einer äußeren physikalischen Einwir-

kung festgestellt werden.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schneider

Prof. Dr.-Ing. Werner Daum


231

Weiterentwicklungen der Arbeitsgruppe ›Verteilte und polymeroptische Faser-

sensorik‹ betreffen

■ den Einsatz neuartiger Werkstoffe mit integrierten faseroptischen Sensoren

(smart materials, smart structures) zur Schadensfrüherkennung und -loka-

lisierung (technische Textilien, Verbundwerkstoffe),

■ die Untersuchung innovativer Fasersensortypen (zum Beispiel Faser-Bragg-

Gitter in POF) für medizinische Anwendungen und den Personenschutz,

■ die Untersuchung optischer Glas- und Polymerfasern für den Einsatz in sen-

sitiven 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.

Im Bereich der Integration elektronischer Funktionen in Textilien forscht und

entwickelt auch das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegra-

tion IZM, Fachgruppe Dehnbare elektronische Systeme (Prof. Löher). Hier hat

man in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und im Rah-

men 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 elektro-

nische 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 entstan-

dene dehnbare Elektronik lässt sich in dehnbare bzw. textile Träger einlami-

nieren und damit zu entsprechenden Produkten weiterverarbeiten.

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/Zuverlässig-

keitsprüfung) um Ausrüstung für die Textilverarbeitung ergänzt (Stickmaschine,

Thermopresse usw.). Die im TexLab durchgeführten interdisziplinären Projekte

betreffen diverse Anwendungsfelder, zum Beispiel Automobilinterieur, Medi-

zintechnik, Modedesign und Logistik.

Während einer einjährigen Zusammenarbeit des Fh-IZM (Herr Dils) mit

der Universität der Künste (Fachbereich Mode- und Textildesign) im Projekt

Prof. Dr.-Ing. Thomas Löher

Dipl.-Ing. Torsten Linz

Christian Dils


232

›E-motion‹ entstanden zwischen 2008 und 2009 Entwürfe und Prototypen von

Kleidungsstücken, die mittels integrierter Elektronik (Sensoren, LEDs) mit Emo-

tionen 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 integrier-

bar 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 Sicher-

heitsdokumente (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

Knitted surface layer with optics (IZM/UdK)


233

■ 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 ermög-

licht,

■ das BMBF-geförderte Projekt ›TexOLED – Textile Flächen mit hoher Leucht-

dichte‹: 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 Freizeit-

kleidung, Sicherheits- und Monitoring-Anwendungen technischer Textilien

und medizinische/gesundheitspflegerische Textilprodukte (vergleiche Gruppe

›Medical Microsystems‹ des Fh-IZM unter Biokompatible und bioaktive Ober-

flächen) 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 LED-

Hinweissignale 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

Das Forschungskuratorium Textil e.V. ist ein als Dachmarke für Textilforschung

in Deutschland operierender Verein, dem Textilforschungsinstitute und Ver-

bände 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 einneh-

men.

Forschungskuratorium Textil e.V.


234

89




90



(2010).

Fazit

Intelligente Textilien und insbesondere die Integration von Mikroelektronik

in flexible Werkstoffe wie Textilien (Wearables) bilden ein kleines, aber auf-

strebendes 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 über-

regionaler 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 Kreativ-

branche/Begleitforschung/sonstige F&E) zeichnen sich auch für Berlin-

Brandenburg 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, Verkehrstelemat ik 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 Bau-

raumbedarf (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 Raum-

fahrt 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.


235

Regionsspezifische Themen sind

■ Aerodynamik-messtechnische Oberflächen (Sensorik/Aktuatorik),

■ Membran/Multilayermaterialien für Hüllen von Luftfahrzeugen,

■ Hochtemperaturschutz im Flugzeugtriebwerksbau,

■ widerstandsmindernde Ribletoberflächen (zum Beispiel für Verdichter-

schaufeln in Triebwerken),

■ instandsetzende Oberflächentechnik für Luftfahrzeugkomponenten,

■ temperatur- und druckmesstechnische Lacke im Triebwerksbau,

■ Lackiertechnologie bei Fahrzeugkarosserien, Trocknersimulation, color-

matchfähige 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. Nitsche beschäftigt sich im Fachgebiet Aerodynamik der TU Berlin mit

funktionalen Oberflächen für Strömungsmesstechnik und aktive Strömungs-

kontrolle an Luftfahrzeugen. Die angewendeten und selbst entwickelten

Sensoriken umfassen verschiedene Oberflächenmessverfahren, mit denen die

Strömung zunächst charakterisiert werden kann (zum Beispiel Piezofolien-

Sensorik mit Polyvinylidenfluorid, PVDF oder Drucksensitive Copolymerbe-

schichtung/Pressure Sensitive Copolymer, PSC).

Des Weiteren können aktuatorische Oberflächen die Strömungsgrenzschicht

beeinflussen, zum Beispiel die Strömung laminar halten, also die laminar-

turbulente Transition verzögern. Dazu dienten Projekte bzw. F&E -Arbeiten wie

›AVERT‹, ›Von der Delfinhaut lernen: Widerstandsreduktion durch aktive Lami-

narhaltung‹ sowie die Laminarflügelforschung im Freiflug, bei der die Grenz-

schichttransition am Segelflugzeug mit Hilfe von Sensorarrays detektiert und

verschiedene Sensoren und Sensorarrays sowie Aktuatoren erprobt werden. Zur

genaueren Betrachtung der mikrosystemtechnischen Hintergründe von Sen-

sorik und Aktuatorik sei auf das Kapitel Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/

Aktuatorik verwiesen.

Am Fachgebiet dienen die genannten Messtechniken der Strömungskont-

rolle und -beeinflussung an luftfahrttechnischen Objekten bzw. Windkanal-

modellen (Überschall-/ Unterschall-/ Grenzschichtkanal). Sie werden im Fach

›Experimentelle Methoden der Aerodynamik‹ gelehrt.

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nitsche


236

Am Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik (kommissarischer Leiter Prof.

Viehweger) des Instituts Werkstoffe und Produktionsforschung der BTU Cottbus

werden innovative Werkstoff- und Oberflächensysteme und deren Herstel-

lungstechnologien erforscht. Die Anwendungsschwerpunkte liegen bei Luft-

fahrt/Verkehrstechnik und Energietechnik.

Leistungen bzw. Ausstattung des Lehrstuhls Metallkunde und Werkstoff-

technik umfassen:

■ Wärmebehandlungen und Umformungen

– Thermische und thermomechanische Behandlung (bis T = 1200 °C)

■ Mechanische Oberflächenbehandlung

– Verfestigungsstrahlen (Kugelstrahlen) mit Druckstrahl- und Injektoran-

lagen

– Strahlmittel: Stahlguss, Stahldraht, austenitischer Stahl, Keramik, Glas-

perlen

– Festwalzen (Hydraulische Fest-/Glattwalzvorrichtung)

■ Härtemessungen

– Makrohärtemessungen

– Kleinlasthärtemessungen

– Mikrohärtemessungen

■ Beschichtung

– Entwicklung und Herstellung von PVD-Schichten

– PVD-Beschichtungstechnik

– High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS-) Beschichtungsan-

lage

– Konventionelles DC-Magnetron-Sputtern

– Arc-Verdampfung

– Bauteilreinigungsanlage für Beschichtungsanlage

– Plasmamonitor

■ Prüftechnik

– Erosionsprüfstand für Kalterosion

– Forschungsanlage für Hochtemperaturerosion (im Aufbau)

– Oxidationsprüfstände

– Scratchtest

– Hochtemperaturtribometer

– Nanoindenter

In umfangreichen Kooperationen, zum Beispiel mit den Lehrstühlen Fügetech-

nik, Angewandte Physik und Sensorik, Konstruktion und Fertigung, Mechani-

sche 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 Verschleißschutz-

Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger


237

91

Vgl. Walser, Manfred (SSWP) und Berger,

Rolf (2009), S. 5.

schichten, Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln, strömungsoptimierte

Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen und Schichtsysteme für

hochbelastete Verdichterkomponenten.

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 Optimie-

rung von Lichtbogenspritzverfahren, die teure Plasma-Verfahren substituieren

können, zum Beispiel mit

■ modifiziertem Lichtbogenspritzen für ausgewählte Schichtsysteme im

statio nären Gasturbinen- und Flugzeugtriebwerksbau (Zusammenarbeit

mit Krauss GmbH Aviation Technologies, Ludwigsfelde, Projektlaufzeit 2010

bis 2011, ZIM-Projekt),

■ Prozesscharakterisierung und Prozessdiagnostik zur Steigerung von Wir-

kungsgrad und Lebensdauer von Turbinen und zur Überholung/Reparatur

gebrauchter Teile.

Weitere Kompetenzen der AG finden sich in den Kapiteln Lichtemission/Pho-

tonik, Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik, Dünnschicht-Messtechnik,

Sensorik/Aktuatorik.

Am Institut für Antriebstechnik des DLR, Abteilung Triebwerksakustik, Außen-

stelle Berlin-Charlottenburg beschäftigt man sich mit der Strömungsbeeinflus-

sung (Dr. Hage), und zwar in mehreren Projekten zu strömungswiderstand-

vermindernden 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-, Was-

ser- 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 Queran-

teile der Strömung an der Wand und können die turbulente Wandreibung um

bis zu zehn Prozent reduzieren. Der Berliner Ölkanal (mit differentiell messen-

der 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 drei-

dimensionale Riblet-Oberflächen (Rillen struktur mit Änderung der Rillengeo-

metrie in Strömungsrichtung), Riblet-Oberflächen mit kleinen Zwischenrippen,

mit nicht-paralleler Anströmung, mit unterschiedlich scharfen Rippenspitzen

und zur Wandreibungsreduktion mit der Strömung mitbewegte Strukturen.

Prof. Armin Abel

Dr.-Ing. Wolfram Hage


238

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 Techni-

sche Akustik (ISTA) der TU Berlin),

■ ›Riblets auf Verdichterschaufeln‹ (in Zusammenarbeit mit mehreren Ins-

tituten der Universität Hannover): Zusammenhang fertigungsbedingter

Rauhigkeiten und turbulenten Wandreibungswiderstand vermindernder

Rillenoberflächen,

■ ›Herstellung von widerstandsvermindernden Oberflächen auf großen

Strukturen‹: Ersatz strukturierter Riblet-Folien durch ein Beschichtungsma-

terial (strukturierter Lack ).

Wirtschaft

Die Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG befasst sich im Triebwerksbau mit

Oberflächentechnik. Von Belang sind zwei Bereiche entlang der Triebwerksstu-

fen – 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 Ober-

fläche.

Für Verschleißschutzschichten kommen Galvanik , Thermisches Sprühen

und Lackierung zum Einsatz; auch Reparaturen werden auf diese Weise durch-

geführt. Gegen die erosive Bauteilabnutzung (Erosionskorrosion und Erosion

durch Kavitation) wirken alternierende Hart-Weich-Schichten (als Multilayer)

mit ihrer der Beanspruchung angepassten Elastizität. Für Dichtaufgaben ver-

wendete Schichtmaterialien (abradable labyrinth seals) haben hingegen Aus-

wirkungen auf das verwendete Substrat: Titan als Triebwerkschaufelwerkstoff

reagiert empfindlich auf die Zugspannung aus der Schicht. Ein großes Pro-

blem 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 thermi-

schem Spritzen aufgebracht und wärmebehandelt), die die chemische Bindung

zu beiden Seiten, also auch zur nachfolgenden Wärmedämmschicht (›zirconia-

based 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


239

92

Vgl. Roth-Fagaraseanu, Dan (2011);

Rolls-Royce (o.J.).

neu entwickelte Bauteile nicht mehr eingesetzt werden darf, sondern inner-

halb weniger Jahre einen ungiftigen Ersatz finden muss. Als Alternativwerk-

stoffe könnten bekannte Lösungen auf Basis von Siliziumoxiden Verwendung

finden, wobei Unterschiede in der Anforderungserfüllung/Eignung sicher

noch zu kompensieren sind. Andere Verfahren wie das Laserauftragsschwei-

ßen 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 konsumie-

ren . Schließlich werden sie unterschiedlichsten Anforderungen als Dichtungs-

systeme, 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 Mess-

technik von Bedeutung. Bei Rolls-Royce kommen daher sogenannte Ther-

malfarben zur Oberflächentemperaturmessung zum Einsatz (vergleiche Kapitel

Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik).

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 Bal-

lone. 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 konfek-

tionieren sowie transluzent ausrüstbar. Eine Anwendung im Bereich fliegender

Membranbauten sind die so wärmeisolierten ›EcoMagic‹-Ballone (Hersteller

UltraMagic, über 50 Prozent Treibstoffersparnis der Ballone gegenüber her-

kömmlicher Technologie).

Mit ›aerofabríx [barriere] – ultraleichte Barrierefilme‹, einem heliumdichten

Hüllenmaterial mit hervorragender Schweißbarkeit, und den Barriere stoffen

aerofabríx [heptax], [octax] und [nonex] bietet das Unternehmen weitere

mehrlagige veredelte Membranmaterialien an, die bezüglich Heliumdichtig-

keit, Metallisierung und optischer Eigenschaften sowie zusätzlicher Schutzbe-

schichtungen gegen mechanischen Abrieb und Feuchteschäden konfektioniert

für die kommerzielle oder die Anwendung in F&E lieferbar sind.

aeroix GmbH


240

93

Vgl. innovations monitor berlin |

brandenburg (o.J.); Krauss Aviation

Technologies (2011).

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, Ferti-

gung 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 Reinraum-

umgebung 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/Wärme-

behandlung bearbeitet.

Die Krauss GmbH Aviation Technologies bietet Instandsetzung und Neuferti-

gung 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 Oberflächen behandlungen 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 ›Luftfahrt-

Instandhaltungsbetrieb‹ und ›Repair Station‹ zugelassen. Hier finden auch alle

Aktivitäten im Bereich Forschung und Entwicklung statt.93

Netzwerke

Der Forschungs- und Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik Berlin (FAV),

der 1997 gegründet wurde und dessen Koordination bei der TSB Innovations-

agentur Berlin GmbH liegt, ist ein Netzwerk, in dem Kontakte zwischen Uni-

versitäten, Fachhochschulen und Forschungseinrichtungen, die sich mit dem

Thema Mobilität und Verkehr auseinandersetzen, sowie Unternehmen des

Verkehrstechnik- und Mobilitätssektors geknüpft und gepflegt werden. Unter-

stützt wird insbesondere die Partnersuche für die Einbindung in kooperative

F&E-Projekte. Die Arbeit des FAV zielt auf eine Positionierung der Region Berlin-

Brandenburg 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).

Astro- und Feinwerktechnik

Adlershof GmbH

Krauss GmbH

Aviation Technologies

Forschungs- und Anwendungs-

verbund Verkehrssystemtechnik

Berlin FAV


241

Übersicht 12: Oberflächenbehandlungen bei Krauss GmbH Aviation

Technologies

Thermisches Spritzen

Lichtbogenspritzen

PlasmaspritzenFlammspritzenHochgeschwindigkeits- Flammspritzen

Niedrig und hoch legierter sowie austenitischer Stahl, Metalle (Mo,Cu,Ni,Sn) +Legierungen

Niedrig und hoch legierter sowie austenitischer Stahl, Metalle (Mo,Cu,Ni,Sn) und deren Legierungen, Karbide, Oxide, Pulvergemische

Elektrochemische Verfahren (Galvanik )

Galvanisches Abscheiden

Stromloses Abscheiden

Konvertieren

Entschichten

Metallisieren oder Entmetallisieren von funktionalen Oberflächen jeweils komplett oder partiell von Stählen, austenitischen Stählen, Buntmetallen oder Ni-,Co-Werkstoffen

Verwendete Schichtwerkstoffe: Cadmium, Nickel-Cadmium, Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Chrom

Nickel

Brünieren, Phosphatieren, Chromatieren

Entfernbare Schichten: galvanische Schichten, thermische Spritzschichten, Lacke, Diffusions-schichten

Anstrichsysteme (Lackieren)

Organische Lacke

Anorganische Lacke

Gleitlacke

Organische oder anorganische Lacküberzüge, als Korrosions- oder Verschleißschutz angewandt

Porenfreie Schutzschicht zum Korrosions- und Errosionsschutz bei Temperaturdauer-belastungen bis 200 °C

Porenfreie Schutzschicht zum Korrosions- und Oxidationsschutz bei Temperaturdauer-belastungen bis 600 °C

Zur Erzeugung einer haltbaren Gleitlackschicht (PTFE, Graphit, MoS2) zur Verringerung des Reibungskoeffizienten

Prozess-Strahlen

Oxidstrahlen (trocken)

Verdichtungsstrahlen (Stahl- und Glaskugeln)

Granulatstrahlen (Kunststoff)

Scharfkantiges, brechendes Strahlmittel auf keramischer Basis, zum Reinigen und/oder Aufrauen der Oberfläche

Zum gezielten Verfestigen, Verdichten oder Glätten der Oberfläche, auch Zugspannungen werden abgebaut

Zum Reinigen oder Entlacken von empfindlichen Oberflächen

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Farbeindringprüfung

Magnaflux

Prüfung der Bauteile während und nach einem Reparaturprozess auf Riss- und Beschädi-gungsfreiheit

Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, bei der die Kapillarkräfte in feinen Oberflächenrissen und Poren genutzt werden, um diese sichtbar zu machen

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


242

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 Ober-

flächen (für Strömungs- und Temperaturführungsmessung) behandeln. Als

Teilgebiet der Luft- und Raumfahrt spielen Oberflächenbehandlungen per-

manent eine Rolle; in Form von Hightech-Werkstoffen finden Entwicklun-

gen oftmals ihre erstmalige Anwendung in dieser Branche, bevor sie auch in

andere (Fahrzeugbau u.Ä.) diffundieren. Die Luft- und Raumfahrtindustrie

arbeitet über regional nur mit wenigen spezialisierten Zulieferern (Dienstleis-

ter und Instandhaltungsbetriebe) zusammen, Forschung und Entwicklung an

Werkstoffen und Verfahren sind primär international ausgerichtet. Treiber für

die Materialforschung sind neben allgemeinen Effizienzsteigerungen (zum Bei-

spiel Treibstoffersparnis durch höhere mögliche Verbrennungstemperaturen)

durchaus auch Bestimmungen und Gesetze, die beispielsweise die Substitution

von als gefährlich einzustufenden Substanzen (zum Beispiel Schichtmateria-

lien, Beschichtungs- /Legierungszusätze) einfordern. Bei Letzterem nehmen die

hiesigen Akteure aber keine Vorreiterrolle ein.

5.5.2 Fahrzeugbau

Wissenschaft

Am Fachgebiet Metallische Werkstoffe der TU Berl in (Prof. Reimers) widmet

man sich unter anderem dem Korrosionschutz von Leichtbaumetallen im Fahr-

zeugkarosseriebau. Für den Korrosionschutz von Blechbiegeteilen aus Mag-

nesium (Extremleichtbaumaterial) wird ein Herstellungsverfahren genutzt,

um eine Beschichtung bzw. einen Werkstoffverbund mit einer vor Korro-

sion 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 Magne-

sium, die sich in einer intermetallischen Phase von einigen Atomlagen Breite

ausdrückt. Die Verarbeitung erfolgt in Strangpressen, Struktur- und Funk-

tionswerkstoff werden also koextrudiert (gleichzeitig zum Strangpressprofil

geformt). Mit solchen Magnesiumbauteilen können tragende Teile, die rund

30 Prozent des Karos seriegewichts eines Automobils ausmachen, wesentlich

leichter (Dichte ca. 1/5 von Stahl), durch die Aluminiumaußenhaut korrosi-

onsgeschützt und sogar besser bzw. überhaupt schweißbar werden. Für nicht

tragende Teile der Autokarosserie entwickelte das Forscherteam ein Verfahren,

die Magnesium legierung durch Flachmatrizen zu etwa 1,5 mm dicken Blechen

Prof. Dr. Walter Reimers


243

94

Vgl. Motorsport-Guide (2008), S. 6.

95

Vgl. Witzmann, Ralf-Peter (2011).

zu pressen, die anschließend zu 0,7 mm dicken Blechen ausgewalzt wer-

den und mit bewährten Beschichtungsverfahren wie dem Galvanisieren mit

einer Aluminiumhülle Korrosionsschutz erhalten.94 Weitere Anwendungsbe-

reiche sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrie-

ben.

Das Labor für Tribologie und Oberflächenschutztechnik der Hochschule Lau-

sitz 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‹ lau-

tet 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 Kraftfahr-

zeuge verwendet werden. Mit Hilfe des thermischem Energieeintrags wer-

den die Oberflächen der Fügepartner (Bulk-Materialien) und eine etwaige

Beschichtung aufgeschmolzen und Legierungselemente per Diffusion in eine

Verbindungszone geschleust, sodass ein gradierter Übergang der Materialei-

genschaften entsteht. Im Unterschied zum Kleben erzeugt diese Gradierung

dynamisch belastbare Verbindungszonen mit ausgeglichenen Grundwerkstoff-

eigenschaften, 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 verwer-

tet und in Multimate rialsysteme der Verkehrstechnik übertragen werden kön-

nen.95

Weitere Kompetenzen des Labors für Tribologie und Oberflächenschutz-

technik sind im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrie-

ben.

Wirtschaft

Die INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme

in der Fahrzeugindustrie mbH ist eine Tochtergesellschaft deutscher Auto-

mobilhersteller (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 Ent-

wicklungsarbeiten, die vornehmlich die Lackiertechnik , Fügetechnik, Plasma-

technik, aber auch die Oberflächenanalytik betreffen:

Prof. Dr.-Ing. Ralf Winkelmann

INPRO Innovationsgesellschaft

für fortgeschrittene Produktions-

systeme in der Fahrzeugindustrie

mbH


244

■ Colormatchfähige Folientechnik: in der späteren Wagenfarbe dekorierte

Folien (in einem sogenannten Line-Coater), die thermogeformt und durch

Hinter schäumen/Hinterspritzen mit einer glasfaserverstärkten Polymer-

matrix zum fertigen Bauteil verarbeitet werden (Alternative zur konven-

tionellen Automobillackierung, Qualitätskriterium Oberfläche/Lackierung

als kaufentscheidendes Merkmal); Pilotbauteil ›Touareg-Blende‹, später

Serien umsetzung im VW Passat CC

■ Lackierung von Kunststoffbauteilen: Kunststoffanbauteile (Stoßstangen,

Kot flügel), die den vollständigen Lackierprozess der Metallkarosserien durch-

laufen, unter der Bedingung, dass Farbton und optisches Erscheinungs bild

(Appearance) mit der lackierten Metallkarosserie übereinstimmen; Grund-

lagenuntersuchungen zur Eignung verschiedener Kunststoffe zur elektro-

statischen Lackierung und Beeinflussung mittels Leitprimern (erhöhte

Prozesssicherheit), Strategien zur Inline-, Offline- und Online-Lackierung

(innerhalb/außerhalb der bzw. parallel zur Produktions linie), Messtechnik

zur objektiven Bestimmung und kontinuierlichen Optimierung des Lackie-

rerscheinungsbildes

■ 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 wärmeunter-

stütztes mechanisches Fügeverfahren (›wirkmedienunterstütztes Durch-

setzfügen‹); 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 Mess-

systemen/Prüfvorrichtungen speziell für die Charakterisierung von Ober-

flächentopologien

Mit einem weiteren, die Energieeffizienz in der Oberflächentechnik betreffen-

den Projekt ist INPRO im Kapitel Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation

erwähnt.

Weiterhin von Relevanz im Fahrzeugbau sind einige Großunternehmen mit

Mo toren- 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-Marien-

felde,

■ die Motorradteilelackierung im BMW Werk Berlin,

Mercedes-Benz-Werk Berlin-

Marienfelde/Daimler-Konzern

BMW Werk Berlin


245

96

›Die Beschichtung von Leichtbau materia-

lien 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

fi nden.‹ Deutsche Messe AG Hannover

(2010).

■ 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 Netz-

werk der Verkehrssystemtechnik tätig.

Fazit

Die Hauptstadtregion hat nur wenige Kompetenzträger zum Thema Oberflä-

chentechnik 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 Werkstoff-

veränderungen durch den Leichtbautrend, also um veränderte Substratwerk-

stoffe wie im Falle ›Kunststoff statt Glas‹, die viele neue Fragen bezüglich

Oberflächenphänomenen wie Kratzfestigkeit/Abrasion aufwerfen. Ressourcen-

Effizienz 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 Kom-

ponenten und Bauelementen mit intelligenten Oberflächen und insbesondere

von Dünnschichttechnik (zum Beispiel OLEDs).

Elektromobilität bzw. alternative Antriebe sind derzeit ebenfalls wesent-

liche 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 genann-

ten Kapitel aber mangels Dringlichkeit verzichtet; das Forschungsgebiet ist als

recht jung und homogen anzusehen.

Bombardier Transportation

Berlin/Hennigsdorf

Stadler Reinickendorf GmbH

(Stadler Rail AG)


246

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

de n 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 Bootskör-

pers vor Umwelteinflüssen dienen die in einem zweiten Kooperationsprojekt

mit Performance Chemicals HGmbH und dem Ausbildungszentrum Bootsbau,

Schiffbau, Dienstleistungs GmbH (AZBS) entwickelten bioziden, nicht auslau-

gungsfähigen Unterwasseranstrichstoffe (Projektlaufzeit 2009 bis 2011). Auf der

Basis von nanoteilchengekoppelten biologisch wirksamen Verbindungen (bio-

zid-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 Zwei-

Komponenten-System möglich.

Wirtschaft

Das AZBS Ausbildungszentrum Bootsbau, Schiffbau, Dienstleistungs GmbH ist

eine 1990 aus der ehemaligen Betriebsschule der Yachtwerft Berlin hervor-

gegangene 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 Koope-

rationspartner der TH Wildau bei der ›Entwicklung neuartiger biozider, nicht

auslaugungsfähiger Unterwasseranstrichstoffe‹.

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 Auf-

bringen von hochglänzenden und kratzfesten Gelcoats auf Bootskörpern‹ war

die BBG Kooperationspartner der TH Wildau.

Dr. Michael Herzog

AZBS Ausbildungszentrum Boots-

bau, Schiffbau, Dienstl eistungs

GmbH

BBG Bootsbau Berlin GmbH


247

97

Kesel, Antonia B. (o.J.).

98

Vgl. INPLAS – Kompetenznetz Industrielle

Plasma-Oberfl ächentechnik e. V. (2010).

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 Koopera-

tion mit einer Hochschule erfolgreich angewandte Forschung zu Unterwasser-

anstrichstoffen betrieben. Insbesondere der Wettkampfgedanke ist im Sport-

bootbereich 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 ver-

hindern versuchen. Bei anderen Oberflächenfunktionen wie Korrosionschutz

oder sonstiger Witterungsbeständigkeit sind Schiffe und Boote mit den Land-

und 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 Größenord-

nung, mit der Forschung und Entwicklung zum Thema marine Technik/Unter-

wasseranstriche 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 Werkstofftechnik/Chemie/Analytik

In dieser großen Kategorie der industriellen Oberflächentechnik versammeln sich

verschiedenste Schicht- und Oberflächenbehandlungsverfahren, um Leistungs-

fähigkeit und Lebensdauer von Maschinenbauteilen (unter anderem Werkzeu-

gen) 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 Verpa-

ckungsbranche.98


248

99

Zechel, Rudolf (2004), S. 40.

100

Vgl. Bräuer, Günter (2003), S. 10.

Die zugehörigen (tribologischen) Beschichtungen/Materialgruppen lassen

sich unter Trockenschmierstoffen (Gleitlacke und galvanische Beschichtungen

mit Festschmierstoffen99) und Hartstoffschichten (Diamant, DLC-Modifikatio-

nen, TiN/TiCN/CrN/CrCN, borhaltige und keramische Schichten) zusammenfas-

sen.100

Eine Kategorisierung der diversen Materialsysteme und oberflächentechni-

schen Verfahren erfolgt soweit möglich entlang der Substratmaterialien oder

der Endprodukte, die eine Oberflächenbehandlung erhalten (Verpackungs-

technologie 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 Oberflächen-

und 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 Bar-

rierewirkungen bezüglich der Diffusion von Gasen und die antimikrobielle

Ausrüstung von Oberflächen im Fo kus. Auch Antihafteigenschaften im Sinne

der Restentleerbarkeit von Flaschenwaren werden für die breite Anwendung

aufbereitet. Die Funktionalisierung basiert oftmals auf nanoskopischen Ober-

flächenbehandlungen (Beschichtung mit Nanopartikeln, Nano-Strukturierung)

und kann weiterhin Absorber- und Aktiv-Funktionen einnehmen (Geruchs-

stoffe aufnehmen/zersetzen, antimikrobielle Wirkung, sensorische Funktiona-

lität).

Wissenschaft

In der Gruppe Physics of Micro and Nano-structures based on Carbon (PMNC)

um Dr. Casiraghi (FU Berlin, Institut für Experimentalphysik) werden ver-

schiedenste Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen wie Diamond-like-carbon

(DLC)-Filme, Nano-Diamant-Filme und Graphen (aber auch Kohlenstoff-

nanoröhrchen, CNTs) hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur, mechani-

scher 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


249

101

Casiraghi, Cinzia et al. (2007).

Lagerung kohlensäurehaltiger Getränke nicht weniger sinnvoll, sondern ver-

längert die Haltbarkeit/Lagerzeit der Getränkeflaschen. Die verschiedenen Ein-

satzzwecke nach dem Motto ›Diamond-like carbon for data and beer storage‹101

zeigen die Viel seitigkeit und Wandlungsfähigkeit von Kohlenstoff-basierten

Schichtmaterialien.

Die Untersuchung der Kohlenstoff-Nanostrukturen erfolgt mittels Raman-

Spektroskopie, einer schnellen, zerstörungsfreien und etablierten Methode

zur Charakterisierung von Kohlenstoff-Materialien; sie wird zusätzlich mit

Rasterkraftmikroskopie kombiniert. Um die Spektroskopie-Signale zu verbes-

sern, 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.

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 ›Lebens-

mittelverpackung‹ (2009 bis 2010), das in Anlagen und Geräte zur Folien-

herstellung investierte (finanziert mit EFRE-Mitteln), findet das Forschungs-

thema 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 inno-

vativen, 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 Mate-

rial- 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 Lebensmittelver-

packungen. Im Projekt arbeiten Kommunikations- und Produktdesigner, Ver-

packungstechnologen, Lebensmitteltechnologen und Lebensmittelchemiker

interdisziplinär zusammen.

Prof. Dr.-Ing. Robert Kabbert


250

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 aktuel-

ler Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der nanoskaligen Materialien für die

Lebensmitteltechnologie (Lebensmittel und Lebensmittelverpackungen) dar-

gestellt. Danach liegt das größere Potenzial wegen der höheren Verbraucher-

akzeptanz im Einsatz von immobilisierten Nanopartikeln und nanoskaligen

Oberflächenstrukturen bei Verpackungen und Lebensmittelbedarfsgegenstän-

den (hauptsächlich Flaschen und Verpackungsfolien).

Verbesserungen ergeben sich durch Oberflächenmodifikationen hinsichtlich

der Barrierewirkung gegenüber der Diffusion von Gasen, der Restentleerbar-

keit 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 Lebensmittelin-

dustrie 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.

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 Oberflächentech-

nik 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 Ober-

flächen,

■ Nachweis der Immobilisierung, Proteinquantifizierung und Stabilitätsun-

tersuchungen, Funktionstests.

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).

Prof. Dr.-Ing. Herbert Weber

Prof. Dr. Katrin Salchert

102

Vgl. Thümer, Reinhard et al. (Hrsg.)

(2009), S. 61–65.


251

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.

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.

Am Fraunhofer-IAP in Potsdam-Golm, Gruppe Funktionsmaterialien und

Bauelemente (Dr. Wedel) werden funktionale Polymersysteme nicht nur hin-

sichtlich 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 bio-

zide Oberflächen für Folien.

Fazit

Oberflächentechnik für den Verpackungssektor ist bezüglich der Substratmateri-

alien und -formen (Kunststoff/Glas/Papiererzeugnisse, Folien/Bahnen/Behält-

nisse), 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 Be schich-

tung oder Oberflächenmodifikation konnten in der Region kaum iden ti fi ziert

werden. Nur wenige Forscher betreiben F&E an spezifischen Ober flächen eigen-

schaften und Verfahren zur Oberflächenmodifikation von (Lebens mittel-)Ver-

packungsmaterialien. Auch deutschlandweit konzentriert sich die Forschung

■ auf Barrierefunktionen von Verpackungsoberflächen, Restentleerbarkeit

(Nanotechnologie für multifunktionelle Verpackungen, BMBF-Branchen-

dialog Nanopackaging 2011103),

■ auf sensorische Funktionen zur Qualitätskontrolle/Verderbfeststellung

(Packungsintegrierte Sensorfolie der Fh-EMFT 104),

■ und zusätzlich auf Beschichtungsmaterialien auf Basis nachwachsender Roh-

stoffe (›BioproPack‹: Verbesserte Eigenschaften von Papierverbunden durch

Beschichtungsmaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Fh-IVV 105).

Umsetzung und Verbreitung nanoskaliger Modifikationen an Lebensmittel-

verpackungen scheitern jedoch häufig an der Zulassungsproblematik hinsicht-

lich gesundheitlicher und umweltrelevanter Risiken; bislang sind nur wenige

Nanomaterialien für Lebensmittelverpackungen zugelassen.

Dr. Armin Wedel


252

Wichtig ist, den Dialog und die Vernetzung zwischen der Material-/Nanowis-

senschaft und dem Verpackungssektor zu fördern, sodass dieser von den inter-

disziplinären 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 kon-

ventionell einsetzba r. So werden verschiedenste, vornehmlich dekorative Ober-

flächen (Dekore für innenarchitektonische Materialien, Verpackungsgestaltung)

mit Druckverfahren (Kapitel Verfahren zur Oberflächenbehandlung) hergestellt.

Innovationen entstehen vor allem im Bereich Fälschungssicherheit, Produkt-

und 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 Fachberei-

ches 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 ›Modifi-

kation 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 Beständig-

keit des Druckbildes im Sinne einer längeren Nutzungsdauer verbessern sollen.

Äußere Einflüsse auf Druckerzeugnisse wie Verschmutzungen und Scheuerbe-

anspruchung werden nach dem Schädigungspotenzial kategorisiert und Prin-

zipien zur Verhinderung von Schmutzanhaftungen gesucht. Kritische Punkte

bei der Schutzlackierung von Druckerzeugnissen sind zum einen Substratvari-

anten (zum Beispiel Additive im Papier), Vorlackierungen von Substraten (unter

Umständen Lösen der Druckfarbe durch Abdecklack), aber auch der Brechungs-

index 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


253

106

Vgl. Görlitz, Gudrun et al. (Hrsg.) (2010),

S. 108–112.

und Produzenten von Sicherheitsfarben für den Druck von Banknoten, Sicher-

heitsdokumenten, Briefmarken.106

Wirtschaft

Im Mittelpunkt der jungen Coyando GmbH steht die Vermarktung eigens ent-

wickelter 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 Ver-

einfachung 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 Anwendungsge-

biete (Thermoformprodukte, Laminate für den Möbelbau) vorgesehen.

Coyando entstand mit Hilfe eines EXIST-Gründerstipendiums, mit Unter-

stützung des Mentors Prof. Wagner vom Institut für Polymertechnik und Poly-

merphysik der TU Berlin und einem weiteren Gründerstipendium der Beuth-

Hochschule.

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 (Pro-

totypen, 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) speziali-

siert. Diese Verfahren können hohe Qualität bei Haltbarkeit (oberflächen-

beständige Bedruckungen), Lesbarkeit und Konturschärfe von Zeichen bzw.

Schrift gewährleisten, die als bedruckte Oberflächen vor allem der Information

und Orientierung dienen (Werbe- und Hinweisschilder, Plaketten, Wegeleit-

systeme, Gehäuse usw.).

Fazit

Die Innovierfähigkeit bei Printprodukten (funktionale gedruckte Oberflächen)

zeigt sich in der Hauptstadtregion hauptsächlich an Schutzfunktionen und

Dauerhaftigkeit bedruckter Oberflächen. Drucktechnologien sind jedoch gene-

Coyando GmbH

Lechmann Engineering GmbH


254

rell sehr etabliert und variantenreich, sodass Bedruckungen und Druckverfah-

ren 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&E-

Kapazitäten in der Region lohnen. Dabei könnte zunächst eine Vernetzung

zwischen den verschiedenen Anwendern und Beteiligten (Druckfarbenherstel-

ler, Anlagenhersteller, Dienstleister) über gemeinsame Projektvorhaben ange-

strebt werden.

5.6.3 Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation

Abgrenzung

Die industrielle Oberflächentechnik lässt sich durch die Vielzahl an Kombina-

tionen aus möglichen Halbzeugen/Bauteilen, Oberflächenbe handlungsverfah-

ren und dem Anwendungszweck (Funktionalisierungen) kaum in überschnei-

dungsfreie Kategorien gliedern, grundsätzlich können

■ verschiedene Schichtverfahren für Werkzeuge, Bleche, Maschinenbauteile

(Korrosions-/ Verschleiß-/Hochtemperaturschutz), unter anderem Lackier-

technik , 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 Energieeffizi-

enz in der Oberflächenbehandlung, Simulation/Modellbildung in der Oberflä-

chentechnik 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-geför-

dertes dreijähriges Forschungsprojekt ›Tribologie im Dünensand. Sandfisch,

Sandboa und Sandschleiche als Vorbild für die Reibungs- und Verschleiß-

minderung‹) wurde die Haut dieser Tiere, die sich leicht im Sand fortbewe-

gen (schwimmen/tauchen) können ›unter die Lupe genommen‹. Die Haut des

Prof. Dr.-Ing. Ingo Rechenberg


255

107

Vgl. Rechenberg, Ingo (2005);

Technische Universität Berlin, FG Bionik

und Evolutionstechnik (2009).

Sandskinks der Sahara (scincus scincus) ist mit einem geringeren (Sand-)Rei-

bungskoeffizienten ausgestattet, als es alle bekannten technischen Materialien

vermögen. Mit der Nachbildung der Mikroornamentation (biomimetisch) hofft

man, das technische Oberflächenpendant für Anwendungszwecke mit beson-

ders niedrig geforderter Reibung generieren zu können. Außerdem verbinden

die Forscher mit den Nanospitzen (Nanospikes an Schwellen quer zur Strö-

mungsrichtung) eine Blitzableiterfunktion, sodass elektrisch geladene Staub-

teilchen neutralisiert werden – ein wichtiges Phänomen mit Anwendungs-

potenzial 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 Pro-

dukt 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

REM-Bilder der Oberflächenstruktur der Sandfischschuppe (TU Berlin, Fachgebiet Bionik)


256

108

Motorsport-Guide (2008), S. 6.

Für den Korrosionschutz von Blechbiegeteilen aus Magnesium (Extrem-

leichtbaumaterial) 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 intermetalli-

schen 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-diamant-

beschichteter Hartmetallwerkzeuge (mechanische Eigenschaften, Schichthaf-

tung). In einem DFG-geförderten und gemeinsam mit dem Institut für Werk-

zeugmaschinen 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 unter-

sucht.

Ein weiteres Beispiel ist die Mitwirkung durch Schicht- und Substratcharak-

terisierung (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, röntgenographisch)

bei Oberflächen für Hochtemperaturanwendungen (Haut-Konzept, ehemals

Prof. Wilden, Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik).

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, Fach-

gebiet Füge- und Beschichtungstechnik, und Prof. Müller, Institut für Mecha-

nik, Fachgebiet Kontinuumsmechanik und Materialtheorie) verfolgt neben

der Entwicklung und Optimierung bestehender Füge- und Beschichtungs-

technologien 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 Energie-

und Photovoltaikanlagenbau sowie in Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik

und Medizintechnik zu verdeutlichen. Ebenso gilt es, die Einführung innova-

tiver Technologien, mit denen bis zu 40 Prozent an Energie gespart oder die

Prozessgeschwindigkeit mehr als verzehnfacht werden können, zu beschleu-

nigen.

Die oberflächen- und beschichtungsrelevanten Verfahren sind

■ Auftragsschweißen (Laser-Auftragsschweißen von amorphen Metallschich-

ten, ChopArc- und Laser-Auftragsschweißen zur Instandsetzung verschlis-

sener Bauteile),

Prof. Dr. Walter Reimers

Prof. Dr.-Ing. Johannes Wilden


257

109

Uhlmann, Eckart (Hrsg.) (2011), S. 35–41.

■ Lichtbogenspritzen (Prozess- und Werkstoffentwicklung zur ressourcenop-

timierten Herstellung qualitativ hochwertiger Korrosions- und Verschleiß-

schutzschichten mittels Lichtbogen),

■ Flammspritzen (Kunststoff-Beschichten von Metallen durch Flammsprit-

zen),

■ aber auch Oberflächen für Fügeverfahren (Fügen mit nanostrukturierten

Folien) bzw. Oberflächenvorbehandlungen, wie sie vor dem eigentlichen

Fügen oftmals erforderlich sind (neuzeitliche Klebflächenvorbehandlungs-

verfahren wie Plasma, Corona).

Im aufgebauten Labor können anspruchsvolle Charakterisierungsmethoden zur

Prozessführung und zu Schicht- und Verbindungseigenschaften genutzt wer-

den, 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 Verdoppe-

lung der wissenschaftlichen Mitarbeiter geplant, und mit dem Eintreffen einer

Laserpulverauftragsschweißanlage sollte der Ausbau des Themas Beschich-

tungstechnik beginnen.109

Im Teilprojekt ›Hochtemperatur-Funktionalisierung von adaptiven Ober-

flächen-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-Legie-

rung und eine NEC-Keramik Y2W3O12, das heißt zunächst deren Ausgangswerk-

stoffe Y2O3 und WO3, werden als Legierung mittels thermischer Beschichtungs-

verfahren 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 Ver-

unreinigungen wieder ablösen (Selbstreinigungseffekt).

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 Unter-

nehmen 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

Dipl.-Ing. Matthias Graf von

der Schulenburg


258

die Erarbeitung von Richtlinien (im VDI-Fachausschuss CVD-Diamant-Werk-

zeuge) und durch Information über Veranstaltungen zu den Themen Zerspa-

nung und Beschichtung aktiv. Thematisch ist er Nachfolger des 1999 gegrün-

deten 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, CVD-

Dünnschicht-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, Ultrapräzisions-

bearbeitung, Hartzerspanung),

■ Wirtschaftlichkeit (unter anderem Wiederbeschichtung).

In der Gruppe Zerspantechnik (Herr Richarz) im Fachgebiet Werkzeug maschinen

und Fertigungstechnik konzentrieren sich die Arbeiten auf das Zerspanen mit

geometrisch bestimmter Schneide, speziell auf Werkzeuge für die Dreh-, Fräs-

und 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


259

und Anlagentechnologie. Nach diesen Beschichtungen folgte die Optimierung

von Schicht und beschichteter Schneidkante mittels Magnetpulverpolieren

und Strömungsschleifen (spanende Feinbearbeitungsverfahren) sowie Laser-

strahlabtragen durch das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb

der Technischen Universität Berlin (Prof. Uhlmann/Dr. König). Die Anwendung

solcher Hartmetallwerkzeuge mit innovativen Schichtsystemen wurde eben-

falls durch das IWF in Kooperation mit dem Anwender SWZ GmbH, Zella-Mehlis

und dem Forschungsinstitut Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwick-

lung e.V., Schmalkalden erprobt und betreut. Ein weiterer Schwerpunkt von

HartSpan war die messtechnische Beurteilung von Schneidkanten und Bauteil-

geometrien sowie die statistische Auswertung der Messdaten. Durch den Part-

ner GF Messtechnik GmbH, Teltow kam das Verfahren der Streifenlichtprojektion

zum Einsatz.

Am Zentrum für Mikroproduktionstechnik ZMPT (Dr. Oberschmidt, Fachgebiet

Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin) liegen die For-

schungsschwerpunkte auf Hochpräzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung,

Funkenerosion und Lasermaterialbearbeitung – Verfahren, die im Werkzeug-

und 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 monokris-

tallinem 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 Ver fügung (klassisch:

taktile und optische Oberflächenanalyse, Mikrohärte messung; auch: konfokale

Laser-Scanning-Mikroskopie, Weißlichtinterferometrie).

Im Mittelpunkt der Gruppe Feinbearbeitung (Dipl.-Ing. Hasper) am Fachgebiet

Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin stehen Feinbear-

beitungsoperationen für Medizintechnik und Triebwerksbau. Hierfür werden

höchste Anforderungen an die Oberflächengüte und die Maß- und Form-

genauigkeit 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 Schleif-

bändern 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

Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt

Dipl.-Ing. Gregor Hasper


260

der Schleifkörner nicht erreicht wurde, sondern vorher die Schleifbandverbin-

dungsstelle versagte.

PRECIBELT steht für die serienreife Entwicklung endloser Hochpräzisions-

schleifbänder ohne Verbindungsstelle, womit der optimale Schnittgeschwin-

digkeitsbereich für das Schleifen mit hochharten Schneidstoffen realisiert wer-

den kann. Das Projekt schloss die Entwicklung einer Produktionsanlage zur

integrierten Herstellung solcher Schleifbänder ein und ermöglichte die Hoch-

präzisionsbearbeitung von Triebwerksbauteilen und Gelenkendoprothesen mit

PRECIBELT-Schleifbändern (Berliner Partner in der Endanwendung Medizin-

technik war die Merete Medical GmbH).

Prof. Bauer vertritt an der BTU Cottbus den Lehrstuhl Polymermaterialien und

leitet gleichzeitig die Fraunhofer-Einrichtung für Polymermaterialien und Com-

posite 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 Komponen-

ten sind Beschichtungen, Laminierharze, Laminate, Sandwichstrukturen und

dünne funktionelle Schichten. Diese werden per Sprühtrocknung (Spray-Dry-

ing), Schleu derbeschichtung (Spin-Coating), Plasma-/Coronabehandlung oder

per Filmaufziehgerät hergestellt und mittels Messtechnik zur Brechungsindex-

und Schichtdickenbestimmung sowie spektroskopischen Methoden (Fourier-

Transform-Infrarot-/FTIR-, abgeschwächte Totalreflexion /ATR-, Diffuse-Refle-

xions-Infrarot-Fourier-Transform-/DRIFT-, UV/VIS- und Fluoreszenz-Spektros-

kopie) untersucht bzw. analytische und verarbeitungstechnische Verfahren ent-

wickelt.

Aktuelle und abgeschlossene Promotionsarbeiten am Lehrstuhl beschäfti-

gen sich mit flammfesten, elektronenstrahlhärtbaren und aus nachwachsen-

den Rohstoffen stammenden Reaktivharzen (für Composite-Materialien), mit

der Absorption/Emission von Lacken und Farben auf verschiedenen Oberflä-

chen 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.

Im Schwerpunktprogramm ›Haut‹ war Prof. Scheffler, ehemaliger Inhaber des

Lehrstuhls Leichtbaukeramik der BTU Cottbus, am Teilprojekt ›Thermisch akti-

vierbare, keramische Schutzschichten mit adaptiven Eigenschaften auf der Basis

präkeramischer Polymere‹ beteiligt (Kooperation mit Dr. Günter Motz, Uni Bay-

reuth, 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 Eigen-

schaften von Schichten in sehr weiten Grenzen variieren, was Vorteile gegen-

über konventionellen Beschichtungen der Metalle hat. Die Prozessparameter

Prof. Dr. Monika Bauer

Prof. Dr. Michael Scheffler


261

werden gezielt genutzt um adaptive (sich durch die thermische Aktivierung

anpassende) Eigenschaften der Schichten wie die Fähigkeit zur Selbstschmie-

rung reibender Flächen, die Hydrophobierung von Oberflächen ähnlich dem

Lotuseffekt oder hydrophile Eigenschaften bei hohen Temperaturen einzu-

stellen. 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

Verständ nis der Materialbildung und -funktion soll helfen, die gewonnenen

Erkennt nisse auf weitere Materialsysteme zu übertragen.

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 Werkstoff-

technik umfassen

■ Wärmebehandlungen und Umformungen

– Thermische und thermomechanische Behandlung (bis T = 1200 °C)

■ Mechanische Oberflächenbehandlung

– Verfestigungsstrahlen (Kugelstrahlen) mit Druckstrahl- und Injektor-

anlagen

– Strahlmittel: Stahlguss, Stahldraht, austenitischer Stahl, Keramik, Glas-

perlen

– Festwalzen (Hydraulische Fest-/Glattwalzvorrichtung)

■ Härtemessungen

– Makrohärtemessungen

– Kleinlasthärtemessungen

– Mikrohärtemessungen

■ Beschichtung

– Entwicklung und Herstellung von PVD-Schichten

– PVD-Beschichtungstechnik

– High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS-) Beschichtungsan-

lage

– Konventionelles DC-Magnetron-Sputtern

– Arc-Verdampfung

– Bauteilreinigungsanlage für Beschichtungsanlage

– Plasmamonitor

Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger


262

■ Prüftechnik

– Erosionsprüfstand für Kalterosion

– Forschungsanlage für Hochtemperaturerosion (im Aufbau)

– Oxidationsprüfstände

– Scratchtest

– Hochtemperaturtribometer

– Nanoindenter

In umfangreichen (durchaus regionalen) wissenschaftlichen und Industrie-

Kooperationen, zum Beispiel mit den Lehrstühlen Fügetechnik, Angewandte

Physik und Sensorik, Konstruktion und Fertigung, Mechanische Verfah-

renstechnik 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 Durchfüh-

rung von Erosionstests,

■ HPPMS-Abscheidetechnologie für Verschleißschutzschichten,

■ ModulTurb – Entwicklung von Reparaturverfahren für Turbinenschaufeln,

■ Haifischhaut für Hochtemperaturanwendungen – strömungsoptimierte

Schutz schichten,

■ Synthese und Charakterisierung von adaptiven, schadenstoleranten Kera-

mikoberflächen auf der Basis von MAX-Phasen-Nanolaminaten,

■ Entwicklung eines Schichtsystems für hochbelastete Verdichterkomponen-

ten.

Im Rahmen einer Diplomarbeit (Matthias Voß, 2007) am Fachgebiet Mechanik,

Messtechnik der Beuth Hochschule für Technik Berlin (Prof. Kleinschrodt) ent-

stand eine numerische Strömungssimulation, die sich auf ein neuartiges Ver-

fahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen bezieht. Dieses

Verfahren entstand durch die Zusammenarbeit von ERK Eckrohrkessel GmbH

(Berlin) und MiCryon Technik GmbH (Quedlinburg): Mittels Ionenstrahllitho-

grafie und Mikrogalvanoumformung wurden Mikrostrukturen in Form von

Zylindern mit Abmessungen zwischen 20 und 100 µm erzeugt, die zu einer

erheb lichen Steigerung des Wärmeüberganges führen, wie er im Falle der

Anwendung als wärmeübertragendes Material (Heizfläche beim Blasensieden

von Fluiden) erforderlich ist. Die Oberflächenstrukturierung sorgt für ›künst-

liche‹ 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 Struk-

turen geringer Abmessung und hoher Fehlstellendichte hergestellt werden.

Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter

Kleinschrodt


263

Für die angestrebte numerische Simulation der Strömungssituation wur-

den 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.

Das Labor für Tribologie und Oberflächenschutztechnik unter Leitung von

Prof. Winkelmann an der Hochschule Lausitz vereint Forschung und Entwick-

lung an fertigungstechnischen wie tribologischen Fragestellungen für die ver-

wandten Verfahrensgruppen Fügen und Beschichten (weitere Kompetenzen in

Kapitel Fahrzeugbau).

Angebotene fertigungstechnische Leistungen sind

■ Forschung und Entwicklung auf den Gebieten der Füge- und Beschich-

tungstechnik,

■ Realisierung von Beschichtungen (Flammspritzen/Hochgeschwindigkeits-

flammspritzen, Plasma-Pulver-Auftragschweißen PPA, Kalt- und Heiß-

draht, 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 Hochvakuumbeschich-

tungsanlage, 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 Verschleißschutzschich-

ten‹, 2004),

■ Metal-Matrix-Composites (›Beschichtungen mittels C_MMC’s‹, 2007), ›Werk-

stoffe und Verfahren zur Herstellung extrem harter Verschleißschutzschich-

ten – 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).

Prof. Dr.-Ing. Ralf Winkelmann


264

110

Schrader, Sigurd (2011).

Ziel der Technologieentwicklung ›induktionsunterstütztes Beschichten‹ war

das Beschichten von Substraten auf der Basis neuer hochverschleißbestän-

diger 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-Pulver-

Auftragschweißen 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 Lichtbogen-

verfahren 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.



richtungen 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 Raum-

fahrttechnik) entwickelt. Mit dem 2011 initiierten ›Innovationsforum – Schüt-

zen und Veredeln von Oberflächen‹ engagiert sich die AG für ein Netzwerk aus

Beschichtungsfirmen, Herstellern von Beschichtungsanlagen, Forschungsein-

richtungen sowie industriellen Anwendern, um den Wissensaustausch, die

Erstellung von Bedarfsanalysen und eine Strategiebildung für die (über)regio-

nale Verwertung von Oberflächenveredlungen anzustoßen.110

Neben den Kompetenzen bei der Entwicklung von bioziden Unterwasser-

anstrichstoffen (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


265

(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 molekula-

ren Struktur Vibrationen dämpfen, Schallausbreitung vermeiden und Korrosion

unterdrücken. Die speziellen strukturellen Eigenschaften der Recylatpolyole

werden ausgenutzt; durch optimierten Einsatz von organischen und anorga-

nischen 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

Um hüllungsmaterialien 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, Poly-

butylenterephthalat 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 Modu-

len Hochleistungswerkstoffe, Spezielle Werkstoffe und Verfahren, Innovative

Werkstoffe und Verfahren, Hochleistungswerkstoffe und Beschichtungen,

Umwelttechnik sowie einsatzfähige Lehrinhalte zu Verbundwerkstoffen und

Kreislauftechnologien.

In der Fachgruppe 6.2 Rastersondenmikroskopie, Tribologie und Verschleiß-

schutz (Dr. Sturm) der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

(BAM) wird Grundlagenforschung betrieben bzw. langjährige Erfahrung aus

Schadensanalysen, Machbarkeitsstudien und Tribosimulationen zur Optimie-

rung von Systemen genutzt. Dies betrifft Produkte und Anlagen, die den Ober-

flächenphänomenen Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, also bewegte

Bauteile besitzen. Ziel ist, deren Qualität, Funktionalität, Zuverlässigkeit, Leis-

tung und Betriebssicherheit zu steigern und/oder Energie- und Materialver-

luste, 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 Anla-

genbau, 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 Kompetenzfel-

der: ›Tribologische Optimierung, Schadensanalyse; Extrembeanspruchung‹,

Dr. Heinz Sturm


266

›Schwingungsverschleiß; Mikro-/ Nanotribologie; Modellentwicklung‹ und

›Kryo-, Wasserstoff- und Vakuumtribologie‹. Von der langjährigen Erfahrung

in Sachen Tribologie können Interessierte durch die veröffentlichte (kosten-

pflichtige) 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 Schicht-

systeme (zum Beispiel UV-Schutz) und metallische Überzüge (für Korrosions-

schutz oder elektro-magnetische Abschirmung). Zur Bestimmung von Ober-

flächen- und Schichtkenngrößen mechanischer, mikrostruktureller, optischer

und elektrischer Art sowie Oberflächen- und Schichteigenschaften wie Ober-

flächentopographie 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 Kompe-

tenzen umfassen die Herstellung von Schichtsystemen, Referenzmaterialien,

die Validierung von Prüfverfahren, Referenzverfahren, die Erstellung von Prüf-

berichten und Gutachten, Schadensanalysen sowie Standardisierungs- und

Normungsarbeiten (DIN, EN, ISO).

Die BAM betreibt sowohl Auftragsforschung als auch Forschungskooperatio-

nen mit der Industrie und Universitäten, Drittmittelforschung sowie pränorma-

tive 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 Verschleißmin-

derung,

■ AnSim, Schichteigenschaften und Simulation von galvanischen Beschich-

tungs-Prozessen für den Korrosionsschutz (hierin vor allem Bestimmung

der Schichteigenschaften, Haftfestigkeit),

■ Fracture Analyzer (L.U.M. GmbH Berlin), Prüfung der Füge- und Haftfes-

tigkeit mittels Zentrifugentechnik (2004 patentierter Zentrifugenabreißtest:

Zentrifuge mit 12 Prüfkörpern aus Substrat, Schicht und Kleber für die Prü-

fung galvanischer Schichten, auch Hartstoffschichten),

■ NANOINDENTATION, EU-Netzwerk zu Prüfung plasto-elastischer Schichtei-

genschaften,

■ Analytik gefährlicher Stoffe und Gemische mittels TIRE (Total Internal Reflec-

tion Ellipsometry) und SPR (Surface Plasmon Resonance)-Ellipsometrie,

■ Easy-to-Clean, Oberflächen und Schichten für die Steril- und Lebens-

mitteltechnik,

Dr. Uwe Beck


267

■ REMAST, REference MAterial for the Scratch Test, European Commission Direc-

torate-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 außeruni-

versitären 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, Test-

methoden für keramische Coatings, CVD-Diamantwerkzeuge, chemische und

elektrochemische Überzüge betreffen.

Im Rahmen des Arbeitskreises Nanotechnologie, der die Nanomaterialfor-

schung 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 Herstellungsver-

fahren PVD, CVD, Sol-Gel-Technik bei.

Die Fachgruppe 6.5 Polymeroberflächen der BAM (Prof. Friedrich) forscht und

entwickelt an gezielten Funktionalisierungen von Polymeren mittels Modifi-

zierungs- oder Beschichtungsverfahren und analysiert oberflächenmodifi-

zierte 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 funk-

tionellen Gruppen bei diesen wurden Verfahren zur Erzeugung weitgehend

vereinheitlichter funktioneller Gruppen entwickelt, die dazu befähigen, ver-

schiedene Werkstoffe an ihrer Grenzfläche chemisch zu koppeln (hochhaftfeste

Polymer-Verbundwerkstoffe). Damit verknüpft ist eine höhere Leistungsfähig-

Prof. Dr. Jörg F. Friedrich


268

keit und Sicherheit von Bauteilen mit modifizierten Grenz- und Oberflächen.

Neben Verbundwerkstoffen ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten

wie Reibminderung, Korrosionsschutz, Barriereschichten, Antifouling-Ausstat-

tung 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 Oberflächenana-

lyse 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, Her-

stellung und Modifizierung von Pulvern und Schichten in Induktionsplasmare-

aktoren, Niederdruck-Plasmabehandlung und -polymerisation mit simultaner

Bedampfung und Plasmadiagnostik, Photoelektronenspektroskopie (ESCA),

dielektrische, thermische und Infrarot-Spektroskopie (FTIR-, Diffuse-Reflexi-

ons-Infrarot-Fourier-Transform-/DRIFT-, abgeschwächte Totalreflexion ATR-,

Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie IRRAS).

Im Rahmen des Arbeitskreises Nanotechnologie bringt die Gruppe zusam-

men 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 An wendung des innovativen Beschichtungsmaterials auf Werkzeugen/

Bauteilen und für die Schicht- und Bauteilcharakterisierung, also die Werk-

zeugprüfung.

Die anderen Kompetenzen wie zur Diamanttechnologie, zum Werkstoffver-

bund ›Hochleistungskeramik‹ und zur Schichtcharakterisierung, zur tribologi-

schen Prüfung oder zur Simulation brachten die anderen im Verbund arbeiten-

den einschlägigen Fraunhofer-Institute für Schicht- und Oberflächentechnik

(IST), für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und für Werkstoffmecha-

nik (IWM) ein. Die Diamantbeschichtung verbessert im Vergleich zur herkömm-

lichen 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


269

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 Fräs-

und 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).

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 mittel-

ständische Unternehmen zu fungieren.

Die Beschichtungstechnik ist in diesem Fall eng an die Fügetechnik ange-

bunden: So wie zahlreiche Bauteile dauerhaft gefügt werden müssen (stoff-

schlüssige Verfahren Schweißen, Löten, Kleben und umformtechnisches Fügen

in Mikroelektronik bis zum ›tonnenschweren‹ Schiffs- und Flugzeugbau), müs-

sen zahlreiche Bauteile dauerhaft beschichtet werden (metallische, organische,

anorganische Deckschichten). Zudem ergibt sich durch die Zusammenarbeit mit

der BAM bei Fragen der Materialprüfung eine Kompetenzstärkung.

Das Fraunhofer-IPK ist Koordinationsstelle für die Fraunhofer-Allianz Reini-

gungstechnik (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 Maßnah-

men 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 reini-

gendem Werkstoff und zu entfernenden Kontaminationen) essentiell. Dane-

Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier

Dipl.-Ing. Martin Bilz


270

111

Vgl. Fraunhofer Gesellschaft (2011a),

S. 20; Fraunhofer-Gesellschaft (Hrsg.)

(o.J.).

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 Pro-

duktionstechnik und Automatisierung (IPA), für Schicht- und Oberflächentech-

nik (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 wei-

teren erforderlichen Prozessschritten wie Lackapplizierung und Überprüfung

der Lackhaftung vereint, konnte umfassendes Know-how entlang der Prozess-

kette aufgebaut werden.111

Mit dem Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen bzw. Strahlverfahren bie-

tet das IPK ein Forum für Mitgliederfirmen und Interessierte.

Das Fraunhofer-IPK war im Verbundprojekt ›Anwendungsorientierte Simula-

tion zur Planung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter

Oberflächen – AnSim‹ (2007 bis 2010, BMBF-gefördert) auf produktionstechno-

logischer Seite beteiligt (Dipl.-Ing. Mollath).

Um mit Hilfe der Simulation maßgeschneiderte Oberflächen herzustellen,

also wie in diesem Falle galvanotechnische Schichten mit verbesserten Funk-

tionseigenschaften (auch Multifunktionalität) und geringerem Ressourcenver-

brauch 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 opti-

mierte Zellengeometrie und Hydrodynamik),

■ an den Beschichtungsprozess angepasste Gestaltung der vor- und nachge-

lagerten Fertigungsschritte,

■ optimale Integration des Beschichtungsprozesses in die Produktionsumge-

bung.

Es bedurfte daher vieler Erkenntnisse zur Automatisierung von galvanischen

Anlagen (vor allem Handhabungstechnik); gleichzeitig war dies die Schnitt-

stelle 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


271

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 mög-

liche Auswirkung auf die Entwicklung von Bauteilen die Berücksichtigung einer

weiteren Konstruktionsgerechtigkeit, nämlich der ›beschichtungsgerechte‹ Ent-

wurf. 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.





aus Wirtschaft und Technologie durch. Im Hauptanwendungsgebiet ›Optimie-

rung und Steuerung technischer Prozesse‹ widmet man sich am WIAS der Simu-

lation verfahrenstechnischer Prozesse und damit der Optimierung (Berechnung

optimaler Prozessparameter) von elementaren Produktionsprozessen wie

Schweißen und Härten , von Kristallzüchtung und des Designs optischer Git-

ter. 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 ›Mode-

ling and optimization of phase transitions in steel‹, ausgeführt von der Gruppe

Nichtlineare Optimierung und Inverse Probleme des WIAS (Prof. Hömberg).

In einer EU-geförderten Kooperation mit europäischen Partnern war die Fraun-

hofer-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 Eigenschafts-

veränderungen hinsichtlich verwendeter Plasmaenergien und Zusätze unter-

sucht 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 Sol-

anteil, geringe Temperaturbeständigkeit, hohe Wasseraufnahme. Hohe Netz-

werkdichten wurden durch hohe Plasmaenergien (pulsed DC) erhalten, ent-

sprechend ein für den Glaszustand typischer CTE, eine Schicht ohne meßbaren

Solanteil, Temperaturbeständigkeit bis >300 °C und eine geringe Wasserauf-

nahme. Mit einem Zusatz von ca. 25 Prozent Octadien an Plasmapolymeren

aus Acrylic Acid (AA) konnte ein Optimum an Verbesserungen erreicht werden.

Prof. Dr. Dietmar Hömberg

Dr. Olaf Kahle


272

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-Grup-

pen) mit geeigneten Reagenzien, durch Behandlung mit (funktionalisierten)

Alkylsilanen bzw. spezifische Prozesse wie Säure-Base-Reaktionen oder Kom-

plexbildung bewerkstelligt werden kann. Eine derartige Oberflächenmodifi-

zierung ist eine geeignete Methode, keramische Formgebungsverfahren (bei-

spielsweise Heißgießen oder Spritzgießen) sowie die Herstellung von Kunst-

stoff-Keramik-Kompositen zu verbessern, indem das rheologische Verhalten

(Fließen), Viskosität und Agglomerationsverhalten der Pulver-Suspensionen

entsprechend beeinflusst werden. So konnte ein verbessertes Verdichtungsver-

halten von Trockenpressmassen mit oberflächenmodifizierten Pulvern umge-

setzt werden. Fest am Pulver haftende Modifizierungsreagenzien vermindern

signifikant die Pulver-Pulver-Reibung (Tenside reibmindernd im Sinne einer

Grenzflächenschmierung), schwach haftende reduzieren deutlich die Pulver-

Wand-Reibung. Pulver aus Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirko-

niumoxid (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, dane-

ben aber auch als Filmbildner. Entsprechend untersucht das Institut neben der

Filmbildung sowohl Löslichkeit, Dispergierbarkeit, Extrudierbarkeit, rheologi-

sches 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 Tei-

len im Oberflächenauftrag, im sog. ›Strich‹ (Veredelung mit einem Bindemittel-

auftrag 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



273

in der Stoffmasse (Faser- und Füllstoffsuspension). Meist modifizierte Stärke ist

also ein Papierhilfsmittel in der Masse- und Oberflächenleimung, Beschich-

tungsmittel bzw. zur Laminierung von Papier geeignet. Gleichermaßen kom-

men 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.

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 ver-

traut. Bearbeitet werden oberflächenrelevante Aufgabenstellungen der ganzen

Werkstoffgruppe, entsprechend vielfältig sind die Anwendungen und der Nut-

zen. Die Technologien zur Oberflächenbehandlung bzw. Schichtabscheidung

wie

■ Aktivierung und Funktionalisierung von Polymeroberflächen im Nieder-

druckbereich 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 Kompo-

nenten- oder Bauteilherstellung (vergleiche Kapitel Dünnschicht-Elektronik

und Optoelektronik). Entwicklungen können im Labormaßstab wie im klein-

technischen Bereich umgesetzt werden; für die Charakterisierung von Ober-

flächen 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

Dr. Andreas Holländer


274

– Fluoreszenzschichten für die Sensortechnik

– UV-stabile Holzbeschichtungen

– Orientierungsschichten für Flüssigkristalle

■ Oberflächen- und Dünnschichtanalytik

– Charakterisierung der chemischen Struktur, der Topographie und makro-

skopischer Eigenschaften

Mit weiteren sechs Fraunhofer-Instituten ist das IAP beim Thema Oberflächen

in der Allianz Polymere Oberflächen POLO verbündet. In die interdisziplinä-

ren 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 Reinraum-

Glovebox,

■ 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 querschnitt-

haftem 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 blei-

ben, 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 – mikro-

verkapselte phase change materials; mit klebstoffhaltigen Mikrokapseln

beschichtete Schraubengewinde; intelligente Dichtungsmaterialien – Quel-

len nach Auflösung der Hülle bei Feuchtigkeit),

■ in der Farb- und Lackindustrie (Flakes, Pigmente, Antifoulingstoffe),

■ in der Textilindustrie, Druck- und Papierindustrie,

Dr. Mathias Hahn


275

■ als fluoreszierende Mikrokapseln (Kernmaterialien unter anderem: Farb-

stoffe, Mineralöle, Klebstoffkomponenten, Flammschutzmittel, Metall-

flakes, Schmiermittel).


das Fh-IAP 2009 die Technologieplattform Mikroverkapselung ins Leben geru-

fen. Sie verfolgt das Ziel, das Potenzial der Technologie zu nutzen, in verschie-

denen Industriesektoren profitabel zur Anwendung zu kommen, oder Unter-

nehmen 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 teilnehmen-

den Mitgliedsfirmen weiter.

In der von Prof. Möhwald geleiteten Abteilung Grenzflächen am Max-Planck-

Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG) gibt es mehrere For-

schergruppen 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 Eigenschaf-

ten geben und beispielsweise dem aktiven Korrosionsschutz dienen (BMBF

NanoFutur-Projekt ›Nanoskalige Hohlstrukturen mit eingebetteten Gastmo-

lekülen für neue aktive Korrosionsschutz-Systeme‹, BMBF-ForMaT-Projekt:

›Intelligente Nanocontainer für selbstheilende Antikorrosionsbeschichtun-

gen‹). An solchen Nanocontainern wird in der Gruppe geforscht, speziell an

der Kompatibilität zum Matrixmaterial, an der Verkapselung und Aufrechter-

haltung 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, oberflächen-

funktionalisierte Nanopartikel) angewandt, um den Kavitaionsprozess (Hohl-

strukturenbildung) zu kontrollieren.

Das Forschungszentrum für Leichtbauwerkstoffe Panta Rhei gGmbH, im Jahr

2001 gegründet, betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Pro-

duktion und Verarbeitung innovativer Leichtbauwerkstoffe in den Kernberei-

chen Werkstoff- und Oberflächentechnik, Fügetechnik, Konstruktion und Fer-

tigung sowie Materialforschung und Sensorik.

Die Ausstattung in den Bereichen Beschichtung/Oberflächenanalytik sowie

das Humankapital speisen sich überwiegend aus den beteiligten Lehrstühlen

Dr. Dmitry Shchukin

Dr.-Ing. Arturo Flores Renteria


276

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 Verdichterkomponen-

ten (Garkas, Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik)

■ Plasma-Diagnostik zur in situ-Messung konventioneller Plasmen und hoch

metallionenhaltiger HIPIMS-Plasmen zum Ionenätzen und für die Abschei-

dung von Dünnschichten (2008 bis 2010, Lehrstuhl Verbrennungskraftma-

schinen und Flugantriebe)

■ Organische Ferroelektrika durch nichtflüchtige Speicher (2005 bis 2009);

Kraftsensoren aus Polymerfolien – Piezoelektrische Polymersensoren für

HIPIMS-Beschichtungszentrum (PantaRhei)


277

Hochdruckanwendungen; Organische Feldeffekttransistoren; Pr-O-N-

Schichten: Dielektrika für 4H- und 3C-SiC-Oberflächen (Schmeißer, Lehr-

stuhl Angewandte Physik/Sensorik II)

Der Vernetzung zwischen im Leichtbau tätigen Wissenschaftlern und Wirt-

schaftsakteuren dient der jährlich stattfindende Cottbuser Leichtbauworkshop.

Im Mai 2010 stand er unter dem Motto ›Innovationen in der Dünnschicht-

technik‹. In den beiden Themenkomplexen ›Dünne Schichten für Bauele-

mente‹ 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 innova-

tive Energietechnik/Statusseminar Innostructure‹. Hier wurde die Beteiligung

an der Verbundforschung GeoEnergie Phase II vorgestellt, schwerpunktmäßig

wird materialwissenschaftliche Forschung im Bereich der Katalyse und Kor-

rosion 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

Die Atotech Deutschland GmbH mit Hauptsitz in Berlin ist Entwickler und Anbie-

ter 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

(Sub strate), Photopolymere (Resiste für die Leiterplattenstrukturierung) und

Leiter platten beschichtungen/Lacke. Die Metallisierung (funktionelle Metall -

oberflächen für die Elektro- und Elektronikindustrie), Halbleiter-Prozess tech-

nologien (Leiterbildgalvanisieren), Oberflächenbehandlung/ End ober flächen

so wie alternative Prozesstechnologien und entsprechende Anlagen tech no-

logien gehören dazu. Für Materialwissenschaften und Analytik sind am Haupt-

sitz Forschungs- und Entwicklungslabore vorhanden, in denen Equipment

für außenstromloses und elektrochemisches Abscheiden sowie für analytische

Zwecke (Ionenfeinstrahlanlage FIB, Rasterelektronenmikroskopie REM, Raster-

kraftmikroskopie AFM, Röntgenfluoreszenzspektroskopie XRF und viele weitere)

zur Verfügung steht.

Atotech Deutschland GmbH


278

Produkte und Systemlösungen für die allgemeine Oberflächenveredelung

umfassen Vorbehandlung , dekorative Beschichtungen, Kunst stoff beschich-

tung, Korrosionsschutzschichten, Hartchromverfahren, Chemisch Nickel-Ver-

fahren sowie umweltfreundliche Lösungen für Lackierbetriebe bzw. umwelt-

schonende Produktionstechnologien allgemein. Atotech ist damit Partner vieler

Hersteller der Automobil-, Sanitär-, Elektronik- sowie Schmuck- und Kon-

sumgüterbranche, 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 kom-

men. Am Standort Berlin arbeiten rund 400 Mitarbeiter in Fertigung, Lagerung

und Versand von Präzisionswerkzeugen.

Mit Hilfe selbst entwickelter Anlagentechnik wie für das Rund-, Flach-

sowie Centerless-Schleifen werden rund 28 Millionen Hartmetall-Bohrwerk-

zeuge (aus HighSpeedSteel HSS) endbearbeitet. Das können Standardwerk-

zeuge 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.

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 Telekommuni-

kations- und Automobilzulieferindustrie. Die Oberflächentechnik umfasst

Vor behandlungen, 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),

G-Elit Präzisionswerkzeug-GmbH

Schempp & Decker Präzisions-

teile und Oberflächentechnik

GmbH


279

112

Vgl. Innovationspark Wuhlheide

Managementgesellschaft mbH (Hrsg.)

(2008), S. 7.

■ 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). Kunststoff-

teile für technische Anwendungen aus ABS, PC, ABS/PC-Blends, PEI, LCP, PES,

PBT, PPA und PPO werden nach modernen Direktmetalliserungsverfahren gal-

vanisiert.

Zur Beschichtung hochkomplexer gestanzter Bänder und Halbzeuge sowie

zur Optimierung des Edelmetallverbrauchs entwickelt Schempp & Decker Son-

derverfahren in der Bandgalvanik. Mit den selbst entwickelten Bandanlagen

sind nicht nur vollflächige, sondern auch partielle Veredelungen von Kontakt-

bändern und Halbzeugen möglich. Gängige Selektivverfahren sind das Tauch-

tiefeverfahren (Band wird definiert in den Elektrolyten eingetaucht), Brushpla-

ting (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 Kontak-

tierung: Sie sind Bestandteil vieler elektrischer und elektromechanischer Bau-

gruppen 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 Oberflächenbe-

schichtungen und elektrischen Kontakten in der Telekommunikationszuliefer-

industrie (Festnetztechnologie, insbesondere DSL-Technik).

Die acolma GmbH ist ein kleines Unternehmen, das sich der Forschung, Ent-

wicklung und Vermarktung (Serienreife) eigener Produkte auf Basis eines

athermischen Lasermaterialbearbeitungsverfahrens widmet. Aufbauend auf

Forschungen des Geschäftsführers und der Musterfertigung im vorangegange-

nen Unternehmen Fimea GmbH ist eine Werkzeugmaschine zur kalten Laser-

materialbearbeitung gebaut worden. Durch den Materialabtrag in Form eines

›kalten‹ Prozesses konnten vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden, das Verfah-

ren ist universal auf verschiedensten Festkörpermaterialien anwendbar.112

Auf Anwendungsseite lassen sich einzelne Geschäftsfelder benennen:

■ Schädigungsfreie Mikrostrukturbearbeitung, also die Erstellung störungs-

freier Mikrostrukturen: Da die üblichen Beeinträchtigungen durch Hitze

(bei klassischer Lasermaterialbearbeitung) wie Rand-, Gratbildung oder

Materialausbrüche bei athermischer Oberflächenbearbeitung nicht auftre-

ten, können unter anderem sehr große Aspektverhältnisse erreicht werden.

Anwendungsbereiche sind die Chip-Herstellung (Auftrennen von Leitbahn-

schichten) und die Medizintechnik (gratfreie Kanülen).

acolma GmbH


280

■ 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 Laserstrahlverdamp-

fen (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 AHC-

Gruppe 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 plasmachemi-

schen Anodisierverfahren (Übersicht 13).

AHC Oberflächentechnik GmbH

Entstehung einer MAGOXID-COAT®- bzw. KEPLA-COAT®-Schicht durch Plasmaentladung

(AHC Oberflächentechnik GmbH)


281

Die Verbesserungsmöglichkeiten bestehender Verfahren werden im Anwen-

dungsfall bzw. durch Kundenanforderungen in Erfahrung gebracht, sodass

AHC kontinuierlich entwickelt und optimiert. Das Leistungsspektrum der AHC-

Gruppe umfasst über 100 Verfahren; viele sind selbst entwickelt und werden

weltweit als Lizenzen vergeben.

Die Arc Precision GmbH ist ein junges Unternehmen, das Plasmaquellen für

die gefilterte Bogenbeschichtung (filtered arc deposition) entwickelt und ver-

bessert. Das Unternehmen ist damit Lieferant von modularen Plasmaquellen

und kompletten Beschichtungsanlagen, macht aber auch Beschichtungstests

und Beschichtungen von Werkzeugen, Halbzeugen und Bauteilen im Lohnauf-

trag. Außerdem hat sich Arc Precision mittels entsprechender Ausrüstung bzw.

autorisierter Partner auch auf die Oberflächenanalytik spezialisiert und bie-

tet Industrie und Forschung entsprechendes Know-how für Beschichtungen,

Anlagentechnik und Prozessen mit Bogenentladung an.

Arc Precision GmbH

Übersicht 13: Am Standort Berlin eingesetzte Verfahren

der AHC Ober flächentechnik

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®

Plasmachemisch erzeugte tiefschwarze, matte Oxidkeramikschichten auf Aluminium, vor allem optische Anwendungen

Chemische Verfahren:- DURNI-COAT® (DNC 571)- DURNI-COAT® (DNC 520 – AL)- DURNI-COAT® (DNC-LCP)

Chemische Vernickelung verschiedenster Metalle, schützt vor Verschleiß und Korrosion, + andere funktionelle Anforderungen

Spezialverfahren:- META COAT® Metallisieren von Kunststoffen

- 3-D-MID-Beschichtungen

- Härteprüfung

Metallisierung von Hochleistungs- und faserverstärkten Kunststoffen (zum Beispiel PPS, CFK, GFK, PEEK, PPA, PBT, BMC u.v.m.) für: elektr. Leitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit, hohe HaftfestigkeitPartielle Metallisierung räumlich spritzgegossener Schaltungsträger aus Kunststoff (Three-Dimensional Molded Interconnect Devices – 3-D MID)


282

Bereits realisierte Oberflächentechnologien bewegen sich hauptsächlich in der

Mikrosystemtechnik. Dazu gehören

■ superharte Carbon-Beschichtungen für Informationsspeichersysteme (Fest-

platte, Lese-/Schreibkopf),

■ Kupfermetallisierung und Barriereschichten für die Dual-Damascene-Tech-

nologie in der Mikroelektronik,

■ Hartstoffschichten für Mikro-/Nano-Systeme,

■ Sensoren für verschiedene Anwendungen,

■ superdünne Tunnelbarrieren.

Die Berolina Metallspritztechnik Wesnigk GmbH ist Spezialist für die Ober-

flächenveredelung 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 ver-

schiedene Metalle.

Die Oxidkeramikschichten (Aluminiumoxid Al2O3, Chromoxid Cr2O3, Titan-

oxid TiO2 und Zirkonoxid ZrO2) dienen beispielsweise dazu, Bauteile wärme-

dämmend oder zum Wärmeabstrahler zu machen, indem weiße, reflektie-

rende 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/Chromcarbid-

Mischung werden bei Berolina Bremsscheiben beschichtet und wiederaufbe-

reitet. Wolframcarbid und Chromcarbid in einer Kobalt- oder Nickel/Chrom-

Matrix 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 gesche-

hen 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 Metallschäu-

men funktionalisiert werden können.

Zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von Bauteilen aus zellula-

ren Werkstoffen betrieb Berolina zwischen 2008 und 2010 in Kooperation mit

dem Fraunhofer-IFAM, Institutsteil Dresden und dem Fraunhofer-IWS Dresden

Berolina Metallspritztechnik

Wesnigk GmbH


283

intensive F&E-Arbeiten, die hauptsächlich die Werkzeug- und Verfahrensent-

wicklung betrafen. Daraus hervorgegangen sind Kompetenzen der Firma wie:

Umfangsbeschichtung von Faserronden (Nickel-Chrom-Stahl, Lichtbogensprit-

zen), Hitzeschutzbeschichtung der Oberflächen metallischer Hohlkugelstruk-

turen mittels Pulverflammspritzen (mit Oxidkeramik Al2O3, Thermobeständig-

keit /-wechselfestigkeit verbessernd), Herstellung lötfähiger Zinnschichten an

offenporigen Aluminiumschäumen und Umfangsbeschichtung von Faserron-

den mit Kupfer (beides mittels Drahtflammspritzen).

Berolina Metallspritztechnik Wesnigk hat viele Referenzen in der Haupt-

stadtregion, 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 Bundesdru-

ckerei 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 ver-

tretene) Konzerne aus dem Bereich Verkehr und Mobilität nahmen gleicher-

maßen Dienste zu wärmedämmenden, Verschleißschutz- und EMV-Schichten

in Anspruch.

Für die alfred rexroth GmbH & Co. KG, einen metall- bzw. blechverarbei-

tenden Mittelständler in Berlin und Rhinow (Brandenburg), standen die elekt-

rischen Funktionsschichten von Berolina im Zentrum des Interesses.

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 For-

schungsprojekten physikalische Modelle und numerische Methoden weiter.

CFX war am Verbundprojekt ›Anwendungsorientierte Simulation zur Pla-

nung und Produktion maßgeschneiderter, elektrolytisch erzeugter Oberflächen

– AnSim‹ (2007 bis 2010, BMBF-gefördert) auf Seiten der Simulationsentwick-

lung 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 Funk-

tionseigenschaften (auch Multifunktionalität) und geringerem Ressourcenver-

brauch 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 Zinkbe-

schichtung unter Produktionsbedingungen wurde diese unter Berücksichtigung

CFX Berlin Software GmbH


284

von chemischen und physikalischen Einflussgrößen (zum Beispiel Wasserstoff-

entstehung) simuliert und die Tauglichkeit des Verfahrens demonstriert. Die im

Projekt entstandene Simulationstechnik wird für die Optimierung des Zusam-

menwirkens 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 Grundlagen-

forschung 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; außer-

dem Substitutionsstoffe, etwa für formaldehydfreie Vernetzung und Polyester-

formulierung mit weniger Styrolmonomer. Ziel ist es auch, die Herstellungs-

prozesse zu optimieren, indem Qualität/Produktionskapazität verbessert, Kosten

gesenkt und Abfall vermieden werden. Die Anwendung neuer Synthesetech-

niken (zum Beispiel bei Flüssigkristallen) in aktuell entwickelten Komponen-

ten und Produkten (wie energiesparenden LC-Displays) wird ebenfalls ange-

strebt.

Die Dr.-Ing. Rainer Heyer Werkzeugtechnik GmbH ist ein 1991 gegründetes

Unternehmen, spezialisiert auf Hartstoffbeschichtungen für Hochleistungs-

werkzeuge, Werkzeugformen und Präzisionsbauteile, die in den letzten 15 bis

20 Jahren enorm an Bedeutung gewonnen haben. Eigenschaften, Schicht-

materialien, Legierungen und Schichtfolgen können individuell und repro-

duzierbar kundengerecht gestaltet werden, sodass wirtschaftliche Lösungen,

meist bestehend aus Oberflächenfinish, PVD-Beschichtung und WS2-Gleitstoff-

DIC Berlin GmbH

R & D Laboratory

Dr.-Ing. Rainer Heyer

Werkzeugtechnik GmbH

Übersicht 14: Beschichtungsprodukte der Dr.-Ing. Rainer Heyer

Werkzeugtechnik GmbH

Proz

ess Schicht Mate-

rialHärte in HV Schichtdicke in

µmReibungs-koeffizient vs. Stahl

Beschich-tungstem-peratur in ˚C

max. Einsatztem-peratur

Farbe

PVD

TiN TiN 2.300 0,5–4 0,4 250–450 600 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

CrN CrN 2000 0,5–6 (10) 0,3 200–450 700 silbergrau

WS2 WS2 300 ca. 0,5 (0,03) ca. 20 650 dunkelblaugrau

CVD 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


285

beschichtung zur Reibungsminimierung, gefunden werden. Polierte, geschlif-

fene, 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, Titancarbo-

nitrid, Titanaluminiumnitrid, Chromnitrid, Alucast (Chromnitrid), Multitic

(Titanaluminiumcarbonitrid) und/oder Wolframdisulfid verwendet (Über-

sicht 14).

Die INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in

der Fahrzeugindustrie mbH ist neben ihrer Tätigkeit für die Fahrzeug industrie

(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 Ener-

gieeffizienz‹ 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 Oberflächen-

technik besser umzusetzen. Kenntnis und Erfassung wesentlicher Energie daten

und Energieströme im Lackier- und Beschichtungsprozess, Einflussgrößen

und Wechselwirkungen sowie die Optimierung (mit Hilfe eines Computerpro-

gramms) stehen dabei im Mittelpunkt und münden in einer Handlungsanwei-

sung zur Erhöhung der Energieeffizienz bestehender wie neu zu entwickelnder

Anlagen.

Die Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH ist ein 1998 gegründetes, kleines

Unternehmen, das lasertechnologische Spezialausrüstung für die Mikrobear-

beitung 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, Mikro-

strukturieren, 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).

INPRO Innovationsgesellschaft

für fortgeschrittene Produktions-

systeme in der Fahrzeugindustrie

mbH

Laser-Mikrotechnologie

Dr. Kieburg GmbH


286

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 (Pro-

totypen, Nullserien) steht das äußere Erscheinungsbild des Werkstoffs im Fokus.

Durch Veredeln und Bedrucken werden Bauteile in technischer wie ästheti-

scher 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 Fertigungsverfah-

ren in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern und Experten verschiedener Dis-

ziplinen und der eigenen kreativen kollektionsartigen Entwicklung und Pro-

duktion von Aluminiumprodukten für verschiedene Lebensbereiche und eine

breite Zielgruppe.

Das Spektrum an Oberflächenveredelungen reicht von mechanischer Ober-

flächenbearbeitung (Bürsten und Schleifen, Scotchen und Polieren, Glasperl-

strahlen, 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 Orientie-

rung. Entsprechend müssen Zeichen bzw. Schrift hohe Qualität bei Haltbarkeit,

Lesbarkeit und Konturschärfe gewährleisten. Diesem Zweck dienen die Verfah-

ren 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.

Mit der NNT Nanotechnology AG (Berlin) und einem geplanten Forschungs-

labor bzw. einer Plattform für den Know -how-Austausch in der Bor-Nano-

Forschung 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 Weiterentwicklun-

gen der Materialien Nano-Bornitrid (NBN), Kubisches Bornitrid (cBN), Wurtzit-

Bornitrid (wBN) und Mono Crystal Diamond Powder (MCDP). Oberflächen- bzw.

beschichtungsrelevante Zielanwendungen sind – neben den reibungsmin-

dernden/korrosionsresistenten Oberflächen durch BORPower – nanomagne-

tische Speichersysteme (Datenträgerschichten mit erhöhter Aufzeichnungs-

dichte), Wärmeableitung für mikroelektronische Komponenten, magnetoresis-

tive Sensorik und Radioaktivität absorbierende Glasflächen.

Die Surflay Nanotec GmbH ist ein auf eine breitgefächert anwendbare Tech-

nologie zur Beschichtung und Funktionalisierung kolloidaler und planarer

Lechmann Engineering GmbH

NNT Nanotechnology AG

Surflay Nanotec GmbH Berlin


287

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 Anwendun-

gen in der Nano-Biotechnologie und Medizintechnik (Kapitel Oberflächen in

der Nano-Biotechnologie und Biokompatible und bioaktive Oberflächen; als

Trennmaterialien, Pigmentverkapselungen, sensorische/diagnostische Parti-

kel, multifunktionale Nano- und Mikrokapseln, Farbstoff-gelabelte Polymere,

fluoreszenz- und magnetismusfunktionalisierte Partikel, strukturierte TiO2-

Schichten 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 Verfah-

ren konzentrieren und entweder durch Verbandsmitglieder selbst oder über

Arbeitskreise/Veranstaltungen auch regional aktiv sind.

Die Härtereikreise der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstoff-

technik (AWT) begreifen sich als Fortbildungsprogramm im Bereich Wärmebe-

handlung 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 Wärmebe-

handlung , Werkstofftechnik, Fertigungs- und Verfahrenstechnik‹, ein jährlich

stattfindendendes Forum mit über 500 Teilnehmern, dient dem professionel-

len Austausch von Erfahrungen und Innovationen.

Arbeitsgemeinschaft Wärmebe-

handlung und Werkstofftechnik

(AWT)


288

113

Arthur D. Little GmbH et al. (2005).

Berliner Mitglieder der AWT sind außerdem: Optris GmbH (Infrarotthermome-

ter), Raytek GmbH (Infrarotthermometer), Siemens AG, Steremat Elektrowärme

GmbH (Kapitel Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik), thermo-

control 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 Inno-

vation + Technik, hat ein Programm zur Steigerung der Materialeffizienz in mit-

telständischen Unternehmen konzipiert bzw. mittels einer Studie113 die Poten-

ziale zu größerer Materialeffizienz dargelegt. Unter ›Querschnittstechnologien

zur Steigerung von Materialeffizienz‹ finden sich die Themen ›Oberflächenbe-

handlung mit Lackschichten‹, ›Tribologische Neuerungen‹ und ›Werkstoffsub-

stitution‹, 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.

Die Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. DFO ver-

tritt branchenübergreifend Mitgliedsunternehmen rund um die Oberflächen-

behandlung und bietet mit Veranstaltungen, deutschen und europäischen

F&E-Projekten, Weiterbildung/Qualifizierung und neutraler Fachberatung

gebündelte Kompetenz. Die DFO hat spezifische Fachausschüsse zu den Ober-

flächenthemen

■ 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.

Zwischen 2004 und 2006 hat die DFO mit dem Projekt Forschungsagenda Ober-

fläche, Analyse des Innovations- und Nachaltigkeitspotenzials im Bereich der

Oberflächenbehandlung, Schwerpunkte und Leitlinien zukünftiger Forschung

und Entwicklung aufgezeigt, um Impulse für die branchen- und technologie-

übergreifende Vernetzung in der Oberflächentechnik zu geben (Kapitel Politi-

sche Rahmenbedingungen).

Am Projekt ›Entwicklung eines Werkzeugs und einer Handlungsanweisung

zur Erhöhung der Energieeffizienz in Betrieben der Oberflächenbehandlung

DEMEA Deutsche Material-

effizienzagentur

Deutsche Forschungsgesellschaft

für Oberflächenbehandlung e.V.

DFO


289

(E hoch 3)‹ von 2010 bis 2012 (unter Beteiligung der INPRO GmbH) ist die DFO als

Projektleiter beteiligt.

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).

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 Grup-

pierungen wie der Fachverband ›Dünne Schichten‹ der Deutschen Physikali-

schen Gesellschaft (DPG), oder Arbeitskreise, wie der Arbeitskreis Biowerkstoffe

(Obfrau Prof. Fleck, TU Berlin) des Deutschen Verbandes für Materialforschung

und -prüfung e.V. (DVM), vertreten.

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 Ver-

bundprojekte versammelt (Laufzeit von 2009 bis 2013). Im Themenfeld Funktio-

nale Oberflächen sind drei Projekte mit Berliner Beteiligung vorhanden:

■ LOKEDEL Effiziente Fertigungstechnik zur Oberflächenveredelung

(Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegra-

tion Berlin (IZM), vergleiche Kapitel Energiewandlung und -speicherung)

■ ODPat Plasmabeschichtungstechnik für Aluminiumbauteile

(Projektpartner: Plasmetrex GmbH Berlin, vergleiche Kapitel Oberflächen-

und Schichtanalytik, Anlagentechnik)

■ P3T Modulare Fertigung strukturierter Metallschichten

(Projektpartner: OTA Oberflächentechnik Anlagenbau GmbH, vergleiche

Kapitel Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik)

Die Gesellschaft für Tribologie (GfT) richtet sich mit ihren regionalen Arbeits-

kreisen an interessierte Unternehmen und stellt in jährlich drei bis fünf Tribo-

logie-Kolloquien aktuelle und allgemeine tribologische Themenbereiche mit

neuesten Erkenntnissen aus Industrie und Forschung vor, meist verknüpft mit

der Besichtigung eines Industrieunternehmens ode r Forschungsinstituts. Der

Arbeitskreis Berlin/Brandenburg wird von Dr. Gradt (Bundesanstalt für Mate-

rialforschung und -prüfung, Fachgruppe 6.2) geleitet.

Deutsche Gesellschaft für Gal-

vano- und Oberflächentechnik

(DGO) e.V. im Zentralverband

Oberflächentechnik e.V. (ZVO)

Deutsche Gesellschaft für

Materialkunde e.V. DGM

DVM – Deutscher Verband für

Materialforschung und -prüfung

e.V.

Effizienzfabrik, Innovations-

plattform ›Ressourceneffizienz

in der Produktion‹

Funktionale Oberflächen

Gesellschaft für Tribologie GfT

Arbeitskreis Berlin/Brandenburg


290

Im Verband der Chemischen Industrie e.V., Landesverband Nordost sind

Berliner und Brandenburger Unternehmen verschiedenster Branchen, die

Oberflächentechnik anwenden oder entsprechende Zulieferer sind, vertre-

ten:

■ 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

Der Verein deutscher Ingenieure (VDI), Bezirksverein Berlin-Brandenburg, ver-

netzt 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.

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 Ober-

flächentechnik sowie bei Anbietern universell einsetzbarer Oberflächenbe-

handlungsverfahren (zum Beispiel Ultrapräzisions- und Lasermaterialbearbei-

tung) weist Berlin-Brandenburg eine breit gefächerte und wettbewerbsfähige

Kompetenz auf. Außerdem verfügt die Region über eine große Zahl von Dienst-

leistern und Zulieferern wie Lackhersteller und Ähnliche (Übersicht 15).

In Deutschland ebenso wie weltweit widmen sich zahlreiche Forschungs-

einrichtungen und Unternehmen den genannten Forschungsthemen und uni-

versellen Material- /Verfahrensentwicklungen mit Anwendungsmöglichkeiten

in verschiedensten Branchen.

Die industrielle Oberflächentechnik und insbesondere die Galvanotech-

nik in Deutschland verzeichnete 2010 und 2011 ein hohes Branchenwachstum

Verband der Chemischen

Industrie e.V.

– Landesverband Nordost

Verein deutscher Ingenieure VDI

Bezirksverein Berlin-Brandenburg


291

114

Vgl. Zentralverband Oberfl ächen-

technik 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 Oberflä-

chentechnik sehen die Verbände

■ in umweltfreundlichen Verfahren und Beiträgen zur Energiegewinnung

bzw. Energieeinsparung (Matrix von Eigenschaften, Anforderungen, Pro-

zessstabilität, Ressourcenverfügbarkeit, Energiebilanz und Langzeitverhal-

ten),

■ in neuen Herausforderungen für die Beschichtungstechnologie durch die

zunehmende Verwendung leichter Substrate auf Basis von neuen Kunst-

stoffen und Leichtmaterialien,

Übersicht 15: Ausgewählte Anbieter von Oberflächenbehandlung/

-veredelung (Lohnbetriebe) und Zulieferer

Berlin Brandenburg

A + Z Oberflächenveredelung Erwin Zuhse GmbH & Co. KGBLO Böhnstedt-Lackier- u. Oberflächentechnik OHGCreativ Color GmbH (Beschichtungen)Dangelmayr Oberflächentechnik GmbHDangelmayr Pulverbeschichtungs GmbHDiessner GmbH & Co. KG, Lack - und FarbenfabrikDruckwerkstatt Klaus RegelFotochemische Werke GmbH (Markenname X-ray RETINA)Hanomag Härtol Berlin Lohnhärterei GmbHHTB Härtetechnik GmbHHVB Hoch-Vakuum-Beschichtungs GmbH & Co. KGHWL Löttechnik GmbHITW Oberflächentechnik GmbHKMM Oberflächenbearbeitung GmbHKuhle Oberflächentechnik GmbHLANKWITZER PREMIUM COATINGSL. SCHULTE & Co. GmbHMilde-Beschichtungen GmbHMüller GmbHNano Zentrum Berlin NZB GmbHNAPIERALA GmbHNeuser GmbHNovak Siebdruck, Heike Novak/Ulrich Schmidt-Novak GbROberflächentechnik Kläke GmbH OTEKOva Oberflächenveredelung in Adlershof GmbHPhoton Laser Engineering GmbHPulverlackierung Sarnoch GmbHR. E. Müller GmbH (Pulverbeschichtungen)Schröder Galvanik e. K. Inh. Tanja BuschSchulz Rene Fräs- und Strahltechnik GmbHSK Steiner OberflächentechnikSteremat Galvanik GmbH BerlinTorkret Oberflächenschutz Berlin GmbH & Co. KGtscar, die GlanzschmiedeWeidling GmbH industrielle Kennzeichnungen

A bis Z Oberflächenveredelung GmbH & Co. KGAKON GmbHALUCOAT Oberflächentechnik GmbHB+R Oberflächentechnik GmbHDS-Galvanotechnik GmbH OberflächenveredelungENVIRAL Oberflächenveredelung GmbHFeuerverzinkerei Waldhelm Perleberg-Düpow GmbHFRG Oberflächenbehandlung GmbHGZO Oberflächentechnik GmbHHell GmbH & Co. Oberflächenveredelung KGib Industrielle Beschichtung GmbHIS – Steinführer & Co. GmbH OberflächenveredelungISO-TEAM Kunststoffbeschichtungs GmbHZweigwerk – KEIMFARBEN GmbH & Co. KG, Niederlassung AltenoKrause & Splett Pulverbeschichtung GbRLEP LOLL Entlackungs- und Pulverbeschichtungs-GmbHnano² Meißner & Powelz GbrNeißner GbR (Pulverbeschichtungen)OTE Oberflächentechnik GmbHOTEK Oberflächentechnik Köninger GmbH & Co. KGOTR Oberflächentechnik GmbHOVG GmbH (Pulverbeschichtungen)Peckel OberflächenveredlungPerformance FibersPrignitz – Color GmbH (Oberflächenveredlung, Pulverbeschichtungen)ProColor Pulverbeschichtungs GmbHPulverbeschichtung Nord GmbHSKS Pulverbeschichtung GbRSystec Oberflächen GmbH OberflächenbehandlungTrevira GmbH, Werk GubenVerzinkerei Trebbin GmbH


292

115

Verband der deutschen Lack - und

Druckfarbenindustrie e. V. (2010), S. 5.

■ 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 wahrge-

nommen. 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 Laserma-

terialbearbeitung 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 Berlin-

Brandenburg.

Auch Verfahrensentwicklungen aus anderen Forschungsfeldern, vor allem

aus dem Bereich Elektronik oder biokompatible Oberflächen dürften die indus-

trielle Oberflächentechnik als eine Art Vorlauf- oder Parallelforschung befruch-

ten. Auf den vorhandenen Kompetenzen kann die Region aufbauen.

5.6.4 Oberflächen- und Schichtanalytik, Anlagentechnik

Abgrenzung

Der Bereich Oberflächen- und Schic htanalytik/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),


293

■ zerstörungsfreie Materialuntersuchung an industriellen Werkstoffen oder

Kunstobjekten mit Hilfe von Synchrotronstrahlung,

■ Materialien und Grenzflächen (Grenzflächenspektroskopie),

■ Eigenschaften/Funktionalitäten von dünnen Schichten (zum Beispiel Was-

serdampf- und Sauerstoffpermeation, optische Dämpfung),

■ Auswahl und Weiterentwicklung von Oberflächen- und Schichtanalyseme-

thoden, Qualitätsmanagement der Analytik,

■ Dienstleistungen in Mikro-, Nanotechnologie und Nanomesstechnik, Spek-

trometrie,

■ Oberflächen- und Schichtfunktionalitäten (Prüflabore, Ingenieurdienstleis-

ter).

Zum anderen handelt es sich um Akteure, die Anlagentechnik sowohl für die

Oberflächen- und Schichtanalytik als auch für die Oberflächen- und Schicht-

präparation entwickeln und produzieren. In Berlin-Brandenburg sind die Her-

steller von Anlagen, Instrumenten und Komponenten auf einer ganzen Reihe

analytischer und präparativer Gebiete tätig (Übersicht 16).

Wissenschaft

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 Forschungsprojek-

ten widmet sich Prof. Winter der Grundlagenforschung und den zugehörigen

Untersuchungsmethoden für das Verständnis von Grenzflächenphänomenen.

So wurden im abgeschlossenen Sonderforschungsbereich 290 metal lische,

dünne Filme auf ihre Struktur hin untersucht und der Zusammenhang mit

Prof. Dr. Helmut Winter

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-Nahfeld-Mikroskopie

- Nano-, Synchrotron-, Röntgenanaly-tik

- Dünnschichtprozessanalytik für Halbleiter- und Photovoltaikbranche sowie Plasma-Ätz- und Abschei-dungsverfahren

- (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


294

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 Ober-

flächen von sauberen und oxidierten Substraten sowie dünnen Übergangs-

metalloxid-Filmen mittels streifender Ionen-Streuung (Ionenstrahl-Triangula-

tion) beobachtet, also die geometrische Struktur schon während der Präpara-

tion 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 Struk-

turen auf die katalytische Reaktivität der Übergangsmetalloxid-Oberflächen.

Die Untersuchung von Wachstum, Struktur und Magnetismus dünner Schich-

ten (ultradünne Fe-, Co- bzw. Mn- sowie binäre FexMn100-x-Legierungs-

Schichten) mit schnellen Ionen ist ein Forschungsschwerpunkt von Prof.

Winter. Die eingesetzten Methoden zeichnen sich durch ihre hohe Empfind-

lichkeit 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 (che -

mische Zusammensetzung),

■ integrale, sowie energie- und winkelaufgelöste Untersuchung der Ionen-

induzierten Sekundärelektronenemission (Wachstum und atomare Struk-

tur), SEE-Oszillationen,

■ Einfangen polarisierter Target-Elektronen in angeregte atomare Terme

(Magnetismus),

■ spin-polarisierte Spektroskopie von emittierten Target-Elektronen (Magne-

tismus).

Die thematischen Schwerpunkte liegen in den Bereichen Phasenübergänge,

Ummagnetisierungsprozesse und Grenzflächenkopplung.

Im Rahmen des DFG-geförderten Projekts ›Dynamik von Elektronentrans-

ferprozessen an Grenzflächen‹ widmete sich Prof. Winter der Untersuchung

von Ladungsaustauschprozessen zwischen Atomen/Ionen und Festkörperober-

flächen als Modell, das den direkten Vergleich mit theoretischen Rechnungen

erlaubt.

Im Praktikum ›Ionenimplantation und Rutherford-Backscattering‹ wird

Studierenden die Methode Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie zur Unter-

suchung oberflächennaher dünner Schichten mit Hilfe von schnellen Ionen

näher gebracht. Aus der Energieanalyse der unter festem Winkel rückgestreuten


295

Teilchen können Informationen über die Zusammensetzung der Probe gewon-

nen werden.

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 Eigen-

schaften 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 Oberflächentechni-

ken und Laseranwendungen,

■ Fertigung von Labor- und Erprobungsmustern,

■ Beratung und Hilfe für den wirtschaftlichen Einsatz der Oberflächenvergü-

tung 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), Rasterelektronen-

mikroskopie (REM), Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung (XRD).

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 Wei-

terentwicklung von Oberflächen- und Schichtanalysemethoden und ist auch

im Qualitätsmanagement der Analytik tätig (pränormative Forschung, Nor-

mung, Referenzmaterialien und -verfahren). Sie berät und informiert zu ana-

lytischen 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),

Prof. Dr. Asta Richter

Dr. Wolfgang Unger


296

■ 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 Rönt-

genstrahlung (0,0006 bis 150.000 eV). Im XUV-Bereich (extremes Ultraviolett),

für den BESSY II optimiert ist, stellt der Elektronenspeicherring rund 25 Pro-

zent der europäischen Forschungsinfrastruktur. Mit Hilfe der Experimente am

Speicherring können zerstörungsfreie Materialanalysen an industriellen Werk-

stoffen 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.

Die an BESSY II tätigen Forscher stammen teilweise aus anderen wissenschaft-

lichen Einrichtungen der Region (BAM, Max-Planck-Gesellschaft, Max-Born-

Institut, 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 Aufnah-

men von bisher zehn auf ca. drei Nanometer zu verbessern. Eine der bisheri-

gen Hauptanwendungen des SMART-Projekts zielt auf die Unter suchung 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 mikro-

skopische Abbildung erlaubt unter anderem, den Einfluss von Oberflächen-

defekten, 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 ›Anwender-

zentrum 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 mit-

Dr. Daniel Schondelmaier


297

116

Vgl. Komitee für Forschung mit Synchrot-

ronstrahlung (2009), S. 15, 38–39.

tels Lithographie, von Hologrammen als diffraktiv optische Elemente zur Strahl-

formung und Justierung von Lasern oder weitere mikro- und nanostrukturierte

optische Elemente stehen dabei im Mittelpunkt.116

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 inter-

disziplinären Forschungsverbund ›UV- und Röntgentechnologien‹ wirkte das

IAP am Verbundprojekt ›Neue Methoden und Geräteentwicklungen der Rönt-

genfluoreszenzanalyse 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 Feinwerk-

technik 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 Rasterelektronenmi-

kroskopie zu verbinden.

Das Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften ISAS (Institute for Ana-

lytical Sciences) ist allgemein in der physikalisch-chemischen Analytik und

speziell in der Material- und Grenzflächenanalytik tätig. Im Projektbereich

Grenz flächenspektroskopie unter Leitung von Prof. Esser können mittels

›Stan dard‹-Oberflächenanalysemethoden wie synchrotronbasierte Photo-

emis sionsspektroskopie (XPS und UPS), Auger-Elektronen-Spektroskopie

(AES), Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenbeugung (LEED, RHEED)

Festkörperober flächen, -grenzflächen und Nanostrukturen oder auch eher

moleküldeterminierte Oberflächen untersucht werden. Ebenso werden

da zu die optischen Unter suchungsmöglichkeiten Reflexions-Anisotropie-

Spektroskopie (RAS, vom NIR bis zum VUV-Spektralbereich), spektrale Ellipso-

metrie (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.


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

Dr. Reiner Wedell

Prof. Dr. Norbert Esser

Dr. Olaf Kahle


298

117

Vgl. Nestler, Ralf (2010).

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. Polari-

siertes Laserlicht mehrerer Wellenlängen (Messwellenlängen: 635, 1310, 1550

nm) in zwei Polarisationsebenen wird in einer Anordnung aus Lichtwellen-

leiterschicht, 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 Germani-

umphotodiode zu erfassen. Die Bestimmung von Brechungsindex und Schicht-

dicke 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 Beschichtungs-

technologien am PYCO sind in Kapitel Dünnschicht-Elektronik und Optoelektro-

nik und Bauteilbeschichtung, Verfahren, Simulation beschrieben.

Wirtschaft

Die Roth & Rau AG mit Hauptsitz im sächsischen Hohenstein-Ernstthal ent-

wickelte seit ihrer Gründung 1990 Plasma-Technologien für den industriellen

Einsatz und seit Ende der 1990er Jahre auch Plasmaprozesssysteme (Fertigungs-

Equipment) 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

Die Arc Precision GmbH in Wildau ist ein junges Unternehmen, das Plasmaquel-

len 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 Lohnauf-

trag. Außerdem hat sich Arc Precision mittels entsprechender Ausrüstung bzw.

autorisierter Partner auch auf die Oberflächenanalytik spezialisiert und bie-

Roth & Rau AG

Arc Precision GmbH


299

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 (Fest-

platte, Lese-/Schreibkopf),

■ Kupfermetallisierung und Barriereschichten für die Dual-Damascene-Tech-

nologie in der Mikroelektronik,

■ Hartstoffschichten für Mikro-/Nano-Systeme,

■ Sensoren für verschiedene Anwendungen,

■ superdünne Tunnelbarrieren.

Alphacontec ist Anbieter von Instrumenten für die Rasterkraftmikroskopie (AFM)

und optische Raster-Nahfeldmikroskopie (Scanning Near-Field Optical Micro-

scope 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).

Die Berliner Nanotest und Design GmbH wurde 2004 im Ergebnis des Verbund-

projekts ›Zentren Werkstoffe der Mikrotechnik‹ im Umfeld des Micro Materials

Centers Berlin (MMCB) gegründet. Sie erbringt ingenieurtechnische Dienstleis-

tungen im Bereich Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie/Nanomesstech-

nik und pflegt Kooperationen mit wissenschaftlichen Einrichtungen und der

Industrie (Pool an Messtechnik über die Kooperationspartner im Berliner Ver-

bund Micromaterials i.G. – BVM).

Das Unternehmen arbeitet im kürzlich gestarteten Verbundprojekt

›NANO PACK‹ mit. Das NANOPACK-Konsortium untersucht Systeme wie Carbon

Nanotubes, Nanoparticles und nano-strukturierte Oberflächen, um über-

schüssige Wärme von innenliegenden Schichtaufbauten in Halbleiter- und

Leistungsbauelementen abzuführen, die aus deren wachsender Integrations-

dichte 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, Work-

shops und Seminaren (zum Beispiel ›MicroCar 2011‹) und gibt gemeinsam mit

dem MMCB und EUCEMAN die wissenschaftliche Publikationsreihe ›Micromate-

rials and Nanomaterials‹ heraus.

Die Bestec GmbH ist ein Entwickler und Hersteller von Anlagen für die Oberflä-

chenanalytik 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,

alphacontec

Consulting & Services GmbH

Scanning Probe Microscopy

Berliner Nanotest

und Design GmbH

Bestec GmbH


300

■ 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-Spektroskopie-

System),

■ Clustertools und kombinierte Systeme (zum Beispiel MBE/Magnetronsput-

tern, 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 Com-

petence – 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(trans-

missions)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 EDS-

System 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 For-

schung an; weitere Methoden zur Element- und Oberflächenanalytik werden

durch Mikro-Röntgenfluoreszenzspektrometer (µ-XRF), Weißlicht-Interfe-

rometrie-Profilometer (optische berührungslose Oberflächenprofilometrie)

und Stylus Surface-Profilometer (Tastschnitt-Oberflächenprofilometrie von

Rauigkeitsmessung bis 3D-Mapping und Schichtspannungsmessung) abge-

deckt.

Createc ist Entwickler von Ultrahochvakuum-Systemen für die Dünnschichtab-

scheidung. Das Unternehmen stellt Molekularstrahlepitaxie-, Magnetronsput-

ter- und Laserablationsanlagen (Pulsed Laser Deposition PLD) her. In Berlin hat

Createc eine Niederlassung, die sich hauptsächlich mit der Niedertemperatur-

Rastertunnelmikroskopie (Low Temperature Scanning Tunneling Microscope

LT-STM/AFM) für die Oberflächenanalytik von Metallen, Halbleitern, Supra-

leitern und Kohlenstoff beschäftigt. Createc ist Mitglied des ›Network of Com-

Bruker Nano GmbH

Createc Fischer & Co. GmbH

STM/AFM Facility/Research Lab


301

petence – Solutions for Surface Science and Nanotechnology‹ (Kooperation mit

SPECS Surface Nano Analysis GmbH und Bestec GmbH).

Die CryoSnow GmbH ist ein 2005 gegründetes Unternehmen, das industrielle

Reinigungs- und Strahlgeräte zur trockenen, lösemittelfreien und umwelt-

freundlichen 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 über-

regionalen wissenschaftlichen Einrichtungen und Unternehmen, in denen

Anwendungsfälle und Machbarkeiten von Reinigungstechnologien untersucht

werden.

Die GP innovation GmbH (gegründet 1996) entwickelt und produziert stationäre

und mobile Vakuum-Saugstrahlanlagen für die mechanische Oberflächenbe-

arbeitung. Zu den Leistungen zählen auch Forschung im Bereich der Vakuum-

Saugstrahltechnologie, 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 Ober-

flächen,

■ 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 Ober-

flächen,

■ Aufrauen von Oberflächen als Vorbereitung von Farbgebungs- und Klebe-

prozessen,

■ Glätten/Verfestigen von Metalloberflächen,

■ Beschichtung von Oberflächen mit Zink und Kupfer.

Die IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH ist ein Forschungs- und

Entwicklungs-Unternehmen, das Geräte und Komponenten für die Rönt-

genanalytik, insbesondere für die prozessnahe in- und offline-Messtechnik,

entwickelt und fertigt – zum Beispiel den RFA-Scanner ELBRUS iXSCAN (Rönt-

genfluoreszenzanalyse, engl. XRF) oder die modulare Röntgenquelle iMOXS.

CryoSnow GmbH

GP innovation GmbH

IfG – Institute for Scientific

Instruments GmbH


302

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 abge-

schieden werden (zum Beispiel photovoltaische Schichten) bis zu Produkten

in flüssiger Form deren Fertigung hinsichtlich Zusammensetzung und Schicht-

dicke. 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 (Chalko-

pyrit-/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 Automatisierungs-

technik, Medizintechnik und Photovoltaik. Speziell im Produktionsprozess

kristalliner Silizium-Solarzellen deckt die Firma den Bedarf an Be- und Ent-

ladungstechnik bzw. Handlingsystemen für unter anderem Oberflächen- und

Beschichtungsprozessschritte (Ätzverfahren/Texturierung, Diffusion, Antireflek-

tionsbeschichtung) 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.

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

Jonas & Redmann Group GmbH

JPK Instruments AG


303

■ Bindungsstudien an Rezeptor-Ligand- oder Antikörper-Antigen-Bindun-

gen,

■ Untersuchung von optisch aktiven Verbindungen oder Materialien für Bio-

sensoren, Kapseln, Farb- und Farbstoffentwicklungen,

■ Studien an Biomaterialien für Biosensoren, Kapseln und sonstige Anti-

Biofouling-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 unter-

schiedlichen Temperaturen und Umgebungsmedien.

Die Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH ist ein 1998 gegründetes, kleines

Unternehmen, das lasertechnologische Spezialausrüstung für die Mikrobear-

beitung sowie Lohnarbeit in dieser Technologie anbietet (Kapitel Bauteilbe-

schichtung, 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 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-

Laser-Mikrotechnologie

Dr. Kieburg GmbH

LayTec In-Situ- and

Nanosensors AG

Optischer SolR®-Messkopf an einem Rolle-zu-Rolle TCO-Beschichtungssystem (LayTec)


304

zeit, sodass Fehler im Produktionsprozess korrigiert werden können und damit

Ausschuss reduziert sowie kosten-, energie- und ressourcenschonend produ-

ziert wird.

Das Mess- und Überwachungsequipment dient industriellen wie forschen-

den Einrichtungen in der Verbindungshalbleiterherstellung (mittels MOCVD,

Molekularstrahlepitaxie MBE usw.) für elektronische und optoelektronische

Anwendungen (zum Beispiel GaN-, AlGaAs- und AlInGaP-LED oder -Laser-

dioden, 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 Messtechni-

ken für typische Dünnschichtsolarzellen (CdTe, CIGS, Konzentratorzellen) sind:

Reflektometrie, strahlungskorrigierte Temperaturmessung, Krümmungsmes-

sung 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 opti-

schen 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 Euro-

päischen 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.

Die OTA GmbH, eine aus dem Bereich Maschinen- und Anlagenbau der OTB

Oberflächentechnik GmbH und der Anlagenautomatisierung von P.O.P. fusio-

nierte Firma, hat sich auf Automatisierungslösungen und Anlagen der Ober-

flächentechnik und Photovoltaikindustrie spezialisiert. Darunter finden sich

Bandgalvanikanlagen, Bandanlagen für Sonderapplikationen, Reinigungs-

und Oberflächenbehandlungssysteme (SPOX®), Galvanikanlagen zur Herstel-

lung von Batteriegittern und zur Folienbeschichtung.

Seit 2006 entwickelt OTA auch Anlagen zur Fertigung von Dünnschicht-

Solarzellen (CIS-Technologie) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, wobei Prozesse

wie

■ galvanische Abscheidung von Gallium, Indium, Kupfer,

■ Beschichtung,

■ chemische Bearbeitung des Materials,

LIAS GmbH

OTA Oberflächentechnik

Anlagenbau GmbH


305

■ Laserbearbeitung und

■ mechanische Bearbeitung

umgesetzt werden.

Seit 2010 ist OTA Mitglied im Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbauer

(VDMA). Im Verbundprojekt ›P3T Modulare Fertigung strukturierter Metall-

schichten‹ der Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produktion‹ ist

OTA Projektpartner beim Aufbau eines modularen prototypischen Anlagenkon-

zepts zur ressourceneffizienten Fertigung von strukturierten Metallisierungen

für Elektronikkomponenten. Strukturierte Aktivierung von Folien mittels Atmo-

sphärendruckplasma, selektive additive chemische und galvanische Metallisie-

rung der aktivierten Folien sowie aufbau- und 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.

Die OTB Oberflächentechnik in Berlin GmbH & Co, inzwischen Teil der Diehl

Metal Applications GmbH (DMA), war bis dato ein auf die Elektro- und Elektro-

nikindustrie 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 Präzisionsbe-

schichtung zwei- und dreidimensionaler Stanzbänder, Sonderbeschichtung

und Musterbearbeitung von Präzisions-, Band- und Einzelteilen) vereinte OTB

Know-how insbesondere für die Automobil-Elektronik, mobile/drahtgebun-

dene Kommunikationstechnik, Hausgerätetechnik, Bauelementeindustrie und

allgemeine Aufbau- und Verbindungstechnik.

Gemeinsam mit regionalen Diehl Metal Applications-Unternehmen wie

ZIMK Zehdenick Innovative Metall- und Kunststofftechnik (Zehdenick in Bran-

denburg), 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 Oberflächen-

veredelung bis zu Umspritzen und Montage von Baugruppen für elektrische

und elektronische Anwendungen.

OTB Oberflächentechnik in Berlin

GmbH & Co.


306

Die Plasmetrex GmbH entwickelt und vertreibt Plasma-Messtechnik. Das Unter-

nehmen bietet außerdem Service und Beratung rund um Plasma-Prozesse an.

Die Geschäftsbereiche umfassen in situ-Plasma-Messsysteme für Ätz- und

Abscheidungsverfahren in der Halbleiterfertigung, Plasmaüberwachungs-

equipment für große Kammern (zum Beispiel Photovoltaik- und Displayher-

stellung) und Low-Cost-Plasma-Messtechnik für die allgemeine Oberflächen-

behandlung. Die Messtechnik, bestehend aus Sensor, Signalwandler und

verarbeitender Software (zum Beispiel Plasma Metrology System Hercules®),

nimmt Messungen der Plasma-Parameter wie Elektronendichte und Elektro-

nenkollisionsrate in Echtzeit vor.

Die Firma bietet in Hinsicht auf Weiterbildung und Beratung zum Thema

Plasma Kurse an – zum einen ›Plasma School for Semiconductor Manufactu-

ring‹ (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 Alumini-

umbauteile‹ der Innovationsplattform ›Ressourceneffizienz in der Produk-

tion‹ (Laufzeit 2009 bis 2013) ist Plasmetrex Projektpartner. Gegenstand der

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist eine Duplex-Plasmatechnologie

zur Oberflächenbehandlung von Aluminiumwerkstoffen. Die Verfahrens-

schritte Härtung durch Plasmadiffusion, Wärmebehandlung und Plasma-CVD-

Beschichtung sollen so verknüpft werden, dass Aluminium mit verschleiß- und

reibungsmindernden Beschichtungen wie Diamond-Like-Carbon (DLC) verse-

hen 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).

Die RST Rail System Testing GmbH ist eine Ausgründung aus dem Unter nehmen

Bombardier und bietet Prüf- und Ingenieurleistungen für viele Industrie-

zweige, unter anderem für die Verkehrstechnik, an.

In den verschiedenen Laboren – Werkstofflabor, Umweltlabor und Brand-

labor – 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-Prüf-

raum, –75 bis +220 °C, 10 bis 100 Prozent relative Luftfeuchte,

■ Nachweis der Widerstandsfähigkeit von PV-Moduloberflächen gegenüber

Hagelkörnern,

Plasmetrex GmbH

RST Rail System Testing GmbH


307

■ am Prüfstand für statische Flächenbelastungen zur Simulation von Wind-,

Schnee- und Eislasten auf PV-Modulen,

■ im Korrosionsprüfraum mit Salznebel/Meerwasser, Schwefeldioxid/Schwe-

felwasserstoff, 1 m³, +25 bis +60 °C, bis 100 Prozent relative Luftfeuchte.

Die RTG Mikroanalyse GmbH Berlin ist ein Dienstleister für Materialunter-

suchungen.

Im Labor werden schwerpunktmäßig mikroanalytische Untersuchungen

mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) bzw. zwei entsprechen-

den 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, organi-

sche 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 quanti-

tativ 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 ist Spezialist für Fertigungs- und Automatisierungstechnik, unter

anderem zum Laserfügen (mit und ohne Nahtführung) und zum Lichtbogenfü-

gen, speziell aber auch zum Laserhärten. Scansonic entwickelte eine Härteoptik

für unterschiedliche Aufgaben. Vor allem hochbelasteten Bauteilen des Fahr-

zeugbaus (im Motor, Getriebe) soll die richtige Kombination von Härte (Ver-

schleißschutz) und Zähigkeit (Dauerfestigkeit) verliehen werden.

Beim Laserhärten erhitzt ein Laserstrahl mit bestimmter Einwirkzeit das

Werkstück (Stahl) an der Oberfläche, die in der oberflächennahen Zone vor-

handene 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 Beanspruchungs-

grad (Schneidkanten, Lagersitze) oder Bauteilgeometrie (gewollt scharfte Kan-

ten, schwer zugängliche Stellen) an. Die Optik des Scansonic RLH-A (Remote

Laser Hardening-Adaptive) regelt die tatsächliche Bauteiltemperatur dyna-

misch, wodurch Bauteile gezielt und kontrolliert aufgehärtet werden können.

RTG Mikroanalyse

Scansonic IPT GmbH


308

Die Sentech Instruments GmbH ist Entwickler und Hersteller von Dünnschicht-

messtechnik (Reflektometer, Ellipsometer/spektroskopische Ellipsometer) und

Plasmaoberflächentechnik (Plasma-Deposition und -Ätzen).

Für F&E-Zwecke stehen folgende Instrumente zur Verfügung:

■ Reflektometer zur Schichtdicken- und Brechungsindexmessun g transpa-

renter oder schwach absorbierender Filme auf reflektierenden und Glas-

substraten

■ Laserellipsometer (und kombinierte Ellipsometrie/Reflektometrie CER)

■ Spektroskopisches Ellipsometer (größter Spektralbereich)

Für die industrielle Qualitätskontrolle:

■ Großflächenmesssysteme

■ Spektroskopisches Ellipsometer für automatische Routinemessungen

■ In-line-Prozesskontrolle

Speziell für Photovoltaikherstellungsprozesse:

■ Laserellipsometer und Reflektometer für die Vermessung von Antireflex-

Beschichtungen auf Siliziumsolarzellen

■ Horizontale und vertikale Messsyteme für großflächige Dünnschichtsolar-

zellen

■ Spektroskopisches Ellipsometer zur Analyse von TCO-Schichten (SnO2, Indi-

umzinnoxid ITO, Aluminiumzinkoxid AZO)

■ Spektroskopische Ellipsometer und Reflektometer zur Analyse von Absor-

berschichten (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) kön-

nen zu Cluster-Systemen für die Anwendung in F&E und Produktion konfi-

guriert werden. Die Prozessüberwachung erfolgt per Laserellipsometrie, Inter-

ferenzmessverfahren und optischer Spektroskopie in situ und inline für die

Messgrößen Schichtwachstum bzw. -erosion und Ätztiefe.

Sentech Instruments GmbH


309

Sentech ist Mitglied in der Initiative Berlin WideBaSe, im NanOp – Competence

Centre for the Application of Nanostructures in Optoelectronics und der Europä-

ischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V., EFDS.

Die SPECS Surface Nano Analysis GmbH entwickelt und produziert Instrumente/

Messtechnik für die Materialforschung, Nanotechnologie und Oberflächen-

technik. 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 Elektronen-

und 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 Ladungsneu-

tralisierung),

■ Dünnschichtpräparation/-wachstum

– Einzel- und Mehrkammer-Elektronenstrahlverdampfer für die Abschei-

dung 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 ato-

marem Wasserstoff,

– RHEED-Elektronenkanone für die Dünnschichtwachstumsanalyse.

Bei Anlagensystemen bietet Specs zwei vorkonfigurierte Lösungen für die Ober-

flächenanalytik, das ESCA-System ›SAGE‹ (Röntgenphotoelektronenspektro-

skopie XPS) und das SNMS-System ›INA-X‹ (Sekundärionen-Massenspektro-

metrie 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 ist ein Berliner Anlagenhersteller für Härtever-

fahren sowie für Kristallzüchtung, Vakuumprozesse und Bandbeschichtung.

Der Härtung, im Speziellen dem Randschichthärten, dienen Induktionser-

wärmungsanlagen (›Thermocompact‹ Härtemaschinen); die Kristallzüchtungs-

SPECS Surface Nano Analysis

GmbH

Steremat Elektrowärme GmbH


310

anlagen ermöglichen die Herstellung von Si-Einkristallen und optischen Mate-

rialien nach Floatzonen-, Czochralski- oder TSSG-Verfahren für die anschlie-

ßende 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 Labor-

Abscheideanlagen. Seit 2007 betätigt sich Steremat auch in der Produktion von

Bandbeschichtungsanlagen zur Erzeugung von Metallsalzschichten auf metal-

lischen Bändern, die in der Photovoltaik (CIS-Technologien) zur Anwendung

kommen.

Steremat Elektrowärme ist Mitglied in der Arbeitsgemeinschaft Wärmebe-

handlung und Werkstofftechnik (AWT).

Netzwerke

Das Network of Competence ist eine Kooperation von vier System- und Kom-

ponentenherstellern für die Oberflächentechnik bzw. –wissenschaft. Drei

Unternehmen – SPECS, Createc, Bestec – sind in Berlin ansässig. Diese Firmen

bieten zusammen Komplettlösungen für die Oberflächenbehandlung/Schicht-

präparation und Oberflächen- bzw. Schichtanalytik nach Kundenwunsch an

(hauptsächlich Forschungseinrichtungen). Dazu zählen Synchrotron-Beam-

lines 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.

Der VDMA vereint Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus in Abteilun-

gen, so auch in der Fachabteilung Oberflächentechnik. Bisher sind nur wenige

Unternehmen aus Berlin-Brandenburg Mitglied, der Schwerpunkt des Verban-

des liegt in Süd- und Westdeutschland.

Orientiert am Bedarf ihrer Mitglieder organisiert die VDMA Fachabteilung

Oberflächentechnik Arbeitskreise zu einzelnen Themen der Branche, beispiels-

weise

■ 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.

Network of Competence –

Solutions for Surface Science

and Nanotechnology

c/o SPECS GmbH

Verband Deutscher Maschinen-

und Anlagenbau e.V. VDMA,

Fachabteilung Oberflächen-

technik


311

118

VDMA (2011); VDMA (2009), S. 9.

119

Farken, Anne (2011).

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 Analy-

tik vor allem auf Untersuchungsmethoden für die Grundlagenforschung, also

auf das Verständnis von Ober- und Grenzflächenphänomenen. In der Präpa-

ration und Prozesskontrolle ist allgemein die Dünnschichttechnik angespro-

chen, und zwar sowohl bei der Grundlagenforschung (zum Beispiel Photonik/

Elektronik) als auch bei der angewandten Forschung (zum Beispiel Solar-

technik).

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 wissen-

schaftlichen Einrichtungen) und ist in der Hauptsache mittelständisch struk-

turiert. Mit den vorhandenen Kompetenzen ließe sich die Region zu einem

Analytik-Zentrum für die Dünnschichttechnik profilieren.

5.7 Kreativbranche/Begleitforschung/sonstige F&E

Abgrenzung

Der Bezug von Forschern und Entwicklern neuer Komponenten, Halbze uge

und Bauelemente zu neuen Materialien und insbesondere intelligenten Ober-

flächen 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 Produktde-

signs – 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

Be reichen

■ Architektur/Städtebau (Oberflächen am Bau, Photovoltaikarchitektur),

■ Industriedesign,


312

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.

■ 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 Unternehmens-

seite wurden im Jahr 2006 knapp 2.500 Architekturbüros für Hochbau/Innen-

architektur gezählt, dazu kamen rund 150 Büros für Industriedesign sowie

zahlreiche Ateliers für Textil-, Schmuck- und Möbeldesign.120 Für die Archi-

tektenbranche 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 aktu-

alisieren, 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 bautechni-

sche Anwendungen und geeignete Materialien, um Fassaden und ihre Wech-

selbeziehung 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 pulver-

förmiger, 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 ober-

flächennahe 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 Beeinfluss-

barkeit durch den Nutzer sollen mit möglichst wartungsarmen Mechanismen

umgesetzt werden. Damit sollen Kostenvorteile und Komfortverbesserungen

gegenüber bisherigen Fassadensystemen erreicht werden.

Prof. Rainer Hascher


313

An der Universität der Künste (UdK) Berlin ist mit dem Ziel, neuartige Koopera-

tionen zwischen Gestaltern und KMU einzugehen, das disziplinübergreifende

Forschungsprojekt ›Design Reaktor‹ (Prof. Schmitz/Prof. Kufus) ins Leben geru-

fen 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.

Das Fachgebiet Konstruktion und Technologie (Prof. Neumann) vermittelt an

der UdK ›Projektbegleitende Technologie‹ (Materialauswahl, Fertigungstechnik)

und ›Design mit Hochleistungs-LEDs‹ (Lichttechnik) in Seminarform für Design-

projekte im Hauptstudium.

Im Team Living EQUIA traten Studierende von UdK (Lehrstuhl Tragwerks-

lehre, 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 Vertikallamel-

len als Verschattungselemente mit integrierter Dünnschicht-Photovoltaik,

eine aus monokristallinen Siliziumsolarzellen bestehende Aufdach-Pho-

tovoltaik-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 Erscheinungs-

bild.

Das deutsch-italienische Forschungs- und Demonstrationsprojekt PVACCEPT

(2001 bis 2004, Dipl.-Ing. Arch. Hermannsdörfer) wurde von Berliner Archi-

tekten 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 Demonstrationsan-

lagen beteiligt, das IÖW – Institut für ökologische Wirtschaftsforschung gGmbH

Berlin brachte sich mit Akzeptanzstudien zur neuen Photovoltaikarchitektur

ein.

Prof. Burkhard Schmitz

Prof. Holger Neumann

Prof. Dr.-Ing. Christoph Gengnagel

Dipl.-Ing. Arch. Ingrid

Hermannsdörfer


314

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 veröffent-

lichte 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 Oberflächen-

technik & Design zum Thema ›materialwechsel – Neue Wege im Design durch

funktionelle Oberflächen‹ statt, dazu erschien ein durch die Europäische For-

schungsgesellschaft Dünne Schichten e.V., die BTU Cottbus/Lehrstuhl Entwerfen,

Verkehrsbauten und Arbeitsstätten sowie vom BDA – Bund Deutscher Architek-

ten gemeinsam herausgegebener Tagungsband. Das Forum wurde durch eine

Fachausstellung im DAZ – Deutsches Architekurzentrum Berlin begleitet.

An der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin beschäftigt man sich im

Fach Modedesign mit Flächendrucktechniken (Prof. Engelmann, Fachgebiet

Darstellungstechniken, Grundlagen Entwurf und Modellgestaltung, Flächen-

druck). 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 Verpa-

ckungen für Lebensmittel gründete (Kapitel Verpackungstechnologie für die

Lebensmittelindustrie).

An der Kunsthochschule Berlin (Weißensee) wird das Fachgebiet Produktdesign

durch Prof. Schwarz-Raacke vertreten, das Fachgebiet Textil- und Flächen-

design durch Prof. Berzina, die Projekte/Entwicklungen wie die thermosensitive

Tapete ›Touch Me‹ oder die LED-Installation ›E-Static.Shadows‹ durchführte.

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 weite-

ren 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, spezi-

elle Schalter und Hinterleuchtungen standen im Fokus – bis hin zur Verbindung

von OLEDs mit klassischen LCDs, die ›einfache‹ Verbundgläser zu Informations-

tafeln werden lässt.

Prof. Axel Oestreich

Prof. Andrea Engelmann

Prof. Kathrin Hinz

Prof. Susanne Schwarz-Raacke

Prof. Zane Berzina

Prof. Jörg Hundertpfund


315

123

Vgl. Innovationspark Wuhlheide

Managementgesellschaft mbH (Hrsg.)

(2010), S. 7–8.

Wirtschaft

Die abs Glashaus GmbH ist ein junges Unternehmen, das innovative Gewächs-

häuser mit geschlossenem Energiekreislauf entwickelt und fertigen will.

Kernthema ist dabei die Photovoltaik-Architektur, das heißt transparente Pho-

tovoltaikmodule 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 Energiegewin-

nung nutzen. Inzwischen wird an der dritten Generation von energiegewin-

nenden Gewächshäusern gearbeitet.

In die Forschungsprojekte sind die Humboldt-Universität sowie die spani-

schen Universitäten von Las Palmas und Almeria involviert; gefördert werden

sie von BMBF und BMWi.123

NMTC ist ein Berliner Beratungsunternehmen im Bereich Nano-/Mikrotechno-

logie 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.

Der Reflexbeton ›BlingCrete‹ ist eine Entwicklung der Künstlerin Prof. Kluss-

mann. 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 ret-

roreflektierende 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 Expe-

rimenteller 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, experimentell-

physikalische Oberflächenstrukturierungen für die Funktionalisierung von

Betonoberflächen zur Anwendung zu bringen.

abs Glashaus GmbH

NMTC – Nano & Micro Technology

Consulting

TASK Architekten

und Prof. Heike Klussmann

(freischaffend)


316

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-Solarzel-

len,

■ die Human Factors Consult, die mit mehreren Partnern (Humboldt-Univer-

sität 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 BIONA-

Projekt ›Adaptives Gewebe‹ zu Anti-Dekubitus-Hilfsmitteln beteiligt, mehr-

mals 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 Innova-

tion und Nachhaltigkeit gGmbH

Human Factors Consult HFC

Institut für ökologische Wirt-

schaftsforschung (IÖW gGmbH)

J. Mayer H Architekten

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).


317

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 fi rms 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).

Netzwerke

Für Kreative (Designer und Architekten) sollte eine Materialbibliothek bei

Modulor (Materialausstatter in Berlin) umfangreiche Musterkollektionen, Pro-

duktinformationen und Bezugsquellen bereitstellen,124 die Einrichtung dieser

Bibliothek wurde jedoch abgesagt.

Im Jahr 2009 ist mit ELEMENTE eine ›Ausstellung, Sammlung und Vermitt-

lung von Material‹ entstanden, die es Architekten, Designern, Bühnenbildnern

und anderen Kulturschaffenden oder Planern ermöglicht, geeignete Materia-

lien 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 Koope-

rationen von Designern und Unternehmern zu initiieren, ist hier vorhanden

und nicht selten an der Schnittstelle Designinnovation/Neue Materialien ange-

setzt, häufig mit Fokus auf den Nachhaltigkeitsgedanken.

Fazit

Die Kreativbranche und F&E-Dienstleister haben in der Region punktuell Bezug

zu Oberflächentechnologien und Materialwissenschaften, was sich haupt-

sächlich 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 Materia-

lien (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 Ber-

lin findet man das ELEMENTE MaterialForum. Solche unabhängigen Material-

bibliotheken 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. Sys-

tematische Forschungs-und Entwicklungsstrategien sind das Ziel, ein Haptik-

Versuchsstand 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,

Senatsverwaltung für Wirtschaft,

Technologie und Frauen

Geschäftsstelle Projekt Zukunft

Verband deutscher Industrie-

designer e.V. VDID


318

■ 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 Forschungseinrichtun-

gen, in einer Wissenslandkarte verortet würden.


319

6 Erkenntnisse und Empfehlungen

6.1 Aussichtsreiche Handlungsfelder in Berlin-Brandenburg

Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Hauptstadtregion in wichtigen Themen-

feldern 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 Entwicklungspo-

tenzial 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 sow ie

■ 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 Kompeten-

zen zeigt, dass die höchste Kongruenz zwischen beiden Ländern in den Berei-

chen Bio-Analytik und Diagnostik sowie Dünnschichtmesstechnik (Sensorik)

besteht. Aber auch bei Bauteilbeschichtung/Verfahrenstechnik können sowohl

Berlin als auch Brandenburg beachtliche Potenziale vorweisen. Oberflächen-

und 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.


320

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/Anwendungs-felder

Stärken/Chancen Schwächen/Risiken Erfordernisse

Oberflächentechnologien im Life Science-Bereich

Biokompatible und bioaktive Oberflächen

Diverse Verfahren in der An wen dung, auch in den nach stehenden Life-Science-Gebieten

Vielzahl von Anwendern

Konservativ-abwartende Haltung zur verbreiteten Anwendung

Kompetenz in der Öffentlichkeit wenig sichtbar

Werkstoffe im Zellkontakt als regionale Stärke bekannter machen

Demonstrationsprojekte starten

Tissue Engineering

Forschungsschwerpunkt regenerative Medizin

Relevante Anzahl von Abnehmern

Polymere Werkstoffforschung inkl. einstellbarer Oberflächeneigen-schaften

Wenige Produkte und Unter-nehmen

Regionale Oberflächentechnik-Kompetenzen in anderen Branchen nutzen

Vernetzung von Werkstofftechnik und Medizin weiter fördern

Nano-Bio-technologie

Grundlagenforschung stark be-setzt; einschlägige Kompetenzen bei Entwicklung von Biomateria-lien, bei Grenzflächen und Kol loiden an Forschungsinstitu-ten

Internationale Ausrichtung und Vernetzung

Etliche Anwender in Analytik und Verkapselung von Wirk-stoffen

In manchen Anwendungsfällen Zulassungsprozess und Risiko-/ Folgenbewertung nötig

Weiter beobachten und unterstüt-zen

Bio-Analytik und Diagnostik

Breites Know-how an Immo-bilisierungsmethoden

Breit aufgestellte Biomolekül-forschung; Diagnostika und Forschung zu Biosensorik

Regionale Netzwerkinitiativen

Metallische Substrate im Zellkontakt

Grundlagenforschung an elektro-nischer Auslesung von Biomolekül-basierten Signalen ausbauen

Oberflächentechnologie als Enabling Technology für Biosensorik sichtbar machen


321



Bioverfah-renstechnik

Vielfalt an Branchen bzw. Bio technologiebereichen (medizini sche/pharmazeutische, lebensmitteltechnische oder Umwelt-Biotechnologie)

Bioverfahrenstechnik ist international ein wesentlicher Bestandteil für Bioökonomie-bestrebungen anderer Branchen

Kleiner Technologiebereich F&E-Bedarf zur Trägerfixierung von biokatalytischen/affinen Sub-stanzen (Membrantechnik) separat ermitteln

Oberflächentechnologie als Enabling Technology sichtbar machen

Oberflächentechnologien in der Energietechnik

Solarthermie Produzenten von Solar-kollektoren, die Solarabsorber-schichten nutzen

Kaum Forschung zu Beschich-tungstechnologien

F&E-Bedarf in Zusammenarbeit mit angrenzenden Technologiefeldern bestimmen

Geschlossene Verwertungskette mit regionalen Beschichtungsdienst-leistern für die Energietechnik insgesamt bilden

Photovoltaik Vielschichtig betriebene grund-lagen- und anwendungsorien-tierte Forschung (Dünnschicht-, Silizium-, organische PV etc.)

Gute Vernetzung der Akteure

Einmalige Dichte von Kompeten-zen in der Dünnschichttechno-logie, oft mit Querverbindungen zu Halbleiterelektronik/Photonik

Produktionskapazitäten noch (bedarfsgerecht) steigerungsfähig

Beschichtungsdienstleistungen und Anlagenbau, auch Analytik zur Qualitätssicherung für die PV auf Energietechnik ausweiten

PVcomB stärken

Energiewand-lung und -speicherung

Katalyseforschung als Grundlage für künftige Energietechnologien gut vertreten

Kompetenz zu Ressourceneffizienz limitierter Werkstoffe, z.B. kata lytische Nanopartikel in Beschich tungssystemen

Werkstoff-Know-how bei Gasturbinen

Defizit bei Elektrochemie/Batterie forschung (gilt deutschland weit)

Kaum Unternehmen als An-wender von Dünnschicht- und Membrantechnologien in Brenn-stoffzellen und Energiespeichern

Ausbau einschlägiger For-schungskapazitäten an anderen deutschen Standorten

Oberflächen-/Dünnschicht-/Membrantechnik als Enabling Technology für die Energie technik voranbringen

Umwelt-technik

F&E und Anwender im Bereich Oberflächenmodifizierungen für Antifouling-Anwendungen

Betätigungsfeld bionische Ober-flächen kaum besetzt

Nanotechnologie im Umwelt-sektor an anderen deutschen Standorten weiter entwickelt

Bauwesen und Umwelttechnik als vielfältiges und Gewinn bringendes Einsatzfeld (Ressourcen- und Energie effizienz) erschließen


322



Oberflächentechnologien in Optik/Mikrosystemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnologien

Optische Vergütung

Neue Ansätze durch nano-technologische Erkenntnisse/alternatives Materialsystem

National und europaweit ähn liches Stärken- Schwächen-Profil

Wenige Akteure, aber Massen-produkte (Architekturglas, Displays, Solarglas)

Von der Förderung der Dünn-schichttechnik im Sektor optische Technologien profitieren

Chromogene Dünn-schichten

Neue technologische Ansätze

Einzelne konzeptionelle Vordenker

Keine andere Region profiliert

Wenige Forschungseinrichtungen und Unternehmen

Lange Entwicklungszeiten bis zur Marktreife, noch keine Massenanwendungen

Potenzial der Kooperation mit der Kreativbranche (Architektur/Bau-wesen/Design/Kunst) aus schöpfen

Vernetzung mit Anwendern (Ener gietechnik/Bauwesen, auch Automobilbau/Schiffbau) aus bauen

Lichtemission/Photonik

Breites Spektrum von Kompetenzen in der Dünnschichttechnolo gie: Halbleiter-Nanophotonik-Forschung, polymerbasierte Photonik

Relativ hohe Zahl an Firmen-ausgründungen

Vernetzung der Forscher unter -einander und mit Unternehmen

Region als Dünnschichtkompetenz-zentrum gemeinsam mit Elektronik, Photovoltaik, Messtechnik und Analytik profilieren

Dünnschicht-Elektronik und Optoelektronik

Vielschichtig betriebene grund-lagen- und anwendungs-orientierte Forschung (Silizium-, Verbindungshalbleiter-, organische Elektronik etc.)

Einmalige Dichte von Kompeten-zen in der Dünnschichttechno-logie, oft in Synergie mit Photonik, Photovoltaik

Spezifische Profilierung des Standorts in der Dünnschicht-Elektronik neben Photonik und Dünnschicht-Photovoltaik schwierig

Region als Dünnschichtkompetenz-zentrum gemeinsam mit Photonik, Photovoltaik, Messtechnik und Analytik profilieren

Potenzial in Verbindung mit Anwendern (gedruckte Elektronik, Wearables, Sicherheitstechnik) nutzen

Sichtbarkeit als Enabling Technology erhöhen

Dünnschicht-Messtechnik, Sensorik/Aktuatorik

Hohe Kompetenzdichte in der Dünnschichttechnologie

Sensorik in Deutschland basiert zu nahezu 100 Prozent auf Dünnschichttechnik

Forschungsseitig stärkere Präsenz als unternehmensseitig

Andere Regionen haben mehr Marktanteil in der Sensorik

Gesonderte Feststellung des F&E-Bedarfs nötig (Gesamt-betrachtung inkl. Bioanalytik/-sensorik)

Innovationspotenzial bei der aktiven Beeinflussung von Umgebungsparametern (Aktuato-rik) in Kooperation mit Energie-technik, Verkehrstechnik, Produktionstechnik nutzen


323



Funktions-textilien

F&E-Ergebnisse bei Wearables von überregionaler Leuchtkraft

Auch in Deutschland insgesamt junges Forschungsfeld

Entscheidungsmöglichkeiten viel-fach konzeptionell vorgedacht (Kooperation mit der Kreativ-branche, starke MST-Kompetenz)

Wenige Forscher und kaum Unternehmen

Forschungskuratorium Textil mit Sitz in Berlin hat kaum Mitglieder aus der Region

Massenprodukte und Verfahren zu deren Herstellung noch relativ weit von Markt- und Nutzer-akzeptanz entfernt

Anwendungsszenarien und Geschäftsmodelle mit der Kreativbranche entwickeln

Oberflächentechnologien in Verkehr und Mobilität

Luft- und Raumfahrt-technik

Wenige, aber bedeutsame wissenschaftliche und wirtschaft-liche Akteure, gut vernetzt

Hohe Instandhaltungskompetenz; überregional nur wenige spezialisierte Zulieferer

Substitution von gefährlichen Substanzen (Gesetzesvorgaben) als Innovationstreiber noch nicht genutzt

Weiter beobachten und unter-stützen

Fahrzeugbau Aktualität der Forschungsthemen (wie Beschichtung von Leichtbau-materialien)

Relativ wenige oberflächen-technologische Aktivitäten bei Fahrzeugbau-Akteuren

Weiter beobachten und unter-stützen

Marine Technik

F&E zu Unterwasseranstrichstoffen (Sportbootbau)

Wenige Akteure

Konkurrenzfähigkeit zu marinen Standorten gering

Von Grundlagen- und angewand-ter Forschung bei LifeScience und Umwelttechnik profitieren

Werkstofftechnik/Chemie/Analytik für Oberflächentechnologien

Printprodukte Hochschulkompetenz zu Fälschungssicherheit, Produkt- und Marken schutz, auch Zusammenarbeit mit Druckfarben-herstellern

Viele konventionelle Druckereien

Druck von Funktionalitäten außer Bild und Schrift kaum etabliert

Vernetzung über gemeinsame Projekte/Vorhaben, z.B. mit Bereichen gedruckte Elektronik oder Veredelungstechniken für flexible Substrate (Funktions-textilien, Verpackungstechno logie) vorantreiben

Bauteilbe-schichtung, Verfahren, Simulation

F&E für industrielle Oberflächen-technik breit aufgestellt

Viele Oberflächenveredler und Zulieferer

Hohes Branchenwachstum, dabei Diversifizierung charakteristisch

Ausgeprägte Diversifizierung erschwert Wahrnehmung als Branche

Innovationen stärker in das Blick-feld rücken

Einzelunternehmen stärken

Entschichtungs- und Reparatur-techniken als Grundlage von Servicegeschäften weiterent wickeln

Oberflächen- und Schicht-analytik, Anlagen-technik

Schwerpunktkompetenz Analytik

Deutschlandweites Branchen-wachstum im Anlagenbau

Hochspezialisierte Bedienung der Dünnschichttechnik und Oberflächenanalytik (v.a. wissenschaftliche Einrichtungen)

Zum Teil kleiner Anwenderkreis, Entwicklung zu Massenprodukten fraglich

Entwicklungschancen der Region als Analytik-Zentrum für Dünnschichttechnik erkunden


324



Oberflächentechnologien in der Kreativbranche, in Begleitforschung und sonstiger F&E

Kreativbran-che/Begleitfor-schung/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 Oberflächen-innovationen stärker zum Anlass für Kreativleistungen nehmen

Professionalisierung anstreben, Anwendungsszenarien für Ober flächentechnologien 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. Indus-

triezweigen angewendet werden. Weder in der Region noch übergeordnet

existiert eine Plattform zur Bündelung der Technologie- oder Forschungsför-

derung, 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 Kombi-

nationen‹ (Schumpeter) hervorbringen zu können. Vor diesem Hintergrund ist

es naheliegend, dass die Länder Berlin und Brandenburg hier eine Pilotfunk-

tion 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 Forschungs-

stellen 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,


325

Wissensvermittlung, gemeinsame Ideenfindungskultur sowie Rechtssicher-

heit (zum Beispiel bei Lizenzfragen) gekennzeichnet sein.

■ Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Hauptstadtregion eine Koordination

vorhandener Kompetenzen benötigt, um als Standort für oberflächentech-

nologische Forschung und Entwicklung wahrgenommen zu werden. Die

Einrichtung eines physischen Zentrums erscheint allerdings als unrealis-

tisch. 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 regio-

nale Wertschöpfung insgesamt erhöht werden. Als Querschnittstechnologie

sind die Intelligenten Oberflächen dazu prädestiniert, da sie ohnehin (Teil-)

Kompetenzen entlang von Material, Komponente, Bauelement, Endpro-

dukt verknüpfen. Die Netzwerkpartner können entsprechend Ebenen ihrer

Zusammenarbeit definieren. Ansatzpunkte sind Analogien in den Material-

systemen, 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 Ver-

breitung neuer oberflächentechnologischer Erkenntnisse, speziell in den

kleinen, hoch innovativen Technologiegebieten, ist eine intensivere Ein-

bindung der Kreativbranche angezeigt. Für Zusammenstellung und Vor-

bereitung von F&E-Tandems bzw. Verbundprojekten sollten fach- und

branchenübergreifende Workshops realisiert werden, in denen Ergebnisse

aus der vorwettbewerblichen Forschung oder komplementären Einzeldis-

ziplinen 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 wich-

tigem Bestandteil der Werkstoffforschung und -technik muss in Fachöf-

fentlichkeit und Technologiepolitik entwickelt werden – in Berlin-Bran-

denburg 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 wer-

den. 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 zeitaufwen-

dig. Für ein zeitgemäßes Wissensmanagement und zur Identifikation von

Wissenslücken und Forschungsbedarf in der Region könnten Intermediäre

Methoden wie Technologiemonitoring, Technologieplanung oder Tech-


326

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 Wis-

sen 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 bedeu-

ten 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 dahinter-

liegenden realen Orte, zum Beispiel Showrooms der Forschungseinrich-

tungen, wäre auch virtuell möglich, indem sie in einer Wissenslandkarte

verortet werden.

■ Eine Vernetzung und Ausgestaltung gemeinsamer interdisziplinärer Inno-

vationsthemen 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 Themen-

schärfung Förderprogramme für Querschnittsthemen offen zu halten.

■ An die Landesregierungen von Berlin und Brandenburg richtet sich der Vor-

schlag, 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 cluster-

spezifischen Oberflächenthemen einzugehen.

■ Die Koordination von Aus- und Weiterbildung könnte ebenfalls zum Hand-

lungsfeld der Region im Bereich Oberflächentechnologien werden. Lang-

fristig heißt das Einrichtung individueller und intradisziplinärer Bildungs-

gänge, Öffnung von Lehrveranstaltungen für Fachfremde, Ein und Aus-

richtung gemeinsamer Aufbaustudiengänge, die Inhalte quer über Natur-,

Ingenieur- und teils Gesellschaftswissenschaften verbinden, Förderung des

akademischen Nachwuchses mit oberflächenspezifischen Graduiertenkol-

legs und Förderung von Frauen in Oberflächentechnologien in Analogie

oder Ergänzung zu ›Frauen in Nano‹/Frauen in Technik.


Anhang



329

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338

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339

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-Transform-

Spektroskopie (DRIFT) · 112, 260, 268

Distributed Bragg Reflector (DBR) · 169, 199


340

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 Elektronenenergieverlust-

Spektroskopie (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


341

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-Raster tunnelmikroskopie (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


342

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

Tauchbeschichtung (Dip-Coating) · 50, 74, 96, 152, 153,

204, 225

Time of Flight-Spektroskopie (TOF) · 196, 206, 223, 296

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


343

Akteure Wissenschaft Prof. Armin Abel • 237 Prof. Dr. Jörg Acker • 111 Prof. Dr. Marion Ansorge-

Schumacher • 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

344

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

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 Lux-

Steiner • 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

345

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

346

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

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, Lack-

und Farbenfabrik • 291 Dr.-Ing. Rainer Heyer

Werkzeugtechnik GmbH • 284 Druckwerkstatt Klaus Regel • 291 DS-Galvanotechnik GmbH

Oberflächenveredelung • 291

347

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

GmbH & Co. KG • 291 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, Hygiene- und Wassertechnik GmbH • 147

Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH • 285, 303

LayTec In-Situ- and Nanosensors AG • 303

348

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 Mercedes-Benz-Werk Berlin-

Marienfelde/Daimler-AG, Mercedes-Benz Werk Berlin • 244

Merete Medical GmbH • 64 micro resist technology GmbH • 210 Milde-Beschichtungen GmbH • 291 MSG Lithoglas AG • 211 Müller 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

OTEK Oberflächentechnik Köninger GmbH & Co. KG • 291

OTR Oberflächentechnik GmbH • 291

Ova Oberflächenveredelung in Adlershof GmbH • 291

OVG GmbH (Pulverbeschichtungen) • 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

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

349

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

GmbH & Co. KG • 291 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 Galvano- und 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 mechatronische Technologien e.V. (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

350

Energy Harvesting Net c/o BKS Consult GmbH • 140

Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. EFDS • 211

Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg • 212

Forschungs- und

Anwendungsverbund Verkehrssystemtechnik Berlin FAV • 240

Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenz-Netz e.V. BIOKON • 148

Forschungskuratorium Textil e.V. • 233

ForschungsVerbund Erneuerbare 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

OpTec BB e.V. • 154, 158, 176 PhotonikBB e.V. • 177 Senatsverwaltung für Wirtschaft,

Technologie und Frauen, Geschäftsstelle Projekt Zukunft • 317

Taschentuchlabor • Impulszentrum

für Integrierte Bioanalyse • 100 TSB Medici/medtecnet Berlin-

Brandenburg • 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

Verein deutscher Ingenieure VDI Bezirksverein Berlin-Brandenburg • 68, 290

ZEMI - Zentrum für

Mikrosystemtechnik • 213 Zentrum für Molekulare Diagnostik

und Bioanalytik (ZMDB) • 101

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Studien zu Technologie und InnovationTSB Technologiestiftung Berlin

www.tsb-berlin.de

ISBN 978-3-929273-83-0

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Zur Autorin

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.

Dieses Projekt der TSB Technologiestiftung Berlin wird ausMitteln der Investitionsbank Berlin gefördert, kofinanziertvon der Europäischen Union, Europäischer Fonds fürRegionale Entwicklung. Investition in Ihre Zukunft!

Ines Junge

Intelligente OberflächenInnovationen aus Wissenschaft und Wirtschaft in Berlin-Brandenburg


Documents

Intelligente Oberflächen (5 MB)