Barrierewerkstoffe

Barrierewerkstoffe sind Materialien, deren Aufgabe es ist, das Diffusionsverhalten von Gasen, Dämpfen, Wasser oder Ionen zu reduzieren. Sie kommen als dünne Schichten (Abdeckungen oder Filme) oder als Laminatstrukturen zum Einsatz und schützen Substrate aus Metall, Glas, Kunststoff oder organischen Halbleitern vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, Sauerstoff oder korrosionsfördernden Ionen. Die Barriereleistung hängt von Dichte, Kristallstruktur, Defektfreiheit und der geometrischen Tortuosität des Diffusionspfads ab.

Zu den Barrierewerkstoffen zählen vor allem anorganische Oxide wie Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4), die durch Verfahren wie Atomic Layer Deposition (ALD), Chemical- oder Physical-Vapour-Deposition (CVD/PVD) erzeugt werden. Organische Barrieren beruhen oft auf mehrlagigen Polymeren (z. B. PVDC, EVOH) oder Hybrid-Schichten; sie weisen oft geringere Dichte und unterschiedliche Umweltbeständigkeit auf. In vielen Anwendungen werden laminierte oder Nanolaminate Barriereschichten eingesetzt, um sowohl Barriere- als auch mechanische Eigenschaften zu optimieren.

Anwendungen umfassen Lebensmittel- und Pharmaverpackungen, Korrosionsschutz in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, Schutzschichten in OLED-Displays, Photovoltaikmodule und elektronische Bauelemente sowie Verpackungen von empfindlichen Oberflächen in der Halbleiterfertigung. Das Leistungsmaß wird oft durch Barrierestrom oder Permeabilität gemessen: Oxygen Transmission Rate (OTR), Water Vapor Transmission Rate (WVTR) oder Diffusionskoeffizienten.

Herausforderungen sind Defekte, Pinholes, Spannungsrissbildung, Adhäsionsprobleme und Temperaturschwankungen, die die Barriereleistung verringern. Die Herstellung großer Flächen erfordert kontrollierte Abscheidung mit niedrigem Defektvolumen. Der Trend geht zu Nanolaminate, konformen ALD-Schichten und hybriden Barrierestrukturen, die eine hohe Barriere bei geringem Material- und Kostenaufwand ermöglichen.