Kurzzeichenverzeichnis ................................................................................................................................. 3 1. Einleitung .......................................................................................................................................................... 4 2. Aufgabe und Lösungsansatz ................................................................................................................. 5 2.1 Vorgehen bei der Recherche und verwendete Quellen ................................................... 5

2.2 Statistische Auswertung der Literatur ........................................................................................ 5

3. Kaffeeringeffekt ............................................................................................................................................. 8 3.1 Physikalische und strömungsmechanische Erklärungsansätze .................................. 8 3.2 Bedeutung des Effekts in der Inkjet-Technologie ............................................................. 19 3.3 Strategien zur Verhinderung des Effekts .............................................................................. 21 3.4 Diskussion der Ergebnisse ........................................................................................................... 24 4. Dokumentation ........................................................................................................................................... 25 4.1 Versuchsaufbau und Versuchsbeschreibung ..................................................................... 25 4.2 Beschreibung der Ergebnisse ..................................................................................................... 26 4.3 Diskussion der Ergebnisse ........................................................................................................... 30 5. Ausblick und Zusammenfassung ...................................................................................................... 32 6. Literaturverzeichnis .................................................................................................................................. 33 Anhang ................................................................................................................................................................. 36

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Kurzzeichenverzeichnis

 c Kontaktwinkel in °  A Vorrückwinkel in °  R Rückzugswinkel in ° Verdunstungsrate in m ³ /s J  Oberflächenspannungs-Temperatur-Koeffizient  dynamische Viskosität in mPa·s  c-c Mittenentfernung zwischen angrenzenden Ringen in m Ma Marangonizahl x Entfernung zwischen der Kontaktlinie und dem Tropfenmittelpunkt in m r der Teilchendurchmesser in m

MEH-PPV Poly[2-Methoxy-5-(2'-Ethylhexyloxy)-1,4-Phenylen Vinylen] Volumenverlust in m ³ V PVP Polyvenylphenol ITO Indium-Zinn-Oxid LED Leuchtdiode LCD Flüssigkristalldisplay

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1. Einleitung

Der sogenannte Kaffeeringeffekt wurde erstmals 1997 von Robert D. Deegan und seinen Mitarbeitern wissenschaftlich beschrieben ^[1] . Beim Trocknen von Flüssigkeiten in Tropfenform auf einer festen Oberfläche hinterlassen diese ringförmige Ablagerungen, da sich Partikel am Rand des Tropfens sammeln. Die Ringbildung ist jedoch ein in den meisten Fällen störender Effekt. Besonders bei Anwendungen im Inkjetbereich, also beim Druck funktionaler Schichten und bei

Beschichtungsprozessen wird der meist negative Einfluss deutlich. Die Inkjet-Technologie hat viele Vorteile gegenüber anderen Verfahren, wie z.B. der Photolithographie. Sie ist präzise, energieeffizient, platz- und kostensparend. Durch die Genauigkeit des Verfahrens wird Ausschuss minimiert und die Produktivität erhöht. Der Inkjet ist außerdem sehr flexibel bezüglich der bedruckbaren Stoffe und der druckbaren Tinten. Daher ist es für die Produktion verschiedener Produkte wie LEDs oder Solarzellen geeignet. Das Inkjet-Verfahren hat jedoch einen großen Nachteil: die daraus resultierenden Strukturen sind sehr anfällig für den Kaffeeringeffekt. Daher ist auch dieser in den letzten Jahren immer relevanter geworden. Tritt der Effekt auf, so werden gedruckte elektrisch oder thermisch leitende Schichten in ihrer Gleichmäßigkeit und damit ihrer Leistung und Leitfähigkeit beeinträchtigt ^[26][27] . Aus diesem Grund gibt es auch Bestrebungen den Effekt zu umgehen beziehungsweise ihn zu verhindern.

In dieser Arbeit soll ein Überblick über die theoretischen Ansätze zu physikalischen und strömungsmechanischen Eigenschaften des Kaffeeringeffekts dargestellt werden. Außerdem werden einige Methoden zur Verhinderung des Effekts gezeigt. Seine Bedeutung in der Inkjet-Technologie hängt jedoch nicht nur von Problemen, die er verursacht, sondern auch von den Möglichkeiten ihn gezielt zu nutzen, ab. Nachdem die Rechercheergebnisse kritisch diskutiert wurden, soll der Effekt und dessen Verhinderung in einer Dokumentation anschaulich dargestellt werden. Als Lösungsmittel wurde Wasser gewählt, weil der Effekt seinen Namen durch die typische Ringbildung in getrockneten Kaffeeflecken hat. Abschließend wird ein Ausblick auf zukünftige Möglichkeiten, Herausforderungen und Anwendungen gegeben. Dass ein derartiger Überblick sinnvoll ist, zeigten auch Tekin, Smith und Schubert, die im letzten Jahr die wichtigsten Erkenntnisse zum Kaffeeringeffekt und seiner Bedeutung in der Inkjet -Technologie zusammenfassten ^[27] .

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2. Aufgabe und Lösungsansatz

2.1 Vorgehen bei der Recherche und verwendete Quellen

Zur Suche von Fachtexten wurde die Suchmaschine GoogleScholar ^BETA genutzt. Es wurde nach folgenden Begriffen gesucht: coffee ring (180.000 Resultate); „coffee ring“ (452 Resultate); coffee ring effect (93.100 Resultate); „coffee ring effect“ (146 Resultate); coffee stain effect (42.500 Resultate); „coffee stain effect“ (111 Resultate); coffee ring stain (29.400 Resultate); "coffee ring stain" (14 Resultate); coffee stain (36.600 Resultate) und „coffee stain“ (996 Resultate). ¹ Des Weiteren wurde die Online-Datenbank Scopus zur Textsuche verwendet. Die Suche nach coffee ring effect ergab 26 Resultate. Aufgrund der großen Anzahl an Suchergebnissen erfolgte eine Selektion nach Kriterien, wie Relevanz des Papers in Bezug auf die weitere Forschung, zum Beispiel wenn ein Phänomen erstmals wissenschaftlich betrachtet wurde wie es bei Deegan der Fall war. Auch auf den Bezug des Textes zu Inkjet-Anwendungen wurde Wert gelegt. Es wurden einige Texte ausgewählt, welche die bisherigen Erkenntnisse zur Entstehung des Effekts, sowie zu seiner Verhinderung beziehungsweise seiner Nutzung behandeln.

2.2 Statistische Auswertung der Literatur

Die ausgewählte Literatur wurde zunächst nach Ort und Jahr der Veröffentlichung ausgewertet.

Die Zuordnung der Veröffentlichungen zu ihren Herkunftsländern wurde entsprechend der Nationalität der beteiligten Arbeitsgruppen in gleichen Anteilen vorgenommen. Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist, stammen die meisten Veröffentlichungen aus den USA. Doch auch in den Niederlanden und Deutschland gab es zahlreiche Publikationen, welche sich mit dem Kaffeeringeffekt beschäftigen.

¹ Resultate vom 1. August 2009 5

Die meisten deutschen Veröffentlichungen sind deutsch-niederländische Kooperationen, welche in der Schubert-Gruppe entstanden. Diese

Veröffentlichungen behandeln hauptsächlich Anwendungen von Inkjet-Technologien und den Problemen, welche der Kaffeeringeffekt dabei verursacht.

Abbildung 2: Anzahl der Veröffentlichungen von 1991 bis 2009. (Quelle scholar.google.de „coffee ring effect“; letzter Zugriff am 28.07.2009)

Wie in Abbildung 2 deutlich zu erkennen ist, steigt die Zahl der Veröffentlichungen seit dem Jahr 2003 rapide an. In diesem Jahr ist sie bereits mehr als fünfmal so hoch wie noch 2003. Ein Grund für den Anstieg des Interesses am Kaffeeringeffekt ist seine Bedeutung in der Inkjet-Technologie auf welche in Kapitel 3.2 näher

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eingegangen wird. Inkjet-Technologien kommen in der Produktion von Leuchtdioden (LEDs) oder auch Solarzellen zum Einsatz. Inkjet bietet auch eine kostensparende Alternative zu bisherigen Beschichtungsverfahren. Die Zahl der Veröffentlichung zum Kaffeeringeffekt stiegen in den letzten Jahren stark an, weil sich immer mehr Arbeitsgruppen mit dem Inkjet-Druck funktionaler Schichten beschäftigen und gerade da der Effekt meist unvorteilhaft zum tragen kommt.

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3. Kaffeeringeffekt

3.1 Physikalische und strömungsmechanische Erklärungsansätze

Von den ausgewählten Texten beschäftigten sich zehn mit den physikalischen und strömungsmechanischen Ansätzen zum Kaffeeringeffekt. Allein drei dieser Texte stammen von Robert D. Deegan ^[1][2][3] , welcher das Phänomen erstmals 1997 in „Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops“ wissenschaftlich betrachtete und dem Effekt seinen Namen gab. Seine Theorie zur Entstehung und den Eigenschaften eines Kaffeerings vervollständigte er 2000 mit „Contact line deposition in an evaporating drop“ und „Pattern formation in drying drops“. Seine Arbeiten gelten als Ausgangspunkt für die weitere Erforschung des Phänomens. Laut Deegan ^[1] entsteht ein Kaffeering beim Verdunsten von Tropfen in denen sich gelöste Festkörper befinden. Das Wachstum des Rings lässt sich als Potenzgesetz über die Zeit beschreiben und ist unabhängig von der Art der Flüssigkeit, der Art des Substrates und der Art der gelösten Teilchen. Durch die Oberflächenrauigkeit des Substrates wird die Kontaktlinie des Tropfens an einer Stelle fixiert. In der Nähe der Kontaktlinie ist die Verdunstungsrate am höchsten. Um diese Verdunstungsverluste zu kompensieren entsteht ein radialer Volumenstrom. Die gelösten Teilchen im Tropfen werden in Richtung der Kontaktlinie transportiert wo sie sich ringförmig ablagern und eine Wulst bilden (Abbildung 3). Die Teilchen fixieren wiederum den entstandenen Ring („Self-Pinning“ ^[2] ), sodass das System sich quasi selbst stabilisiert. Das Self-Pinning ist von der Ausgangskonzentration der Teilchen abhängig.

Wenn die Kontaktlinie nicht fixiert ist zieht sich der Tropfen zusammen, ohne dass ein Volumenstrom entsteht. Ist jedoch die Kontaktlinie fest, gibt es am Rand nur eine sehr kleine Volumenänderung, da das geometrische Volumen am Rand nahezu gleich bleibt. Das fehlende Volumen muss von innen nach außen nachfließen. Bei Tropfen reiner Flüssigkeiten ist die Kontaktlinie nur bis zu dem Punkt, an dem sich an der Dreiphasengrenze der sogenannte Rückzugswinkel eingestellt hat, fixiert. Danach zieht sich der Tropfen bei weiterem Trocknen zusammen und es entsteht dann kein Ring.

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