Large Scale Nano- and Micro-Structuring of Polymer Film by Roll to Roll Hot Embossing

Der menschengemachte Klimawandel ist die wohl größte Herausforderung der die Menschheit derzeit gegenüber steht. Ein Teil der Lösung dieses Problems werden Photovoltaikanlagen sein. Zwar wurden die Anlagen in den letzten Jahren immer günstiger; das Problem des sog. Soiling - die allmähliche Ablagerung von Staub und der damit einhergehende Effizienzverlust - besteht nach wie vor. Es existieren verschiedene Reinigungstechniken, von denen die meisten allerdings Wasser benötigen. Wasser, welches in den Wüstengebieten, wo Solarpanele sinnvollerweise aufgestellt werden, eine knappe Ressource ist. ... mehrEine Methode der Solarpanel-Reinigung, welche kein Wasser verwendet, wäre daher ideal. Um eine solche Lösung zu finden, lohnt unter Umständen der Blick in die Natur. Im Laufe der Evolution musste die Natur zahlreiche große Herausforderungen meistern und intelligente Lösungen für komplexe Probleme finden. Interessant sind insbesondere die Oberflächen von biologischen Proben, da die Oberfläche als Grenze zwischen dem Organismus und seiner Umwelt zahlreiche Funktionen übernehmen muss. Viele dieser Funktionen spielen sich auf der Mikro- und Nanoebene ab. Die künstliche Replikation von biologischen Oberflächen alleine ist eine Herausforderung. Die großflächige Herstellung von mikrostrukturierten, bionischen Oberflächen eine noch größere Herausforderung, da viele der Techniken, die zur Herstellung der Mikrostrukturen verwendet werden, auf die Größe von handelsüblichen Wafern beschränkt sind. Die Leitfrage dieser Arbeit lautet daher: Können mikrostrukturierte, bionische Oberflächen auf großer Fläche hergestellt werden?
Besonderer Fokus liegt dabei auf der Strukturierung von Polymerfolien, welche sich großer Beliebtheit in allen Bereichen des Alltags, von einfachen Verpackungen über Medizinprodukte bis hin zur Raumfahrt erfreuen. Die großflächige Strukturierung derartiger Folien mit bionischen Strukturen erscheint besonders vielversprechend, da die enorme Vielfalt von Polymeren und deren Eigenschaften einen Einsatz bionischer Oberflächen in zahlreichen Bereichen und Anwendungen ermöglichen könnte. Die Verarbeitung der Polymerfolien findet mittels einem kontinuierlichen Rolle zu Rolle (R2R) Heißpräge-Verfahren statt, welches die Mikrostrukturierung großer Flächen bei hohem Durchsatz ermöglicht.
Zu Beginn der Thesis wird ein Prozess zur großflächigen Herstellung von sogenanntem Nanopelz vorgestellt. Seine Oberfläche imitiert die haarige Oberfläche des Schwimmfarns (Salvinia molesta) und zeichnet sich durch extreme Hydrophobie sowie Oleophilie aus. Dies führt zu selbstreinigenden Eigenschaften, ähnlich der bekannten Lotus-Pflanze. Zu den Vorteilen des Nanopelz zählt, dass er ohne komplexe Formeinsätze hergestellt werden kann. Dies ermöglicht die grundsätzliche Machbarkeit von bionischen, durch R2R-Heißprägen hergestellten Oberflächen, zu demonstrieren. Im nächsten Schritt wird der Prozess weiterentwickelt, um beliebige Oberflächen-Strukturen auf diese Weise herstellen zu können. Dabei wird Folienextrusion mit R2R-Heißprägen kombiniert. Dieser neue Prozess wird dann genutzt, um bionische Oberflächen, welche vom Sandfisch (Scincus scincus) inspiriert wurden, herzustellen. Diese Oberfläche soll eine trockene Selbstreinigung von Solarpanelen ermöglichen. Nachdem die Geometrie der Sandfisch-Oberfläche untersucht und optimiert sowie eine entsprechende Form hergestellt wurde, werden Sandfisch-Oberflächen mittels R2R-Heißprägen hergestellt und einem Feldversuch auf Solarpanelen unterzogen.

Man made climate change is one of the most important challenges that humanity is facing at the moment. One part of the solution to this pressing issue are photovoltaics. While solar power has become relatively cheap in recent years, the problem of efficiency loss by the gradual deposition of dirt, so-called soiling, remains. This problem can be mitigated using various techniques, most of which require water - a scarce resource in the arid climates of the worlds deserts, where large scale photovoltaics work most efficiently. Therefore a simple but effective method of cleaning, that does not require water would be ideal. ... mehrTo find such a method, a look in nature might prove very helpful. Through the course of evolution nature had to overcome great challenges and invent ingenious solutions to many complex problems. Notably the surfaces of biological species are an area of great interest, as these surfaces are the interface between the living organism and its environment. Therefore it must fulfill a wide range of functions, many of which take place at the micro- and nanoscale. Replicating the biological microstructures is by itself not a trivial task. The large-scale production of microstructured, biomimetic surfaces, e.g., for the use on solar panels, is still a large challenge, as many of the technologies used to fabricate microstructures are limited to the size of commercially available wafers. The key question of this thesis is therefore: can microstructured biomimetic surfaces be produced large scales? Special focus is given to the structuring of polymer film, which is used in all areas of everyday products from simple packaging over medical applications to aerospace applications. The large-scale structuring of polymer film with biomimetic structures appears particularly promising, as the enormous variety of polymers and their properties could enable the use of biomimetic surfaces in many diverse areas and applications. The polymer films are processed using a continuous roll-to-roll (R2R) hot embossing process, which enables the microstructuring of large areas at high throughput. At the beginning of the thesis, a process for the large-scale production of so-called nanofur is presented. Its surface imitates the hairy surface of the floating fern (Salvinia molesta) and is characterized by extreme hydrophobicity and oleophilicity, which leads to self-cleaning properties comparable to that of the Lotus plant. The advantages of nanofur include that it can be produced without complex molds.
This approach enables the study of the fundamental feasibility of biomimetic surfaces produced by R2R hot embossing. In the next step, the process is further developed in order to produce arbitrary surface structures. This involves combining film extrusion with R2R hot embossing. Finally this process is used to produce biomimetic surfaces, which are inspired by the skin of sandfish (Scincus scincus). This surface is designed to enable dry self-cleaning of solar panels. After examining and optimizing the geometry of the sandfish structures corresponding molds are produced and the sandfish structures are fabricated using R2R hot embossing. Lastly they are subjected to a field test on solar panels in order to prove their usefulness.