SCHOTT solutions Nr. 1/2012 > Materialentwicklung

In einem Röntgendiffraktometer analysieren SCHOTT Wissenschaftler während des Herstellprozesses die Kristallstruktur des Werkstoffs. Foto: SCHOTT/C. Costard

Fit für High-End-Anwendungen


Glaskeramik eignet sich als Komponente für leistungsstarke Gigahertz-Antennen und Hochfrequenzfilter. Die SCHOTT Forschung entwickelte erste Prototypen mit einem Hersteller.


Thilo Horvatitsch

Die Erforschung bewährter Werkstoffe kann ungeahnte Potenziale offenlegen: Glaskeramik zum Beispiel wurde vor allem populär als temperaturstabiles Material in der Küche (CERAN® Kochflächen) und Astronomie (ZERODUR® Teleskopspiegel). Die SCHOTT Forschung fand nun ­heraus, dass sich das Prinzip, aus einer Glasschmelze gezielt kristalline Phasen mit definierten Eigenschaften auszukristallisieren, auch in einer ganz anderen zukunftsträchtigen Anwendung einsetzen lässt: im Mobilfunk. Glaskeramiken eignen sich dort als Komponenten für besonders leistungsfähige Antennen etwa in Sendemasten oder für GPS-Anwendungen.

Die grundlegende Entwicklungsarbeit dafür leistete der Jungforscher und heutige Doktorand Hubertus Braun in Kooperation mit der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz im Zuge seines Diplomabschlusses. Dem 26-jährigen Physiker gelang es, im Rahmen seiner Forschung bei SCHOTT ein erstes Antennenmaterial herzustellen. Mit Erfolg in mehrfacher Hinsicht: Erste Glaskeramik-Antennenprototypen wurden bereits in Zusammenarbeit mit dem englischen Hersteller Sarantel gefertigt. Darüber hinaus erhielt Hubertus Braun für seine Arbeit den mit 5.000 Euro dotierten Förderpreis für Natur- und Ingenieurwissenschaften der Vodafone-Stiftung. Die Entwicklung war kein Zufallsprodukt: Zum einen ist das vielfältige Zukunfts­potenzial von Glaskeramiken für die SCHOTT Forschung seit jeher ein Thema (siehe auch Material mit Zukunftspotenzial). Zum anderen wuchs in den vergangenen Jahren insbesondere in der Satellitennavigation, im Mobilfunk und in der Mikrowellenelektronik die Nachfrage nach Materialien für Antennen im Gigahertzbereich und entsprechende Hochfrequenzfilter. In diesen High-End-Anwendungen sind sogenannte dielektrische (Keramik-)Materialien essenzielle Bestandteile. Sie ermöglichen gegenüber herkömmlichen Komponenten aus Metall eine Miniaturisierung der Antennen sowie eine Effizienzverbesserung und geringere Störanfälligkeit im Betrieb.
Glaskeramik als Antennenmaterial ermöglicht eine Miniaturisierung der Komponenten und Effizienzverbesserung im Betrieb. Foto: SCHOTT/C. Costard
„Ziel meiner Arbeit war es, diese dielektrischen keramischen Materialien als Glaskeramiken herzustellen und ihr Potenzial für die Mobilfunkanwendungen aufzuzeigen“, erläutert Forscher Braun. Handfestes Resultat ist ein Antennenmaterial, das wichtige Vorzüge aufweist gegenüber den bisher verwendeten keramischen Materialien, die über Pulver- und Sinterprozesse hergestellt werden. Die Glas­keramik zeichnet sich ebenfalls durch einen sehr geringen Verlust elektromagnetischer Strahlung aus. Zudem ist sie besonders homogen und porenfrei. Nachträglich aufzubringende Metallbeschichtungen haften daher besser als auf poröser Sinterkeramik, können nicht ins Material eindringen und womöglich Leistungseinbußen verursachen. Auch bieten Glaskeramiken Vorteile hinsichtlich ihrer Massenproduzierbarkeit.
Basierend auf den Ergebnissen der Forschungsarbeit, die inzwischen zum Patent angemeldet sind, startete SCHOTT bereits die industrielle Forschung. Hubertus Braun: „Unsere ersten Ergebnisse waren besser als erwartet. Nun geht es um die Bewertung der anwendungs­spezifischen Markttauglichkeit und die weitere Optimierung des Materials.“ <|