DE102013225902B4 - Coating agent, method for producing a coating agent and an electrically conductive layer and component with layer - Google Patents

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Abstract

Beschichtungsmittel zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei das Beschichtungsmittel Kohlenstoffteilchen, PEDOT:PSS und zumindest ein Lösungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass- das Beschichtungsmittel als Lösungsmittel Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und eine weitere organische Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % enthält,- der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und- die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen.Coating agent for producing an electrically conductive layer, the coating agent containing carbon particles, PEDOT: PSS and at least one solvent, characterized in that the coating agent is ethylene glycol with a weight fraction in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol , 1-propanol or iso-propanol with a weight fraction in the coating agent between 5 and 15%, - the weight fraction of PEDOT: PSS in the coating agent is between 0.7 and 1.0% and - the carbon particles have a weight fraction of a maximum of 5% .

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a coating agent having the features according to the preamble of patent claim 1.

Ein derartiges Beschichtungsmittel ist in der europäischen Patentschrift EP 2 414 439 B1 beschrieben.Such a coating agent is in the European patent EP 2 414 439 B1 described.

Ein weiteres Beschichtungsmittel dieser Art ist aus der Druckschrift „Multiwall Carbon Nanotube and Poly(3,4-Ethylenedioxydthiophene): Polystyrene Sulfonate (PEDOT:PSS) Composite Films for Transistor and Inverter Devices“ (Dong-Jin Yun, et al., Applied Materials and Interfaces Vol. 3, No. 1, pp. 43 - 49, 2011) bekannt. Das vorbekannte Beschichtungsmittel weist Kohlenstoffteilchen in Form von mehrwändigen Kohlenstoffnanoröhren, PEDOT:PSS sowie als Lösungsmittel Wasser auf und dient zum Herstellen elektrisch leitfähiger Schichten.Another coating agent of this type is from the document "Multiwall Carbon Nanotube and Poly (3,4-Ethylenedioxydthiophene): Polystyrene Sulfonate (PEDOT: PSS) Composite Films for Transistor and Inverter Devices" (Dong-Jin Yun, et al., Applied Materials and Interfaces Vol. 3, No. 1 , pp. 43 - 49, 2011) known. The known coating agent has carbon particles in the form of multi-walled carbon nanotubes, PEDOT: PSS and water as a solvent and is used to produce electrically conductive layers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsmittel anzugeben, das beim Auftragen auf einem Träger, beispielsweise einem Kunststoffträger, eine besonders gute Benetzungsfähigkeit aufweist und Elektrodenschichten liefern kann, die eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe optische Transparenz aufweisen.The invention is based on the object of specifying a coating agent which, when applied to a carrier, for example a plastic carrier, has particularly good wetting properties and can provide electrode layers which have particularly high electrical conductivity and high optical transparency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Beschichtungsmittel mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels sind in Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a coating agent having the features according to patent claim 1. Advantageous configurations of the coating agent according to the invention are specified in the subclaims.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz von Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25% und Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % sowie durch die anspruchsgemäßen Gewichtsanteile von PEDOT:PSS und Kohlenstoffteilchen wird eine überraschend große Benetzungsfähigkeit des Beschichtungsmittels beim Auftragen auf einem Träger erreicht. Darüber hinaus führt der Einsatz von Glykol als Lösungsmittel zu leitfähigen Schichten mit einem besonders geringen elektrischen Widerstand.The use of ethylene glycol with a weight proportion in the coating agent between 15 and 25% and ethanol, 1-propanol or iso-propanol with a weight proportion in the coating agent between 5 and 15% and the weight proportions of PEDOT: PSS and carbon particles according to the claims, a Surprisingly high wettability of the coating agent achieved when applied to a carrier. In addition, the use of glycol as a solvent leads to conductive layers with a particularly low electrical resistance.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels besteht - im Unterschied zu den eingangs erwähnten vorbekannten Beschichtungsmitteln, die auf PE-DOT:PSS und Kohlenstoffteilchen basieren - darin, dass für die Löslichkeit der Kohlenstoffteilchen und des PEDOT:PSS weder Tenside noch sonstige Polymere, insbesondere keine nichtleitfähigen Polymere, notwendig sind. Es ist also möglich, ohne oder mit weniger Tensiden und/oder ohne oder mit weniger nichtleitfähigen Polymeren auszukommen als bei den vorbekannten Beschichtungsmitteln, wodurch in überraschender Weise erheblich kleinere Schichtwiderstände erreichbar sind als bei den vorbekannten Beschichtungsmitteln.Another essential advantage of the coating agent according to the invention is - in contrast to the aforementioned known coating agents which are based on PE-DOT: PSS and carbon particles - that for the solubility of the carbon particles and the PEDOT: PSS neither surfactants nor other polymers, in particular none non-conductive polymers. It is therefore possible to get by without or with fewer surfactants and / or without or with less non-conductive polymers than with the previously known coating compositions, as a result of which, surprisingly, considerably lower film resistances can be achieved than with the previously known coating compositions.

Neben Glykol und der weiteren organischen Flüssigkeit kann das Beschichtungsmittel als Lösungsmittel außerdem Wasser aufweisen. Der Gewichtsanteil von Wasser im Beschichtungsmittel liegt vorzugsweise zwischen 60 und 80 %.In addition to glycol and the further organic liquid, the coating agent can also contain water as a solvent. The weight fraction of water in the coating agent is preferably between 60 and 80%.

Als Kohlenstoffteilchen werden vorzugsweise unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt. Die Kohlenstoffnanoröhren sind vorzugsweise einwändig.Unmodified carbon nanotubes are preferably used as carbon particles. The carbon nanotubes are preferably single-walled.

Eine besonders bevorzugte Variante des Beschichtungsmittels weist PEDOT:PSS mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,7 und 1,0 %, Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil zwischen 15 und 25 %, Ethanol mit einem Gewichtsanteil zwischen 5 und 15 %, Kohlenstoffnanoröhren mit einem Gewichtsanteil von maximal 5 % und Wasser mit einem Gewichtsanteil zwischen 65 und 75 % auf. Mit einer solchen Zusammensetzung lassen sich optische Transmissionswerte über 80 % bereits bei Schichtwiderständen von ca. 100 Ω/□ erreichen.A particularly preferred variant of the coating agent has PEDOT: PSS with a weight fraction between 0.7 and 1.0%, ethylene glycol with a weight fraction between 15 and 25%, ethanol with a weight fraction between 5 and 15%, carbon nanotubes with a weight fraction of a maximum of 5 % and water with a weight fraction between 65 and 75%. With such a composition, optical transmission values of over 80% can be achieved with sheet resistances of approx. 100 Ω / □.

Hinsichtlich der Viskosität wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Beschichtungsmittel flüssig oder zähflüssig ist und eine Beschichtungsflüssigkeit oder eine Beschichtungspaste bildet.With regard to viscosity, it is considered to be advantageous if the coating agent is liquid or viscous and forms a coating liquid or a coating paste.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein elektrisches Bauelement mit einer auf einem Träger befindlichen, elektrisch leitfähigen Schicht, die mit dem oben beschriebenen Beschichtungsmittel hergestellt worden ist. Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auch auf ein elektrisches Bauelement mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (z. B. E-lektrodenschicht), die das Beschichtungsmittel im ausgeheizten oder getrockneten Zustand aufweist.The invention also relates to an electrical component having an electrically conductive layer located on a carrier and produced with the coating agent described above. In other words, the invention also relates to an electrical component with an electrically conductive layer (eg electrode layer) which the coating agent has in the heated or dried state.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels, wie es oben beschrieben worden ist. Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass bei dem Herstellungsverfahren Kohlenstoffteilchen und PEDOT:PSS mit Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und einer weiteren organischen Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol, mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % gemischt werden, wobei der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen. Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den Vorteilen des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels verwiesen.The invention also relates to a production method for producing a coating agent, as has been described above. According to the invention it is provided in this regard that in the production process carbon particles and PEDOT: PSS with ethylene glycol with a weight proportion in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol, 1-propanol or iso-propanol, with a weight proportion in the coating agent between 5 and 15% are mixed, the weight proportion of the PEDOT: PSS in the coating agent being between 0.7 and 1.0% and the carbon particles having a weight proportion of at most 5%. With regard to the advantages of the production method according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the advantages of the coating agent according to the invention.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei bei dem Verfahren ein Beschichtungsmittel, das Kohlenstoffteilchen, PEDOT:PSS und zumindest ein Lösungsmittel enthält, auf einem Träger aufgetragen wird, das aufgetragene Beschichtungsmittel erhitzt wird und das Lösungsmittel insgesamt oder zumindest Bestandteile des Lösungsmittels verdampft werden und durch das Erhitzen und Verdampfen die elektrisch leitfähige Schicht hergestellt wird.The invention also relates to a method for producing an electrically conductive layer, wherein in the method a coating agent that contains carbon particles, PEDOT: PSS and at least one solvent is applied to a carrier, the applied coating agent is heated and the solvent as a whole or at least components of the solvent are evaporated and the electrically conductive layer is produced by heating and evaporation.

Erfindungsgemäß ist bei dem letztgenannten Verfahren vorgesehen, dass ein Beschichtungsmittel aufgetragen wird, das als Lösungsmittel Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und eine weitere organische Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol, mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % enthält, wobei der Gewichtsanteil des PE-DOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen.According to the invention, the latter method provides that a coating agent is applied which, as a solvent, is ethylene glycol with a weight proportion in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol, 1-propanol or iso-propanol, with a weight proportion in the coating agent contains between 5 and 15%, the proportion by weight of the PE-DOT: PSS in the coating agent being between 0.7 and 1.0% and the carbon particles having a proportion by weight of a maximum of 5%.

Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen und Verdampfen des Lösungsmittels oder von Bestandteilen des Lösungsmittels bei einer Temperatur von maximal 100°C.The heating and evaporation of the solvent or components of the solvent are preferably carried out at a temperature of at most 100.degree.

Das Beschichten des Trägers kann beispielsweise im Rahmen einer Tauchbeschichtung erfolgen, bei der der Träger in einen das Beschichtungsmittel enthaltenden Behälter eingetaucht wird. Alternativ kann das Auftragen des Beschichtungsmittels auch im Rahmen eines Siebdruck- oder Spritzverfahrens erfolgen.The carrier can be coated, for example, in the context of dip coating, in which the carrier is immersed in a container containing the coating agent. Alternatively, the coating agent can also be applied using a screen printing or spraying process.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

  • 1 Transmissionswerte über der Wellenlänge für zwei elektrisch leitfähige Schichten, die mit erfindungsgemäßen Beschichtungsmitteln hergestellt worden sind, und
  • 2 den Zusammenhang zwischen erreichbaren Transmissionswerten und elektrischen Schichtwiderständen bei Schichten, die mit erfindungsgemäßen Beschichtungsmitteln hergestellt worden sind.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments; show by way of example
  • 1 Transmission values over the wavelength for two electrically conductive layers which have been produced with coating compositions according to the invention,
  • 2 the connection between achievable transmission values and electrical film resistances in layers which have been produced with coating agents according to the invention.

Die 1 zeigt die Transmissionswerte zweier elektrisch leitfähiger Schichten, die mit erfindungsgemäßen Beschichtungsflüssigkeiten hergestellt worden sind. Die Kurve 1 zeigt dabei die Transmissionswerte für eine Schicht mit einem Schichtwiderstand von 600 Ω/□; die 2 zeigt die Transmissionswerte für eine Schicht mit einem Schichtwiderstand von 200 Ω/□.The 1 shows the transmission values of two electrically conductive layers which have been produced with coating liquids according to the invention. Curve 1 shows the transmission values for a layer with a sheet resistance of 600 Ω / □; the 2 shows the transmission values for a layer with a sheet resistance of 200 Ω / □.

Es lässt sich erkennen, dass sich Transmissionswerte über 80 % im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich erreichen lassen, so dass sich die Schichten als transparente Elektrodenschichten bei elektrischen Komponenten einsetzen lassen. It can be seen that transmission values of over 80% can be achieved in the entire visible wavelength range, so that the layers can be used as transparent electrode layers in electrical components.

Die 2 lässt erkennen, dass bei den erfindungsgemäßen Beschichtungsmitteln Transmissionswerte über 80 % bereits bei Schichtwiderständen von nur ca. 100 Ω/□ möglich sind. Werden höhere Schichtwiderstände von beispielsweise 500 Ω/□ zugelassen, sind sogar Transmissionswerte bzw. Transparenzwerte von über 95 % erreichbar.The 2 It can be seen that with the coating agents according to the invention, transmission values of over 80% are possible even with sheet resistances of only approx. If higher sheet resistances of, for example, 500 Ω / □ are permitted, transmission values or transparency values of over 95% can even be achieved.

Das Verhältnis zwischen den Transmissionswerten und den Schichtwiderständen lässt sich über den Gewichtsanteil der Kohlenstoffteilchen und des PEDOT:PSS einstellen: Je kleiner der Gewichtsanteil der Kohlenstoffteilchen und des PEDOT:PSS ist, desto größer werden die Transparenz und der Schichtwiderstand der Schichten. Der Schichtwiderstand der Schichten verhält sich näherungsweise umgekehrt proportional zur Transparenz der Schichten.The ratio between the transmission values and the sheet resistances can be set via the weight fraction of the carbon particles and the PEDOT: PSS: The smaller the weight fraction of the carbon particles and the PEDOT: PSS, the greater the transparency and the sheet resistance of the layers. The sheet resistance of the layers is approximately inversely proportional to the transparency of the layers.

Minimale Widerstandswerte bei Transmissionswerten über 80 % lassen sich mit Beschichtungsmitteln erreichen, die sich wie folgt zusammensetzen:

  • - PEDOT:PSS mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,7 und 1,0 %,
  • - Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil zwischen 15 und 25% (z. B. 20 %),
  • - Ethanol mit einem Gewichtsanteil zwischen 5 und 15 % (z. B. 10 %),
  • - Kohlenstoffnanoröhren mit einem Gewichtsanteil von maximal 5 % und
  • - Wasser mit einem Gewichtsanteil zwischen 65 und 75 % (z. B. 70 %).
Minimum resistance values for transmission values over 80% can be achieved with coating agents that are composed as follows:
  • - PEDOT: PSS with a weight fraction between 0.7 and 1.0%,
  • - ethylene glycol with a weight fraction between 15 and 25% (e.g. 20%),
  • - Ethanol with a weight fraction between 5 and 15% (e.g. 10%),
  • - Carbon nanotubes with a weight fraction of a maximum of 5% and
  • - Water with a weight fraction between 65 and 75% (e.g. 70%).

Claims (10)

Beschichtungsmittel zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei das Beschichtungsmittel Kohlenstoffteilchen, PEDOT:PSS und zumindest ein Lösungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass - das Beschichtungsmittel als Lösungsmittel Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und eine weitere organische Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % enthält, - der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und - die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen.Coating agent for producing an electrically conductive layer, the coating agent containing carbon particles, PEDOT: PSS and at least one solvent, characterized in that - the coating agent is ethylene glycol with a weight fraction in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol , 1-propanol or iso-propanol with a weight fraction in the coating agent between 5 and 15%, - the weight fraction of the PEDOT: PSS in the coating agent is between 0.7 and 1.0% and - the carbon particles have a weight fraction of a maximum of 5% . Beschichtungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel frei ist von nichtleitfähigen Polymeren und Tensiden.Coating agent after Claim 1 , characterized in that the coating agent is free from non-conductive polymers and surfactants. Beschichtungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffteilchen Kohlenstoffnanoröhren sind.Coating agent according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon particles are carbon nanotubes. Beschichtungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel als Lösungsmittel außerdem Wasser aufweist.Coating agent according to one of the preceding claims, characterized in that the coating agent also has water as a solvent. Beschichtungsmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil des Wassers im Beschichtungsmittel zwischen 60 % und 80 % liegt.Coating agent after Claim 4 , characterized in that the weight proportion of the water in the coating agent is between 60% and 80%. Beschichtungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffteilchen unmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren sind.Coating agent according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon particles are unmodified carbon nanotubes. Beschichtungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffteilchen einwändige Kohlenstoffnanoröhren sind.Coating agent according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon particles are single-walled carbon nanotubes. Elektrisches Bauelement mit einer auf einem Träger befindlichen, elektrisch leitfähigen Schicht, die das Beschichtungsmittel nach einem der voranstehenden Ansprüche im ausgeheizten oder getrockneten Zustand aufweist oder daraus gebildet ist.Electrical component with an electrically conductive layer located on a carrier, which the coating agent according to one of the preceding claims has or is formed from in the heated or dried state. Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Beschichtungsmittels nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei bei dem Herstellungsverfahren - Kohlenstoffteilchen und PEDOT:PSS mit Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und einer weiteren organischen Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol, mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % gemischt werden, - wobei der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und - die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen.Production method for producing a coating agent according to one of the preceding Claims 1 to 7th , whereby in the manufacturing process - carbon particles and PEDOT: PSS with ethylene glycol with a weight proportion in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol, 1-propanol or iso-propanol, with a weight proportion in the coating agent between 5 and 15% are mixed, - the weight proportion of the PEDOT: PSS in the coating agent is between 0.7 and 1.0% and - the carbon particles have a weight proportion of a maximum of 5%. Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei bei dem Verfahren - ein Beschichtungsmittel, das Kohlenstoffteilchen, PE-DOT:PSS und zumindest ein Lösungsmittel enthält, auf einem Träger aufgetragen wird, - das aufgetragene Beschichtungsmittel erhitzt wird und das Lösungsmittel insgesamt oder zumindest Bestandteile des Lösungsmittels verdampft werden und - durch das Erhitzen und Verdampfen die elektrisch leitfähige Schicht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungsmittel aufgetragen wird, das als Lösungsmittel Ethylenglykol mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 15 und 25 % und eine weitere organische Flüssigkeit, nämlich Ethanol, 1-Propanol oder Iso-Propanol, mit einem Gewichtsanteil im Beschichtungsmittel zwischen 5 und 15 % enthält, - wobei der Gewichtsanteil des PEDOT:PSS im Beschichtungsmittel zwischen 0,7 und 1,0 % liegt und - die Kohlenstoffteilchen einen Gewichtsanteil von maximal 5 % aufweisen.Method for producing an electrically conductive layer, wherein in the method - a coating agent that contains carbon particles, PE-DOT: PSS and at least one solvent is applied to a carrier, - the applied coating agent is heated and the solvent as a whole or at least components of the Solvent are evaporated and - the electrically conductive layer is produced by heating and evaporation, characterized in that a coating agent is applied, the solvent ethylene glycol with a weight proportion in the coating agent between 15 and 25% and another organic liquid, namely ethanol, 1 -Propanol or isopropanol, with a weight fraction in the coating agent between 5 and 15%, - the weight fraction of the PEDOT: PSS in the coating agent being between 0.7 and 1.0% and - the carbon particles have a weight fraction of a maximum of 5% .
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