Flexodruckverfahren Die preiswerte und flexible OLED von der Rolle

Autor / Redakteur: Michael Stanel * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Auf dem Weg zur preiswerten und flexiblen OLED für große Stückzahlen hat das Fraunhofer COMEDD ein Flexodruckverfahren entwickelt. Aktive Flächen der OLED werden dabei nicht beeinflusst.

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Fleckfreie OLED-Leuchtflächen: Mit einem speziellen Flexodruckverfahren lassen sich OLED-Substrate strukturieren.
Fleckfreie OLED-Leuchtflächen: Mit einem speziellen Flexodruckverfahren lassen sich OLED-Substrate strukturieren.
(Fraunhofer COMEDD)

Als ein deutlicher Vorteil der Organischen Leuchtdiode (OLED) gegenüber anderen Beleuchtungstechnologien ist erkennbar, dass große Flächen auf flexiblen Materialien gleichmäßig zum Leuchten gebracht werden können. Als flexible Trägermaterialien (sog. Substrate) können beispielsweise Kunststofffolien, Metallfolien oder flexibles Glas verwendet werden, um mithilfe produktiver Rolle-zu-Rolle-Verfahren (RzR) OLED-Bauelemente zu fertigen.

Für die Herstellung einer OLED werden sehr dünne Schichten auf ein Substrat mit einem Druckverfahren übertragen oder unter Hochvakuum thermisch aufgedampft, wobei der grundsätzliche Aufbau von OLED-Bauelementen immer gleich ist: organische Halbleitermaterialien, welche aus verschiedenen Schichten (Dicke < 1 µm) einen Stapel (Stack) bilden, werden zwischen zwei Elektroden (Dicke 20 bis < 1 µm) aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet. Dabei kann die Grundelektrodenschicht auf einer Kunststofffolie oder flexiblem Glas aufgebracht sein oder eine Metallfolie bildet als Substrat selbst die Grundelektrode.

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Die Struktur der OLED entscheidet über den Lichtaustritt

Abhängig vom Stackaufbau wird Licht durch das transparente Substrat emittiert (Bottom-Emission) oder vom intransparenten Substrat reflektiert (Top-Emission). Um eine Lichtauskopplung aus der organischen Halbleiterschicht zu ermöglichen, muss bei einem Bottom-Emissionsaufbau die Grundelektrodenschicht transparent sein. Dazu dienen sogenannte TCO-Elektroden (TCO – Transparent Conducting Oxides). Aus demselben Grund ist für eine Top-Emission eine transparente Deckelektrode notwendig.

Zusätzlich muss die OLED mit einer Verkapselung geschützt werden, da die empfindliche organische Halbleiterschicht beim Kontakt mit Wasserdampf und Sauerstoff sofort degradiert. Aus diesem Grund haben auch OLED-Substrate entsprechende Barriereeigenschaften aufzuweisen. Metallfolien und flexibles Glas sind ausreichend Wasserdampf- und Sauerstoff-undurchlässig, Kunststofffolien müssen hingegen zusätzlich mit entsprechenden Hochbarriereschichten in Form von Dünnschichtstapeln ausgestattet werden. [1]

Die Substratstrukturierung einer OLED ermöglicht die elektrische Trennung von Grund- und Deckelektrode und eine Unterteilung der Oberfläche in lichtemittierende und nicht lichtemittierende Bereiche, um Formen oder Bilder darstellen zu können. Ein verbreitetes Strukturierungsverfahren für OLED auf Glasscheiben ist die Laserstrukturierung, wobei mithilfe eines Lasers die Grundelektrode auf dem Substrat partiell abgetragen wird [2].

Für Kunststofffolien mit einer Barriereschicht und für flexibles Glas ist dieser Prozess bisher nicht in einem industriellen Maßstab realisierbar, da höchste Anforderungen an Parameter – wie Bahnführung des Substrates, Dickentoleranz des Substrates, Schichtdickentoleranz der Grundelektrode sowie Fokustiefe des Lasers – gestellt werden. Durch die vergleichbare optische Transparenz der TCO- und der Barriereschicht ist eine selektive Ablation zudem schwer zu kontrollieren. Zusätzlich verursacht die Laserstrukturierung Partikel, die in einem nachgelagerten Inline-Reinigungsprozess wieder entfernt werden müssen, da sonst leitfähige TCO-Partikel zu Kurzschlüssen im Bauelement führen.

Eine Laserstrukturierung kann auf reinen Metallfolien nicht angewendet werden, da das Substrat selbst die Grundelektrode bildet. Ein alternativer Strukturierungsprozess zur partiellen Entfernung der Grundelektrode ist die gezielte Passivierung bestimmter Bereiche, indem dort ein Dielektrikum aufgebracht und somit die Grundelektrode von der darüber angeordneten organischen Halbleiterschicht getrennt wird, womit die Oberfläche in passivierte, nicht lichtemittierende Bereiche und aktive, lichtemittierende Bereiche unterteilt wird.

Die Passivierungsschicht muss eine pinholefreie Geschlossenheit garantieren, um eine wirksame elektrische Isolation der Grundelektrode von den darüber applizierten Schichten zu gewährleisten. Zusätzlich sollte die Passivierungsschicht eine geringe Rauheit und Dicke aufweisen, um die nachfolgenden Beschichtungs- und Verkapselungsprozesse nicht zu beeinträchtigen.

Besonders wichtig für eine uneingeschränkte Funktionalität ist, dass die aktiven Bereiche (die nicht passivierten Gebiete) nicht mechanisch beschädigt, mit Partikeln belastet oder mit Passivierung verunreinigt werden dürfen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden relativ hochviskose (>1500 mPa*s bei 23 °C) UV-härtende Harze als Passivierungsmaterial eingesetzt, die nach dem Auftrag und vor der Trocknung verlaufen können und somit eine glatte und pinholefreie Isolationsschicht bilden.

Alleinstellungsmerkmal der partiellen Passivierung ist die Strukturierbarkeit von reinen Metallfolien, die gegenüber leitfähig beschichteten Kunststoffsubstraten und flexiblem Glas eine höhere elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, mechanische Belastbarkeit oder Barriereeigenschaft aufweisen können.

Strukturierungsverfahren zur Substratpassivierung

Für die partielle Passivierung der Grundelektrode wurden verschiedene Verfahren evaluiert und getestet. Photolithografische Prozesse erwiesen sich als zu aufwändig, teuer und vor allem nicht RzR-kompatibel. Bei der Passivierung mit Inkjet-Druckverfahren können fehladressierte Tropfen auf die aktiven Elemente gelangen und diese beeinträchtigen. Auch sind nur niedrigviskose Flüssigkeiten verdruckbar und Inkjetdruck ist für große Flächen unwirtschaftlich und schwer RzR-kompatibel.

Eine Prozessierung mit dem Siebdruckverfahren bewirkt, dass die Siebdruckform in Kontakt mit den aktiven Elementen kommt und diese zerkratzen und mit Partikeln belasten kann. [4] Auch beim Rakeltiefdruckverfahren kommt die Druckform in Kontakt mit den aktiven Elementen und zusätzlich wurde festgestellt, dass nicht abgerakelte Passivierungsreste die aktiven Elemente verunreinigen können.

Die genannten Passivierungsverfahren lieferten nicht die erwünschten Strukturierungsergebnisse oder sind nicht RzR-kompatibel. Im Gegensatz dazu konnte mit dem Flexodruckverfahren die Übertragung geschlossener Schichten des Passivierungsharzes mit geringer Rauheit in einem RzR-Prozess realisiert werden, ohne dass die aktiven Flächen beeinträchtigt wurden. Auf dem Feld der gedruckten Elektronik ist das Flexodruckverfahren ein vielfältig angewendeter Prozess. Dieser dient unter anderem zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Grid-Strukturen [5] und Antennen [6] oder zur Herstellung von OFETs [7], Solarzellen [8] und Sensoren [9].

Beim Flexodruckverfahren wird das Passivierungsmaterial mit einer Kammerrakel auf einer vollflächig rastergravierten Walze dosiert. Das Passivierungsmaterial verbleibt nur in den Vertiefungen der Rasternäpfchen, der Rest wird mit dem Rakelmesser entfernt. Die Passivierung wird auf die erhöhten Bereiche einer Flexodruckform übertragen und danach durch den Gegendruckzylinder auf das Substrat angeordnet. Da beim Flexodruckverfahren die nichtdruckenden Bereiche keinen Kontakt mit dem Substrat haben, können die aktiven Elemente nicht mechanisch beschädigt, mit Partikeln belastet oder mit Passivierung verunreinigt werden.

Die Dicke der Passivierungsschicht von ca. 1 bis 10 µm ist über das Schöpfvolumen der Näpfchen der Aniloxwalze einstellbar und es sind großflächige Bildelemente als auch feine Strukturen mit einer Auflösung von ca. 100 µm applizierbar. Das Layout der Strukturierung kann durch den Austausch der Flexodruckform schnell gewechselt werden. Mit dem Flexodruck von Passivierungsharzen ist es gelungen, ein produktives und einfach zu realisierendes Verfahren zur Substratstrukturierung zu modifizieren. In Kombination mit einer RzR-Prozessierung der organischen Halbleitermaterialien im Hochvakuum kann ein „Hybrid“-Ansatz realisiert werden, um hocheffiziente OLED-Bauelemente herzustellen. Das Fraunhofer COMEDD dankt dem BMBF für die finanzielle Unterstützung des Projektes R2flex (FKZ 13N11058).

Literatur

[1] Fahlteich, J.: Transparente Hochbarriereschichten auf flexiblen Substraten. Disserta-tion, Chemnitz 2011

[2] Karnakis, D., Kearsley, A., Knowles, M.: Ultrafast Laser Patterning of OLEDs on Fle-xible Substrate for Solid-state lightning. In: JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengeniering Vol. 4, No. 3, Osaka 2009: 218-223

[3] Kipphan, H.: Handbook of Print Media, Technologies and Production Methods. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 2001

[4] Philipp, A., Hasselgruber, M., Hild, O. R., May, C.: Substratstrukturierung für organische Leuchtdioden mittels Siebdruck: Technologietag-Siebdruck, Landshut 2010

[5] Yu, J.-S., Kim I., Kim, J.-S., Jo, J., Larsen-Olsen, T. T., Sondergaard, R. R., Hosel, M., Angmo, D., Jørgensen M., Krebs, F. C.: Silver front electrode grids for ITO-free all printed polymer solar cells with embedded and raised topographies, prepared by thermal imprint, flexographic and inkjet roll-to-roll processes. In: Nanoscale 4, Støvring 2012: 6032–6040

[6] Siden, J., Nilsson, H.-E.: Line width limitations of flexographic-screen- and inkjet printed RFID antennas. In: Antennas and Propagation Society International Symposium, Honolulu 2007

[7] Schmidt, G.: Oberflächenspannungsstrukturiertes Drucken zur Herstellung polymerelektronischer Bauelemente. Dissertation, Chemnitz 2011

[8] Krebs, F.C., Fyenbo, J., Jørgensen M.: Product integration of compact roll to roll processed polymer solar cell modules: methods and manufacture using flexographic printing, slot die coating and rotary screen printing. In: Journal of Materials Chemistry 20, London 2010: 8994–9001

[9] Olkkonen, J., Lehtinen, K., Erho, T.: Flexographically Printed Fluidic Structures in Paper. In: Anal. Chem. 82 (24), Urbana-Champaign 2010: 10246–10250

* Michael Stanel arbeitet in der OLED-Entwicklung beim Fraunhofer COMEDD in Dresden.

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