OLED-Produktion für die Beleuchtung

Die Rolle-zu-Rolle-Fertigung für die flexible OLED

| Autor / Redakteur: Claudia Lehmann und Stefan Mogck * / Hendrik Härter

Leuchtende Rolle: Eine OLED auf Metallfolie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt. Mit dieser Lösung sollen sich nicht nur flexible Displays oder E-Reader, sondern auch Beleuchtungslösungen herstellen lassen.
Leuchtende Rolle: Eine OLED auf Metallfolie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt. Mit dieser Lösung sollen sich nicht nur flexible Displays oder E-Reader, sondern auch Beleuchtungslösungen herstellen lassen. (Fraunhofer COMEDD)

Flexibel hergestellte OLEDs direkt von der Rolle sparen nicht nur Kosten, sondern sie lassen sich flexibel für Displays oder E-Reader verwenden. Im Beitrag stellen wir ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren vor.

Organische Leuchtdioden (OLED) bestehen aus ultradünnen organischen Schichten, die beim Anlegen einer Spannung Licht emittieren. Die ersten neuartigen organischen Leuchtdioden mit einer Betriebsspannung von ungefähr 10 V wurden in den 1980er Jahren entwickelt [1]. Seitdem gelten sie als viel versprechende Ergänzung zu den bereits zur Marktreife gelangten LED-Leuchtmitteln. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die Fertigung von OLED-Modulen in Manufakturarbeit möglich. Daher sind die Fertigungskosten von OLED-Modulen gegenüber der LED noch um Faktor 20 bis 100 höher [2]. Langfristig wird die OLED-Beleuchtung die bereits existierende LED-Beleuchtung ergänzen, denn die OLED-Technologie kann großflächige Lichtquellen in nahezu allen spektralen Zusammensetzungen liefern.

Die OLED sicher vor Wasser und Sauerstoff schützen

Ein weiterer Vorteil gegenüber der LED ist die mögliche Fertigung direkt auf flexiblen Substraten. Damit werden Potentiale für zukünftige OLED-Beleuchtungsanwendungen und neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Durch die Fertigung auf flexiblen Substraten direkt von der Rolle, wie Metall- oder Kunststofffolie, ergibt sich ein hohes Potential zur Senkung der Fertigungskosten. Das Fraunhofer COMEDD trägt dazu einen großen Anteil bei. So wurde der Prozesstransfer der OLED-Technologie auf Glas in das Rolle-zu-Rolle-Verfahren (RzR) erfolgreich umgesetzt und es konnten bereits erste Demonstratoren ausgeliefert werden (Bild 1).

Die Fertigung der OLED auf Folie erfolgt zu Forschungs- und Entwicklungszwecken auf einer weltweit einmaligen Rolle-zu-Rolle-Vakuumanlage mit 14 Organik-Linearverdampferquellen (Bild 2). Mit dieser Anlage wird es möglich, organische Schichten auf Folienmaterial in einem kontinuierlich laufenden Beschichtungsprozess abzuscheiden. Die Materialien können durch Co-Verdampfung dotiert werden. Mit dem realisierbaren p-i-n Schichtaufbau lassen sich hocheffiziente OLEDs herstellen. Eine zusätzlich eingewickelte weiche Kunststofffolie, die von einem Nebenwickler kommt, schützt die OLED vor Verkratzung.

Um die OLED vor Fremdeinflüssen, insbesondere der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff zu schützen, werden die Bauelemente verkapselt. Dies geschieht zum einen durch das Abscheiden einer gesputterten Aluminiumoxidschicht mit DC-Magnetron (Vorverkapselung) sowie durch die anschließende Lamination unter Stickstoffatmosphäre mit einer Kunststoffbarrierefolie - ebenfalls im RzR-Verfahren.

Transparente Folien für flexiblere OLEDs

Fertig prozessiert sind OLED fast genauso dünn und flexibel wie das Substrat, auf dem sie gebaut worden sind. Durch den Schichtaufbau auf Metallfolie ist die Emission nur in eine Richtung möglich. Im Gegensatz zur Metallfolie bietet eine Kunststofffolie mit transparenter, leitfähiger Schicht als Substratmaterial die Möglichkeit, transparente OLED mit noch größerer Flexibilität zu bauen. Diese Umsetzung ist derzeit Gegenstand aktueller Versuche.

Um das Kostensenkungspotenzial für die Rolle-zu-Rolle-Fertigung weiter auszubauen, müssen kostengünstige Substrate, Materialien und Prozesse entwickelt werden. Das bedeutet für die Qualität der Folien als OLED-Substrat, die ausbeuterelevanten Defekte zu identifizieren. Des Weiteren muss der OLED-Schichtstapel und die Strukturierung bis zur Fertigungstauglichkeit weiterentwickelt werden, um eine stabile Ausbeute zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die Wickelbarkeit und mechanische Stabilität der Schichten.

Ergänzendes zum Thema
 
Organische Halbleitermaterialien erforschen

Für eine zuverlässige elektrischen Kontaktierung können zur Verstärkung der bestehenden aufgedampften Kathode metallische Leiterbahnen aus Silberleitpaste auf das Substrat gedruckt werden. Prozesstemperaturen für Kunststofffolien (Polyesterfolien) sind auf 120 °C begrenzt. Jedoch gibt es Wege, um auch anders eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen: Beispielsweise durch geeignete Zusammensetzung von Füllstoffen oder durch die Anpassung der gepulsten Wärmestrahlung (Peak > 1000 °C, Pulsdauer wenige Mikrosekunden) lässt sich der Flächenwiderstand auf wenige mOhm/square verringern.

Für flexible OLED-Beleuchtung reicht es normalerweise aus, dass die OLED-Folie im Lampengehäuse wenige Male gebogen werden muss. Etwas anders sieht es für Anwendungen aus, wie beispielsweise bei den rollbaren Displays oder flexiblen E-Reader. Hier bestehen andere Anforderungen für die elektrische Kontaktierung.

Verbesserter Laser soll OLED-Lebensdauer erhöhen

Die RzR-Substratstrukturierung mittels Druckverfahren auf Metallfolie wurde soweit verbessert, dass OLED auf RzR-Substraten Effizienzen erreichten, welche mit den erzielten Ergebnissen auf Folienzuschnitten im Labormaßstab vergleichbar sind. Bei Kunststoffoberflächen kann die transparente, leitfähige TCO-Schicht mit der Laserablation strukturiert werden. Es fehlt noch die Entwicklung eines stabilen skalierbaren Laserablationsprozesses, der die optisch transparenten Barriereschichten nicht angreift und somit die Barriereeigenschaft der Folie und damit die OLED-Lebensdauer begrenzt.

Unterschiedliche Defekte auf den Folien unterscheiden

Das RzR-Inspektionssystem konnte für eine Prozessüberwachung weiterentwickelt werden, die es ermöglicht, unterschiedliche Defekttypen auf Metall- und transparenten Kunststofffolien zu unterscheiden. Eine großflächige Analyse des Substrates ist für eine authentische Evaluation des Produktes für weitere Prozesse sehr wichtig. Es ermöglicht Defekte, die zu einem frühzeitigen Bauelementausfall führen würden, zu erkennen und gibt Rückschlüsse für die Ursachen von erhöhten Leckströmen.

Die integrierte optische Messtechnik wurde bereits für weitere Kundenanwendungen, wie beispielsweise für hochaufgelöste topografische Messungen an Schichtkanten, eingesetzt. Gefördert wurde das Projekt aus den Mitteln des BMBF.

An dieser Stelle dankt das Fraunhofer COMEDD dem BMBF für die finanzielle Unterstützung der Projekte Rollex (FKZ 13N8857) und R2flex (FKZ 13N11058) im Zeitraum von 2007 bis 2012.

Literatur

[1]. C.W. Tang, S.A. Van Slyke: Organic electroluminescent diodes. Appl.Phys.Lett.51 (1987) 12, 913-915[2]. Manufacturing Roadmap ( August 2012) von U.S. Department of Energy http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_manuf-roadmap_august2012.pdf[3]. M. Pfeiffer, K. Leo, X. Zhou, J.S. Huang, M. Hofmann, A. Werner, J. Blochwitz-Nimoth, Organic Electronics 4, 89 (2003)

* Claudia Lehmann und Stefan Mogck arbeiten in der Abteilung Organic Tool Rolle-zu-Rolle-Technologie des Fraunhofer COMEDD in Dresden.

*

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 42264214 / LED & Optoelektronik)