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Fertigungsverfahren bei der OLED Flexible organische Elektronik durch verkapseln schützen

| Autor / Redakteur: Dr. John Fahlteich * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die OLED bietet gegenüber der LED den Vorteil, dass sie von sich aus eine Flächenlichtquelle ist. Doch ihre größten Feinde sind Wasser und Sauerstoff. Sie muss von der Umwelt abgekapselt werden.

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Flexible Elektronik: Mit Hilfe der Verkapselung wird organische Elektronik vor Wasser und Sauerstoff geschützt. Angestrebt wird eine Lebensdauer von mindestens 10.000 Stunden.
Flexible Elektronik: Mit Hilfe der Verkapselung wird organische Elektronik vor Wasser und Sauerstoff geschützt. Angestrebt wird eine Lebensdauer von mindestens 10.000 Stunden.
(COMEDD)

In Mobiltelefonen werden sie bereits eingesetzt: die organischen Leuchtdioden oder kurz OLED genannt. In Bildschirmen bieten sie natürliche Farben, einen sehr hohen Kontrast und einen geringen Stromverbrauch, da keine Hintergrundbeleuchtung erforderlich ist. Der Einsatz von OLED in der Allgemeinbeleuchtung wird ebenfalls erforscht. Im Vergleich zur anorganischen LED bieten sich einzigartige Eigenschaften. So ist die OLED von sich aus eine Flächenlichtquelle, die auch auf größere Flächen skaliert werden kann.

Zudem ermöglicht die OLED neue Designmöglichkeiten, da sie als transparentes Bauelement hergestellt werden kann. Besondere elektronische Eigenschaften wie Farbvariabilität oder die Ansteuerung der Leuchtfläche als Touchsensor zum An- und Ausschalten bzw. Dimmen zählen ebenfalls zu den Stärken der OLED. Dabei ist die Lichtausbeute von kommerziellen OLED-Lampen (Paneelen) bereits heute mit Kompaktleuchtstofflampen vergleichbar und der Abstand zur Lichtausbeute anorganischer LEDs verkleinert sich kontinuierlich.

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Ein besonders interessanter Aspekt ist, dass die OLED – als Dünnschichtaufbau – auch auf flexiblen also biegbaren und formbaren Substraten aufgebracht werden kann. Das ermöglicht Leichtbau-OLED-Module, die beispielsweise in Möbel, Fenster oder sogar in Kleidungsstücke integriert werden können. Die flexiblen OLED bieten Designern völlig neue Möglichkeiten, außergewöhnlich geformte Lichtquellen zu erschaffen.

Wasser und Sauerstoff sind Feinde der OLED

Eine große Herausforderung auf dem Weg zur OLED auf flexiblen Substraten ist ihr Schutz vor korrosiven Gasen – insbesondere Wasserdampf und Sauerstoff. Bisher wurden als Substrat für OLED Glasplatten verwendet, die undurchlässig für Wasserdampf und Sauerstoff sind. Bei flexiblen Substraten, die zumeist aus Kunststofffolien bestehen, ist das nicht der Fall.

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Cluster widmet sich der Wertschöpfungskette

Die aktiven Schichten bei einer OLED müssen vor Sauerstoff und Feuchtigkeit geschützt werden, damit ihre Funktionsfähigeit gewahrt bleibt. Allerdings befinden sich die Technologien für eine ausreichende Verkapselung von flexiblen elektronischen Bauelementen noch größtenteils im Forschungs- oder bestenfalls im Pilotstadium.

Hier setzt das Cluster FLEET an. Dabei handelt es sich um eine Fraunhofer-Initiative, die Kompetenzen von zwei Fraunhofer-Instituten und einem Institut der Technischen Universität Dresden (IAPP) sowie dem mittelständischen Unternehmen SEMPA Systems vereint. Das Ziel des Clusters ist eine rasche Weiterentwicklung von Verkapselungstechnologien zur Industrie- und Serienreife durch eine intensive Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungskette, die sich an einem Standort konzentriert.

Das Cluster entwickelt und pilotiert die Verkapselung, testet verschiedene Materialien und die Verkapselung von organischen Bauelementen durch Glas oder Folien, die mit einer Dünnschichtverkapselung kombiniert werden können. Dank der Kompetenz wird die gesamte Prozesskette zur Herstellung von organischer Elektronik und Funktionsfolien bis zur Prototypen und Kleinserienfertigung auf starren und flexiblen Substraten abgebildet.

Auf einem Quadratmeter Fläche lassen typische Polymerfolien, wie Polyethylenterephthalat – PET, noch zwischen 1 g und 50 g Wasser pro Tag hindurch. Aber schon wenige Milligramm Wasser auf der gleichen Fläche genügen, um eine OLED irreparabel zu schädigen. Um eine ausreichend lange Lebensdauer von 10.000 Stunden zu erreichen dürfen nur 10-6 g, also 0,000001 g Wasser pro Tag und Quadratmeter auf die OLED auftreffen. Das entspricht etwa einem Tropfen Wasser pro Monat auf einer Fläche so groß wie ein Fußballfeld.

Um die OLED effektiv gegen Wasserdampf und Sauerstoff zu verkapseln, werden zunächst Kunststofffolien mit Barriereschichten oder Schichtsystemen beschichtet und anschließend entweder als Substrat für den Aufbau der OLED verwendet oder als Verkapselungsfolie auf die OLED aufgeklebt. Als Schichtaufbau kommen dabei entweder sehr dichte, transparente Metalloxidschichten oder Systeme aus abwechselnd Oxidschichten und Polymerschichten zum Einsatz. Die niedrigsten Wasserdampfdurchlässigkeiten werden dabei mit den zuletzt genannten Schichtsystemen erreicht.

Eine wesentliche Eigenschaft der Schichtsysteme ist, dass sie – wie in Bild 2 dargestellt – Unebenheiten und Defekte auf der Substratoberfläche überdecken und ausgleichen. Mit einem System aus zwei mittels reaktivem Sputtern hergestellten Zink-Zinn-Oxid (Zn2SnO4, ZTO) Barriereschichten und einer ORMOCER-Zwischenschicht wurden in einem produktiven Rolle-zu-Rolle Verfahren Wasserdampfdurchlässigkeiten von 5x10-5 g/(m²d) bei Raumtemperatur und 50 Prozent relativer Luftfeuchte erreicht.

Der Begriff ORMOCER beschreibt dabei ein anorganisch-organisches Hybridpolymer, welches in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird und sich in den Eigenschaften an die jeweilige Anwendung anpassen lässt. Das System wurde in einer Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute FEP, ISC und IVV hergestellt.

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