Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten und nun abgeschlossenen Verbundprojekts LAOLA (Förderkennzeichen: 03INT509AF) sollten großflächige Beleuchtungsanwendungen mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) auf flexiblen Substraten entwickelt werden.
Im Mittelpunkt des Projekts stand das ultradünne Glas, das aufgrund seiner hervorragenden Barriereeigenschaften Vorteile gegenüber Kunststoff als Substrat bietet. Am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP wurden die OLEDs in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf das flexible Glas aufgebracht. Eine mit diesem Verfahren konstruierte Operationsleuchte wird auf der LOPEC 2022 am 23. und 24. März 2022 in München auf dem Gemeinschaftsstand des Projektträgers Organic Electronics Saxony e.V. (OES), Nr. B0.308, vorgestellt.
Das blendfreie, homogene Licht von großflächigen organischen Leuchtdioden (OLEDs) wird als sehr angenehm empfunden und bietet viele Vorteile für das Produktdesign. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt LAOLA wurden deshalb OLEDs als flächige Beleuchtung für eine Vielzahl von Anwendungen auf flexiblen Substraten entwickelt. Der Schwerpunkt des Projekts lag auf flexiblem, ultradünnem Glas, das aufgrund seiner hervorragenden Barriereeigenschaften Vorteile gegenüber Kunststoff als Substrat bietet. Ein Teil der Technologien wurde im Rahmen des mit LAOLA verbundenen Internationalisierungsprojekts zwischen Japan und Deutschland mit Kooperationspartnern des japanischen Partnerclusters YUFIC an der Universität Yamagata erforscht. Insbesondere die Etablierung von flexiblem Ultradünnglas als Substrat wurde hier vorangetrieben.
Um neben den technologischen Entwicklungen auch geeignete Anwendungen in Betracht zu ziehen, erarbeiteten die WOLFRAM Designer und Ingenieure (WDI) ein konkretes Anwendungsgebiet für OLED auf ultradünnem Glas. Umgesetzt wurde dies in Form einer OP-Leuchte, die in ihrem Formdesign große OLED-Leuchtflächen mit LED-Strahlern kombiniert. Die OLEDs sind als Flügelelemente installiert und sorgen für eine indirekte, blendfreie Beleuchtung, während die LED-Spots eine direkte Ausleuchtung ermöglichen.
Deutsch-japanische Kooperation für Know-how bei ultradünnen Glastechnologien
Eine Reihe weiterer Partner hat zusammengearbeitet, um die eigentliche OLED auf ultradünnem Glas herzustellen. Am Anfang dieser Wertschöpfungskette steht Nippon Electric Glass Co., Ltd. (NEG) als Hersteller von ultradünnen Glasrollen. An der Universität Yamagata wurde auf das ultradünne Glas mit einer Breite von 300 Millimetern ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) für die weitere Verarbeitung als Anodenmaterial für die OLED aufgebracht. Der Schichtwiderstand von ~30 Ohm pro Quadratmeter reicht jedoch nicht aus, um die gesamte leuchtende Fläche von 206 × maximal 95 mm² homogen auszuleuchten. 95 mm² zu beleuchten. Um dieses Problem zu lösen, wurden dünne Verstärkungslinien gedruckt. Dies geschah auf einer Rolle-zu-Rolle-Siebdruckanlage an der Yamagata-Universität in Zusammenarbeit mit der Firma SERIA ENGINEERING, INC. (Rolle-zu-Rolle-Siebdruckverfahren) und Fujikura Kasei Co., Ltd. (Hersteller der Druckpaste).
Neue Technologien für Aufdampf-, Schneid- und Strukturierungsprozesse
"Die Sicherstellung der Langzeitstabilität der OLED-Bauelemente und der hygienischen Oberfläche der Leuchte spielte bei der Auswahl von ultradünnem Glas als Substrat eine entscheidende Rolle", erklärt Dr. Jacqueline Hauptmann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. "Ein Schwerpunkt des Projekts war die Nachrüstung einer bestehenden Rolle-zu-Rolle-Vakuum-Beschichtungsanlage am Fraunhofer FEP, um reines Dünnglas von 50 und 100 Mikrometern Dicke mit Bandspannungen im Bereich von 30 - 50 Newton problemlos wickeln, beschichten und verkapseln zu können. Das Retrofit der Anlage wurde von der Firma FHR Anlagenbau GmbH erfolgreich durchgeführt."
Für die Abscheidung dünner Metallschichten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zur Anoden- und Kathodenbeschichtung wurde der Metallverdampfer durch den Projektpartner CREAVAC-Creative Vakuumbeschichtung GmbH umgebaut. Damit konnten Kalzium und Silber gleichzeitig verdampft werden, um transparente Schichten von 8 Nanometern Dicke (Kalzium/Silber-Verhältnis 1:7) auf einer Breite von 290 Millimetern mit einer Schichtdickenvariation von ~1% zu erreichen.
Als weitere Herausforderung erwiesen sich die notwendigen Laserschneid- und Strukturierungsprozesse für die Trennung und Verschaltung der OLEDs. Gemeinsam mit dem Projektpartner Heliatek GmbH wurde eine alternative Strukturierungsmethode entwickelt, die ein enormes Potenzial für die nachträgliche Strukturierung bereits fertiggestellter Bauelemente mit geringer Partikelzahl bietet. Dazu wird die mit einer gedruckten Passivierung versehene Anode durch das ultradünne Glas hindurchgelasert. Weiterhin wurde im Projekt der Einsatz von thermisch verdampftem Melamin validiert und mit den Projektpartnern Creaphys GmbH und Heliatek GmbH vorangetrieben. Beide Technologien haben ein enormes Potenzial für den Einsatz in neuen Anwendungsfeldern der flexiblen organischen Elektronik.
Ergebnisse bereit für den Technologietransfer in die Industrie
Die finale Abtrennung der OLED konnte im Rahmen des Projektes mit dem Projektpartner 3D-Micromac AG erfolgreich entwickelt werden. Mit Hilfe eines mit Bessel-Optik1 ausgestatteten Lasers konnte die sogenannte Filamentierung des ultradünnen Glases beidseitig auf Substrat- und Verkapselungsseite und die anschließende mechanische Trennung des Klebers demonstriert werden. Dabei wurden Schnittgeschwindigkeiten von 400 Millimetern pro Sekunde erreicht. Vom Projektpartner Tesa SE wurden verschiedene Klebebänder zur Verkapselung im Dünnglaslaminat, auch mit Wasserfallenanteilen, getestet und die geschnittenen Gläser und Glas-Klebstoff-Glas-Laminate auf ihre mechanische Festigkeit untersucht.
Eine flexible Edelstahlfolie von NIPPON STEEL Chemical & Material CO., LTD wurde für die Verkapselung von undurchsichtigen OLED-Geräten getestet. Die 30 Mikrometer dünne Folie lässt sich sehr gut im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeiten und verspricht aufgrund ihres günstigeren Temperaturmanagements eine vielversprechende Alternative zur Verkapselung mit ultradünnem Glas zu werden. Die Trennung der Glas-Klebe-Edelstahl-OLED wurde hier von Mitsuboshi Diamond Industrial Co, Ltd (MDI)2 durchgeführt.
Neben der Projektkoordination hat die Organic Electronics Management GmbH eine Marktstudie für die von WDI entwickelten Leitanwendungen sowie ein Fertigungskonzept erstellt und damit den Weg für einen Technologietransfer durch die Partner geebnet. Dr. Jonas Jung, Projektleiter bei OES, sagt: "Durch den Einsatz innovativer Produktionstechnologien über alle Partner hinweg wurde ein vielversprechender OLED-Demonstrator entwickelt, der neue Anwendungsmöglichkeiten für flexible Elektronik eröffnet. Dieses großartige Ergebnis des LAOLA-Projekts unterstreicht die Innovationskraft der langjährigen deutsch-japanischen Zusammenarbeit."
Die im dreijährigen LAOLA-Projekt (2018 - 2021) erzielten Ergebnisse können direkt auf andere bestehende Rolle-zu-Rolle-Bandanlagen übertragen werden. Auch die erfolgreiche Abtrennung von OLED-Modulen aus dem verklebten Glas-Glas-Verbund, der sich nach der Verarbeitung im aufgerollten Zustand befand, lässt sich in Zukunft problemlos übertragen.
Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Unterstützung im Projekt LAOLA (Large-area OLED lighting applications on thin flexible substrates, Förderkennzeichen 03INT509A), sowie allen deutschen und japanischen Projektpartnern.
1 Weißbuch: "Optimierte Laserschneidprozesse und Systemlösungen zum Trennen von Ultradünnglas für OLED-Beleuchtungs- und Displayanwendungen", René Liebers
2 "Roll-to-Roll Fabrication for OLED Lighting Using Ultra-Thin Glass Substrate and Encapsulating Stainless Steel Foil" - Tadahiro Furukawa, Jacqueline Hauptmann et.al., IDW'21, FLX5/FMC6-1 2021
Weitere Informationen: https://www.fep.fraunhofer.de/en/press_media/01_2022.html [This is automatically translated from English]