Herstellung organischer Bauteile

Designstudie einer Lampe, bei der als Leuchtmittel quadratische OLEDs zum Einsatz kommen

Organische elektronische Bauteile wie OLEDs und organische Solarzellen sind dünn und flächig. Sie sind nur wenige zehntausendstel Millimeter dick und an sich nicht mechanisch belastbar. Sie werden daher auf ein passendes Trägermaterial, das Substrat, aufgebracht. Das Substrat besteht üblicherweise aus Glas oder einer Plastikfolie, alternativ aus Metallblech oder einer anderen glatten Oberfläche.
Die verschiedenen Materialien, aus denen das Bauteil aufgebaut wird, werden nacheinander als dünne Schichten auf das Substrat aufgebracht. Dabei können zwei verschiedene Herstellungsverfahren zur Anwendung kommen: Vakuumprozessierung oder Lösungsmittelprozessierung. Für die Produktion von OLED-Displays – der technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendung organischer Halbleiter – als auch bei der OLED-Beleuchtung hat sich die Vakuumprozessierung durchgesetzt. Bei Solarzellen werden derzeit beide Verfahren weiterentwickelt.

Lösungsmittelbasierte Prozessierung

Die lösungsmittelbasierte Prozessierung ist ähnlich dem Drucken mit einem Tintenstrahldrucker oder in einer Druckmaschine. So wie in der normalen Druckertinte die Farbpigmente in einem flüssigen Lösungsmittel gelöst sind, so liegen auch beim Drucken von organischer Elektronik die organischen Materialien gelöst in einem flüssigen Lösungsmittel vor. Die Lösung wird daher auch analog „elektronische Tinte“ genannt. Diese Tinte wird – genau dosiert – auf das Substrat aufgetragen. Das Lösungsmittel ist flüchtig und wenn es verdampft ist verbleibt der organische Halbleiter als dünne Schicht auf dem Substrat.
Lösungsmittelbasierte Prozessierung ist die einfachste und technisch am längsten erprobte Methode für die Herstellung dünner Materialschichten. Sie ist für Prozesse geeignet, bei denen höhere Schichtdicken im Bereich mehrerer Mikrometer oder dicker benötigt werden und nur eine oder wenige Schichten organischer Halbleiter aufgebracht werden sollen. Bei Bauteilen, die aus mehreren klar getrennten Schichten bestehen, müssen besondere Kombinationen aus organischen Halbleitern und Lösungsmitteln verwendet werden, so dass eine Schicht auf eine bereits bestehende Schicht aufgebracht werden kann ohne die erste Schicht anzulösen, was zu einer unerwünschten Vermischung der Materialien führen würde. Als Materialien werden meist Polymere (sehr große Moleküle) eingesetzt, da diese weniger anfällig gegenüber Lösungsmitteln sind, sobald sie einmal aufgebracht wurden. Die Prozessierung auf flexible Substrate „von Rolle zu Rolle“ ist einfacher möglich, ähnlich wie bei Zeitungs-Druckmaschinen.

Vakuumprozessierung

Für die Vakuumprozessierung liegt das Material, hoch gereinigt, in Pulverform vor. Es wird erhitzt und sublimiert1 oder verdunstet, ähnlich wie Wasser bei erhöhter Temperatur. Das Substrat ist über der geheizten Materialquelle angebracht, so dass sich das verdampfte Material als dünner Film darauf niederschlagen kann – ähnlich wie bei einem Spiegel oder einer Fensterscheibe, auf der sich Wasserdampf als dünner Film aus Wassertröpfchen niederschlägt. Materialquelle und Substrat müssen sich im Vakuum befinden, d.h. in einer luftleer gepumpten Kammer.2
Die Vakuumprozessierung erlaubt die Produktion beliebig vieler Schichten übereinander ohne große Einschränkungen. Die Substratgröße kann dabei bis zu mehrere Quadratmeter betragen (3m x 6m sind heute möglich). Schichtdicke, Aufdampfgeschwindigkeit und Mischung mehrerer Materialien können fein geregelt und mit hoher Präzision eingestellt werden. Die Materialien bestehen aus kleineren Molekülen, da sich diese gut verdampfen lassen ohne chemischen Schaden zu nehmen (z.B. „anbrennen“ im Tiegel). Das Bedampfen einzelner Substrat-Platten (z.B. Displays) in einer Vakuumkammer ist heute Stand der Technik und wird in der OLED-Display-Produktion bereits für den Massenmarkt angewendet. Die Produktion „von Rolle zu Rolle“ im Vakuum ist Gegenstand aktueller Entwicklung, unter anderem bei der Firma Heliatek und dem Fraunhofer COMEDD in Dresden.

 


1: Mit „sublimieren“ bezeichnet man den direkten Übergang vom Feststoff in den gasförmigen Zustand, ohne zwischenzeitliches Schmelzen. Dieses Phänomen kann man zum Beispiel bei Schnee beobachten, wenn in trockenen kalten Winterwochen die Schneeberge schrumpfen ohne dass Schmelzwasser abfließen würde: Der Schnee sublimiert direkt und erhöht die Luftfeuchtigkeit.

2: Das Vakuum ist aus zwei Gründen notwendig: Einerseits wird Verwirbelung und Wolkenbildung bei der Verdampfung vermieden und das Material kann sich sehr direkt und gleichmäßig von der Materialquelle zum Substrat bewegen und bildet dort glatte Schichten. Andererseits werden sensible Materialien so vor störenden Einflüssen wie Luftfeuchtigkeit oder dem Luftsauerstoff geschützt.


2012 by OES, Johannes Widmer