Flexible OLED für homogenes Licht

Das blendfreie, homogene Licht großflächiger OLED wird als sehr angenehm empfunden und bietet für das Produktdesign viele Vorteile. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt LAOLA wurden daher OLED als flächige Beleuchtung für vielfältige Einsatzgebiete auf flexiblen Substraten entwickelt. Im Fokus stand dabei flexibles Ultradünnglas, dass durch seine hervorragenden Barriereeigenschaften Vorteile gegenüber Kunststoff als Substrat bietet.

OLED auf Ultradünnglas mit einer Breite von 300 Millimetern

Am Fraunhofer FEP konnten die Wissenschaftler im Rahmen des Projekts die OLED erfolgreich auf flexibles Glas im Rolle-zu-Rolle-Verfahren prozessieren, beschichten und verkapseln. Die daraus gewonnenen Ergebnisse lassen sich unmittelbar auf andere, schon vorhandene Rolle-zu-Rolle-Bandanlagen übertragen.

Um neben den technologischen Entwicklungen auch passende Anwendungen zu betrachten, erarbeitete WOLFRAM Designer und Ingenieure (WDI) ein konkretes Einsatzgebiet für die OLED auf Ultradünnglas. Dies wurde in Form einer OP-Leuchte umgesetzt, die in seiner Formgestaltung große OLED-Leuchtflächen mit LED Strahlern verbindet. Dabei sind die OLED als Flügelelemente verbaut und bieten eine indirekte, blendfreie Beleuchtung; die LED Strahler machen die direkte Beleuchtung möglich.

Zur Herstellung der eigentlichen OLED auf Ultradünnglas arbeiteten eine Reihe weiterer Partner zusammen. Am Anfang dieser Wertschöpfungskette steht Nippon Electric Glass Co., Ltd. (NEG) als Hersteller von Ultradünnglas-Rollen. Auf das Ultradünnglas mit einer Breite von 300 Millimetern wurde zur weiteren Prozessierung an der Yamagata Universität ein transparentes, leitendes Oxid (Transparent Conductive Oxid – TCO) als Anodenmaterial für die OLED abgeschieden.

Der Schichtwiderstand von ~30 Ohm pro Quadratmeter reicht allerdings nicht aus, um die gesamte Leuchtfläche von 206 × max. 95 mm² homogen auszuleuchten. Um dies zu lösen, wurden dünne Verstärkungslinien gedruckt. Das erfolgte an 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. (Druckpasten-Hersteller).

Neue Technologien für Verdampfungs-, Schneid- und Strukturierungsprozesse

„Die Gewährleistung der Langzeitstabilität der OLED-Bauelemente und der hygienischen Oberfläche der Leuchte spielten eine wesentliche Rolle bei der Auswahl des Ultradünnglases als Substrat“, erklärt Dr. Jacqueline Hauptmann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. „Ein Schwerpunkt im Projekt war der Umbau einer am Fraunhofer FEP vorhandenen Rolle-zu-Rolle-Vakuum-Beschichtungsanlage, um reines Ultradünnglas von 50 und 100 Mikrometer Dicke mit Bandzügen in der Größenordnung von 30 – 50 Newton problemlos wickeln, beschichten und verkapseln zu können.“

Für die Abscheidung dünner Metallschichten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren für die Anoden- und Kathodenbeschichtung wurde der Metallverdampfer durch den Projektpartner CREAVAC-Creative Vakuumbeschichtung GmbH umgebaut. So konnten Kalzium und Silber gleichzeitig verdampft werden, um transparente Schichten von 8 Nanometern Dicke (Kalzium/Silber im Verhältnis 1:7) über eine Breite von 290 Millimetern mit einer Schichtdickenschwankung von ~1 % zu erreichen.

Als weitere Herausforderung stellten sich die nötigen Laserschneid- und Strukturierungsprozesse für die Vereinzelung und Verschaltung der OLED heraus. Mit dem Projektpartner Heliatek GmbH wurde eine alternative Strukturierungsmethode entwickelt, die enormes Potenzial hat, schon fertig gestellte Bauelemente nachträglich partikelarm zu strukturieren. Dafür wird die Anode, die mit einer gedruckten Passivierung abgedeckt ist, durch das Ultradünnglas hindurch gelasert.

Weiterhin wurde die Verwendung von thermisch verdampftem Melamin im Projekt validiert und mit den Projektpartnern Creaphys GmbH und Heliatek GmbH vorangetrieben. In beiden Technologien steckt enormes Potential für eine Verwertung auch in neuen Anwendungsfeldern der flexiblen organischen Elektronik.

Die abschließende Vereinzelung der OLED konnte innerhalb des Projektes mit dem Projektpartner 3D-Micromac AG erfolgreich entwickelt werden. Mit Hilfe eines Lasers, der über eine Bessel-Optik verfügt, konnte das sogenannte Filamentieren des Ultradünnglases beidseitig auf Substrat- und Verkapselungsseite und ein anschließendes mechanisches Trennen des Klebstoffes gezeigt werden. Dabei wurden Schnittgeschwindigkeiten von 400 Millimeter pro Sekunde erreicht.

Vom Projektpartner tesa SE wurden unterschiedliche Klebebänder für die Verkapselung im Dünnglasverbund, auch mit Wasserfänger-Komponenten, getestet und die geschnittenen Gläser und Glas-Klebstoff-Glas Verbunde auf Festigkeit untersucht.

Die im dreijährigen LAOLA-Projekt (2018 – 2021) gewonnenen Ergebnisse lassen sich unmittelbar auf andere, schon vorhandene Rolle-zu-Rolle-Bandanlagen übertragen. Auch die erfolgreiche Separation der OLED-Module aus dem verklebten Glas-Glas-Verbund, der nach der Prozessierung in einem aufgerollten Zustand vorlag, ist künftig einfach transferierbar.

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