Wirtschaftliches Herstellungsverfahren und homogene Leuchtkraft für OLEDs dank mikroskaliger Leiterbahnen
Der Trend in der Beleuchtungstechnik geht zur flächigen und dekorativen Beleuchtung, wie sie durch organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, erreicht werden kann. Analysten von NanoMarkets prognostizieren für 2012 ein weltweites Marktvolumen von über 2,9 Mrd. US $, bis 2014 sollen diese Umsätze auf rund 5,9 Mrd. US $ steigen. Die Beleuchtungsindustrie sucht nun nach wirtschaftlichen Herstellungsverfahren für organische Leuchtmittel. In Zusammenarbeit mit Philips entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ein kosteneffizientes Verfahren zur Aufbringung von Leiterbahnen auf OLEDs.
OLEDs (organic light emitting diodes) sind hocheffiziente Lichtquellen auf Basis organischer Materialien, die bei geringem Energieverbrauch eine hohe Lichtstärke erzielen können. Sie bestehen aus einer oder mehreren aktiven Organikschichten, die über zwei flächige Elektroden unter Spannung gesetzt werden. Der initiierte Stomfluss führt zu Elektronen-Loch-Rekombinationen in der Organikschicht. Dadurch werden Photonen erzeugt, die durch die leitfähige, transparente Anode - bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO) oder ähnlichen Materialien - in den Halbraum strahlen. Zur gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Energie über die gesamte Fläche der OLEDs werden Leiterbahnen aus Metall auf die ITO-Schicht aufgetragen. Die Strukturgröße der Leiterbahnen spielt hierbei eine wichtige Rolle: Sind die Bahnen zu breit, können sie das homogene Leuchtbild der Lichtquelle beeinträchtigen. Neben der angestrebten Senkung der Herstellungskosten für OLEDs verfolgt die Beleuchtungsindustrie die Erzeugung kleinster Strukturen mit großem Interesse. Gefordert ist nun ein Verfahren, mit dem schmale metallische Leiterbahnen energie- und ressourceneffizient erzeugt werden können.
Bislang wurde das metallische Leitermaterial mithilfe eines energieintensiven Hochvakuum-Sputterprozesses auf die Oberfläche der OLEDs aufgebracht. Dabei wurde eine atomare Schicht unter Hochvakuum flächendeckend auf das Substrat gestäubt und mit einem fotolithografischen Verfahren genau dort wieder entfernt, wo keine Leiterbahnen entstehen sollten. Dieser subtraktive Prozess ist aufgrund des hohen Aufwands beim Beschichten und anschließenden Entfernen der überschüssigen Metallschicht sowie wegen des Materialverlusts von bis zu 90% sehr teuer. Zudem ist der fotolithografische Abtrag umweltschädlich, da die mit Metallen durchsetzte Ätzlösung nach ihrer Verwendung entsorgt werden muss. Die konventionell erzeugten Leiterbahnen weisen eine Breite von bis zu 120 µm auf und stellen somit ein optisches Störelement für die homogene Leuchtkraft der OLEDs dar.
Additiver Prozess soll Kosten senken und die Umwelt schonen
Das Fraunhofer ILT entwickelt nun für den Industriepartner Philips ein Laser-Verfahren zum Aufbringen mikroskaliger Leiterbahnen. Auf die Oberfläche des Halbleiters wird eine Maskenfolie aufgelegt, die das Negativ zur später gewünschten Leiterbahngeometrie darstellt. Darauf wird eine Quellfolie angebracht, aus deren Material die zu erzeugende Leiterbahn bestehen soll, beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Der Aufbau wird fixiert und mit Laserstrahlung in einer Geschwindigkeit von bis zu 2,5 m/s entlang der Maskengeometrie beaufschlagt. Es bildet sich ein Gemisch aus Schmelzetropfen und Dampf, das von der Quellfolie aus auf das Substrat transferiert wird. Das erstarrte Gemisch ergibt die Leiterbahn, deren Geometrie durch die Maske vorgegeben ist. Da der Prozess an der Umgebungsatmosphäre stattfindet, kann auf eine aufwändige Prozesskammer verzichtet werden. Es entsteht kein Materialverlust, denn das restliche Material der Quellfolie kann wiederverwendet werden.
"Auf diese Weise können wir schmale metallische Bahnen mit einstellbaren Breiten zwischen 40 und 100 µm erzeugen. Sie weisen variable Dicken zwischen 3 und 15 µm sowie einen Flächenwiderstand von < 0,05 Ohm/sq auf, sodass die Elektronen optimal über die gesamte Fläche verteilt werden können. Unser Ziel ist es, mit dem neuen Verfahren ein homogenes Leuchtbild auf der gesamten Fläche zu erzeugen.", erklärt Christian Vedder, Projektleiter am Fraunhofer ILT. Zudem erlaubt dieses Herstellungsverfahren eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Beschichtung. Den Hauptvorteil des additiven Laser-Verfahrens sieht Holger Schwab, Projektleiter OLED Lighting bei Philips, im wirtschaftlichen Bereich: "Mithilfe dieses Prozesses können die Herstellungskosten für OLEDs in erheblichem Maße reduziert werden. Der Materialnutzungsgrad von nahezu 100% und der Wegfall von Strukturierungsprozessen sind für uns wichtige Entscheidungskriterien."
Leiterbahnen kommen überall dort zum Einsatz, wo elektrische Energie über nichtleitende Oberflächen aus Glas, Silizium oder anderen Materialien geführt werden soll. Daraus ergeben sich weitere Anwendungen des innovativen Prozesses, beispielsweise für beheizbare Scheiben im Automobil- und Sonderfahrzeugbau sowie für die Fertigung von Halbleitern in der Solarzellentechnologie. Durch zu breite Leiterbahnen entstehen im Fahrzeugbereich Sichteinschränkungen. In der Photovoltaik führen sie aufgrund von Abschattung zu Effizienzeinbußen. In diesen Bereichen besteht daher ebenfalls die konsequente Forderung nach mikroskaligen Leiterbahnen.
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