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Abschlussveröffentlichung des Projekts OLE-3D

Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts: IGF Projekt 19854 N – OLE-3D

„Digitaldruck organischer Optoelektronik auf 3D-Körper“

Das Projekt OLE-3D der beiden Institute ZAE Bayern und FAPS konnte erfolgreich mit der Herstellung eines funktionalen 3D Demonstrators abgeschlossen werden. Dazu wurden im Zuge des Projektes organische Materialien für den Inkjetdruck und Aerosoljetdruck angepasst, um somit lösungsbasierte Elektronische Bauteile mittels Digitaldruck zu realisieren. Anschließend wurde ein Inkjet-Druckkopf in ein 5-Achsrobotersystem integriert, mit dem der Druck von organischer Elektronik auf 3D Körpern realisiert werden konnte. Damit wurde erstmalig gezeigt, dass organische Bauteile direkt auf verschiedenen Oberflächen funktionsfähig in Luft mittels Digitaldruck hergestellt werden können. Die daraus resultierenden Möglichkeiten in verschiedenen Industriezweigen sind sehr vielfältig. So können Autoteile oder Konsumprodukte oder Konsumelektronik mit zusätzlichen Funktionalitäten, wie Licht oder Stromerzeugung ausgestattet werden. Damit erstreckt sich die Anwendung von Automobilindustrie über Medizintechnik bis hin zur Kunststofffertigung. Lediglich die Lebensdauern der Bauteile müssen durch die Entwicklung geeigneter Verkapselungsverfahren verbessert werden, was im Zuge eines Folgeprojekts auf Basis der bisherigen Ergebnisse geschehen kann.

Motivation

Der aktuelle technologische Fortschritt führt zu immer größerem Anspruch an technische Produkte und deren Bestandteile. So können durch die Integration von mehr Funktionen in ein Bauteil die Integrationsdichte und die Materialkosten optimiert werden. Für die Fertigung von Leiterplatten werden die Leiterbahnen üblicherweise direkt auf der dielektrischen Platte mittels Ätzprozessen strukturiert. Dies wird i.A. durch photolithographische Prozesse erreicht, bei denen durch Licht und entsprechende optische Masken die gewünschte Struktur für den Ätzprozess geschaffen wird. Damit erzeugt diese Technologie jedoch lediglich 2D Geometrien für Leiterbahnen und Bauteile. Auch das damit verbundene Löten zum Anbringen von Bauteilen auf der Leiterplatte führt zu ähnlichen Limitationen bezüglich Form und Geometrie des Trägers. Diese Limitationen können durch die Nutzung neuer Technologien, wie organische elektronische Bauteile und additive Fertigungsmethoden, umgangen werden. Dies bietet somit die Möglichkeit, elektronische Komponenten direkt auf Oberflächen verschiedener Materialien und Produkte anzubringen. Damit ergibt sich auch das Potential, beliebige 3D Körper zu funktionalisieren, um Strom oder Licht zu generieren und dabei Prozessketten deutlich zu verkürzen. Dies ist beispielsweise mittels organischer Solarzellen (OSC), Photodetektoren (OPD) und organischer Leuchtdioden (OLED) möglich, die hier durch Direktdruckverfahren auf gekrümmten Oberflächen angebracht werden können, während weitere Leiterbahnen und elektronische Bauteile auf der Rückseite mittels Molded Interconnect Devices (MID) appliziert werden. Die Anwendungsmöglichkeiten für solche Bauteile sind dabei sehr vielfältig. So lassen sich Lichter direkt auf Spritzgussautoteile applizieren oder Handyhüllen mit zusätzlichen Eigenschaften wie Stromgeneration oder Sensorik ausstatten, ohne dies in vielen Prozessschritten mittels separater Komponenten realisieren zu müssen. Auch Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, Bekleidung, Accessoires usw. sind hier gut möglich.

 

In diesem Projekt wurden daher die notwendigen Prozesse für den Direktdruck organischer Funktionsmaterialien für elektrische Bauteile auf 3D Objekten entwickelt. Der Fokus wurde dabei vor allem auf den kontaktlosen Digitaldruck gelegt, insbesondere Inkjet- und Aerosoljetdruck, die sich perfekt für die Anwendung mit funktionalen Tinten eignen und mit denen sich beliebige Formen auf nahezu beliebige Substrate drucken lassen. Durch geeignete Modifizierung der Prozesse und Tintenformulierungen ist ein Druck auf gekrümmten Oberflächen möglich, wobei im nächsten Schritt verfügbare elektrische Kontaktierungen direkt auf 3D Bauteilen geprüft werden können, um eine Anbindung an Bauteile in der Peripherie oder an surface mounted technology (SMT)-Komponenten zu realisieren. Die so entwickelten funktionalen 3D Bauteile müssen dann mit analogen 2D Objekten verglichen werden, insbesondere hinsichtlich Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit der Produkte. Damit ermöglichen diese Technologien in vielen Marktbereichen einen enormen Fortschritt und vor allem auch einen Ausbau in bisher nicht möglichen oder teuren Produktsegmenten.

Zusammenfassung und zukünftige Forschung und Entwicklung

Im Projekt OLE3D konnte gezeigt werden, dass das Konzept der Funktionalisierung von beliebigen 3D-Körpern mit organischen (opto-)elektronischen Bauelementen durch die Kombination eines 5-Achs-Roboters mit Aerosol- und Inkjet-Druck in industrieller Umgebung realisierbar ist. Für den IJ-Druck gelang es, für alle Schichten von organischen Solarzellen und OLEDs, einschließlich transparenter Elektroden, geeignete Tinten zu entwickeln. Dies erlaubte die Herstellung eines vollständig IJ-gedruckten und vollständig funktionalen Demonstrators, eines mit OLEDs funktionalisierten „Midsters“. Im Bereich Aerosoljetdruck von OEDs wurde demonstriert, dass transparente Elektroden, lochleitende Schichten und Leiterbahnen funktionsfähig gedruckt werden können.

Um das Konzept der Funktionalisierung von 3D-Körpern mit organischen Bauelementen durch Techniken des Digitaldrucks zur Anwendungsreife zu führen (siehe Abbildung), sind folgende weitere Entwicklungen notwendig:

 

  • Die vollständige Automation der Druckapparatur
  • Die Implementierung des AJ-Drucks in die 5-Achsapparatur
  • Entwicklung der Tinten für die Aufbringung der Aktivschicht und ETL mittels AJ-Druck
  • Optimierung des AJ-Drucks von AgNW, um die Reduktion des Aspektverhätlnisses der AgNW durch den Druckprozess so weit wie möglich zu eliminieren
  • Verlängerung der Lebensdauer der OEDs

Abbildung: Schematische Darstellung eines multifunktionellen 3D Bauteils mit verschiedenen OED Komponenten;
Quelle: ZAE Bayern, FAPS (FAU)

Aufgrund ihrer fehlenden Verkapselung sind die organischen Bauteile nicht ausreichend vor Sauerstoff und Wasser geschützt, so dass eine anwendungsrelevante Langlebigkeit noch nicht gegeben ist. Aus diesem Grund ist ein wichtiges Entwicklungsfeld die Herstellung von gedruckten Barrieren auf 3D Objekten. Da die bisher verwendeten Methoden meist auf teuren Vakuumverfahren basieren und daher auch nicht 3D geeignet sind (Abschattungseffekte verhindern eine homogene Beschichtung) ist der Druck solcher Schichten von besonderer Bedeutung. Da in diesem Projekt gezeigt wurde, dass PHPS nicht nur eine gute lösungsprozessierbare Barriereschicht sondern auch eine geeignete Zwischenschicht für die Planarisierung der Substrate darstellt, kann bereits erfolgversprechend an diesem Punkt begonnen werden.

 

Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.

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