Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Projektskizze: Digitaldruck lösungsbasierter Verkapselung von organischer Elektronik auf 3D Oberflächen [SolEnc]

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Forschungsziel

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, gedruckte organische Elektronik mithilfe von digitalen Druckverfahren zu verkapseln. Die Druckverfahren sollen dabei in der Lage sein, das Verkapselungsmaterial bei niedrigen Temperaturen auf beliebigen Materialien mit beliebiger Geometrie aufzutragen, ohne dabei das zu verkapselnde Bauteil zu beschädigen. Dabei sollen z.B. Verfahren wie Inkjetdruck, Nanojetdruck, ggf. auch Spraycoating oder Dispenser verwendet werden.

Der so entwickelte Herstellungsprozess wird in der Lage sein, mittels Digitaldruck hergestellte Bauteile auf 2D- und 3D-Oberflächen auch mittels Digitaldruck zu verkapseln. Zum Projektende wird ein Demonstrator erstellt, welcher aus einem 3D Bauteil mit einer vollständig mittels Digitaldruck hergestellten organischen optoelektronischen Funktionalität besteht, deren Lebensdauer aufgrund der in diesem Projekt entwickelten Verkapselung die für die Anwendung erforderlichen Werte erreicht.

Abbildung: Inkjet; Quelle: iMEET & FAPS, FAU

Beschreibung

Durch die Digitalisierung und die aktuelle industrielle Entwicklung (Industrie 4.0) hat der Digitaldruck im Bereich gedruckter Elektronik herausragende Bedeutung gewonnen. Die Technologie besitzt die Fähigkeit, Komponenten und Bauteile deutlich kosteneffizienter herzustellen als mit konventionellen Methoden.

Die aktuelle Entwicklung der Drucktechnologie hat gezeigt, dass bereits verschiedene elektronische Bauteile aus organischen Materialien, auch Organische Elektronik (OE) genannt, durch Digitaldruck hergestellt werden können, wie z.B. organische Photovoltaik (OPV), organische Photodioden (OPD), organische Feldeffekttransistoren (OFETs) und organische Leuchtdioden (OLEDs). Diese Technologie bietet einen guten Kompromiss zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit elektronischer Bauteile, verglichen mit der konventionellen Produktion elektronischer Bauteile.

Trotz der Fortschritte im Druck organischer Elektronik muss hochwertige Verkapselung weiterhin mittels Vakuumprozess erfolgen, da drucktechnische Verfahren hierfür noch nicht zur Verfügung stehen. Zwar kann der Vakuumprozess qualitativ sehr hochwertige Barriereschichten erzeugen, er ist jedoch hinsichtlich der Verkapselungsgeometrie vor allem für planare Bauteile geeignet,da es für komplexere 3D Objekte durch Abschattungseffekte zu einer inhomogenen Beschichtung kommen kann. Zudem ist der komplexe Prozess durch hohe Temperaturen, teure Ausrüstung, geringen Durchsatz und Materialverschwendung gekennzeichnet.

Die Verkapselung organischer Elektronik ist jedoch maßgebend für deren Lebensdauer und damit auch für deren Gesamtkosteneffizienz. Sie dient dem Schutz des Bauteils vor Sauerstoff- und Wassermolekülen, welche durch chemische Reaktionen mit der Aktivschicht oder den Elektroden das Bauteil angreifen. Qualitativ hochwertige Verkapselungen konnten jedoch bislang mittels Digitaldruck nicht hergestellt werden.

Aus diesem Grund muss der Digitaldruck so angepasst werden, dass Verkapselungsschichten ausreichender Qualität gedruckt werden können. Dadurch können die o.g. Nachteile der aktuellen Vakuumverkapselung umgangen werden. Es ist so möglich, den Druck von Tinten auf beliebig geformten 3D Körpern in beliebigen Mustern kostengünstig zu realisieren.

Dieses Forschungsprojekt wird dazu beitragen, die drucktechnische Herstellung organischer Elektronik auf ein industriell relevantes Niveau zu heben. Gleichzeitig wird dadurch die kostengünstige Funktionalisierung zahlreicher 2D- und 3D-Objekte mit optoelektronischen Bauelementen ermöglicht. Von diesen Ergebnissen werden zahlreiche Marktbereiche und Branchen profitieren, wie z.B. die Automobilindustrie, das Gesundheitswesen, die Drucktechnologie, „Internet-of-Things“ (IoT), smarte Gebäude und auch diverse Gebrauchselektronik, wie Mobiltelefone.

Abbildung: 5-Achs-Robotersystem; Quelle: Neotech AMT

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

  • Die Qualität der Barriereschichten, die Simplizität des Prozesses und die geringen Prozesstemperaturen ermöglichen neue Funktionalitäten für MID-Technologien, die zuvor nicht realisierbar waren, wie bspw. Licht- und Energiequellen oder Sensorik.
  • Die entwickelte Technologie erbringt Herstellern wirtschaftliche Vorteile, da die Investitionskosten geringer sind als die für konventielle Vakuumbeschichtungsanlagen
  • Hohe Flexibilität in der Produktion durch flexible Änderung des Produktlayouts sowie wirtschaftliche Kleinserienfertigung
  • Zulieferer und Firmen aus dem Bereich Maschinenbau und automatische Anlagentechnologien profitieren direkt vom MID-Marktwachstum
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