Auf den Punkt gebrannt
Verfahren zum Laserstrukturieren und -fügen beschleunigen die Produktion organischer Elektronik.
Ein ehrgeiziges Ziel der Industrie ist die Herstellung von haltbarer und flexibler organischer Elektronik, welche elektrische Funktionalitäten in Verbrauchsprodukten für wenige Cent pro Element ermöglicht. Diese Bauteile benötigen dünne Energiequellen, wie Batterien oder Solarmodule, und flexible Displays als Schnittstellen zum Benutzer. Jede Komponente wird in einem aufwändigen Verfahren aus Auftragen, Drucken, Strukturierung und Verkapselung erzeugt. Diese Produktionsketten profitieren entscheidend von laserbasierten Dünnschichtstrukturierungs- und Fügeprozessen.
Abb.: Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung mit Multistrahlkamm (Bild: Fraunhofer ILT)
Um den Schritt zum Massenmarkt zu erreichen, müssen die Lebensdauer organischer Komponenten erhöht und die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden. Hierfür benötigt man eine technisch ausgereifte und preiswerte Verkapselung. Die Verwendung von Dünnschichtverkapselung ist der vielversprechendste Ansatz. Für die elektrische Kontaktierung einer OLED muss diese Verkapselung lokal und selektiv entfernt werden, ohne die darunterliegenden, funktionalen Schichten zu beschädigen. Dies wird durch den Abtrag mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht. Der hierfür vom Fraunhofer ILT entwickelte Prozess hält zurzeit Einzug in die Fertigung von OLEDs. Hierbei werden für die Produktion ausreichend schnelle Abtragraten von etwa 40 Quadratzentimeter in der Minute erreicht. Durch die Verwendung von Hochleistungslasern und schnelleren Strahlablenkungsverfahren lässt sich die Abtragrate auf mehr als 100 Quadratzentimeter in der Minute erhöhen.
Für die Erzeugung getrennter elektrischer Kontakte in der transparenten Elektrode verwendet man in der Produktion nasschemische Ätzverfahren. Sie werden in Zukunft durch Laserabtragprozesse ersetzt, da diese weniger aufwändig sind sowie kleinere Strukturen und höheren Durchsatz erlauben. Bei dem vom Fraunhofer ILT entwickelten Strukturierungsprozess wird die transparente, leitfähige Schicht – üblicherweise Indium-Zinn-Oxid – mittels ultrakurzer Laserpulse strukturiert. Hierdurch eröffnen sich neue Prozessfenster, die physikalische Prozesse ermöglichen, welche mit längeren Laserpulsen nicht zu realisieren wären. Die typischen Probleme von Abtragprozessen, wie Partikelkontamination und Schichtablösung, lassen sich auf diese Weise minimieren.
Laserstrukturierungsverfahren beruhen immer auf der lokalen Entfernung von leitfähigem Material. Parallel dazu wird am Fraunhofer ILT ein abtragfreies Strukturierungsverfahren entwickelt. Hiermit lassen sich die sich aus dem Abtrag ergebenden Nachteile wie Partikelkontamination und Schichtablösung vollständig vermeiden. Die Leitfähigkeit wird durch Modifikation unterbunden, ohne die Schicht abzutragen. Zusätzlich zur vollständigen Vermeidung von Rückständen untersuchen die Forscher, wie die durch die Laserstrahlung hervorgerufenen Schädigungen im benachbarten Material verringert und die Produktivität durch die Verwendung von preiswerteren Laserstrahlquellen deutlich gesteigert werden kann.
Durch die Ausnutzung der Möglichkeiten der Rolle-zu-Rolle-Fertigung können in der gedruckten Elektronik, polymeren Solarzellen und fortschrittlichen Batterien Kosten reduziert und somit eine weitere Verbreitung ermöglicht werden. Durch die Integration von Lasermaterialbearbeitung lassen sich komplexe Schritte wie Lithographie, strukturiertes Drucken oder das Verkleben der Verkapselung ersetzen. Am Fraunhofer ILT wird derzeit an der Parallelbearbeitung der Serienverschaltung organischer Solarzellen gearbeitet. Im Vergleich zu Herstellungsverfahren, die auf Druck- und Aufdampfprozessen basieren, ermöglicht die Laserstrukturierung eine Reduzierung der inaktiven Zone um drei Größenordnungen. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Laserschweißprozessen für Polymere vereinfachte Verkapselungsmöglichkeiten. Die Rolle-zu-Rolle-Anlage mit integrierten Laserverfahren wird am Fraunhofer ILT in Kooperation mit den Partnern LIMO, 4Jet, Coatema und dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität Bochum aufgebaut. Sie ermöglicht die Strukturierung und das Verschweißen von Bauteilen bei Durchsatzraten von einem Quadratmeter pro Minute. Auf dem Stand des Netzwerks „COPT.NRW“ (Stand Nr. 208), dem Zentrum für organische Produktionstechnologien des Landes Nordrhein-Westfalen, auf der LOPEC in München stellen Experten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Verfahren zur Dünnschichtstrukturierung vor.
Fh.-ILT / DE
