OLEDs mit homogenerer Leuchtkraft OLEDs: Mikroskalige Leiterbahnen sollen Herstellung und Leistung verbessern

In Zusammenarbeit mit Philips entwickelt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ein kosteneffizientes Verfahren mit dem sich Leiterbahnen auf OLEDs aufbringen lassen. Das könnte die Herstellungskosten deutlich senken.

OLEDs bestehen aus einer oder mehreren aktiven organischen Schichten, 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 einer Beleuchtungs-OLED trägt man Leiterbahnen aus Metall auf die ITO-Schicht der OLED auf. Die Strukturgröße der Leiterbahnen spielt hierbei eine wichtige Rolle: Sind die Bahnen zu breit, können sie das homogene Leuchtbild der Lichtquelle beeinträchtigen.

Additiver Prozess soll Kosten senken und die Umwelt schonen

Beim Laser-Verfahren des Fraunhofer ILT und Philips lassen sich schmale metallische Leiterbahnen energie- und ressourceneffizient erzeugen. Dabei wird auf die Oberfläche des Halbleiters eine Maskenfolie aufgelegt, die das Negativ zur später gewünschten Leiterbahngeometrie darstellt. Darauf bringen die Experten eine Quellfolie an, 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, lässt sich auf eine aufwändige Prozesskammer verzichten. Es entsteht kein Materialverlust, denn das restliche Material der Quellfolie kann man wieder verwenden.

Christian Vedder, Projektleiter am Fraunhofer ILT, erläutert: »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 /sq auf, so dass 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.«  Zudem erlaube dieses Herstellungsverfahren eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Beschichtung, so Fedder. Den Hauptvorteil des additiven Laser-Verfahrens sieht Holger Schwab, Projektleiter OLED Lighting bei Philips, vor allem im wirtschaftlichen Bereich: »Mithilfe dieses Prozesses lassen sich die Herstellungskosten für OLEDs erheblich reduzieren. Der Materialnutzungsgrad von nahezu  100 Prozent und der Wegfall von Strukturierungsprozessen sind für uns wichtige Entscheidungskriterien.«

Potenzial über OLEDs hinaus

Leiterbahnen kommen überall dort zum Einsatz, wo elektrische Energie über nicht leitende Oberflächen aus Glas, Silizium oder anderen Materialien fließen soll. Daraus ergeben sich weitere Anwendungen des neuen 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 der Bedarf, mikroskalige Leiterbahnen einzusetzen.

Das »alte« Verfahren ist teuer und sorgt für Defizite in der homogenen Leuchtkraft

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 Prozent sehr teuer. Zudem ist der fotolithografische Abtrag umweltschädlich, da die Ätzlösung nach ihrer Verwendung mit Metallen durchsetzt ist. Die konventionell erzeugten Leiterbahnen weisen eine Breite von bis zu 120 µm auf und stellen somit auch ein optisches Störelement für die homogene Leuchtkraft der OLEDs dar.