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Montag, 04 April 2022 12:00

Flexible OLED für homogenes Licht im OP-Saal

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Geschätzte Lesezeit: 4 - 7 Minuten
OP-Leuchte im Einsatz OP-Leuchte im Einsatz

Großflächige Beleuchtungsanwendungen mit Organischen Leuchtdioden (OLED) auf flexiblen Substraten waren Ziel des vom BMBF geförderten und im Dezember 2021 beendeten Gemeinschaftsprojektes LAOLA (Förderkennzeichen: 03INT509AF). Im Fokus stand dabei Ultradünnglas, das durch seine hervorragenden Barriereeigenschaften Vorteile gegenüber Kunststoff als Substrat bietet. Am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP wurden die OLED auf das flexible Glas im Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebracht. Eine damit gestaltete OP-Leuchte wird auf der LOPEC 2022 (23. und 24. März 2022, München) auf dem Gemeinschaftsstand des Projektkoordinators Organic Electronics Saxony e.V. (OES), vorgestellt.

Versuche am FEPVersuche am FEPLarge-area lighting applications with organic light-emitting diodes (OLEDs) on flexible substrates were the goal of the joint project LAOLA, which was funded by the german BMBF and ended in December 2021. The focus was on ultra-thin glass, which offers advantages over plastic as a substrate due to its excellent barrier properties. At the Fraunhofer Institute FEP, the OLEDs were applied to flexible glass using a reel-to-reel process. An operating room light based on this technology will be presented at LOPEC 2022 (March 23 and 24, 2022, Munich) at the joint booth of the project coordinator Organic Electronics Saxony e.V. (OES).

Das blendfreie, homogene Licht großflächiger Organischer Leuchtdioden (OLED) wird als sehr angenehm empfunden und bietet für das Produktdesign viele Vorteile. Im nun abgeschlossenen Projekt LAOLA wurden daher OLED als flächige Beleuchtung für vielfältige Einsatzgebiete auf flexiblen Substraten entwickelt. Im Fokus stand dabei flexibles Ultradünnglas, das durch seine hervorragenden Barriere-Eigenschaften Vorteile gegenüber Kunststoff als Substrat bietet. Ein Teil der Technologien wurde im Rahmen des mit LAOLA verbundenen Internationalisierungsprojektes zwischen Japan und Deutschland mit Kooperationspartnern aus dem japanischen Partnercluster YUFIC der Yamagata Universität erforscht.

Insbesondere wurde hier die Etablierung des flexiblen Ultradünnglases als Substrat vorangetrieben. Um neben den technologischen Entwicklungen auch passende Anwendungen zu betrachten, erarbeitete Wolfram Designer und Ingenieure (WDI) ein konkretes Einsatzgebiet für die OLED auf Ultradünnglas und daraus ergab sich die Umsetzung einer OP-Leuchte, die in ihrer Formgestaltung große OLED-Leuchtflächen mit LED Strahlern verbindet. Dabei sind die OLED als Flügelelemente verbaut und bieten eine indirekte, blendfreie Beleuchtung, wohingegen die LED Strahler die direkte Beleuchtung möglich machen.

Deutsch-Japanische Zusammenarbeit bei Ultradünnglastechnologien

Zur Herstellung der eigentlichen OLED auf Ultradünnglas arbeiteten eine Reihe weiterer Partner zusammen. Am Anfang dieser Wertschöpfungskette steht Nippon Electric Glass Co., Ltd. (NEG) als Hersteller von Ultradünnglas-Rollen. Auf das Ultradünnglas mit einer Breite von 300 mm wurde zur weiteren Prozessierung an der Yamagata Universität ein transparentes, leitendes Oxid (Transparent Conductive Oxid - TCO) als Anodenmaterial für die OLED abgeschieden. Der Schichtwiderstand von ~30 Ω pro Quadratmeter reicht allerdings nicht aus, um die gesamte Leuchtfläche von 206 mal 95 mm homogen auszuleuchten. Um dies zu lösen, wurden dünne Verstärkungslinien gedruckt. Das erfolgte an einer Rolle-zu-Rolle-Siebdruckanlage an der Yamagata Universität in Zusammenarbeit mit der Firma Seria Engineering Inc.. (Rolle-zu-Rolle- Siebdruckverfahren) und Fujikura Kasei Co., Ltd. (Druckpasten-Hersteller).

Neue Technologien für Verdampfungs-, Schneid- und Strukturierungsprozesse

Eines der OLED-Leuchtelemente für die OP-Lampe. Die OLED-Elemente übernehmen die Hintergrundbeleuchtung, während die Spot-Beleuchtung von LEDs übernommen wirdEines der OLED-Leuchtelemente für die OP-Lampe. Die OLED-Elemente übernehmen die Hintergrundbeleuchtung, während die Spot-Beleuchtung von LEDs übernommen wird„Die Gewährleistung der Langzeitstabilität der OLED-Bauelemente und der hygienischen Oberfläche der Leuchte spielten eine wesentliche Rolle bei der Auswahl des Ultradünnglases als Substrat“, erklärt Dr. Jacqueline Hauptmann, Wissenschaftlerin am FEP. „Ein Schwerpunkt im Projekt war der Umbau einer am Institut vorhandenen Rolle-zu-Rolle-Vakuum-Beschichtungsanlage, um reines Ultradünnglas von 50 und 100 µm Dicke mit Bandzügen in der Größenordnung von 30 bis 50 N problemlos wickeln, beschichten und verkapseln zu können. Der Umbau der Anlage wurde durch die FHR Anlagenbau GmbH durchgeführt.“

Für die Abscheidung dünner Metallschichten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren für die Anoden- und Kathodenbeschichtung wurde der Metallverdampfer durch den Projektpartner Creavac-Creative Vakuumbeschichtung GmbH umgebaut. So konnten Kalzium und Silber gleichzeitig verdampft werden, um transparente Schichten von 8 nm Dicke (Kalzium/Silber im Verhältnis 1:7) über eine Breite von 290 mm mit einer Schichtdickenschwankung von ~1 % zu erreichen.

Als weitere Herausforderung stellten sich die nötigen Laserschneid- und Strukturierungsprozesse für die Vereinzelung und Verschaltung der OLED heraus. Mit dem Projektpartner Heliatek GmbH wurde eine alternative Strukturierungsmethode entwickelt, die enormes Potenzial hat, schon fertig gestellte Bauelemente nachträglich partikelarm zu strukturieren. Dafür wird die Anode, die mit einer gedruckten Passivierung abgedeckt ist, durch das Ultradünnglas hindurch gelasert. Weiterhin wurde die Verwendung von thermisch verdampftem Melamin im Projekt validiert und mit den Projektpartnern Creaphys GmbH und Heliatek GmbH vorangetrieben. In beiden Technologien steckt enormes Potential für eine Verwertung auch in neuen Anwendungsfeldern der flexiblen organischen Elektronik

Startklar für Technologietransfer in die Industrie

Die abschließende Vereinzelung der OLED konnte innerhalb des Projektes mit dem Projektpartner 3D-Micromac AG erfolgreich entwickelt werden. Mit Hilfe eines Lasers, der über eine Bessel-Optik verfügt [1], konnte das sogenannte Filamentieren des Ultradünnglases beidseitig auf Substrat- und Verkapselungsseite und ein anschließendes mechanisches Trennen des Klebstoffes gezeigt werden. Schnittgeschwindigkeiten von 400 Millimetern pro Sekunde wurden erreicht. Vom Projektpartner tesa SE wurden unterschiedliche Klebebänder für die Verkapselung im Dünnglasverbund, auch mit Wasserfänger-Komponenten, getestet und die geschnittenen Gläser und Glas-Klebstoff-Glas Verbunde auf Festigkeit untersucht. Zur Verkapselung von opaken OLED-Bauelementen wurde eine flexible Edelstahlfolie der Firma Nippon Steel Chemical & Material CO., Ltd. getestet. Die 30 µm dünne Folie lässt sich sehr gut im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeiten und verspricht durch ihr günstigeres Temperaturmanagement eine aussichtsreiche Alternative zur Ultradünnglasverkapselung. Die Separation der Glas-Klebstoff-Edelstahl-OLED erfolgte hier durch die Firma Mitsuboshi Diamond Industrial Co., Ltd (MDI) [2].

Neben der Projektkoordination hat die Organic Electronics Management GmbH eine Marktstudie für die von WDI entwickelten Leitanwendungen sowie eine Fertigungskonzeption erstellt und somit den Weg für den Technologietransfer durch die Partner geebnet. Dr. Jonas Jung, Projektleiter bei OES, sagt: „Durch den Einsatz innovativer Produktionstechnologien bei allen Partnern wurde ein vielversprechender OLED-Demonstrator entwickelt, der neue Anwendungsmöglichkeiten für flexible Elektronik eröffnet. Dieses großartige Ergebnis des LAOLA-Projekts unterstreicht die Innovationskraft der langjährigen deutsch-japanischen Zusammenarbeit.“

Die im dreijährigen LAOLA-Projekt (2018–2021) gewonnenen Ergebnisse lassen sich unmittelbar auf andere, schon vorhandene Rolle-zu-Rolle-Bandanlagen übertragen. Auch die erfolgreiche Separation der OLED-Module aus dem verklebten Glas-Glas-Verbund, der nach der Prozessierung in einem aufgerollten Zustand vorlag, ist künftig einfach transferierbar. Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Unterstützung im LAOLA Projekt (Large-area OLED lighting applications on thin flexible substrates, Förderkennzeichen 03INT509A) sowie allen deutschen und japanischen Projektpartnern. [1]

FhG-FEP auf der LOPEC

Die OP-Leuchte wird auf dem Gemeinschaftsstand Organic Electronics Saxony ausgestellt (B0.308). Außerdem stehen in München folgende Konferenzbeiträge auf dem Programm:

22. März 2022

Session Substrates (paper/plastic/strechables) Raum 13a, ICM

11:30 Substrates for Flexible Electronics – An overview on requirements, materials, surfaces and processing Dr. John Fahlteich, Fraunhofer FEP

23. März 2022

Session Wearable Electronics, Raum 13a, ICM

12:10 Development Results of an autonomous and flexible Energy Supply Platform for Wearable Electronics Dr. Matthias Fahland, Fraunhofer FEP

Session Substrates and Encapsulation Raum 13b, ICM

14:00 – 15:20 Session chair: Dr. John Fahlteich, Fraunhofer FEP

Session Innovative Laser Processing Raum 14c, ICM

17:00 Digital lithographic process for organic electronics using ultra short pulsed laser Martin Wieczorek, Fraunhofer FEP

24. März 2022

Plenary Session, Raum 14b, ICM

9:50 Future directions in flexible electronics – Fraunhofer FEP Prof. Elizabeth von Hauff, Institute director, Fraunhofer FEP

Session Lighting, Raum 13b, ICM

12:00 Session chair: Claudia Keibler-Willner, Fraunhofer FEP

Session Circular economy and green electronics Raum 13a, ICM

14:00 Biodegradable electronics as a contribution to a green and sustainable world Dr. Christian May, Fraunhofer FEP

15:00 Biodegradable organic TFT on biodegradable substrates Dr. Michael Hoffmann, Fraunhofer FEP

Referenzen und Anmerkungen

[1] R. Liebers: White paper: Optimized Laser Cutting Processes and System Solutions for Separation of Ultra-Thin Glass for OLED Lighting and Display Applications
[2] T. Furukawa; J. Hauptmann et al.: Roll-to-Roll Fabrication for OLED Lighting Using Ultra-Thin Glass Substrate and Encapsulating Stainless Steel Foil, IDW’21, FLX5/FMC6-1 2021

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 3
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Volker Tisken

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