Leuchtende Lackschichten auf Autos, farbig illuminierte Wohnzimmerwände und Küchendecken, Fassadenwerbung ganz anderer Art – dies alles wird nun denkbar. Daran arbeitet die Empa im internationalen Forschungsprojekt Treasores. Dabei entstanden Jahr flexible, durchsichtige Elektroden als Basis für biegsame, rollbare OLEDs.
Jede Schicht genau erforschen
Nun kommt der nächste Schritt: Erfahrung sammeln mit dem Schichtaufbau der Leuchtkörper, damit Tapeten oder Hausfassaden auch schön gleichmäßig leuchten. An der Empa erforscht der Wissenschaftler Anand Verma vor allem den Druck flexibler anorganischer Perowskit-Solarzellen. Doch im Nebenjob bleibt er den organischen Lichtquellen treu und leitet ein Projekt, in dem OLEDs auf drei verschiedene Substrate gedruckt werden sollen.
„Ich kann einschätzen welche Schichtzusammensetzung bei OLEDs funktionieren wird und welche nicht“, sagt Verma. „Dadurch sind mir auch die Parameter bekannt, die die verwendeten Materialien haben müssen.“
Hauchdünne Lagen für ebenmäßiges Strahlen
Die meisten der uns bekannten Lichtquellen sind Punkt- oder Röhrenleuchten. OLEDs hingegen sind Flächenlichter, die aus fünf hauchdünnen Schichten bestehen. Die positiv geladene Anode besteht meist aus transparentem Indiumzinnoxid, mit dem sich elektrisch leitfähige Fenster oder Folien herstellen lassen. Darauf folgt eine organische Halbleiterschicht (Poly3, 4-Ethylendioxytiophen-Polystyren-Sulfonat, PEDOT:PSS), eine Leuchtschicht aus Poly(p-phenylen-vinylen), auch Super Yellow genannt, eine Elektronen-Transportschicht (Kalzium, für negative Ladungsträger) und eine Kathode, meist aus Aluminium.
Balanceakt bei der Geburt einer OLED
Für den Herstellungsprozess einer OLED benötigt Verma zweieinhalb bis drei Tage. Zunächst ist es wichtig, das Indiumzinnoxid-Substrat sorgfältig zu reinigen. Denn jeden noch so kleinen Fleck kann man später, auf dem fertigen Objekt, erkennen – gerade weil die Schichten nur einige Nanometer dick sind.
Die Schichtdicke bedeutet die erste Entscheidung zwischen guter und schlechter OLED: Je dünner die Schicht desto höher die Gefahr, dass sich Löcher bilden. Je dicker die Schicht desto mehr Strom muss man hindurchschicken, um dieselbe Leuchtkraft zu erreichen.
Plasma sorgt fürs Farbenspiel
Nach der Reinigung behandelt der Empa-Forscher das Substrat mit Sauerstoffplasma: Dabei wird das Substrat mit Ionen bombardiert, damit man besser auf es drucken kann. Es ist wichtig, dass die Oberflächenenergie des Substrats höher ist als die der nächsten Schicht - nur so entsteht eine gleichmäßige Farbe.
Mit der Behandlung des Substrats allein ist es aber nicht getan. Bei der Herstellung der Tinte – der nächsten Materialschicht – muss man das geeignete Lösungsmittel in der idealen Konzentration zuvor ermitteln, um den erwünschten Energiegehalt zu erreichen. Diese Energie muss jeweils mit der Schicht, auf die gedruckt wird, und der darauffolgenden harmonieren.
Leuchten aus dem Drucker
Eine der Tinten, die verwendet werden, heißt Super Yellow. Das ist die wichtigste Schicht: die Leuchtschicht. Es ist essenziell, diese Tinte 24 Stunden zuvor herzustellen - denn so lange dauert es, bis sich die Farbe im Lösungsmittel aufgelöst hat.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Schichten werden Kalzium und anschließend Aluminium nicht gedruckt, sondern aufgedampft. Dafür muss der Druckspezialist eine Glove Box inklusive Vakuumbehälter verwenden, da Calcium nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommen darf, weil es sonst sofort oxidiert und nicht mehr leitfähig ist.
Die Empfindlichkeit von Kalzium gegenüber Sauerstoff macht es notwendig, die fertige OLED einzukapseln, um sie vor Oxidation und Feuchtigkeit zu schützen. Eine weitere Schicht aus transparenter Folie oder Glas und in UV-Licht aushärtendem Leim ist dazu nötig.
Die Tests mit den unterschiedlichen Substraten, den Trägern für die flexiblen OLEDs, laufen, bis die OLED-Prototypen der Empa verlässlich leuchten. Anand Verma denkt bereits an den nächsten Schritt: „Drucker und Beschichtungsgeräte im neuen Coating Competence Center der Empa wären schon jetzt in der Lage, OLED-Muster oder Flächen in größerem Stil herzustellen.“
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