Funktionsmaterialien und Bauelemente

 

ÜBERBLICK

 

Technologieentwicklung für die organische Elektronik

Das Ziel der Arbeiten in der Technologieentwicklung für die Bauelemente der organischen Elektronik besteht darin, intelligente Systeme in den Anwendungsbereichen Life Science, Automobil, Textil und Architektur bestehend aus einer Kombination von OLED, OPV, organischer Elektronik, Sensorik und Energiespeichertechnologien zu verwirklichen. Dazu werden prototypische Produktideen und produktionstechnische Konzepte umgesetzt.

Nanomaterialien und Quantum Dots

Quantenpunkte (quantum dots, QD) sind eine neue Materialklasse von Nanomaterialien, in denen die Absorptions – und Emissionseigenschaften in einzigartiger Weise eingestellt werden können. Wir entwickeln Syntheseprozesse auf Basis Cadmium-freier Ausgangmaterialien, um umweltfreundliche und RoHS konforme QDs, z. B. auf Basis von Indiumphosphid oder Zinkselenid, für QD-LED und Farbfilteranwendungen sowie für die Solartechnik bereitstellen zu können. Darüber hinaus werden neue Verfahren erprobt, die Synthese dieser Materialienbis in den Gramm-Maßstab aufzuskalieren.

Oberflächenfunktionalisierung und Analytik

Wir entwickeln Technologien, um die Eigenschaften von Oberflächen - insbesondere die von Polymeren - den Anforderungen einer Anwendung anzupassen. Es liegen Erfahrungen in sehr unterschiedlichen Bereichen vor. Sie reichen von  der Entwicklung umweltfreundlicher Vorbehandlungsprozesse für eine haftfeste Metallisierung bis zur Funktionalisierung von Oberflächen für den Einsatz in der biologischen Qualitätskontrolle, der Lebensmittelindustrie und der medizinischen Diagnostik. Daneben haben wir vielfältige analytische Werkzeuge zur Verfügung, um Oberflächen zu charakterisieren.

Demonstrator | Gedruckte organische Dünnschicht-Solarzellen (OPV)

 

Unser Modul besteht aus vier gedruckten organischen Dünnschicht-Solarzellen mit jeweils 15 x 15 cm² Fläche. Die Flexibilität in Form und Gestaltung machen sie für energieeffizientes Bauen besonders attraktiv. Auch darüber hinaus gibt es nahezu unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten. Alle Prozesse sind skalierbar, so dass eine preiswerte Massenproduktion der Module möglich ist.

Vorteile

  • Geringes Gewicht durch dünne Schichten
  • Biegbare Foliensubstrate möglich
  • Flexibilität in Form und Gestaltung
  • Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
  • Skalierbare Prozesse ermöglichen preiswerte Massenproduktion
 


Gedruckte organische Dünnschicht-Solarzellen (OPV)

Unser Angebot

  • Tests neuer (OPV)-Materialien und Optimierung der Schichtstapel
  • Formulierung von druckbaren Tinten
  • Charakterisierung der physikochemischen Eigenschaften von Materialien, Schichten und kompletten Devices

  • Charakterisierung der Alterung und Beständigkeit von Solarzellen unter verschiedenen Umwelteinflüssen
  • Maßgeschneiderte OPVs für Demonstratoren und Prototypen bis zu einer Substratgröße von 150 x 150 mm
  • Komplettlösungen durch umfassende Expertise und ein Netzwerk an Technologiepartnern 

Demonstrator | Cadmiumfreie Quantenpunkte

 

Quantenpunkte (quantum dots, QDs) sind anorganische Nanopartikel, die aufgrund ihrer geringen Größe ganz besondere Eigenschaften aufweisen. Die Lumineszenz ist schmalbandig und über das gesamte Farbspektrum einstellbar. Das Einsatzspektrum von QDs ist breit und sie finden in vielen Bereichen Anwendung: als hocheffiziente Lichtkonverter oder brillante Lichtquelle in Displays, als Lichtquelle für die Beleuchtung und als spezifischer Marker in der Sensorik. 

Unsere Spezialisierung sind Cadmiumfreie Quantenpunkte, die weniger problematisch für Umwelt und Mensch sind. Diese basieren auf Indium und Zink. 

Mögliche Anwendungen

 

  • Solarkonzentrator
  • Farbkonverter für Display und Beleuchtung
  • QD-LEDs für Display und Beleuchtung
  • Lumineszenzmarker für analytische Verfahren

Was bieten Quantenpunkte

 

  • Schmalbandige, über Partikelgröße einstellbare Emission
  • Starke optische Absorption
  • Optisch und elektrisch anregbar

Unser Angebot

  • Entwicklung und Synthese von Quantenpunkten mit maßgeschneiderten Eigenschaften
  • Formulierung von druckbaren Tinten
  • Charakterisierung der photophysikalischen Eigenschaften und Alterung von QDs in Lösung, als Feststoff und im Device

 

  • Anpassung der Hüllenstruktur von Quantenpunkten zur Einmischung in Kunststoffe und Fotolacke, für effizienten Ladungsträgerübergang in QD-LEDs, zur spezifischen Anbindung an Proteine und Zucker für biologische Anwendungen
  • Bauelemente für Demonstratoren und Prototypen

Demonstrator | QD-LEDs

 

Wir entwickeln Quantenpunkte (quantum dots, QDs) als Emitter in Displays und Lichtquellen. Dabei werden die QDs direkt elektrisch angeregt, die bisher benötigte Lichtquelle zur Anregung einer Fluoreszenz entfällt. Unsere innovativen optoelektronischen Devices kombinieren dabei die Vorzüge der OLEDs mit den herausragenden Leuchteigenschaften der Quantenpunkte: QD-LEDs weisen das gleichmäßige Leuchtbild, den papierdünnen Aufbau und den effizienten Betrieb einer OLED auf. Gleichzeitig ist die Wellenlänge des Lichts frei einstellbar und sehr schmalbandig. 

 

Das Ziel unserer Arbeit ist die weitere Senkung der Herstellungskosten bei gleichzeitiger Optimierung der Farbspektren und Bauteileffizienz. Für Display-Anwendungen streben wir den BT.2020 Farbraum an. Dabei verzichten wir bewusst auf toxisches Cadmium als Quantenpunktmaterial und erhalten damit Bauelemente, die weniger problematisch für Umwelt und Mensch sind.

Lichtemittierende Quantenpunkte für den Einsatz in Displaytechnologien

  • Schmalbandige Emission
  • Einstellbare Wellenlänge der Emission
  • Gleichmäßiges Leuchten über die gesamte Fläche
  • Sehr dünn herstellbar
  • Auf flexiblen Substraten herstellbar
  • Energiesparend und effizient im Betrieb
  • Geringe Wärmeentwicklung
  • Klares und deutliches Bild aus jedem Winkel
  • Hohes Potential der Kosteneinsparung bei Flüssigprozessierung

Unser Angebot

 

  • Entwicklung und Synthese neuer Quantenpunkt Materialien für Display-Anwendungen
  • Optimierung der Schichtstapel
  • Formulierung von druckbaren Quantenpunkt-Tinten
  • Analytische Tests der Lebensdauer und Beständigkeit von QD-LEDs unter verschiedenen Umwelteinflüssen
  • Maßgeschneiderte QD-LED Bauelemente für Demonstratoren und Prototypen bis zu einer Substratgröße von 50 mm x 50 mm

Demonstrator | Beleuchtungstechnologie aus dem Drucker: OLEDs

 

Wir entwickeln organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) für die ambiente Beleuchtung und Beschriftungsanwendungen. OLEDs weisen ein gleichmäßiges Leuchten über die gesamte aktive Fläche auf. Das Ergebnis ist ein klares und deutliches Leuchtbild, welches gut aus jedem Betrachtungswinkel zu erkennen ist. Für ambiente Beleuchtungsanwendungen kann die aktive Fläche fast jede beliebige geometrische Form haben.

  • Bündiges Leuchten über die gesamte Fläche
  • Sehr dünn herstellbar
  • Auf flexiblen Substraten herstellbar
  • Energiesparend und effizient, geringe Wärmeentwicklung
  • Klares und deutliches Bild aus jedem Winkel
  • Hohes Potential der Kosteneinsparung bei Flüssigprozessierung
 

Zusammenarbeit

Unsere Spezialisierung sind OLEDs mit flüssig prozessierten, gedruckten Schichten. OLEDs für Beleuchtungszwecke und Displays werden bisher durch Bedampfungsprozesse hergestellt. Die dazu benötigten Vakuum-anlagen sind sehr teuer und stellen ein hohes Investitionshemmnis dar. Auch Änderungen in Layout und Größe der OLEDs sind mit hohen Kosten verbunden. Daher lohnt sich die Produktion von bedampften OLEDs erst bei sehr hohen Stückzahlen. Je mehr Schichten der OLED gedruckt werden, desto höher ist das Potential zur Kosteneinsparung. 

Unser Angebot

 

  • Test neuer (OLED)-Materialien und Optimierung der Schichtstapel
  • Formulierung von druckbaren Tinten
  • Analytische Tests der physikochemischen Eigenschaften von Materialien, Schichten und kompletten Devices

  • Charakterisierung der photophysikalischen Lebensdauer und Beständigkeit von OLEDs unter verschiedenen Umwelteinflüssen
  • Maßgeschneiderte OLEDs für Demonstratoren und Prototypen bis zu einer Substratgröße von 50 mm x 50 mm
  • Komplettlösungen durch umfassende Expertise aus dem Technologienetzwerk GOTA – German OLED Technology Alliance
 

 

Wir können OLEDs flexibel strukturieren. Dies eröffnet unzählige Gestaltungsmöglichkeiten. Im Gegensatz zur anorganischen LED wird kein Diffusor benötigt, wodurch papierdünne Leuchtelemente auf starren oder flexiblen Substraten möglich werden.

Typische Anwendungsgebiete der energiesparenden und effizienten OLEDs sind:

  • Architektur und Inneneinrichtung,
  • Automobilanwendungen,
  • Beschilderung oder Werbung.

Sie kommen vor allem dort zum Einsatz, wo eine geringe Bautiefe erforderlich ist.

Demonstrator | AM-OLED

 

Flüssigprozessierung ist ein neuer Trend in der Herstellung von OLED-Displays. Nach aktuellem Stand der Technik werden die OLED Materialien noch meist über Bedampfungsprozesse aufgetragen. Dabei geht jedoch viel Material auf den Schattenmasken und anderen Oberflächen verloren. Mit Druckverfahren hingegen kann die Tinte gezielt auf die aktiven Pixelflächen aufgebracht werden. Für ein RGB Display ist eine Materialeffizienz von bis zu 90% möglich. 

Hochaufgelöste Displays sind jedoch eine Herausforderung für Druckprozesse. Die kleinste technisch realisierte Tropfengröße beim piezo-basierten Inkjet-Druck ist ungefähr 1 pL. Damit sind RGB Displays von maximal 240 ppi druckbar. Dies ist für Fernseher ausreichend. Für Smartphone und Mikrodisplay-Anwendungen wird jedoch eine Auflösung von mindestens 500 ppi benötigt. 

Die ESJET/EHDJET Technologie

  • Sehr feine Strukturen <10 µm in hoher Auflösung >500 ppi druckbar
  • Druck von gering und hochviskosen Tinten (1 – 10000 cP)
  • Digitaldruck (drop-on-demand) und vektorbasierter Druck (continuous jet) möglich

 

Der AM-OLED Demonstrator wurde in Zusammenarbeit mit imec und TNO / Holst Center realisiert. Hi-Response wurde im Rahmen des Finanzhilfevereinbarung Nr. 646296 im Rahmen des H2020-NMP-Pilots-2014-Programms der Europäischen Union finanziert.

Unser Angebot

  • (Weiter-)Entwicklung von Tinten für den elektrostatischen Druck
  • Beratung und Tests für neue Anwendungsgebiete der Technologie
  • Komplettlösungen durch umfassende Expertise und ein Netzwerk an Technologiepartnern

Wir entwickeln die Technologie des elektrostatischen Drucks (ESJET/EHDJET) weiter für den Druck hochaufgelöster OLED Displays. An einem monochromen Aktiv-Matrix-Display konnten wir eine Auflösung von 900 ppi demonstrieren (»Hi-Response«). Der nächste Schritt sind farbige OLED oder QD-LED Displays in RGB sowie der Druck von Farbfiltern für Displayanwendungen.

Demonstrator | Flüssigprozessierte OLED ohne Bedampfungsschritte

 

Bei flüssigprozessierte OLEDs werden die extrem dünnen Schichten durch Drucktechnologien aufgebracht. Dabei entfallen die sonst üblichen Bedampfungsprozesse. Kostenintensive Vakuumanlagen werden nicht benötigt. Flüssigprozessierte OLEDs sind ein aktueller Trend in der Herstellung von Displays. Hierbei werden die drei aktiven Farbstoffe (Emitter) in rot, grün und blau durch Inkjet oder ESJET Druck strukturiert aufgetragen. Alle weiteren Schichten, die für alle drei Farbstoffe gleich sind, werden jedoch weiterhin aufgedampft. 

Wir entwickeln OLEDs, bei deren Herstellung vollständig auf Bedampfungsprozesse verzichtet werden kann. Noch haben so prozessierte OLEDs eine geringere Effizienz, als ihre konventionell hergestellten Vorbilder. Dafür sind die Investitionskosten deutlich geringer, so dass auch kleine Stückzahlen wirtschaftlich produziert werden können. Außerdem lassen sich die Druckprozesse schnell und flexibel an Änderungen in Layout und Form anpassen. Daher sind vollständig flüssigprozessierte OLEDs zunächst für Beschilderung und Werbezwecke interessant. 

Mögliche Anwendungen

 

  • Beschilderung
  • Werbezwecke
  • Ambiente Beleuchtung

Unser Angebot

  • Vollständig flüssig prozessierte OLED ohne Bedampfungsschritte
  • Entwicklung von kostengünstigen Herstellungsprozessen
  • Flexible Variation von Design und Gestaltung durch Druckprozesse

Demonstrator | Partikelfreie Silberkomplextinte für den Inkjet-Druck

 

Mit einer transparenten Komplextinte lassen sich präzise Schaltungen aus Silber durch Inkjet-Druck aufbringen. Die Tinte ist nicht partikelbasiert, was einerseits die Druckbarkeit verbessert und andererseits die Prozessierung dünnerer Schichten durch eine geringere Beladung an Silber (< 5%) ermöglicht. Das thermische Curing erfolgt bei tiefen Temperaturen (ca. 130 °C), was das Aushärten nicht nur auf Glas (re.), sondern auch auf sensiblen Oberflächen wie Folie oder Papier (li.) ermöglicht.

Mögliche Anwendungen

  • (Transparente) Elektroden für OLEDs
  • Elektroden und Zuleitungen für Dünnschicht-Solarzellen
  • Wearables
  • Gedruckte Elektronik

Unser Angebot

  • Umfassende Charakterisierung von Tinten
  • Maßgeschneiderte Anpassung von Tintenformulierungen an Druckverfahren
  • Prozessoptimierung zum Druck leitfähiger Strukturen auf verschiedene
    Substrate
  • Weiterentwicklung zur Verarbeitung anderer Metalle (z.B. Kupfer)

Demonstrator | Prozesssteuerung für Silikonbeschichtungen

 

Qualitätskontrolle im laufenden Prozess: Wir haben eine neue Methode entwickelt, um die Messung einer transparenten Beschichtung auf einer transparenten Folie bereits während der Produktion zu ermöglichen. Dabei wird in die Beschichtungsflüssigkeit wie beispielsweise Lacke oder Imprägnierungen ein organischer fluoreszierender Farbstoff eingebracht, welcher über den Prozess hinweg stets identifizier- und messbar bleibt. 

Fluoreszierende organische Farbstoffe sind in sehr geringen Mengen nachweisbar: Bereits mit einer Konzentration im Bereich von wenigen ppm (parts per milion, Anteil 1 zu 1 Million), können einzelne Schichten identifiziert werden, die eine Dicke von nur wenigen Mikrometern aufweisen. Durch die geringen Mengen werden die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, wie beispielsweise die Festigkeit, zudem nicht beeinflusst.

 

Die Verteilung einer Lackschichtdicke auf einer PET-Folie wurde mit 3 m/min bei einer Auflösung im Bereich von mm aufgezeichnet.

Mögliche Anwendungen

  • Einzellagen in Multischichtfolien
  • Imprägnierungen
  • (Organische) Beschichtungen
  • Laminierklebstoffschichten

Vorteile des Verfahrens

  • Senkung der Produktionskosten
  • Verbesserung der Produktqualität
  • In-line-Implementierung
  • Anwendung auf verschiedene Beschichtungsverfahren
  • Optimierung des Schichtvorbereitungsprozesses

UNSER LEISTUNGSSPEKTRUM

 

OLEDs

  • Maßgeschneiderte OLEDs für Demonstratoren und Prototypen (z.B. für Tastaturen, Beschilderung, Werbezwecke, Sicherheitsanwendungen)
  • Kundenspezifische Entwicklung von Anwendungen mit OLEDs
  • Prozessentwicklung: Tintenentwicklung, ITO freie OLEDs, transparente Elektroden, flexible Substrate, OLEDs ohne Vakuumprozesse, Prozessparameter
  • Bestimmung der Barriereeigenschaften von Substraten und Verkapselung (Calcium-Spiegel-Test)
  • Verkapselung − starr und flexibel
  • Dünnschichtverkapselung (Atomic Layer Deposition, ALD)
  • Tests von OLED-Materialien, Entwicklung und Optimierung von OLED-Stacks
  • Komplettlösung für die OLED-Produktion durch umfassende Expertise aus dem Technologienetzwerk GOTA – German OLED Technology Alliance

 

Quantenpunkte (quantum dots, QD)

  • Entwicklung und Synthese von QDs mit maßgeschneiderten Eigenschaften
  • Kundenspezifische Entwicklung von Anwendungen mit QDs: Displaytechnologie, Photovoltaik, LEDs und Biologie
  • Prozessentwicklung: Tintenentwicklung, Einmischung in Kunststoffe und Fotolacke, spezifische Anwendung an Proteine und Zucker, Prozessparameter
  • QD-LEDs (Optimierung von QD-LED Stacks, Herstellung von Bauelementen)
  • QD-Photovoltaik
  • QD-Farbfilter

 

Fluoreszenzkollektoren

  • Entwicklung von Fluoreszenzkollektoren für die Solartechnik mit Fluoreszenzfarbstoffen und Quantenpunkten
  • sichtbarer Spektralbereich
  • NIR-Bereich

 

Solarzellen

  • kundenspezifische Entwicklung von Solarzellen basierend auf organischen Materialien und Perovskiten − von der Einzelzelle bis zum Anwendungsmodul
  • für energieautarke Systeme
  • Prozessentwicklung: Tintenentwicklung, Prozessparameter

 

Elektrolumineszenz-Anzeigen

  • Prototypentwicklung für Elektrolumineszenz-Anzeigen im Sheet-to-Sheet und Roll-to-Roll Prozess

 

Consulting und Training

  • Prozessentwicklung, Prozessausrüstung, Prozesstraining
  • Consulting für Entwicklungsprojekte (Infrastrukturen)
  • Weiterbildung und Schulungen

 

Plagiatsschutz

  • Entwicklung von Rezepturen für den Plagiatsschutz von organischen Materialien und Produkten daraus

 

Oberflächen- und Dünnschichttechnologien

  • Entwicklung von Oberflächen- und Dünnschichttechnologien für und mit Polymeren
  • Oberflächenbehandlung mit Niederdruckplasma, VUV-Strahlung
  • Funktionalisierung von Oberflächen mit Gasen und Flüssigkeiten

 

Auftragsanalytik

  • Oberflächenanalytik (XPS, Kontaktwinkel, Profilometrie, AFM, Schichtwiderstand)
  • Klimatests (ambient: 23°C/50% r.h., tropisch 38°C/90% r.h., beschleunigt 60°C/90% r.h., feuchte Wärme 85°C/85% r.h. oder frei nach Anfrage)
  • Photophysikalische Charakterisierung von Materialien (UV/Vis, Fluoreszenz, EQE – externe Quanteneffizienz, zeitaufgelöste Lumineszenz)
  • Materialeigenschaften (TGA – thermogravimetrische Analyse)

UNSERE AUSSTATTUNG

 

Dünnschichttechnologien

  • Plasma-CVD (Chemical vapour deposition), Labor bis Rolle-zu-Rolle
  • PVD (Bedampfen, Besputtern)
  • Spin-coating (inert und an Atmosphäre)

 

Drucktechnologien

  • Ink Jet Printing (Pixdro LP50 inert und an Atmosphäre, Dimatix, bis DIN-A4)
  • ESJET Printing (Pilotanlage für den hochaufgelösten Druck)
  • Rakel (Erichsen Coatmaster 510 mit Heizbarem Tisch bis DIN-A4)
  • Slot die Coating (auf Coatema Easy Coater zur Beschichtung für Formate bis 300 x 300 mm² und Mathis Slit Coater für Formate bis 150 x 150 mm²)
  • Siebdruck
  • Rolle-zu-Rolle Tiefdruck
  • Tampondruck

 

Prozesstools

  • Laminiereinheit zur Verkapselung von festen und flexiblen Trägern
  • ALD (Beneq TFS 200 für Formate bis 150 x 150 mm², thermisch und Plasma)
  • Bedampfung

 

Oberflächentechnik

  • diverse Plasmaanlagen, vom Labormaßstab bis Rolle-zu-Rolle in 30 cm Breite
  • VUV-Excimer-Strahler für 3D-Teile und Rolle-zu-Rolle in 30 cm Breite
  • Rolle-zu-Rolle-Anlage in 30 cm Breite mit Corona und Drucktechnik zur Funktionalisierung von Oberflächen
  • Anlagen für Metallisierung

 

Spezielle Messtechniken

  • Optisch
    • Hamamatsu Quantum Yield Measurement System
    • FLS920-stm (Edinburgh Instruments) mit Option für zeitaufgelöste Messungen im ns- und im µs- bis ms-Bereich (TCSPC, MCS)FT-IR Nexus 470 Thermo Scientific
      • Transmission 400 – 4000 cm-1
      • ATR 650 – 4000 cm-1
    • FT-IR IS20 Thermo Scientific
      • Transmission 400 – 7500 cm-1
      • Pike Gladiator ATR 525 – 7500 bezeizbar bis 200 °C; Rampen und Messintervalle programmierbar
  • Elektrisch
    • Spektroradiometer für OLED Kennlinien (Konica-Minolta CS-2000)
    • 4-Punkt-Messplatz zur Messung von Schichtwiderständen
  • Mikroskopie
    • AFM (Nanosurf Easyscan 2)
    • 3D-Profilometrie (Bruker Dektak XT)
  • chemisch
    • Funktionalgruppenanalyse an Oberflächen mit XPS
    • Thermogravimetrie (Mettler Toledo TGA 2)
    • Fluoreszenzmarkierung
  • Weitere
    • Calcium-Messplatz zur Bestimmung der Wasserdampftransmission durch Barriereschichten
    • Bestimmung der OLED-Lebensdauer (BoTest)
    • Messung der Solarzellencharakteristik (AM1.5)
    • Messung der Austrittsarbeit (Riken Keiki AC-2)

ANSPRECHPARTNER

Armin Wedel

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Dr. Armin Wedel

Abteilungsleiter | Funktionsmaterialien und Bauelemente, QD-Entwicklung

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1910

Christine Boeffel

Contact Press / Media

Dr. Christine Boeffel

OLED und OPV − Technologieentwicklung

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1915

Andreas Holländer

Contact Press / Media

Dr. Andreas Holländer

Oberflächenfunktionalisierung und Analytik

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1404

Manuel Gensler

Contact Press / Media

Dr. Manuel Gensler

Drucktechnologien

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1913

Yohan Kim

Contact Press / Media

Dr. Yohan Kim

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1924