Laser unverzichtbar für organische Elektronik


Die hauchdünne Solarfolie wiegt nur 500 g/m²

Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) sind im Massenmarkt angekommen. Organische Photovoltaik (OPV) steht kurz davor. Laser ebnen jeweils den Weg.

Bei diesem Smartphone lohnt der zweite Blick: Wird es aufgeklappt, dann entfaltet sich ein AM-(Active Matrix)-OLED Display im Tablet-Format. Hunderttausende Klappvorgänge soll Samsungs „Infinity Flex Display“ überstehen. Die Massenproduktion starte in wenigen Monaten, meldete der Hersteller Anfang November 2018 bei der Weltpremiere in San Francisco. Das marktreife Faltdisplay ist ein Meilenstein in der über 30-jährigen Entwicklungsgeschichte organischer Displays.

Es ist kein Zufall, dass sich auch die Erfolgsmeldungen in der organischen Photovoltaik (OPV) häufen. Beide Technologien sind eng verwandt und profitieren vom Fortschritt der Ultrakurzpuls-Lasertechnik. Die Herausforderungen in der Fertigung hauchdünner, flexibler OLED-Displays und der flexiblen OPV-Folien sind vergleichbar. In beiden Fällen gilt es, hitzeempfindliche Materialsandwiches zuzuschneiden und zu strukturieren, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Höchste Produktionsgeschwindigkeiten bei zugleich enormen Präzisionsanforderungen erschweren diese Aufgabe.

Laserprozess garantiert Lebensdauer

Im Fall der OPV-Folien steht und fällt mit der Präzision die Lebensdauer. Hersteller Heliatek baut seine Zellen auf flexibler PET-Folie auf. Direkt auf die Folie kommt eine hauchdünne Barriereschicht gegen Umwelteinflüsse. Dringen geringste Mengen Wasser oder Sauerstoff ein, degradieren die organischen Materialien und sinkt die Leistung der Solarzellen. Auf diese Barriereschicht trägt Heliatek im Rolle-zu-Rolle-Verfahren nacheinander die leitende, transparente Frontelektrode, das organische Aktivmaterial und die Rückelektrode auf. Diffizil ist das Ganze, weil mehrere Strukturierungs- und Schneidprozesse der Elektroden- und Aktivschichten nötig sind, bei denen die direkt darunter liegende Barriereschicht keinesfalls Schaden nehmen darf. Diese Strukturierung soll parallel zum Beschichtungsprozess mit fünf Metern pro Sekunde und bei 1,2 Metern Bahnbreite erfolgen.

Machbar ist das nur mit Lasertechnik. Im EU-geförderten Projekt ALABO hat sich ein Konsortium unter Beteiligung der 3D-Micromac AG und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS der Aufgabe angenommen. Im Zentrum: Pico- und Femtosekunden (ps-/fs)-Laser für eine schonende Ablation der Elektroden und der hauchdünnen organischen Aktivschicht. Pulsweise trägt der Laser Material ab, indem er dessen atomare und molekulare Bindungen aufbricht. Der thermische Einfluss auf das umliegende Material ist minimal. Die sensible Barriereschicht bleibt intakt. Parallel hat das ALABO-Projekt eine LIBS-(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)-Prozessüberwachung entwickelt. Und Laser sollen künftig auch die Oberflächen der Zellen vergrößern. Dafür bringen IWS-Forscher per „Lichtpflug“ nanometerfeine Rillenmuster ein. Versetzte Laserstrahlen erzeugen ein Interferenzmuster. Material wird jeweils nur dort abgetragen, wo sich die Laserstrahlen überlagern. Die Strukturierung soll Energieausbeute um mehr als ein Drittel steigern.

Produktive OLED-Fertigung mit Ultrakurzpuls-Lasern

OPV-Hersteller setzen auf breiter Basis Laser ein. Gleiches gilt für Displayhersteller, die immer klarer auf OLED-Technologie setzen. Möglich wird das, weil Laser von Herstellern wie Coherent und Trumpf die Produktivität der OLED-Fertigung drastisch steigern. Zunächst werden auch flexible Displays auf Glas aufgebaut. Laser trennen sie anschließend im Lift-Off-Verfahren ab – wobei auch hier der Schutz der empfindlichen organischen Halbleiterschichten an erster Stelle steht. Dies gilt erst recht für den folgenden Zuschnitt. Um schädigende Hitzeausbreitung zu vermeiden, sollten möglichst alle Schichten des viellagigen Sandwiches das Laserlicht gut absorbieren. Bei UV-Wellenlängen (355 nm) ist dies der Fall. Coherent hat in Versuchsreihen ermittelt, dass sich mit einem 30 Watt-Laser und Pulsfrequenzen bis 1600 Kilohertz die höchste Bearbeitungseffizienz einstellt. Damit die Schnittkanten trotz sehr hoher Prozessgeschwindigkeiten auch bei Richtungsänderungen glatt bleiben, ist zudem ein symmetrischer auf 10 bis 20 Mikrometer fokussierter Laserstrahl gefragt. Würde sich der Strahl verzerren, wäre der präzise atomweise Materialabtrag nicht mehr gewährleistet. Für optimale Kurvenmanöver belässt es Coherent aber nicht bei der Strahlformung. Die aktuelle HyperRapid NX-Serie verfügt zusätzlich über eine Steuerung, die die Pulsenergie minutiös überwacht und die Wiederholraten on-the-fly variieren kann. So ist auch gewährleistet, dass Hersteller die Laser für unterschiedlichste Materialsandwiches einsetzen können. Denn in der OLED-Technologie ist noch vieles in Bewegung – Samsung hat es mit seinem faltbaren Display gerade erst bewiesen.

Mehr zum aktuellen Forschungsstand sowie zu konkreten Anwendungen gedruckter Elektronik zeigt die LOPEC, internationale Fachmesse und Kongress. Das nächste Mal vom 19. bis 21. März 2019 im ICM, Internationales Congress Center München.

 
 
 
  • LASER World of PHOTONICS