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Laserabtrag der OLED-Barriereschicht.
Rolle-zu-Rolle-Laserstrukturierung mit Multistrahlkamm.

Elektronisch oder photonisch funktionalisierte Oberflächen, dreidimensional auf allen möglichen Objekten – das ist gedruckte Elektronik. In diese noch recht junge Technologie werden große Hoffnungen gesetzt. Das große Potenzial der organischen Elektronik für neue Produkte liegt in den besonderen Eigenschaften organischer Materialien begründet. Die organischen, funktionalen Schichten, die auf feste oder flexible Träger aufgebracht werden, sind extrem leicht, ultradünn, flexibel, transparent, leicht integrierbar und beispielsweise druckbar. Aktuell sagen Branchenexperten für die organische Elektronik ein weltweites Marktvolumen jenseits von 100 Mrd. Euro innerhalb der nächsten 15 Jahre voraus.

Kein Wunder also, dass die Industrie an der Herstellung von haltbarer und flexibler Elektronik interessiert ist, welche elektrische Funktionalitäten in Verbrauchsprodukten für wenige Cent pro Element ermöglichen soll. Diese Bauteile benötigen dünne Energiequellen, wie Batterien oder Solarmodule und flexible Displays als Schnittstellen zwischen Benutzer und dem elektronischen Schaltkreis. Jede Komponente wird in einem aufwändigen Verfahren aus Auftragen, Drucken, Strukturierung und Verkapselung erzeugt. Diese Produktionsketten profitieren entscheidend von laserbasierten Dünnschichtstrukturierungs- und Fügeprozessen. Die Produktivität wird erhöht und neue Produktionsverfahren werden ermöglicht.

Laserstrukturierung hält Einzug in die Produktion

Um den Schritt zum Massenmarkt zu erreichen, ist es allerdings notwendig, die Lebensdauer organischer Komponenten zu erhöhen und die Herstellungskosten deutlich zu senken. Hierfür wird eine technisch ausgereifte und preiswerte Verkapselung benötigt. Die Verwendung von Dünnschichtverkapselung ist der vielversprechendste Ansatz. Beispielsweise muss für die elektrische Kontaktierung einer OLED diese Verkapselung lokal und selektiv entfernt werden, ohne die darunterliegenden funktionalen Schichten zu beschädigen. Dies wird durch den Abtrag mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht. Der hierfür vom Fraunhofer ILT entwickelte Prozess hält zurzeit Einzug in die Fertigung von OLEDs. Hierbei werden für die Produktion ausreichend schnelle Abtragraten von etwa 40 cm²/min erreicht. Durch die Verwendung von Hochleistungslasern und schnelleren Strahlablenkungsverfahren lässt sich die Abtragrate auf mehr als 100 cm²/min erhöhen.

Für die Erzeugung getrennter elektrischer Kontakte in der transparenten Elektrode kommen in der Produktion nasschemische Ätzverfahren zur Anwendung. Sie werden in Zukunft durch Laserabtragprozesse ersetzt, da diese weniger aufwändig sind, kleinere Strukturen und höheren Durchsatz erlauben. Bei dem vom Fraunhofer ILT entwickelten Strukturierungsprozess wird die transparente, leitfähige Schicht – üblicherweise Indium-Zinn-Oxid – mittels ultrakurzer Laserpulse strukturiert. Hierdurch eröffnen sich neue Prozessfenster, die physikalische Prozesse ermöglichen, welche mit längeren Laserpulsen nicht zu realisieren wären. Die typischen Probleme von Abtragprozessen, wie Partikelkontamination und Schichtablösung, lassen sich auf diese Weise minimieren.

Laserstrukturierungsverfahren beruhen immer auf der lokalen Entfernung von leitfähigem Material. Parallel dazu wird am Forschungsinstitut ein abtragfreies Strukturierungsverfahren entwickelt. Hiermit lassen sich die sich aus dem Abtrag ergebenden Nachteile wie Partikelkontamination und Schichtablösung vollständig vermeiden. Die Leitfähigkeit wird durch Modifikation unterbunden, ohne die Schicht abzutragen. Zusätzlich zur vollständigen Vermeidung von Rückständen wird untersucht, wie sich die durch die Laserstrahlung hervorgerufenen Schädigungen im benachbarten Material verringern und die Produktivität durch die Verwendung von preiswerteren Laserstrahlquellen deutlich steigern lässt.

Durch die Verwendung von Wellenlängen im tiefen UV-Bereich oder ultrakurzen Laserpulsen lassen sich transparente, leitfähige Schichten strukturieren. Neben der herkömmlichen Strukturierung mittels Abtrag können leitfähige oder halbleitende Schichten durch Bestrahlung unterhalb der Abtragsschwelle so modifizieret werden, dass sie anschließend in den bestrahlten Bereichen elektrisch isolierend sind. Da bei der Modifikation unterhalb der Abtragsschwelle kein Material abgetragen wird, werden Randaufwürfe und Partikel vermieden. Aufgrund der geringen benötigten Leistung werden durch Multiparallelbearbeitung extrem hohe Strukturierungsgeschwindigkeiten erreicht.

Laser in der Rolle-zu-Rolle-Fertigung

Durch die Ausnutzung der Möglichkeiten der Rolle-zu-Rolle-Fertigung ist es möglich, Herstellungskosten in der gedruckten Elektronik, polymeren Solarzellen und fortschrittlichen Batterien zu reduzieren. Durch die Integration von Lasermaterialbearbeitung lassen sich komplexe Schritte wie Lithographie, strukturiertes Drucken oder das Verkleben der Verkapselung ersetzen.

Am Fraunhofer ILT wird derzeit an der Parallelbearbeitung der Serienverschaltung organischer Solarzellen gearbeitet. Im Vergleich zu Herstellungsverfahren, die auf Druck- und Aufdampfprozessen basieren, ermöglicht die Laserstrukturierung eine Reduzierung der inaktiven Zone um drei Größenordnungen. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Laserschweißprozessen für Polymere vereinfachte Verkapselungsmöglichkeiten. Die Rolle-zu-Rolle-Anlage mit integrierten Laserverfahren wird am Fraunhofer ILT in Kooperation mit den Partnern Limo, 4Jet, Coatema und dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität Bochum aufgebaut. Sie ermöglicht die Strukturierung und das Verschweißen von Bauteilen bei Durchsatzraten von 1 m²/min.