Empa lässt Funktionspolymere leuchten

Mit Laserbeschuss zu winzigen Pixeln

08.05.2008 | MARTINA PETER
Voraussetzung für zusammenrollbare Bildschirme und GPS-Displays an Jackenärmeln oder Regenschirmen sind Bildschirme aus neuartigen organischen Leuchtdioden. Sie bestehen nicht aus spröden, sondern aus flexiblen Materialien. In einem Projekt der zwei Forschungsinstitutionen des ETH-Bereichs, Empa und PSI, gelang es, mit Hilfe dünner, photoaktiver Polymerschichten und dem raffinierten Einsatz eines Lasers einzelne Leuchtpixel auf Oberflächen zu transferieren, ohne die empfindlichen Polymere zu beschädigen.
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Legende: Beim Austesten der Löslichkeit eines Fluoreszenzfarbstoffs.

Bildschirme aus organischen Leuchtdioden herzustellen ist eine Kunst: «Zum einen gilt es dafür ultradünne, nur 100 Nanometer ‹dicke› Schichten übereinander aufzutragen. Gleichzeitig müssen die farbig leuchtenden Polymere strukturiert und punktgenau verteilt werden», erklärt Matthias Nagel, Chemiker in der Abteilung «Funktionspolymere». Bis anhin wurde dazu eine Mikroprinting-Technik verwendet. Empa-Forscher haben nun zusammen mit Kollegen aus der «Materials Group» vom Paul Scherrer Institut (PSI) einen Ersatz gefunden: Ihre neu entwickelte Methode kommt ohne Lösungsmittel für den Transferprozess aus. Dadurch werden organische Polymere in Pixelform gebracht, ohne dass die Mikrostrukturen ineinander verfliessen.

Der Laser katapultiert Pixelmaterial

Hitzeresistente Metalle und keramische Pulver werden schon seit geraumer Zeit mit einer Laser-Katapultier-Methode auf eine Oberfläche übertragen. Auf einem durchsichtigen Träger ist eine Spender-Schicht aufgebracht, die von hinten mit einem Laserstrahl beschossen wird. Ein winziges Bruchstück in der Grösse des exakt gebündelten Laserstrahls wird aus der Schicht herausgerissen, fliegt mit Schallgeschwindigkeit Richtung Empfängerschicht und prallt dort auf.

Empfindliche Materialien wie organische Farbstoffe oder halbleitende Polymere werden jedoch durch die dabei entstehende Hitze oder das energiereiche Licht des Laserstrahls leicht zerstört. «Unser Trick», so Nagel, «bestand darin, eine zusätzliche Schicht aus lichtempfindlichen Spezialpolymeren auf Triazenbasis einzufügen. Eine Opferschicht, quasi.» Sie absorbiert den Laserpuls und zersetzt sich dabei vollständig. Damit die leuchtenden Pixel auf der Empfängerschicht intakt ankommen und korrekt funktionieren, genügt es jedoch nicht, sie vor dem Laserstrahl zu schützen. Denn ist dieser zu stark, hilft selbst eine Triazenschicht nicht. Sind die Kräfte zu gross, wird ein aus der Schicht gerissenes Pixel bereits während des Flugs mechanisch zerstört oder prallt derart heftig auf die Empfängerschicht, dass es spätestens dann seine Funktionsfähigkeit verliert. Ist der Laserpuls hingegen zu schwach, findet kein Transfer statt, es entstehen lediglich Risse oder Blasen auf der Spenderschicht. Um die Pixel vollständig und mit möglichst «sauberen Rändern auf die Empfängerschicht zu katapultieren, muss die Energie des Lasers genau dosiert sein, und die einzelnen Schichtdicken müssen optimal aufeinander abgestimmt werden.


Fingerspitzengefühl für Material und Struktur
Um die Teilchen «zum Fliegen zu bringen», braucht es auch Fingerspitzengefühl. Etwa wenn an der Empa unter Sauerstoffausschluss Dünnschichtpräparate für Spender und Empfängersubstrate hergestellt werden. Oder wenn am PSI am Ultraviolettlasersystem die Transferexperimente durchgeführt und die vorbereiteten Plättchen mit einem gepulsten Laserstrahl beschossen werden. Und schliesslich braucht es auch eine ruhige Hand, die einzelnen Pixel mit einem elektrischen Kontakt zu versehen und eine Spannung anzulegen. Als Belohnung beginnen die organischen Miniatur-Leuchtdioden hell zu strahlen. Die Ergebnisse der Experimente sind beachtlich: Mit der neuen Lasermethode lassen sich nicht nur Einzelpixel präzise übertragen, mit geeigneten Schablonen können auch ganze Muster aus Pixeln auf die Empfängerschicht gebracht werden. Ziel ist es, Pixelgrössen um die zehn Mikrometer zu erreichen. Das würde hervorragende Voraussetzungen für die Produktion von flachen, flexiblen Farbdisplays bieten.


Internationales Interesse an Lasertransfer-Entwicklung
Experten aus aller Welt beobachten die vom Schweizerischen Nationalfonds SNF unterstützten Entwicklungen. Kürzlich berichtete eine internationale Forschergruppe von eigenen Laser-Transferexperimenten mit lebenden Nervenzellen unter Verwendung der an der Empa synthetisierten Triazenpolymere. Der gezielte Transport der Zellen auf ein biologisches Substrat erfolgte dabei so sanft, dass nach kurzer Zeit neue Nervenzellen zu wachsen begannen. Durchaus möglich, dass für die Herstellung von Biosensoren auf diese Weise schon bald lebende Zellen punktgenau auf Mikrochips aufgetragen werden.


 
 

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Mehrschichtarchitektur einer organischen Leuchtdiode

Das Spendersubstrat setzt sich zusammen aus Triazenpolymer (100 nm), einem Aluminiumfilm (70 nm) und einer elektroluminiszierenden Polymerschicht (MEH-PPV; 90 nm) auf durchsichtigem Quarzglas. Die Empfängerschicht besteht aus einem Glasplättchen, auf dem Indium-Zinnoxid (ITO; 40 nm) als durchsichtige Elektrode aufgetragen ist. Der Triazenpolymerfilm dient als «Opferschicht»Wird an Anode (ITO) und Kathode (Aluminium) eine elektrische Spannung angelegt, leuchtet die Polymerschicht (MEHPPV) orangerot auf.


 

Fachliche Auskünfte

 

Redaktion

 
 
Was sind OLEDs?
Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs genannt (für«organic light emitting diode»), sind selbstleuchtende Bauelemente aus dünnen Filmschichten von halbleitenden organischen Materialien (siehe Schema). Zwischen Anode und Kathode liegt eine elektroluminiszierende Polymerschicht, die nach Anlegen einer elektrischen Spannung aufleuchtet.