Weltweit einzigartige Infrastruktur zur Erforschung organischer gedruckter Elektronik

Technical Showcase des Spitzenclusters Forum Organic Electronics

Projektziel

Bei der Organischen Elektronik (OE) handelt es sich um eine zukunftsweisende "Green Technology" zur umweltfreundlichen Energiegewinnung, sparsamen Energieverwendung und ressourcenschonenden Herstellung elektronischer Komponenten auf Basis großflächig prozessierbarer Druck und Beschichtungstechniken. Zentrales Forschungsziel der Projekte des Spitzenclusters Forum Organic Electronics ist die Erforschung der material-, prozess- und verfahrenstechnischen Grundlagen zur Herstellung gedruckter Elektronik. Zukünftig sollen so Leuchtdioden, Solarzellen und Elektronikbauteile einfach, kostengünstig und energieeffizient "wie eine Zeitung" gedruckt werden. Als zentrale Forschungsplattform für die Arbeiten des Forums Organic Electronics wurde dazu am Standort der InnovationLab GmbH in Heidelberg im Rahmen der Förderung des Spitzencluster-Wettbewerbs des BMBF eine gemeinsame exzellent ausgestattete Infrastruktur eingerichtet: Ein weltweit einzigartiges Labor, in dem auf speziell designten Druckmaschinen und mit herausragenden Charakterisierungs- und Analysemöglichkeiten Wissenschaftler und Forscher verschiedenster Fachrichtungen gemeinsam projekt- und applikationsübergreifend die Grundlagen der gedruckten organischen Elektronik für innovative Anwendungen erarbeiten.

Umsetzung

Um die grundlegende, applikationsunabhängige Untersuchung von Druck-, Prozess- und Verfahrenstechniken sowie Qualitätssicherungsverfahren zu ermöglichen, wurde eine neue Infrastruktur in Form eines Konzeptlabors erarbeitet und am gemeinsamen Standort des Spitzenclusters Forum Organic Electronics bei der InnovationLab GmbH in Heidelberg realisiert. Mit dem Konzeptlabor wurde die Möglichkeit geschaffen, an einem zentralen Standort alle wesentlichen Produktionsschritte zu untersuchen und aufeinander abzustimmen, die bis dahin dezentral und unabhängig voneinander existierten oder entwickelt wurden. Die vorhandene Infrastruktur des Konzeptlabors bietet nun die Möglichkeit, in einem mehrstufigen Entwicklungsprozess die Machbarkeit von gedruckten elektronischen Bauteilen vom Labormaßstab in die Massenfertigung aufzuzeigen. Das für die definierten Zwecke zusammengestellte Konzeptlabor ermöglicht die Erforschung und Untersuchung aller Elemente der Wertschöpfungskette, vom Material bis hin zum System und zur Systemintegration.

Der Aufbau dieses Konzeptlabors erfolgte auf Basis der Erfahrungen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), den Technischen Universitäten Braunschweig und Darmstadt, der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung Mainz, der Heidelberger Druckmaschinen AG, der Merck KGaA und der BASF SE.

Im Formulierungslabor wird den Materialherstellern ermöglicht, ihre Formulierungen schnell an den entsprechenden Prozess anzupassen. Weitere Elemente der Anlage bilden die Hybridtechnologie zur Metallisierung durch Verdampfungstechnik und die Fotolithographie. Die Hybridtechnologie erlaubt, Referenzsysteme zu entwickeln und aufzubauen, bevor diese mittels großflächiger Druckverfahren realisiert werden können. Sie stellt bekannte und verlässliche Herstellungsmethoden bereit, um so Prozesse- und Bauteilparameter zwischen bekannten und neuen, noch zu entwickelnden, Prozessen vergleichen zu können. Nur so können die Ergebnisse, die mittels Druck- und Beschichtungsprozessen erzielt worden sind, optimiert und mit bekannten Systemen verglichen werden.

Den zentralen Kern des Konzeptlabors bilden Drucksysteme und Druckmaschinen mit unterschiedlicher Auslegung und Fokussierung.
Mit den Druckmaschinen der ersten Stufe kann die komplette Prozesskette bis zu einer Substratgröße von 50 mm x 60 mm abgebildet werden. Die erste Stufe eignet sich auf Grund des minimalen Materialverbrauchs und der unkomplizierten Bedienung vor allem für ein schnelles Feedback zur Material- bzw. Formulierungsentwicklung. Den Druckmaschinen der ersten Stufe schließt sich eine komplexere zweite Stufe an, die die komplette Prozesskette bis hin zu einer Substratgröße von 200 mm x 200 mm abbildet. Die zweite Druckstufe ist die direkte Verbindung zur Roll-to-Roll-Plattform der dritten Stufe. Die dritte Stufe erlaubt die Erprobung von Materialien und Materialsystemen mittels Industrie relevanter Roll-to-Roll-Drucksysteme.

Damit eine Basisausstattung zur Charakterisierung der wichtigsten organischen Elektronikbauelemente gewährleistet ist, wurde im Konzeptlabor eine umfassende elektrische Messtechnik installiert. Ein wesentliches Augenmerk liegt dabei auf der Charakterisierung organischer Optoelektronik. Hierbei geht es vor allen Dingen um die Frage der Quantifizierung der optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Darüber hinaus wurden zur quantitativen Bestimmung der gedruckten Schichten Systeme installiert, die das Messen von Schichtdicken in einem weiten Bereich, von wenigen Nanometern bis hin zu 10 µm dicken Schichten, erlauben.

Ausblick

Nachdem in der ersten Förderphase der Strategieumsetzung des Spitzenclusters die Identifizierung technologisch grundlegender Fragestellungen und der Aufbau der zentralen Forschungsplattform die Entwicklung des Cluster geprägt haben, steht in der nahen Zukunft die Umsetzung der erarbeiteten Prozesse von der labor- auf eine industrienahe Prozessumgebung im Vordergrund der Arbeiten - und dies wieder interdisziplinär auf der dafür optimal abgestimmten und exzellent ausgestatteten Infrastruktur an der InnovationLab GmbH in Heidelberg als Drehscheibe sämtlicher Clusteraktivitäten. Damit wird im Rahmen des fünfjährigen Förderungszeitraums des Spitzenclusters durch das BMBF der Grundstein für eine nachhaltige Entwicklung der Metropolregion Rhein-Neckar zu einem der weltweit führenden Zentren für gedruckte organische Elektronik gelegt - und für Innovationen "Made in Germany".