Mikrostrukturierung von OLED mit Elektronenstrahltechnik

Das Fraunhofer FEP hat jahrelange Erfahrung auf dem Gebiet der Verarbeitung organischer Halbleiter-Materialien. So werden dort von den Wissenschaftlern auf organischen Halbleitern basierende organische Leuchtdioden (OLED) und OLED-Mikrodisplays entwickelt. Derzeit werden besonders Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten der Elektronenstrahltechnologie – einer weiteren Kernkompetenz des Fraunhofer FEP – im Gebiet der organischen Elektronik erforscht. OLED haben aufgrund ihrer herausragenden optischen und elektronischen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum im Bereich der mobilen Elektronik und Displays.

Für den zukünftigen Einsatz – zum Beispiel in der Welt der virtuellen Realität – sind besonders kleine Displays mit hoher Pixeldichte, z. B. OLED-Mikrodisplays, nötig. Die Forscher arbeiten nun daran, sie bei gleichzeitig hoher Auflösung weiter zu miniaturisieren. Dabei stellt die Strukturierung der organischen Schichten in den OLED eine der größten Herausforderungen dar, da konventionelle Methoden (z. B. Photolithographie) bei organischen Halbleiter-Materialien nicht anwendbar sind.

Mit Elektronenstrahl strukturierte OLED / Bildquelle: Fraunhofer FEP / Christof Lippmann

Wissenschaftler des Fraunhofer FEP haben einen neuartigen Ansatz entwickelt, bei dem die Emissionsfläche einer OLED hochauflösend strukturiert werden kann. Die patentierte Technologie ermöglicht es, eine OLED erst hochproduktiv vorzufertigen und nach der Verkapselung der sensiblen, organischen Schichten mit dem Elektronenstrahl beliebige Strukturen oder Bilder zu erzeugen.

Die Energie der Elektronen bestimmt ihre Eindringtiefe in den vorliegenden Schichtstapel. Durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter kann so auch die Verkapselung vom Elektronenstrahl durchdrungen und damit die Leuchteigenschaften der darunterliegenden organischen Schichten verändert werden ohne die Verkapselung selbst zu zerstören. Je nach Anwendung ist es sogar möglich, einzelne Schichten direkt zu bearbeiten.

Nach Elisabeth Bodenstein vom Entwicklerteam am Fraunhofer FEP lassen sich mit dem Elektronenstrahl beliebige Graustufen eines Bildes in einer einfarbigen OLED erzeugen, wobei gleichzeitig die Stromaufnahme lokal reduziert wird. Je länger man mit dem Strahl an einer Stelle verharrt, umso dunkler erscheint dort die OLED. Ein eindrucksvolles Beispiel stellt die gezeigte weiße OLED dar, in welche die Semperoper Dresden mit dem Elektronenstrahl innerhalb einer reichlichen Minute geschrieben wurde.

Bei einer Schreibzeit von weniger als zwei Minuten konnte bereits eine beeindruckende Auflösung von 12700 dpi erreicht werden, was einem Abstand der Bildpunkte von 2 µm entspricht. Die Strukturierung der OLED erfolgte mit einem Elektronenstrahllithographiesystem der Firma Raith GmbH, dem führenden Hersteller von Nanofabrikationssystemen.

Das Verfahren ist flexibel einsetzbar – egal, ob die OLED auf einem starren Träger oder auf Folie aufgebracht ist, in welcher Farbe sie leuchtet und ob das Substrat optisch opak, durchscheinend oder transparent ist. Auch die Größe des Substrats ist universal und kann der entsprechenden Anwendung angepasst werden. Die Erweiterung auf vollfarbige Strukturierung ist in Planung.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP stehen nun bereit, diese neue Technologie gemeinsam mit Industriepartnern in die Praxis zu überführen. Die Technologie ist innerhalb eines von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Projektes entstanden.

Vortrag: OLED Microdisplays: Enabling Advanced Near-to-Eye Displays, Sensors, and Beyond, Dr. Uwe Vogel, Session 52: OLED Displays II (Paper Number 52.2), 26. Mai 2016, San Francisco Moscone Convention Center, Raum 131

Poster: Electron Beam Induced High-Resolution Modification of OLED Emission, Elisabeth Bodenstein, Poster Nr. 208, 26. Mai 2016, San Francisco Moscone Convention Center, Raum City View (Metreon)

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