POLEOT: Printing of Light Emitting Devices on Textiles

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1 POLEOT: Printing of Light Emitting Devices on Textiles Partner: Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen (Germany) Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) der Universität Stuttgart (Germany) Forschungskuratorium Textil (FKT) e.v. (Germany) Centexbel (Belgium) Institute for Materials Research (IMO-IMOMEC) of Hasselt University (Belgium) Interuniversity Micro-Electronics Center (IMEC) of University of Hasselt (Belgium) TO 2 C of University College Ghent (Belgium) Laufzeit: Förderträger: CORNET (Collective Research Networking) Motivation: Textilien mit Leuchtfunktion haben ein großes Potential in einer Vielzahl an Anwendungsgebieten, die die europäische Textilindustrie stärken. Mögliche Anwendungsgebiete finden sich im Bereich von Schutzbekleidung, leuchtenden Flaggen, Bannern und anderen Werkzeugen für visuelles Marketing sowie in flexiblen Displays und Anzeigegeräten. Solche innovativen textilen Produkte generieren vor allem für die involvierten KMUs einen profitablen und nachhaltigen Markt. Obwohl es Beispiele für existierende aktiv leuchtende Textilien auf Basis von LEDs oder optischen Fasern gibt, haben bisher nur sehr wenige Marktreife erlangt. Es müssen noch Lösungen für die effiziente Produktion solcher Textilien in großen Mengen in der Massenproduktion entwickelt werden. Ziel: Ziel des Projektes POLEOT war die Entwicklung von neuen, innovativen Leuchtelementen auf textilen Flächen. Dabei wurde die Umsetzung von zwei Arten von licht emittierenden Elementen adressiert: Elektrolumineszenz- Lichtquellen (EL) (Abb. 1) und organische Leuchtdioden (engl. organic light emitting diode, OLED) (Abb. 2). Um die Massenproduktion von solchen Leuchttextilien zu ermöglichen, wurde die Drucktechnologie für die Produktion ausgewählt. Während des gesamten Forschungs- und Entwicklungsprozesses wurden die Materialien, Designs, Strukturen und Prozesse untersucht und evaluiert. Das Projekt resultierte in verschiedenen Demonstratoren mit ELsowie OLED-Strukturen auf einer Vielzahl von flexiblen Substraten (PET-Folie, Papier und Textilien).

2 Abbildung 1: Prinzip der Elektrolumineszenz- Lichtquelle (EL) Abbildung 2: Prinzip den organische Leuchtdioden (OLED) Lösungsweg: Im ersten Schritt wurden verschiedene textile Substrate und ihre elektrische Leitfähigkeit untersucht. Die Oberflächenbearbeitung von nichtleitfähigen Textilien mittels Sticktechnologie und CNT-Beschichtung zeigte die besten Ergebnisse. Funktionelle Beschichtung mit CNT erzeugt eine gleichmäßige und hoch leitfähige Oberfläche (60 Ω/sq). Technische Stickerei auf Textilien hat das Potential, eine langlebige Verbindung von Multi-Element oder Multi-Array EL-Strukturen zu realisieren. Die finalen EL-Demonstratoren wurden am Ende dennoch direkt auf nicht-leitfähige Textilien mit einer ersten leitfähigen Druckschicht aufgedruckt, um den Produktionsprozess zu vereinfachen. Obwohl die Aufbringung von EL-Strukturen mittels Siebdruck auf Folienoberflächen bereits etabliert ist, können Textilien dadurch plastifiziert werden und die textilen Eigenschaften wie Flexibilität, Strapazierfähigkeit und Luftdurchlässigkeit durch das Aufbringen von elektrisch leitfähigen, dielektrischen und phosphorhaltigen Tinten verloren gehen. Eine Verbesserung wurde hier durch das Aufbringen von EL-Strukturen in einer Wabenform erreicht, bei der die Lücken in der Druckstruktur die oben genannten Eigenschaften im Vergleich zu vollflächig bedruckten Textilien verbessern. Die Luftdurchlässigkeit wurde um etwa 11% erhöht sowie die Flexibilität um fast 40% gemäß den Ergebnissen des Knittererholungswinkel- Tests (DIN 53890). Die Strapazierfähigkeit der Struktur wurde durch eine

3 mikroskopische Beurteilung der Struktur evaluiert, welche bei 46% der Proben Fehler in den gedruckten Schichten ergab. Diese Ergebnisse zeigen den positiven Einfluss der Anpassungen der funktionellen Schichten im Vergleich mit den Eigenschaften der auf Folie gedruckten Proben sowie der vollflächig bedruckten Textilien. Entsprechend der Anwendungen und daraus resultierenden Anforderungen bestätigen die Ergebnisse auch die Möglichkeit, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der EL-Strukturen durch Variationen des Designs zu kontrollieren und anzupassen. EL-Strukturen wurden in den Dimensionen von 6x6 cm bis zu 50x80 cm vergrößert. Abbildung 3: EL Strukturen mit innovativem Design Die Entwicklung von OLEDs auf Textilien ist eine große Herausforderung auf Grund der Anforderungen an die Oberflächenstruktur (10 nm) und der Sensibilität der Struktur für Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Sauerstoff. Verschiedene Ansätze zur Fertigung von OLEDs wurden untersucht und auf Glas, flexible PET-Folie und textile Substrate aufgebracht (Abb.3-4). Die textile Oberfläche wurde mit wasserbasiertem PU sowie mit Acrylbeschichtung behandelt, um eine ebenere Oberfläche des Textils zu erreichen. Mit wasserbasiertem PU wurden dabei bessere Ergebnisse erzielt. Obwohl die Ergebnisse die Machbarkeit des gewählten Ansatzes zeigen, erfordert die gefertigte OLED-Struktur erhebliche Verbesserungen auf Grund von fragmentarischen Ausfällen der OLED-Struktur und eine dadurch verringerte Lebensdauer. Im Arbeitspaket Encapsulation wurden drei chemisch unterschiedliche Dünnschichten (Stickstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff-basiert) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht und

4 evaluiert. Sauerstoff-basierte Schichten zeigten herausragende Barriere- Eigenschaften, gute Stabilität unter Atmosphäreneinfluss sowie eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Belastung bei gleichzeitiger optischer Transparenz. Die Schichtdicke wurde optimiert, um die niedrigste Sauerstoffdurchlässigkeitsrate zu erreichen. Eine gute Reproduzierbarkeit wurde ebenfalls erreicht. Eine einzelne Barriereschicht erzielte einen Verbesserungsfaktor von etwa 50 im Vergleich zu einer nicht beschichteten Referenz, dennoch werden die Anforderungen für OLEDs noch nicht erreicht. Die entwickelte Technologie kann dennoch für andere Anwendungen genutzt werden, bei denen eine leistungsstarke Barriereschicht benötigt wird. So übertreffen die einzelnen Barriereschichten bereits die geforderten Eigenschaften für Lebensmittelverpackungen, LCD/LED-Displays sowie Photovoltaik-Systeme. Abbildung 3: Entwicklungsschritte zur OLED Entwicklung Es war auf Grund von Transportschäden nicht möglich, den Einfluss der Verkapselung auf die Lebensdauer von OLEDs zu beurteilen. Die morphologischen Untersuchungen der Interaktion zwischen den funktionellen OLED-Schichten und den plasma-exponierten Barriereschichten zeigte dennoch die Potentiale der entwickelten Technologie durch die gute Adhäsion der oberen OLED-Schichten und der Barriereschicht, ohne Schaden an den unten liegenden funktionellen OLED-Strukturen. Eine weitere Versuchsreihe zur Verstärkung von Eigenschaften wie der Lichtausbeute und des Energieverbrauchs wurde durch die Untersuchung verschiedener Technologien wie Verdampfung, Tintenstrahldruck, Rotationsund Sprühbeschichtung zur Aufbringung der funktionellen Schichten und Nutzung unterschiedlicher Strukturen und Schichtaufbauten durchgeführt. Zur Evaluierung der Lichtausbeute sowie des Energieverbrauchs der OLEDs wurde eine große Studie durchgeführt, um den Einfluss der Aufbringung von Super Yellow -Schichten (80 nm) mittels Sprühbeschichtung und Verdampfung zu untersuchen. Die Versuche zeigten, dass OLEDs mit Rotationsbeschichtung eine bessere Lichtausbeute erzielen, der Energieverbrauch aber nicht drastisch verändert wird.

5 Abbildung 4: OLEDs auf dem Glass-, PET- und textile Substraten Ergebnisse: Die Ergebnisse des Projekts POLEOT haben gezeigt, dass das Drucken von EL- sowie OLED-Schichten auf Textilien durchführbar ist. Bezugnehmend auf die Rückmeldungen der PA-Mitglieder zeigt die EL- Technologie ein hohes Potential für die Anwendung im innovativen und interaktiven Produktdesign. POLEOT hat Ansätze gezeigt, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von EL-Strukturen auf Textilien zu verbessern. Eigenschaften wie die Flexibilität, Luftdurchlässigkeit und Strapazierfähigkeit wurden durch Designanpassungen der EL-Struktur und Anwendung der Wabestruktur signifikant verbessert. Zusätzlich wurde ein 3Dgedrucktes Modul zur reversiblen Verbindung realisiert, um eine einfache Handhabung bei der Verbindung zwischen dem Textil und der Elektronik beim Aufbau der Demonstratoren zu gewährleisten. EL-Strukturen sind ein vielversprechendes Werkzeug zur Erhöhung der Funktionalität und zum Design von Objekten in der Inneneinrichtung sowie im visuellen Marketing. In enger Zusammenarbeit mit den PA-Mitgliedern wurden folgende Demonstratoren entwickelt: eine interaktive Tapete, eine Lichtinstallation in Möbel ( Bed of the future, Tiger Eye ) sowie ein Raumbeleuchtung (EL integriert in einen Lampenschirm) wurden der Öffentlichkeit präsentiert (Abb.5). Abbildung 5: Bespiele von EL Demonstratoren Potenziale Nutzen: Die Ergebnisse des Projektes POLEOT zeigen klar die Potentiale der Drucktechnologie für die Entwicklung von innovativen und interaktiven Leuchtelementen auf Textilien. Die erzielten Forschungsergebnisse in anderen Produktionsschritten wie die

6 Funktionalisierung von Textilien und die Aufbringung von Barriereschichten können auch in anderen Gebieten in der Textilindustrie und verwandten Gebieten Anwendung finden. Anhand der Rückmeldungen während der Entwicklung der Demonstratoren und während eingehender Diskussion bieten gedruckte EL-Strukturen aktuell mehr Potential zum Transfer in die Industrie auf Grund des höheren Technologiereifegrads. EL-Strukturen könnten in folgenden Bereichen erfolgreich in der Entwicklung innovativer Produkte eingesetzt werden: - Inneneinrichtung: - Lichtinstallation für indirekte Beleuchtung (Ambient Lightening) - Leuchtende Tapeten - Industriedesign: - Lampen und andere Inneneinrichtungsgegenstände - Möbel mit Lichtinstallationen - Visuelles Marketing: - Flaggen und Banner. Die Ergebnisse aus dem ersten Arbeitspaket mit dem Fokus auf Funktionalisierung von Textilien sind wertvoll für die Industrie im Hinblick auf die Entwicklung leitfähiger Textilien und anderer intelligenter textiler Strukturen wie textile Sensoren und Aktoren sowie Heizstrukturen auf Textilien durch CNT-Beschichtung und technische Stickverfahren. Dies trifft ebenfalls für die bei der Entwicklung der Kontaktierung sowie Verkabelung der gedruckten Strukturen gewonnen Erkenntnisse zu. So kann zum Beispiel das maßgefertigte, reversible Verbindungsmodul zur Verbindung von Textilien und Elektronik eine weite Anwendung in Smart Textile -Produkten finden. Die untersuchte OLED-Struktur ist noch nicht bereit für den Transfer in die Industrie auf Grund der Instabilität der Strukturen auf Textil und der Komplexität der aktuellen Technologie zur Fertigung von OLEDs. Die entwickelte Verkapselungstechnologie hat dennoch gute Leistungen der Barrierebeschichtung gezeigt, die für einen Technologietransfer in die Lebensmittelverpackungsindustrie, LCD/LED Displays und Photovoltaiksysteme genutzt werden kann. Obwohl die OLED-Technologie für technische und medizinische Anwendungen weitere Grundlagenforschung erfordert um stabile Strukturen mit längerer Lebensdauer zu erreichen, haben OLED-Strukturen in textilen Anwendungen dennoch Interesse im Bereich Design hervorgerufen. Die erfolgreiche Aufbringung von OLED-Strukturen auf Glas und PET-Folien hat Potential zum Wissenstransfer sowie weitere Anwendungen für Textilien und Bekleidungsdesign. Hieraus sind bereits Kooperationen zwischen den belgischen Projektpartnern (University of Hasselt, IMEC/IMOMEC) und lokalen

7 Designern entstanden. Das Ziel der Kooperation ist die Aufbringung von OLEDs auf flexible, nicht textile Substrate, die als Paillette in Kleidung integriert werden können. Die Rückmeldungen der deutschen Mitglieder des PA haben ergeben, das Luxusmodeartikel auf Grund des hohen Produktwertes der exklusiven Artikel einen guten Transfermarkt darstellen. Weitere Untersuchungen an gedruckten OLED-Strukturen, die über den Stand der Technik hinausgehen, können für Anwendungen wie Schutzbekleidung sowie Medizintechnik, z.b. zur photodynamischen Therapie, eingeleitet werden.

8 Danksagung: Das IGF-Vorhaben 94 EN der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.v., Reinhardstraße 12-14, Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) von Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Budenstages gefördert. Kontakt: Viktorija Mecnika, M.sc. RWTH Aachen University Institut für Textiltechnik (ITA) Otto-Blumenthal-Straße 1, Aachen Tel.: +49 (0) Dr.-Ing. Andreas Schulz Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (IGVP) Pfaffenwaldring 31, Stuttgart Tel.: +49 (0)

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