Forschungsgruppe Funktionales Drucken am IDD Dr. Hans Martin Sauer

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1 Forschungsgruppe Funktionales Drucken am IDD Dr. Hans Martin Sauer 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 1

2 Forschung Make Printing more industrial Forschungsziel ist die Entwicklung von Grundlagen, die den wirtschaftlichen Einsatz von weitgehend automatisierten Druckprozessen ermöglichen. Druckkunst, Druckhandwerk Industrial Printing 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 2

3 Forschungsziel: physikalisches Verständnis der Abläufe im Druckwerk Strömungs- und Thermodynamik der Farbe im Druckwerk: Farbspaltung, Benetzungsdynamik, Schichtentstehung, Trocknung. Drucken mit ungewöhnlichen Fluiden: Polymere + Halbleiter, partikuläre Dispersionen, oberflächenaktive Fluide Messtechnik für ultradünne Funktionsschichten ( nm) Vor- und Nachbehandlung (Plasma, Corona, Sintern, ) von Substraten und Druckprodukten -> Drucken als Fertigungsprozess auch außerhalb des grafischen Gewerbes 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 3

4 Anwendungen des funktionalen Druckens: Gedruckte Elektronik OLED, OPV Gedruckte Elektronik Gedruckte Sensorik Displaytechnologie Klink, Fraunhofer IZM Medizinische Teststreifen 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 4

5 Elektrolumineszenz (EL) Leuchtpannels Siebdruck der verschiednen Leiterund Lumineszenzschichten, - Materialsparender Aufbau - Organische Leiterschichten - Ersatz von Silber und ITO Optimierte Ansteuertechnik 120V (AC) -> 40 V (Multifrequenz) in 1-Chip-Technik (IES) Transparent electrode Metal electrode Doped ZnS-Particles inside the dielectric layer 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 5

6 Anwendung: Verpackung Advertising and consumer product promotion Design and lifestyle products Security features and anti-counterfeiting Printing the conductive and light emitting layers on cardboard before the cutting and folding steps Combination with graphical and RFID features Reasonably stable under harsh environmental conditions (humidity, UV radiation) Needs costly AC inverters Source: Karl Knauer GmbH Printed electroluminescent panel, on cardboard 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 6

7 Gedruckte Elektronik für Smart- Cards und RFID-Tickets Produktüberwachungssysteme (EAS) RFID-Tags mit Datenübertragung ( Intelligenter Barcode ) Logistik-Tools Produktüberwachung Zugangskontrolle Wireless Cash Sicherheitsanwendungen 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 7

8 Gedruckte organische Feldeffekt-Transistoren für Speicher, Sensoren, RFID Flexible Substrate Modularer Baukasten aus logische Schalt-, Speicher-, Sensorbausteine aus organischen Halbleitern Integration in andere Druck-/Produktionsprozesse Typical OFET manufacturing chain Source/Drain manufacturing Printed by POLYTOS Printing semiconductor 100 µm Insulator layer Gate InkJet/Sputter idd Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 8

9 Drucken als Abfolge von Einzelprozessen am Beispiel OFET-Herstellung Verkapselung 100nm Substratfolie mit vorgefertigten Source- /Drain-Kontakten (Aufdampfen, Ätzen, Laserstrukturieren) Weitere Features aufbringen, prüfen Gate Dielektrikum Halbleiter Source L Drain Substrat Substratreinigung (Spülen mit Lösemitteln, Plasma) Trocknung 1µm 150nm Gate-Elektroden, Verdrahtung drucken (Sieb- /Flexodruck) Trocknung (130 C, 1 2 min) Aufdrucken des Gate- Dielektrikums (Flexo- /Tiefdruck) Trocknen, thermische Formierung (120 C, 1 min) Aufdrucken des Halbleiters (Flexo- Chemische /Tiefdruck) Vorbehandlung von Source-und Drain- Kontakten (SAM) 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 9

10 Vision Printed Electronics High efficient wighte OLEDs OLED / EL Lighting Source: Fraunhofer, Philips Source: oe-a 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 10

11 Schichtaufbau einer OLED 3 nm / 100 nm Cathode Ba/Al 20 nm EML Emitter 20 nm Interlayer Loch- Transport- Schicht 80 nm Pedot Pedot ITO Glas als Substrat (Wasserdampf-Barriere) Drei bis 15 teilw. extrem dünne Schichten: nm -Tiefdruck - Blade-Coating Hohe Anforderungen an Reinheit der Umgebung Katodenschicht (Barium, Aluminium u.ä.) z.z. durch Aufdampfen im Vakuum Herausforderung: mehrfache Überdruckung ultradünner Schichten 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 11

12 Herausforderung: Homogene Oberflächen Tiefdruck von ultradünnen (10 30 nm) dicken Halbleiterschichten für OLED und OPV Messtechnik für nm-schichten: Optische Interferometrie Ziel: großflächige, homogene Schichten von nm Dicke (+/- 5%) 14,9 nm 22,3 nm 11,7 nm 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 12

13 Die Vielfalt der Materialien im funktionalen Druck Vorbehandlung Leitermaterialien Halbleiter Dielektrika Wie drucke ich Elektronik? Transparente Elektroden 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 13

14 Druckkompetenzzentrum InnovationLab GmbH Heidelberg Material Formulierung Device Prozess 4. Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 14

15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dr. Hans Martin Sauer Technische Universität Darmstadt Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. Edgar Dörsam Magdalenenstr Darmstadt This work was funded by the BMBF under grants no. 13N10209, 13N10298, 13N10755, 13N10760, 13N Juli 2013 Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam 15