Lichtemittierende elektrochemische Zellen (LECs) durch Rolle-zu-Rolle-Technologie

Ziel des Projektes war es, Teilschritte zur Aufskalierung der Herstellung von licht­emittierenden elektrochemischen Zellen (LECs, light-emitting electrochemical cells) mittels Nassbeschichtung unter Verwendung einer Rolle-zu-Rolle (R2R) Laborbeschichtungsanlage zu erproben. Dabei sollte letztlich die Eignung von „Slot-die Coating“ („Gießerbeschichtung“) für die Abscheidung der organischen Schichten auf flexiblen Foliensubstraten untersucht werden. Als lichtemittierende Materialien sollten kommerziell verfügbare fluoreszente konjugierte Polymere oder phosphoreszente ionische oder neutrale Übergangsmetallkomplexe (bevorzugt lösliche Iridium(III)-Komplexe, alternativ Ruthenium(II)-Komplexe) zum Einsatz kommen. Die lichtemittierenden Schichten waren ausschließlich aus Lösungen zu applizieren, um letztlich Demonstratoren als Leuchtfolien mit unterschiedlichen Emissionsfarben (rot, grün, blau etc.) präparieren zu können.

Ergebnisse

Nach Materialauswahl, Experimenten die Device-Architektur betreffend, zahlreichen Beschichtungsversuchen und Beschaffung des erforderlichen technischen Equipments zur Ermittlung der LEC-Kennwerte sind LECs gefertigt und analysiert worden. Im Ergebnis der Arbeiten konnten sowohl LECs mit ionischen Übergangsmetall-komplexen (iTMC-LECs = ionic transition metal complex-LECs; Abb.1) als auch mit polymeren Lichtemittern (PLECs) aufgebaut werden. Dabei reichte das Farbspektrum des ausgestrahlten Lichtes im Betrieb solcher LECs von Gelb über Grün bis Türkis oder Orange und es ließ sich ganz nach Belieben einstellen. Verbesserte, beachtlich hohe Leuchtdichten von 8000 cd/m² (15 V) konnten mit PLEC realisiert werden, bei denen „Spincoating“ durch „Spraycoating“ als aufskalierende Beschichtungsmethode ersetzt wurde. Nichtsdestotrotz sind die erforderlichen Betriebsspannungen noch relativ groß. Mit iMTC-LEC ließen sich alternativ bei niedrigeren Spannun­gen im Vergleich zu PLECs höhere Leuchtdichten messen (1800 cd/m² vs. 170 cd/m² bei 6 V). Die Farbtemperaturen reichen von 7300 … 2300 K je nach Materialsystem und Spannung. Obwohl das „Upscaling“ einzelner Schichten mittels Lineargieß- und sogar Rolle-zu-Rolle-Beschichtung gezeigt werden konnte, erscheint eine Fertigung von LECs danach im Augenblick als nicht zielführend. Der dabei resultierenden Verminderung der Effizienzen beim Übergang vom Glas- zum Folie-Substrat gilt es zukünftig mit neuen Konzepten entgegen­zusteuern, ehe eine großflächige Beschichtung im „m²-Bereich“ sinnvoll ist. Im Projekt konnten äußerst positive erste Erfahrungen dahingehend gesammelt werden, jedoch sind weiterführende FuE-Aktivitäten vonnöten, um das „Upscaling“ erfolgreich realisieren zu können. Es gelang beispielsweise die Konstruktion einer 352 mm² großen iMTC-LEC mit einer Leistung von immerhin 27 cd/m² (6 V) auf einer Folie. Für PLEC konnten sogar 7,5 x 7,5 cm² beschichtete Substrate und aktive leuchtende Zellen mit den Maßen 38 x 34 mm² aufgebaut werden. Sollten die derzeit die Effizienzen einschränkenden Aufgabenstellungen über bspw. die Entwicklung leitfähigerer transparenter flexibler Träger oder Grids / alternative Kontaktierungskonzepte / Device-Verschaltungen etc. gelöst werden können, steht einer technischen und wirtschaftlichen Nutzung nichts im Wege.

Anwendung

Die Entwicklung neuartiger Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtung ist weltweit von hohem Interesse. Ein sich rasant entwickelndes Feld sind Festkörperbeleuchtungen (SSL: solid state lighting), zu denen einerseits anorganische Leuchtdioden (LEDs) und andererseits organische Leuchtdioden (OLEDs) gehören. Die derzeit besten OLEDs basieren auf aufgedampften kleinen Molekülen und erfordern aufwendige Multilayer-Stacks mit typischerweise mindestens 7 bis 9 Schichten. Die damit verbundenen hohen Prozesskosten und die Notwendigkeit des rigorosen Schutzes vor Sauerstoff und Wasserdampf sind zwei der Haupthindernisse, die den breitgefächerten Markteintritt der OLEDs bis heute behindern.

Deshalb wird nach Realisierungsmöglichkeiten für alternative flache elektrolumineszente Flächenleuchten gesucht. Unter diesen haben sich inzwischen insbesondere lichtemittierende elektrochemische Zellen (LECs) als hoffnungsvoll herauskristallisiert. Ihre größten Vorteile gegenüber OLEDs sind, dass sie eine wesentlich einfachere Device-Architektur mit deutlich weniger Materialschichten und eine Prozessierung aus Lösungen gestatten. Der Hauptanwendungsbereich der LECs liegt aufgrund langsamerer Schaltzeiten im Vergleich zu OLEDs aus gegenwärtiger Sicht weniger im Displaysektor sondern potentiell bevorzugt im Beleuchtungsbereich.