Ga naar hoofdinhoud

Geoptimaliseerd printproces voor organische elektronica

Claudia M. Palumbiny van de TU München (D) onderzoekt dunne laag elektroden van geleidend polymeer die kunnen worden geprint op flexibele substraten (foto: Wenzel Schürmann / TUMtransparante)

Flexibele displays en touchscreens, lichtgevende folie, RFID-tags en zonnecellen vormen een toekomstige markt. In het kader van een internationaal samenwerkingsproject is het natuurkundigen van de technische Universiteit München gelukt om het ontstaan van deze flinterdunne polymere elektroden tijdens het printproces live waar te nemen en daardoor de elektrische eigenschappen van de geprinte films te verbeteren.

Zonnecellen uit de printer? Een aantal jaren geleden was dat nog ondenkbaar. Er bestonden nauwelijks alternatieven voor de klassieke silicium techniek. Inmiddels kunnen touchscreens, sensoren en zonnecellen worden geproduceerd van elektrisch geleidende kunststof. Op dit moment zijn flexibele monitoren en lichtgevende tapijten, die bestaan uit organische lichtdiodes, afgekort OLEDS, in ontwikkeling.

Deze technologie heeft echter ook zijn valkuilen: om de gewenste componenten industrieel te produceren moet men geleidende, halfgeleidende of isolerende lagen, die elk duizendmaal dunner zijn dan een haar, in een specifieke volgorde printen op een dragerfolie. “Dit is een zeer complex proces, waarvan de details volledig moeten worden begrepen om toepassingen op maat mogelijk te maken”, verklaart prof. Peter Müller-Buschbaum van de afdeling Funktionelle Materialien van de TU München.

De organische elektronica geldt als veelbelovende toekomstmarkt. (foto: Christoph Hohmann / Nanosystems Initiative Munich)

Een andere uitdaging is het contact met de flexibele, geleidende lagen. Tot nu toe worden vaak elektrische contacten van kristallijn indium-tinoxide gebruikt. Deze constructie heeft echter meerdere nadelen: het oxide is brozer dan de erop liggende polymeren, waardoor de flexibiliteit van de cellen wordt beperkt. Voor de productie is bovendien veel energie nodig. Daar komt bij, dat indium tot de zeldzame elementen hoort, die slechts in beperkte hoeveelheden beschikbaar is.

Polymeren een röntgenstralen

Een aantal maanden geleden lukte het de onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië voor het eerst om het netwerk van polymeer moleculen in de actieve laag van een organische zonnecel tijdens het printen waar te nemen. Samen met de collega’s uit Californië gebruikte toen het team van Müller-Buschbaum deze techniek, om de eigenschappen van de polymeer elektronica te verbeteren.

Voor hun onderzoek maakten ze gebruik van röntgenstralen, die werden opgewekt bij het Synchrotron in Berkeley. De röntgenstralen worden op de vers gedrukte kunststoflaag geleid en daar verstrooid. De verandering van het verstrooiingspatroon maakt de bepaling mogelijk van de rangschikking en oriëntering van de moleculen tijdens het uitharden van de geprinte film.

“Dankzij de zeer intensieve röntgenstraling kunnen we een zeer hoge tijd resolutie halen”, zegt Claudia M. Palumbiny. De TUM-natuurkundige onderzocht in Berkeley de ‘isolatielaag’, die in de organische elektronica de ladingdrager sorteert en selectief transporteert. Het onderzoeksteam van de TUM publiceerde samen met hun collega’s uit Amerika het resultaat in het vaktijdschrift Advanced Materials.

Aangepaste eigenschappen

“Voor het eerst konden we nu tijdens het werk laten zien, dat kleine veranderingen van de fysisch chemische procesomstandigheden de opbouw en eigenschappen van de laag aanzienlijk beïnvloeden”, zegt Claudia M. Palumbiny. “De toevoeging van oplosmiddelen met een hoog kookpunt zorgt er bijvoorbeeld voor, dat de kunststof componenten gemakkelijker uiteenvallen. Dat heeft tot gevolg, dat de geleidende moleculen beter kristalliseren. De afstand tussen de moleculen wordt kleiner en de geleiding neemt toe”.

Stabiliteit en geleiding kunnen op deze manier zo worden opgevoerd, dat het materiaal niet alleen als isolatielaag, maar ook voor transparante elektrische contacten kan worden gebruikt. Hierdoor kunnen de broze indium tinoxide lagen worden vervangen. “Het resultaat is dus, dat alle lagen volgens hetzelfde proces kunnen worden vervaardigd”, verduidelijkt Palumbiny. “Dat vormt voor de producent een grote winst”.

De TUM-onderzoekers willen het elektrodemateriaal verder onderzoeken, optimaliseren en hun knowhow ter beschikking van de industrie stellen, om dit in de toekomst mogelijk te maken. “We hebben nu de basis gelegd, zodat we met toekomstige onderzoek de materiaal ontwikkeling zodanig kunnen perfectioneren, dat industriële bedrijven dit kunnen opnemen”, verklaart prof. Müller-Buschbaum.

 

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven