News: Belichten statt Drucken
Bildschirme aus organischen Leuchtdioden oder lichtemittierenden Polymeren könnten herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen in Zukunft den Rang ablaufen. Der Herstellungsaufwand wird entscheiden, welche Technik am Schluss vorne liegt.
© (Ausschnitt)
Noch beherrschen Flüssigkristall-Displays (LCDs) den Markt der flachen Anzeigesysteme – sei es im Handy oder im Laptop. Sie kratzen sogar schon am Thron der Röhrenmonitore, die bisher als Bildschirm für Computer dienten. Doch trotz vieler Vorteile kämpfen auch die LC-Displays mit einigen Nachteilen, sodass vielleicht eine ganz andere Technik das Rennen macht.
In den Startlöchern stehen nämlich bereits Anzeigen aus organischen Leuchtdioden (OLEDs) und lichtemittierenden Polymeren (PolyLEDs). Der große Vorteil dieser Technologien: Eine Hintergrundbeleuchtung, wie sie LC-Displays benötigen, braucht man hier nicht, da die aktiven Schichten selbst Licht emittieren. Dadurch fällt auch die lästige Winkelabhängigkeit des Bildkontrasts weg, mit dem die Hersteller von LCD-Bildschirmen in der Vergangenheit zu kämpfen hatten, und sparsamer sind sie obendrein.
Doch auch die neuen Methoden haben noch ihre Macken. So eigenen sich die OLEDs aufgrund ihrer aufwändigen Herstellung bislang nur für kleine Displays, etwa für Autoradios und Handys. Die PolyLEDs lassen sich zwar prinzipiell in beliebiger Größe produzieren, doch ist die zurzeit viel versprechendste Technik – die Polymerlösung in einem Verfahren ähnlich dem Tintenstrahldruck auf Folie zu bringen – für industrielle Maßstäbe etwas zu langsam. Besser wäre es, alle Bildpunkte in einem Schritt auf die Unterlage zu setzen.
Dergleichen schwebte auch David Müller von der Universität zu Köln und seinen Kollegen vor. Anstelle die Pixel mühselig in einem seriellen Verfahren zu drucken, wollten die Forscher alle Pixel einer Farbe auf einen Schlag auf Folie bannen. Ausgangspunkt waren dabei wie bei anderen PolyLEDs auch so genannte Copolymere, wobei je eines dieser Makromoleküle für eine der drei Grundfarben zuständig war. Im Gegensatz zu normalen Polymeren setzen sich Copolymere nicht nur aus einem einzigen Grundbaustein – dem Monomer – zusammen, sondern aus mehreren verschiedenen. So lässt sich durch die Eigenschaften der einzelnen Monomere das Verhalten, beziehungsweise die Farbe, des Copolymers maßschneidern.
Legt man dann eine elektrische Spannung – zwischen drei und fünf Volt – zwischen den beiden Elektroden oberhalb und unterhalb der organischen Polymerschicht an, so wandern Elektronen aus der Kathode in den organischen Film. Von der Anode werden währenddessen Elektronen aus dem organischen Material abgesaugt, sodass hier Löcher und damit positive Ladungsträger entstehen. Positive und negative Ladungen wandern dann im elektrischen Feld in entgegengesetzte Richtungen, also aufeinander zu. Treffen die beiden ungleichen Ladungsträger in der Leuchtschicht aufeinander, dann gleichen sich ihre Ladungen aus, und die dabei freigesetzte Energie wird als Licht, als so genannte Elektrolumineszenz, emittiert. Doch wie lassen sich die einzelnen Farbpixel an die richtige Stelle im Display bringen?
Hier bedienten sich die Wissenschaftler um Müller eines besonderen Tricks. Denn wenngleich sich ein Teil der Monomere der Copolymere unterschied, so besaßen sie doch alle ein Monomer, das eine äußerst reaktionsfreudige Oxetan-Seitengruppen aufwies. Diese ringförmigen Molekülreste stehen unter hoher Spannung und lassen sich beispielsweise unter dem Einfluss einer Säure öffnen, was gleichzeitig auch die Polymerisation des Copolymers auslöst. Doch woher kam die Säure?
Dazu verwendeten die Wissenschaftler so genannte Photoacid Generators (PAG). Denn diese Materialien produzieren die nötigen Kationen, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Und so gelingt es mit herkömmlicher Maskentechnik, wie sie beispielsweise in der Halbleitertechnik üblich ist, an gewünschter Stelle einen Film der Polymerlösung zu belichten und dort lokal die Polymerisation auszulösen. Die nicht polymerisierten Reste lassen sich dann mit entsprechenden Lösungsmitteln schnell entfernen.
Auf diese Art und Weise konnten die Chemiker um Müller die Polymerpixel aller drei Grundfarben auf elektrisch leitfähig beschichtetes Glas beziehungsweise eine biegsame Trägerfolie aufbringen. Anschließend musste die gesamte Schicht nur noch mit einer oberen Elektrode versehen werden, und fertig war das Farbdisplay. "Ich glaube, dass unser Verfahren sehr schnell marktreif sein könnte", so Klaus Meerholz, "weil es von allen einschlägigen Display-Herstellern bereits für andere Prozessschritte eingesetzt wird."
In den Startlöchern stehen nämlich bereits Anzeigen aus organischen Leuchtdioden (OLEDs) und lichtemittierenden Polymeren (PolyLEDs). Der große Vorteil dieser Technologien: Eine Hintergrundbeleuchtung, wie sie LC-Displays benötigen, braucht man hier nicht, da die aktiven Schichten selbst Licht emittieren. Dadurch fällt auch die lästige Winkelabhängigkeit des Bildkontrasts weg, mit dem die Hersteller von LCD-Bildschirmen in der Vergangenheit zu kämpfen hatten, und sparsamer sind sie obendrein.
Doch auch die neuen Methoden haben noch ihre Macken. So eigenen sich die OLEDs aufgrund ihrer aufwändigen Herstellung bislang nur für kleine Displays, etwa für Autoradios und Handys. Die PolyLEDs lassen sich zwar prinzipiell in beliebiger Größe produzieren, doch ist die zurzeit viel versprechendste Technik – die Polymerlösung in einem Verfahren ähnlich dem Tintenstrahldruck auf Folie zu bringen – für industrielle Maßstäbe etwas zu langsam. Besser wäre es, alle Bildpunkte in einem Schritt auf die Unterlage zu setzen.
Dergleichen schwebte auch David Müller von der Universität zu Köln und seinen Kollegen vor. Anstelle die Pixel mühselig in einem seriellen Verfahren zu drucken, wollten die Forscher alle Pixel einer Farbe auf einen Schlag auf Folie bannen. Ausgangspunkt waren dabei wie bei anderen PolyLEDs auch so genannte Copolymere, wobei je eines dieser Makromoleküle für eine der drei Grundfarben zuständig war. Im Gegensatz zu normalen Polymeren setzen sich Copolymere nicht nur aus einem einzigen Grundbaustein – dem Monomer – zusammen, sondern aus mehreren verschiedenen. So lässt sich durch die Eigenschaften der einzelnen Monomere das Verhalten, beziehungsweise die Farbe, des Copolymers maßschneidern.
Legt man dann eine elektrische Spannung – zwischen drei und fünf Volt – zwischen den beiden Elektroden oberhalb und unterhalb der organischen Polymerschicht an, so wandern Elektronen aus der Kathode in den organischen Film. Von der Anode werden währenddessen Elektronen aus dem organischen Material abgesaugt, sodass hier Löcher und damit positive Ladungsträger entstehen. Positive und negative Ladungen wandern dann im elektrischen Feld in entgegengesetzte Richtungen, also aufeinander zu. Treffen die beiden ungleichen Ladungsträger in der Leuchtschicht aufeinander, dann gleichen sich ihre Ladungen aus, und die dabei freigesetzte Energie wird als Licht, als so genannte Elektrolumineszenz, emittiert. Doch wie lassen sich die einzelnen Farbpixel an die richtige Stelle im Display bringen?
Hier bedienten sich die Wissenschaftler um Müller eines besonderen Tricks. Denn wenngleich sich ein Teil der Monomere der Copolymere unterschied, so besaßen sie doch alle ein Monomer, das eine äußerst reaktionsfreudige Oxetan-Seitengruppen aufwies. Diese ringförmigen Molekülreste stehen unter hoher Spannung und lassen sich beispielsweise unter dem Einfluss einer Säure öffnen, was gleichzeitig auch die Polymerisation des Copolymers auslöst. Doch woher kam die Säure?
Dazu verwendeten die Wissenschaftler so genannte Photoacid Generators (PAG). Denn diese Materialien produzieren die nötigen Kationen, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Und so gelingt es mit herkömmlicher Maskentechnik, wie sie beispielsweise in der Halbleitertechnik üblich ist, an gewünschter Stelle einen Film der Polymerlösung zu belichten und dort lokal die Polymerisation auszulösen. Die nicht polymerisierten Reste lassen sich dann mit entsprechenden Lösungsmitteln schnell entfernen.
Auf diese Art und Weise konnten die Chemiker um Müller die Polymerpixel aller drei Grundfarben auf elektrisch leitfähig beschichtetes Glas beziehungsweise eine biegsame Trägerfolie aufbringen. Anschließend musste die gesamte Schicht nur noch mit einer oberen Elektrode versehen werden, und fertig war das Farbdisplay. "Ich glaube, dass unser Verfahren sehr schnell marktreif sein könnte", so Klaus Meerholz, "weil es von allen einschlägigen Display-Herstellern bereits für andere Prozessschritte eingesetzt wird."
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.