Gedruckte elektrochemische Leuchtzellen auf Basis von biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Materialien
Creators: name: Zimmermann, Johannes
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: light-emitting electrochemical cell
LEC
printed electronics
organic electronics
biocompatible
biodegradable
bioelectronic
inkjet
printing
optoelectronics

description: Die Bioelektronik beschäftigt sich aktuell mit der Erschließung neuer Anwendungsgebiete im Bereich der Medizintechnik sowie mit der Entwicklung von tragbarer und nachhaltiger Elektronik. Aufgrund der viel-fältigen Nutzbarkeit als Beleuchtung, Display oder für therapeutische Zwecke sind lichtemittierende Bau-teile für das Forschungsfeld von besonderem Interesse. Als Voraussetzung für die Marktreife solcher Tech-nologien verlangt es nach einer kosteneffizienten Herstellung und Bauteilen, die aus biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Materialien bestehen. Diese Anforderungen wurden durch licht-emittierende elektrochemische Leuchtzellen (LEC) basierend auf Biomaterialien erfüllt, die durch indust-rierelevante Druckprozesse hergestellt wurden. Eine LEC besteht aus nur einer Aktivschicht, die aus der Flüssigphase abgeschieden werden kann und ist somit für die Fabrikation durch Drucktechniken beson-ders gut geeignet. Die drei Komponenten der LEC-Aktivschicht (Emitter, ionenleitfähiges Polymer und Elektrolyt) wurden in dieser Arbeit teilweise durch biologisch kompatible Materialien ersetzt. Funktionie-rende Bauteile konnten mit den Biomaterialien Poly(laktid-co-glykolid), Cholinacetat, Poly(caprolakton-co-trimethylencarbonat) und Tetrabutylammoniumbis(oxalato)borat hergestellt werden. Dabei lieferten LECs, die den Emitter Super Yellow zusammen mit dem ionenleitfähigen Polymer Poly(caprolakton-co-trimethylencarbonat) und dem Elektrolyten Tetrabutylammoniumbis(oxalato)borat nutzen, die besten Resultate bezüglich der Bauteilleistung. Diese LECs erreichten eine maximale Leuchtdichte von circa 12 000 cd m-2, eine Einsatzspannung von 3,7 V, eine maximale Stromausbeute von circa 2 cd A-1 und eine Lebensdauer von über 100 Stunden. Vollständig gedruckte Bauteile bei denen sowohl die Aktivschicht als auch die Elektroden mit Drucktechniken wie Tintenstrahldruck und Rakeln abgeschieden wurden, konn-ten auf der biologisch abbaubaren Substratfolie Cellulosediacetat hergestellt werden. Die Leistung dieser Bauteile ist mit 200 cd m-2 und einer Lebensdauer von wenigen Minuten zwar gering, allerdings bestehen die LECs, einschließlich des Substrats zu 99 Vol.-% aus Biomaterialien, weshalb diese unter Vorbehalt als biologisch abbaubar angesehen werden können und eine neue Referenz im Bereich der nachhaltigen Elektronik darstellen. Durch eine Weiterentwicklung des Druckprozesses wurden vollständig gedruckte LECs auf einer ultradünnen biologisch kompatiblen Parylene-C-Folie fabriziert. Diese Bauteile erreichten eine maximale Leuchtdichte von 900 cd m-2, eine Einsatzspannung von 6,7 V, eine Stromausbeute von 1 cd A-1 und eine Lebensdauer von 8,8 Stunden. Die digitale Strukturierung der Bauteile durch Tinten-strahldruck erlaubt die Herstellung von Pixelformen, die mit herkömmlichen Techniken nicht möglich sind. Beispiele demonstrieren eine hohe mechanische Flexibilität des Bauteils, was die Anwendung als tragbare Elektronik ermöglicht.