Biologisch abbaubare Materialien für flexible organische Leuchtmittel und für die Optimierung von Druckprozessen
Creators: name: Jürgensen, Nils
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: organic light-emitting diodes
light-emitting electrochemical cells
printed electronics
sustainability
biomaterials
cellulose
vitamin
biodegradable
microlens
flexible

description: Die wachsende Nachfrage nach kurzlebigen Elektronikprodukten trägt dazu bei, dass die bereits großen Massen an Elektroschrott auch zukünftig rapide zunehmen werden. Bei einem unausgearbeiteten Recyclingmanagement bergen jedoch giftige Inhaltsstoffe bleibende Schäden für Mensch und Umwelt. Der Einsatz biologisch abbaubarer Materialien könnte Produkte generieren, die eine umweltfreundliche und nachhaltige Entsorgung ermöglichen. Außerdem können neue Märkte im Bereich der bioresorbierbaren, transienten Elektronik für biomedizinische Zwecke erschlossen werden. Gerade die Optoelektronik bietet mit organischen Leuchtmitteln beste Voraussetzungen, da all ihre Komponenten, von Aktivmaterial, über Elektroden, bis hin zum Substrat, aufgrund ihrer organischen Zusammensetzung potentiell durch biologisch abbaubare Materialien ersetzt werden könnten. Zusätzlich ermöglichen sie eine individuelle und kostengünstige Herstellung anhand moderner, industrieller Druckverfahren. Das Ziel dieser Arbeit liegt daher auf der Implementierung von biologisch abbaubaren Materialien in allen Bestandteilen organischer Leuchtmittel mit Hinblick auf die Herstellung durch Drucktechniken. Beginnend mit dem Aktivmaterial wurde in Kooperation mit dem Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg ein natürlicher Fluorophor, Riboflavin (Vitamin B2), mit Butyratestergruppen versehen und als Emittermaterial identifiziert. Die Seitengruppen verbesserten die Löslichkeit, sowie die Filmbildung und verminderten die Fluoreszenzauslöschung. Hierdurch war es möglich Riboflavintetrabutyrat als Emitter in flüssigprozessierten organischen Leuchtdioden mit einer maximalen Leuchtdichte von ~10 cd/m2 und einem breiten Elektrolumineszenzspektrum mit einem Maximum bei 640 nm zu etablieren. Die externe Quanteneffizienz erreichte 0,02 % und konnte somit für natürliche Emittermaterialien um fünf Größenordnungen gesteigert werden. Weiter wurde die Aktivschicht von lichtemittierenden elektrochemischen Zellen untersucht, welche Druckprozesse durch ihren simpleren Aufbau gegenüber organischen Leuchtdioden vereinfachen. Biologisch abbaubares Polycaprolacton konnte, gemischt mit Emitter und Salz, die Ionenlöslichkeit der Aktivschicht verbessern. Dies wurde durch die Steigerung der ionischen Leitfähigkeit um vier Größenordnungen und die Auflösung der Salzagglomerate nachgewiesen. So konnten die Grenzflächen mit den Elektroden durch das Salz effizienter dotiert und Ladungsträger besser injiziert und transportiert werden. Die Einsatzzeiten der Zellen wurden von 16 min auf 20 s reduziert und Effizienzen von 3,2 cd/A und 1,5 lm/W, sowie Lebenszeiten von 30 h erreicht. Im Rahmen eines Forschungsaufenthalts am Massachusetts Institute of Technology, USA, wurde zudem die Idee entwickelt, die Substratmodenextraktion durch einen direkten Prägeprozess von Mikrolinsen in Biosubstrate aus Cellulosediacetat zu gestalten. Anhand der hierdurch verbesserten Lichtauskopplung der Leuchtmittel konnte so eine typische Effizienzsteigerung von 1,45 erreicht werden. Die Herstellung von flexiblen Substraten mit Mikrolinsen vereinfacht sich somit auf einen Prozessschritt, der in industrielle Rolle zu Rolle Verfahren integriert werden kann. Außerdem wurde der biologisch abbaubare Anteil der Leuchtmittel auf 99,94 % gesteigert. Zuletzt konnte durch ein biologisch abbaubares sekundäres Alkohol-Ethoxylat der Inkjet- und Rakeldruck nichtzytotoxischer transparenter Elektroden auf Cellulosediacetat-Substraten ermöglicht werden. Als Biotensid reduzierte es die Oberflächenspannung wässriger Tinten auf 30 mN/m und zeigte mit einem Massenanteil von bereits 0,1 % hervorragende Druckeigenschaften. Die elektronische Leitfähigkeit der Elektroden auf Cellulosediacetat übertraf mit 286 S/cm kommerzielle Referenztinten um fast das Dreifache, wodurch eine fast doppelt so hohe Leuchtdichte in organischen Leuchtdioden erreicht wurde. In dieser Arbeit konnten somit biologisch abbaubare Materialien in allen Komponenten organischer Leuchtmittel verwendet und ihre Eigenschaften für die Herstellung mit modernen Druckprozessen optimiert werden.