Umweltfreundliche Materialien und dehnbare Substrate für gedruckte elektrochemische Displays
Creators: name: Pietsch, Manuel
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Gedruckte Elektronik
Displays
Bioabbaubarkeit
Umweltfreundliche Materialien
Dehnbare Elektronik

description: Die wachsenden Märkte der tragbaren Elektronik (engl. Wearables) und des Internet-der-Dinge (engl. Internet-of-Things, IoT), welchen die organische Elektronik neue Möglichkeiten hinsichtlich des Gewichts, der Flexibilität und abgestimmten Materialeigenschaften bietet, erfordern für deren Anwendungen einfach herzustellende, kostengünstige, tragbare und personalisierbare Displays, um Informationen mit dem Anwender zu teilen. Für eine erfolgreiche Markteinführung solcher Displays eignen sich aufgrund der Anforderungen insbesondere digitale Drucktechnologien, wie der Tintenstrahldruck. Allerdings ist es absehbar, dass diese Displays aufgrund der geringen Lebensdauer (bspw. medizinische Hygienevorschriften, Verpackungen) und des hohen Verbrauchs zur Menge des Elektroschrotts und dessen Umweltauswirkungen beitragen werden. Daher wird in dieser Arbeit die Verwendung von umweltfreundlichen und bioabbaubaren Materialien in elektrochromen (EC) und elektrochemilumineszenten (ECL) Bauteilen untersucht, um mittels Tintenstrahldruck personalisierte bioabbaubare reflektive Displays und umweltfreundliche Dual-Mode-Displays zu entwickeln. Diese umfassen natürliche Salze und Farbstoffe, bioabbaubare Polymere, umweltfreundliche Halbleiter und ionische Flüssigkeiten, sowie grüne Lösemittel. Die umweltfreundlichen bzw. bioabbaubaren funktionellen Schichten der elektrochemischen optoelektronischen Bauteile werden hinsichtlich ionischer Leitfähigkeit, EC Kontrast &amp; Effizienz, sowie Emission optimiert. Die EC Bauteile erreichen dabei Kontraste über 45 %, Kolorationseffizienzen über 237 cm²·C-1 und Schaltzeiten bis zu unter einer Sekunde. Auf der Grundlage der optimierten EC-Bauteile werden in einem weiteren Schritt im Tintenstrahldruckverfahren bioabbaubare tragbare Displays entwickelt. Diese Displays bestehen aus 33 individuell ansteuerbaren Einzelsegmenten und haben einen Bioabbaubarkeitstest von unabhängiger Seite gemäß ISO14855 bestanden. Die vorgestellten ECL-Bauteile weisen eine maximale Leuchtdichte von 108 mcd·m-² bei 5 V und 40 Hz auf und ermöglichen durch die Kombination mit den EC Bauteilen die Entwicklung umweltfreundlicher gedruckter Dual-Mode-Displays. Aufgrund der Bauteilarchitektur der Dual-Mode-Displays aus einer Kombination von EC und ECL Schichten können Informationen in Form von statischen Bildern in einem reflektiven und einem emissiven Modus angezeigt werden, welche über Schalten zwischen Wechsel- und Gleichspannung reversibel gewechselt werden können. Da zudem zukünftige Anwendungen im Bereich der Wearables und IoT mechanischer Spannung ausgesetzt sein werden, müssen elektrische Bauteile mit einer ausreichenden Dehnbarkeit entwickelt werden. Als Lösungsansatz, der einen Transfer etablierter Druckprozesse von flexiblen auf dehnbare Substrate ermöglicht, wird in dieser Arbeit eine dehnbare Plattform, aus festen Inseln, die über Brücken verbunden sind, vorgestellt. Dazu werden dehnbare und flexible Substrate über eine Silankopplung verbunden, um Inseln und Brücken zu formen. Es wird gezeigt, dass auf den Inseln und Brücken mittels Tintenstrahldruck aufgebrachte Elektroden und Bauteile vor mechanischer Belastung geschützt sind. Daher konnte das vorgestellte bioabbaubare, reflektive Display auf die dehnbaren Insel-Brücken-Plattformen übertragen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit heben die Möglichkeiten, die die organische Elektronik für dehnbare und gedruckte Display-Applikationen und zur Reduzierung der Menge des Elektroschrotts durch die Verwendung bioabbaubarer Materialien in elektronischen Bauteilen bereitstellt, hervor. Daher ist die Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung von im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten bioabbaubaren Displays und dehnbarer Elektronik im Hinblick auf eine zukünftige Markteinführung.