DE102004018118A1

DE102004018118A1 - Nasschemische Erzeugung strukturierter dünner organischer Filme

Info

Publication number: DE102004018118A1
Application number: DE200410018118
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Müller
Original assignee: Axaron Bioscience AG
Current assignee: Sygnis Pharma AG
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2005-10-27
Also published as: WO2005098991A1

Abstract

Die Erzeugung strukturierter organischer Dünnfilme (1012, 1014) mit hoher Schichtdickenhomogenität stellt in vielen Bereichen der Technik, wie beispielsweise der Halbleiterherstellung oder der Herstellung organischer elektronischer Bauelemente, ein zentrales Problem dar. Es wird daher eine Druckvorrichtung (110) zur nasschemischen Erzeugung strukturierter dünner organischer Filme (1012, 1014) auf einem Substrat (612) vorgeschlagen, bei welcher eine mindestens eine organische Komponente aufweisende Flüssigkeit (122) durch eine poröse keramische oder gläserne Stempelplatte (112) aus einem Reservoir (118) austritt. Die Stempelplatte (112) wird durch Laserbehandlung partiell strukturiert, so dass sie teilweise undurchlässig für Flüssigkeiten ist. Wird die Stempelplatte (112) auf das Substrat (612) aufgedrückt, so bildet sich auf dem Substrat (612) ein Flüssigkeitsfilm (710), welcher nach dem Entfernen der Druckvorrichtung (110) auf dem Substrat zurückbleibt. Der Flüssigkeitsfilm (710) kann nun getrocknet werden, wobei eine feste organische Dünnschicht (1012, 1014) entsteht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung homogener organischer Dünnfilme auf einem Substrat. Derartige dünne organische Filme werden beispielsweise bei der Halbleiterherstellung in Form von Fotolacken oder in der organischen Elektronik in Form von organischen Halbleitern, Leitern oder Isolatoren eingesetzt.
Stand der Technik
Die Erzeugung homogener organischer Dünnfilme ist in vielen Gebieten zu einem Kernthema geworden. Eine gute Homogenität der Filme, zum Teil auf großen Substratflächen, ist eine essenzielle Voraussetzung für Prozessstabilität und Bauteilzuverlässigkeit. Zur Lösung der dabei auftretenden Probleme wurden verschiedene Techniken entwickelt. Im folgenden soll insbesondere auf nasschemische Techniken eingegangen werden.
Insbesondere Fotolacke, aber auch mittlerweile organische Dünnfilme für die organische Elektronik, werden üblicherweise durch Spincoating aufgebracht. Dabei wird eine Flüssigkeit, beispielsweise eine Lösung einer organischen Substanz in einem Lösungsmittel, auf ein Substrat aufgetropft oder aufgesprüht. Anschließend wird das Substrat in schnelle Rotation versetzt, wobei die Flüssigkeit gleichmäßig über das Substrat verteilt wird. Durch einen anschließenden Trocknungsvorgang bildet sich daraus ein relativ homogener organischer Dünnfilm. Die Schichtdicke dieses Dünnfilms ist in der Regel durch die Konzentration der Lösung und durch die Rotationsgeschwindigkeit in einem Bereich von typischerweise 5 Nanometern bis 10 Mikrometern einstellbar.
Neben dem Spincoating haben sich mittlerweile auch zahlreiche andere nasschemische Beschichtungsverfahren durchgesetzt. So ist in großen Fertigungslinien das Aufrollen (Roller Coating) beispielsweise bei Fotolacken eine übliche Technik. Weiterhin werden zahlreiche Druckverfahren eingesetzt, welche hier nicht im Detail beschrieben werden sollen. Darunter ist beispielsweise das Siebdruckverfahren, das Flexoprintingverfahren oder auch das Tintenstrahldrucken zu nennen.
Gerade die Druckverfahren haben gegenüber dem Spincoating den entscheidenden Vorteil, dass die organischen Filme strukturiert auf das Substrat aufgebracht werden können, während beim Spincoating i. d. R. das gesamte Substrat gleichmäßig bedeckt wird. Dies spielt insbesondere in der organischen Elektronik, beispielsweise bei organischen Leuchtdioden (OLEDs), organischen Dünnfilmtransistoren (OFETs) oder organischen Solarzellen eine große Rolle. So dürfen in vielen Fällen Kontaktpads für den Anschluss externer elektrischer Kontakte nicht von einem organischen Dünnfilm bedeckt sein. Auch bei organischen Displays, insbesondere polychromen oder vollfarbigen Displays, müssen organische Dünnfilme strukturiert aufgebracht werden. Bei voll farbigen Displays müssen sogar beispielsweise rote, grüne und blaue Pixel in Form von organischen Filmsegmenten strukturiert nebeneinander auf das Substrat aufgebracht werden.
Die herkömmlichen Drucktechniken haben jedoch den Nachteil, dass sie teilweise mit den oft aggressiven organischen Lösungen bzw. Suspensionen nicht kompatibel sind. So werden teilweise aggressive organische Lösungsmittel oder starke Säuren eingesetzt, welche beispielsweise die in Tintenstrahldruckköpfen eingesetzten Materialien angreifen, was entweder zur Zerstörung der Druckvorrichtung oder zu einer Verunreinigung der Flüssigkeiten führt.
Außerdem sind die bekannten Techniken oft apparativ aufwändig und erfordern häufige Wartungsarbeiten. Insbesondere in einer Produktion im großtechnischen Maßstab ist dies jedoch ein gravierender, oft sogar entscheidender Nachteil.
Weiterhin ist die Homogenität der durch die bekannten Techniken erzeugten organischen Dünnfilme oft mangelhaft, was beispielsweise bei organischen Leuchtdioden zu einer räumlich variierenden Leuchtdichte, zu verkürzten Lebensdauern oder sogar zu einem totalen Ausfall der Bauelemente führen kann.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Möglichkeiten zur Erzeugung organischer Dünnfilme zu verbessern. Insbesondere soll eine zuverlässige, kostengünstige und reproduzierbare Erzeugung homogener organischer Dünnfilme ermöglicht werden, wobei eine Strukturierung der organischen Dünnfilme bereits beim Aufbringen möglich sein soll.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es wird eine Druckvorrichtung vorgeschlagen, mit der dünne organische Filme nasschemisch auf einem Substrat erzeugt werden können. Die Druckvorrichtung weist mindestens ein Reservoir zum Aufnehmen einer mindestens eine organische Komponente enthaltenden Flüssigkeit auf. Das Reservoir kann über eine Einlassöffnung befüllt werden. Mit dem Reservoir steht eine poröse keramische oder gläserne Stempelplatte in Verbindung. Diese Stempelplatte ist derart angeordnet, dass die Flüssigkeit durch die Poren aus dem Reservoir austreten kann. Die Poren der Stempelplatte sind durch lokale Verglasung mittels Laser- und/oder thermischer Behandlung in mindestens einem Bereich lokal verschlossen.
Unter dünnen Filmen sind dabei insbesondere organische Dünnfilme mit einer Schichtdicke zwischen 2 Nanometern und 20 Mikrometern zu verstehen, in Einzelfällen auch bis hinunter zu 0,5 Nanometern und hinauf zu 100 Mikrometern.
Bei den Flüssigkeiten kann es sich beispielsweise um Lösungen organischer Substanzen (z. B. organischer niedermolekularer Substanzen, Oligomere oder Polymere) in einer Vielzahl von Lösungsmitteln (organischer oder anorganischer Art, polar oder unpolar) handeln. Auch Suspensionen bzw. Dispersionen sind möglich. Weiterhin können auch flüssige organische Substanzen in Reinform oder als Gemische ohne weitere Lösungsmittel eingesetzt werden.
Die Einlassöffnung des Reservoirs kann mit einem weiteren Vorratsbehälter für die Flüssigkeit verbunden sein, beispielsweise über ein Rohrleitungssystem. Die Flüssigkeit kann dabei mit einem Überdruck beaufschlagt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Druckreglers, welcher den Druck in dem Reservoir und/oder dem Vorratsbehälter auf einem bestimmten Wert konstant hält. Auch Variationen des Drucks in unterschiedlichen Phasen des Druckvorgangs sind möglich, beispielsweise eine Beaufschlagung mit Überdruck nur während der tatsächlichen Druckphase.
Die Stempelplatte kann aus verschiedenen porösen Glas- und/oder Keramikmaterialien gefertigt sein. Grundsätzlich sind die meisten porösen Stoffe geeignet, z. B. poröses Glas, welches als Trägermaterial in der Chromatographie verwendet wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Gemisch erwiesen, welches folgende Verbindungen mit den angegebenen Anteilen am Gesamtgewicht aufweist:

– 70–85 Gewichtsprozent Siliziumdioxid (SiO₂);
– 7–15 Gewichtsprozent Boroxid (B₂O₃);
– 1–7 Gewichtsprozent Natriumoxid (Na₂O); und
– 0,5–6 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al₂O₃).

Die Poren der Stempelplatte ergeben sich aus den Zwischenräumen der Körner des Glas- bzw. Keramikpulvers. Der mittlere Durchmesser der Poren (Porengröße) der Stempelplatte muss auf die Eigenschaften, insbesondere die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit angepasst sein. So müssen die Poren klein genug sein, damit die Flüssigkeit nicht einfach durch die Poren aus dem Reservoir hinausläuft. Die Poren der Stempelplatte haben vorzugsweise eine mittlere Nennweite (zu bestimmen beispielsweise mittels der Methode der Quecksilberdruck-Porosimetrie) zwischen 0,3 und 2,0 Mikrometern, insbesondere zwischen 0,6 und 1,2 Mikrometern, gelten also als Feinporen (siehe z. B. Römpp, Lexikon Chemie, 10. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Stichwort "Poren" und die dort zitierte IU-PAC-Nomenklatur). Im optimalen Fall bildet sich an der Außenseite der Stempelplatte unter jeder Pore ein winziger Flüssigkeitstropfen. Erst bei Kontakt dieser Flüssigkeitstropfen mit dem Substrat verbinden sich die Flüssigkeitstropfen untereinander zu einem kontinuierlichen Flüssigkeitsfilm.
Zur Anpassung der Porengröße an die Viskosität und Oberflächenspannung der zu druckenden Flüssigkeit lässt sich die Stempelplatte optional auch nachträglich noch "imprägnieren". Dabei wird die Stempelplatte ganz oder teilweise mit einer Lösung einer organischen Substanz gespült. Beim Trocknen bleibt organische Substanz in den Poren zurück und verschließt diese teilweise. Auf diese Weise lassen sich Poren verengen. Der Grad der Imprägnierung lässt sich beispielsweise durch die Konzentration der Imprägnierlösung einstellen. Dabei sollte jedoch die Imprägnierlösung derart gewählt werden, dass das Imprägniermaterial in der zu druckenden Flüssigkeit unlöslich ist. Als vorteilhafte Imprägnierlösung hat sich insbesondere eine Nitrozelluloselösung erwiesen.
Auch die Oberflächeneigenschaften der Porenoberflächen lassen sich einstellen, beispielsweise hin zu stärker hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften. Sowohl stark polare als auch unpolare Flüssigkeiten lassen sich auf diese Weise optimal drucken.
Die poröse keramische oder gläserne Stempelplatte kann beispielsweise eine Wand des Reservoirs bilden. Vorteilhafter Weise ist die Stempelplatte leicht nach außen, d. h. vom Reservoir weg gewölbt. Dies ermöglicht eine optimale Verteilung des Flüssigkeitsfilms auf dem Substrat, wobei auch kleinere Partikel (beispielsweise Staub) verdrängt werden. Zur Stabilisierung der Stempelplatte und/oder zu einer federnden Unterstützung der Wölbung nach außen kann auch noch ein Stützkörper, beispielsweise in Form eines oder mehrerer die Stempelplatte unterstützender Pfeiler bzw. Säulen, in das Reservoir eingebracht werden.
Zum Zweck eines strukturierten Druckens und/oder zur Verbesserung der Schichthomogenität sind die Poren der Stempelplatte lokal in mindestens einem Bereich ganz oder teilweise durch Verglasung mittels eines Lasers und/oder mittels thermischer Behandlung verschlossen. Unter Verglasung ist dabei ein lokales Aufschmelzen der Körner der Stempelplatte zu verstehen, wobei die Schmelze die Zwischenräume zwischen den Pulverkörnern (Poren) ausfüllt. Ein Aufbringen bzw. Einbringen neuer Materialien zum Verschließen der Poren ist also nicht erforderlich.
Unter einem "Bereich" ist dabei eine zusammenhängende Fläche beliebiger Ausdehnung zu verstehen. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um Linien, wobei jedoch auch geometrische Flächen oder andere Flächen beliebiger Gestalt möglich sind.
Zum Strukturieren der Stempelplatte haben sich Linien einer Breite zwischen 2 und 500 Mikrometern als vorteilhaft erwiesen, wobei Linien mit einer Breite von mehr als 100 Mikrometern vorrangig durch Dauerstrich-Lasersysteme, beispielsweise CO₂-Laser oder Dauerstrich-YAG-Laser, erzeugt werden.
Als besonders vorteilhaft für das Erzeugen breiter Linien haben sich folgende Laserparameter erwiesen:

– eine Wellenlänge zwischen 400 und 10600 Nanometern,
– ein Gaußsches Strahlprofil mit einem Fokus-Durchmesser zwischen 50 und 300 Mikrometern,
– eine mittlere Laserleistung zwischen 1 und 15 Watt, und
– eine Schreibgeschwindigkeit zwischen 5 und 50 mm/s.

Zum Erzeugen von Linien mit einer Breite unterhalb von 100 Mikrometern hat sich eine Behandlung mit einem Ultrakurzpulslaser, wie beispielsweise mit einem Picosekunden-Nd:YAG-Laser, als besonders vorteilhaft erwiesen. Dieser Ultrakurzpulslaser kann frequenzvervielfacht (beispielsweise frequenzverdoppelt) oder auch direkt bei der Grundwellenlänge (beispielsweise bei 1064 nm) eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhaft für das Erzeugen dünner Linien haben sich folgende Laserparameter erwiesen:

– eine Wellenlänge zwischen 400 und 1200 Nanometern,
– Pulslängen zwischen 5 und 30 Picosekunden,
– ein Gaußsches Strahlprofil mit einem Fokus-Durchmesser zwischen 20 und 70 Mikrometern,
– eine mittlere Laserleistung zwischen 1 und 15 Watt,
– eine Repetitionsrate des Lasers zwischen 10 und 200 kHz, und
– eine Schreibgeschwindigkeit zwischen 5 und 50 mm/s.

Die Laserparameter sind so gewählt, dass keine Ablation, also Abtragung des Materials der Stempelplatte erfolgt, sondern lediglich ein lokales Aufschmelzen. Zusätzlich bildet sich i. d. R. eine Plasmazone über der vom Laser bearbeiteten Stelle, welche die Aufschmelzzone zusätzlich verbreitert. Auf diese Weise lassen sich Linien mit einer Breite zwischen zwei Mikrometern und ca. 150 Mikrometern in der Stempelplatte erzeugen. Die Linienbreite lässt sich beispielsweise durch Einstellen der Laserleistung, des Fokusdurchmessers und durch Wahl der Lage des Fokus innerhalb der Stempelplatte variieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die verglasten Bereiche gegenüber den unverglasten, porösen Bereichen leicht vertieft ausgebildet sind (siehe auch 3 unten). Zu einer leichten Vertiefung kommt es beim Ausbilden der verglasten Bereiche stets dadurch, dass das poröse Material durch das lokale Schmelzen an den geschmolzenen Bereichen leicht schrumpft. Die Vertiefung der Oberfläche kann dabei zwischen wenigen Nanometern und mehreren hundert Mikrometern betragen. Vorteilhafter Weise beträgt die Vertiefung zwischen 10 und 500 Mikrometern, wobei sich insbesondere eine Vertiefung zwischen 10 und 50 Mikrometern als optimal erwiesen hat. In diesen Vertiefungen kann sich später beim Druck überschüssige Flüssigkeit ansammeln, was die Homogenität des Drucks zusätzlich erhöht. Die Vertiefungen bilden lokale "Reservoire" in der Stempelplatte, welche als "Puffer" (Zwischenspeicher) für Unter- bzw. Überschuss an Flüssigkeit wirken. Die verglasten Bereiche können ganz oder teilweise vertieft zu den unverglasten, porösen Bereichen ausgebildet sein. Typischerweise werden die Vertiefungen unmittelbar bei einer Laserbehandlung erzeugt, wobei sich die Verglasungszone etwas über die Vertiefungen hinaus erstreckt.
So lassen sich beispielsweise mittels eines Lasers nicht nur Linien, sondern vollständige geometrische Figuren in die Stempelplatte schreiben. So können beispielsweise aus CAD- Vorlagen durch Laser-Direktschreiben strukturierte Stempelplatten erzeugt werden.
Auf diese Weise können z. B. Bildpunkte organischer Leuchtdioden direkt strukturiert auf ein Substrat aufgebracht werden. Dabei könnte beispielsweise in die Stempelplatte ein Bildpunktemuster einstrukturiert sein, bei welchem jeweils durchlässige Bereiche (entsprechend den Bildpunkten) durch undurchlässige Bereiche (Zwischenräume) getrennt sind. Diese Bildpunkte können polygone, runde oder sonstige Flächenquerschnitte aufweisen und eine Ausdehnung (z. B. Breite, Höhe, Durchmesser) von ca. 10 Mikrometern bis hoch zu mehreren Zentimetern aufweisen. Auf diese Weise lassen sich sowohl kleinste Bildpunkte für hochauflösende Displays (z. B. Vollfarbdisplays für Consumer Electronics) als auch Bildpunkte für Beleuchtungszwecke (größere leuchtende Flächen beliebiger Form) erzeugen. Auch eine Gesamtheit von einzelnen leuchtenden Bildpunkten, welche so dicht beieinander liegen, dass sie vom menschlichen Auge nicht mehr aufgelöst werden können, ist denkbar, wodurch eine homogen leuchtende Fläche entsteht. Auch strukturierte organische Dünnschichten beispielsweise für organische Feldeffekttransistoren (z. B. organische Isolatorschichten) oder organische Solarzellen lassen sich auf diese Weise erzeugen. Das Layout der Druckvorrichtung lässt sich durch Austausch der kostengünstigen Stempelplatte leicht ändern. Mittlerweile sind handelsüblich auch Laserbeschriftungsanlagen verfügbar, welche beispielsweise CAD-Files direkt in entsprechende Laserkoordinaten umrechnen, so dass eine schnelle Herstellung auch kompliziert strukturierter Stempelplatten problemlos möglich ist.
Auch bei der Erzeugung größerer organischer Flächen hat sich eine Strukturierung der Stempelplatte als vorteilhaft erwiesen. Die größere Fläche kann durch feine undurchlässige Linien (beispielsweise mit einer Breite von 10 bis 20 Mikrometern) unterteilt sein. Dies verbessert die Homogenität der Schichtdicke über den gesamten Bereich der großen Fläche erheblich. In vie len Fällen ist es nämlich so, dass beim Drucken einer größeren Fläche am Rand der Fläche höhere Schichtdicken auftreten als in der Mitte der Fläche. Wird die Fläche nun durch feine Linien unterteilt, wobei die Linienbreite so klein gewählt wird, dass die einzelnen Flächen ineinander fließen können, so wird der Überschuss an flüssigem Material im Randbereich der einzelnen Flächen durch das Ineinanderfließen abgebaut. Auf diese Weise lassen sich auch größere Flächen mit dünnen Schichten organischen Materials mit hervorragender Homogenität bedrucken. Insbesondere bei organischen Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke (z. B. Leuchtsymbole für Cockpits etc.), bei denen sich jegliche Inhomogenität der organischen Schichten sofort in Form von lokalen Helligkeitsschwankungen bemerkbar macht, ist dies ein erheblicher Vorteil.
Die Stempelplatte sollte in den Bereichen, in denen sie porös und somit durchlässig für Flüssigkeit ist, eine mittlere Rauhigkeit (RMS) zwischen 0,2 und 1,5 Mikrometern aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Homogenität der Schichten nicht zusätzlich durch Inhomogenität der Stempelplatte gestört wird. Auch eine Beschädigung bereits aufgebrachter organischer Schichten, auf die weitere Schichten organischen Materials gedruckt werden sollen, wird dadurch ausgeschlossen. Die Rauhigkeit der Oberfläche kann gegebenenfalls auf die zu erzeugende Schichtdicke der organischen Filme angepasst werden. Dickere organische Filme erfordern dementsprechend eine höhere Rauhigkeit der Stempelplatte.
Um die Homogenität der erzeugten organischen Schichten weiter zu verbessern, hat sich eine Weiterbildung der Erfindung bewährt, bei der zusätzlich auf die Außenseite der Stempelplatte eine Schicht eines Gels aufgebracht ist. Bei diesem Gel kann es sich für den Druck wässriger Flüssigkeiten beispielsweise um spielsweise um Agarose handeln. Wichtig ist jedoch, dass das Gel in der zu druckenden Flüssigkeit weitgehend unlöslich ist. Die Flüssigkeit soll jedoch das Gel quellen. Optimalerweise hat die Gelschicht eine Schichtdicke zwischen 1 und 1000 Mikrometern, insbesondere zwischen 1 und 100 Mikrometern.
Die Gelschicht wirkt nun auf der Oberfläche der Stempelplatte als eine Art zusätzliches Reservoir, welches durch die Stempelplatte aus dem eigentlichen Reservoir mit Flüssigkeit gespeist wird. Das Gel quillt und nimmt dabei Flüssigkeit auf, welche wiederum beim eigentlichen Druck bei Kontakt mit dem Substrat an dieses abgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich die Homogenität der auf dem Substrat erzeugten organischen Schicht weiter verbessern. Da die Gelschicht im Vergleich zur Stempelplatte weich ist, werden beim Druck auch in der Praxis unvermeidbare Staubpartikel in geringerem Maße in bereits auf dem Substrat aufgebrachte Schichten hinein gedrückt. Der Druckvorgang ist also durch den Einsatz der Gelschicht erheblich "schonender", so dass sich insgesamt eine geringere Defektdichte ergibt.
Zur Herstellung einer porösen Stempelplatte der beschriebenen Art hat sich folgendes Verfahren bewährt, dessen Schritte nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen. Auch zusätzliche Schritte zwischen oder nach den angegebenen Verfahrensschritten sind möglich.

a) Zunächst wird mindestens eine Glas- und/oder Keramikpulverkomponente mit mindestens einem organischen Bindermaterial gemischt. Verschiedene Sorten von Glas- und/oder Keramikmaterial sind möglich. Wie oben bereits beschrieben, hat sich insbesondere ein Pulver aus Borosilicatglas bewährt. Die typischerweise verwendeten Korngrößen liegen im Bereich zwischen 1 und 5 Mikrometern. Als Bindermaterial lassen sich verschiedene organi sche Substanzen, beispielsweise thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyoxymethylen, POM) etc. oder auch verschiedene Lösungsmittel, sowie Gemische von Bindermaterialien einsetzen. Derartige Bindermaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus dem sogenannten "Ceramic Injection Molding"-Verfahren (CIM).
b) Das Gemisch wird dann zu einem Formkörper (Grünling) geformt. Dieser Formgebungsprozess kann sehr unterschiedlich gestaltet sein. Insbesondere hat sich bei der Herstellung der Stempelplatte das sogenannte Schlickergussverfahren bewährt, bei welchem das in a) erzeugte Gemisch in flüssiger Form in eine Form gegossen wird. Die Wände der Form sind porös, so dass Lösungsmittel aus dem Gemisch durch die Wände der Form austreten kann, wobei das Gemisch in der Form austrocknet. Zurück bleibt ein Grünling mit sehr glatter Oberfläche.
c) Anschließend wird der weiche und brüchige Grünling zur eigentlichen Stempelplatte verfestigt. Dies kann auf verschiedene Weisen und in verschiedenen Schritten erfolgen. Zunächst wird das Bindermaterial ganz oder teilweise aus dem Grünling entfernt (Entbindern). Dies kann beispielsweise durch einen Temperaturbehandlungsschritt erfolgen, bei dem das Bindermaterial entweder als Gas entweicht oder in flüssiger Form aus dem Grünling austritt. Auch eine Behandlung mit Lösungsmitteln, welche das Bindermaterial ganz oder teilweise aus dem Grünling herauslösen, ist möglich. Weiterhin haben sich auch Katalysatoren bewährt, welche das Bindermaterial ganz oder teilweise zersetzen. Die Zersetzungsprodukte können anschließend beispielsweise mit einem Lösungsmittel entfernt werden. Auch diese Technik ist im Zusammenhang mit dem sogenannten "Ceramic Injection Molding"-Verfahren (CIM) dem Stand der Technik zu entnehmen. Nach dem Entbindern kann die Stempelplatte dann einem zusätzlichen Temperaturschritt unterworfen werden. Zur Erzeugung einer ausreichenden Porosität der Stempelplatte hat es sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn dabei die Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur der verwendeten Keramik bzw. des Glases bleiben. Die Stempelplatte weist dennoch eine genügende Festigkeit auf. Alternativ kann jedoch auch ein Sinterprozess durchgeführt werden.
d) Anschließend wird, wie oben beschrieben, die Oberfläche der Stempelplatte durch Einwirkung eines Lasers und/oder durch thermische Behandlung strukturiert, wobei die Poren der Stempelplatte in mindestens einem Flächenbereich verschlossen werden und somit die Stempelplatte dort undurchlässig für Flüssigkeiten gemacht wird.

Zwischen Schritt b) und c) oder auch nach Schritt c) kann eine weitere Formgebung der Stempelplatte erfolgen. Dies kann beispielsweise durch Sägen in die gewünschte Form oder auch durch Schleifen erfolgen.
Zwischen Schritt c) und d) oder auch nach Schritt d) kann außerdem eine Planarisierung und/oder Politur der Oberfläche der Stempelplatte erfolgen. Die Planarisierung kann beispielsweise durch Sandstrahlen oder Schleifen erfolgen. Für eine Feinpolitur hat sich insbesondere eine Bearbeitung mit Korundpapier bis hinunter zu Korngrößen von 0,3 Mikrometern bewährt.
Anschließend kann zusätzlich eine Imprägnierung der Stempelplatte mittels einer Imprägnierlösung nach dem oben beschriebenen Verfahren erfolgen.
Die beschriebene Druckvorrichtung in einer ihrer Ausführungsformen kann Bestandteil einer größeren Vorrichtung zum Herstellen organischer elektronischer Bauelemente, beispielsweise organischer Leuchtdioden, organischer Dünnfilmtransistoren oder organischer Solarzellen, sein. Diese Vorrichtung (Druckmaschine) soll eine oder mehrere Druckvorrichtungen in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen aufweisen, sowie eine weitere Speicher- und/oder Zuführvorrichtung zur Zuführung der zu druckenden Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten. Dabei kann es sich beispielsweise um ein größeres Flüssigkeitsreservoir handeln, welches beispielsweise mit einer Pumpe oder einem Druckregler versehen und über ein Rohrleitungssystem mit der Druckvorrichtung verbunden ist.
Weiterhin soll die Druckmaschine auch noch eine Fixiervorrichtung zur räumlichen Fixierung der Substrate aufweisen. Bei dieser Fixiervorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Klemmvorrichtung oder einen Substratteller mit Vakuumansaugung handeln. Auch eine automatische Übergabevorrichtung, mit deren Hilfe Substrate von außen an die Druckmaschine übergeben werden können, ist möglich.
Weiterhin soll die Druckmaschine eine Vorrichtung zur räumlichen Positionierung der Fixiervorrichtung relativ zur Druckvorrichtung (oder umgekehrt) aufweisen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine xyz-Positioniervorrichtung (z. B. einen Mikrometertisch) handeln. Diese Positioniervorrichtung soll einerseits eine laterale Positionierung des Druckvorgangs auf dem Substrat bewirken, also den Ort der Aufbringung der organischen Dünnfilme auf dem Substrat. Andererseits soll die Positioniervorrichtung (wobei es sich sinngemäß auch um mehrere verschiedene Vorrichtungen, beispielsweise eine Vorrichtung für die xy-Positionierung und eine Vorrichtung für die z-Positionierung handeln kann) auch den Abstand zwischen der Oberfläche der Stempelplatte und der Substratoberfläche genau einstellen können. Letzteres ist essenziell für den Druckvorgang, da hierbei zunächst die Druckvorrichtung mit der Stempelplatte auf das Substrat aufgepresst und anschließend wieder vom Substrat entfernt werden muss. Vorteilhafter Weise erfolgt das Aufdrücken der Druckvorrichtung auf das Substrat mit Hilfe einer Feder oder einer sonstigen Vorrichtung, durch die die Anpresskraft genau eingestellt werden kann.
Insgesamt spielt es dabei keine Rolle, ob das Substrat relativ zur Druckvorrichtung oder die Druckvorrichtung relativ zum Substrat positioniert wird. Auch Mischformen der Positionierung sind möglich, wie beispielsweise eine Positionierung, bei der in der xy-Ebene das Substrat positioniert wird und in z-Richtung die Druckvorrichtung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine Seitenansicht einer Druckvorrichtung;
2 ein Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung einer Stempelplatte;
3 eine Seitenansicht einer laserbehandelten Stempelplatte mit zusätzlicher Gelschicht;
4 eine Draufsicht einer Stempelplatte mit rechteckig strukturierten Pixeln;
5 eine Draufsicht einer Stempelplatte mit aufstrukturiertem Warnsymbol;
6 eine Seitenansicht einer Stempelplatte mit Flüssigkeitströpfchen vor dem Kontakt mit einem Substrat;
7 eine Seitenansicht der Stempelplatte nach Kontakt der Flüssigkeit mit einem Substrat;
8 eine Druckmaschine zum Einsatz der in 1 beschriebenen Druckvorrichtung;
9 ein Verfahrensablauf zur Erzeugung einfacher organischer elektronischer Bauelemente; und
10 ein Schichtaufbau eines strukturierten organischen Bauelements.
1 zeigt eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform einer Druckvorrichtung 110. Kernelement der Druckvorrichtung 110 ist eine poröse Stempelplatte 112. Die Stempelplatte 112 verfügt über abgeschrägte Ränder und ist mittels eines Befestigungsrahmens 114 derart auf einem Grundkörper 116 eines Reservoirs 118 verschraubt, dass sie das Reservoir 118 dicht abschließt. Das Reservoir 118 kann über einen Einfüllstutzen 120 mit der zu druckenden Flüssigkeit 122 gefüllt werden. Weiterhin ist in das Reservoir ein Stützkörper 124 eingelassen, welcher die Stempelplatte 112 gegen Durchbiegung nach innen abstützt.
Der Grundkörper 116 des Reservoirs, der Einfüllstutzen 120, der Befestigungsrahmen 114 und der Stützkörper 124 sind aus lasergeschnittenem Teflon gearbeitet und somit vollständig resistent gegen organische und anorganische Lösungsmittel. Die Stempelplatte 112 ist aus Borosilicatglas 3.3 gearbeitet und verfügt über eine leicht konvexe, d. h. vom Innenraum des Reservoirs 118 weg gekrümmte äußere Oberfläche.
Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine Stempelplatte 112 ist in 2 dargestellt.
Zunächst wird in Schritt 210 Borosilicat-Glaspulver (Borosilicat 3.3) mit einer mittleren Korngröße von 1,7 Mikrometern mit Polyethylen-Wachs vermischt. Der Mischung werden noch einige Tropfen Aceton beigefügt, bis das Gemisch flüssig ist.
Anschließend wird in Schritt 212 das in Schritt 210 hergestellte Gemisch in eine flache scheibenförmige Giesform mit einer Tiefe von 2 mm gegossen. Die Form mit dem Gemisch wird auf einer Heizplatte bei 50–60°C leicht erwärmt, so dass das Aceton langsam entweichen kann. Dieser Schritt ist bereits teilweise Bestandteil des Verfahrens Schritts 214 (Entbindern). Bei diesem Erwärmen verfestigt sich das Gemisch in der Giesform bereits zu einem Grünling.
Nach dem Entfernen des Acetons kann der Grünling vorsichtig aus der Giesform entnommen werden. Der Grünling wird nun in Schritt 214 in einem Ofen bei ca. 280°C entbindert. Dabei wird das Polyethylenwachs nahezu vollständig aus dem Grünling ausgeschmolzen. Die Körner des Borosilicat-Glaspulvers werden bei diesem Schritt fest miteinander verbacken, wobei eine feste Stempelplatte 112 entsteht. Die entstandene Stempelplatte 112 ist porös mit einer mittleren Porenweite von ca. 0,7 Mikrometern.
Anschließend wird die Stempelplatte 112 in Schritt 216 in die gewünschte Form gebracht. Dazu wird die Stempelplatte 112 zunächst zu einem Quadrat mit einer Kantenlänge von 22 × 22 Quadratmillimetern zurechtgesägt. Anschließend werden die Kanten des Quadrats auf einen Winkel von 45° abgeschliffen (siehe auch 1), was später die Befestigung der Stempelplatte 112 mit tels des (ebenfalls eine 45°-Schräge aufweisenden) Befestigungsrahmens 114 auf dem Grundkörper 116 erleichtert. Anschließend wird die nach außen weisende Oberfläche der Stempelplatte 112 mit feinem Korundpapier (bis hinab zu 0,3 Mikrometer Korngröße) poliert, wobei der Oberfläche zugleich eine leichte konvexe Wölbung aufpoliert wird.
Anschließend wird die Oberfläche der Stempelplatte 112 in Schritt 218 mit einem Laser strukturiert. Zu diesem Zweck wird ein gepulster Nd:YAG-Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm, einer Pulsweite von 10 Picosekunden und einer mittleren Leistung von 3 Watt eingesetzt. Der Laser wird in der Gaußschen TEM(0,0)-Grundmode bei einer Fokusbreite von 30 Mikrometern betrieben. Zum Strukturieren wird eine Repetitionsrate von 50 kHz und eine Schreibgeschwindigkeit von 20 mm/s eingesetzt. Die geschriebenen flüssigkeitsundurchlässigen Linien haben eine Breite von ca. 5 Mikrometern.
Anschließend wird in Schritt 220 die Stempelplatte 112 imprägniert. Zu diesem Zweck wird die Stempelplatte gemäß 1 in eine Druckvorrichtung 110 eingebaut und unter Druck aus dem Reservoir 118 mit einer Lösung von Nitrocellulose (0,026 g/100 ml) gespült. Anschließend wird die Stempelplatte 112 wieder aus der Druckvorrichtung 110 entnommen und in einem Ofen bei 80°C für 20 Minuten getrocknet.
Anschließend wird in Schritt 222 eine Gelschicht auf die Stempelplatte 112 aufgebracht, vorzugsweise eine Agarose- oder Polyacrylamid-Gelschicht. Dazu wird zunächst eine Lösung des Gels hergestellt. Diese wird durch Spincoating bei 300 Umdrehungen/Minute oder durch Aufpipettieren auf die Stempelplatte 112 aufgebracht. Anschließend wird die Stempelplatte 112 mit der Gelschicht für ca. 30 Minuten bei 30° Celsius getrocknet. Die Schichtdicke der Gelschicht beträgt zwischen 10 und 100 Mikrometer.
In 3 ist eine stark vergrößerte Seitenansicht einer gemäß dem in 2 dargestellten Verfahren hergestellten Stempelplatte 112 dargestellt. Man erkennt die Gelschicht 310 sowie die Laserlinien 312. Die Schreibrichtung der Laserstrukturierung ist senkrecht zur Zeichenebene. Durch die Laserstrukturierung entstehen neben den porösen, flüssigkeitsdurchlässigen Bereichen 314 modifizierte Bereiche 312, in denen der Laser die Glasoberfläche lokal aufgeschmolzen hat, wobei "Gräben" entstehen. Die Tiefe der Gräben 312 beträgt ca. 50 Mikrometer. An der Oberfläche dieser Gräben 312 bildet sich eine flüssigkeitsundurchlässige Verglasungszone 316. Die Gelschicht 310 füllt die Gräben 312 teilweise aus.
In 4 und 5 sind in Draufsicht Beispiele einer Strukturierung einer Stempelplatte 112 dargestellt. In 4 ist eine Strukturierung zum Aufdrucken einzelner Bildpunkte (Pixel) dargestellt. Dabei sind der Stempelplatte 112 mit einem Laser horizontale Linien 410 und vertikale Linien 412 eingebrannt. Dadurch sind einzelne poröse, flüssigkeitsdurchlässige rechteckige Bereiche 414 durch die flüssigkeitsundurchlässigen Laserlinien 410, 412 voneinander getrennt. Wird die Breite der Linien 410, 412 groß genug gewählt (typischerweise größer als ca. 50 Mikrometer) fließen beim Druck die einzelnen Bildpunkte nicht ineinander, so dass sich einzelne Bildpunkte ausbilden.
In 5 ist eine Stempelplatte 112 für die Herstellung eines Leuchtsymbols dargestellt. Die schraffierten Bereiche 510 sind durch mehrfaches linienförmiges Bearbeiten mit dem Laser nach dem oben beschriebenen Verfahren flüssigkeitsundurchlässig verglast. Die nicht schraffierten Bereiche 512 sind hingegen unbe handelt und somit flüssigkeitsdurchlässig. Beim Druck wird das dargestellte Warnsymbol in Form eines Flüssigkeitsfilms auf das Substrat abgebildet.
In 6 und 7 sind die Vorgänge beim Drucken mit der Stempelplatte 112 in stark vergrößerter Seitenansicht als Ausschnitt dargestellt. Aus dem Reservoir sickert Flüssigkeit 122 durch die Stempelplatte 112 und bildet an der Oberfläche der Stempelplatte kleine Tröpfchen 610. Im Idealfall fließen diese Tröpfchen 610 bei genügendem Abstand zwischen Stempelplatte 112 und der Oberfläche des Substrats 612 noch nicht ineinander (6). Erst wenn der Abstand zwischen der Stempelplatte 112 und der Oberfläche des Substrats 612 soweit verringert wird, dass die Tröpfchen 610 die Oberfläche des Substrats 612 berühren, fließen die Tröpfchen 610 ineinander und bilden zwischen der Stempelplatte 112 und der Oberfläche des Substrats 612 einen durchgehenden Flüssigkeitsfilm 710.
In 8 ist eine stark vereinfachte Druckmaschine 810 dargestellt, in welche eine Druckvorrichtung 110 gemäß 1 integriert ist. Die Druckmaschine 810 weist einen Rahmen 812 auf, an welchem mittels einer vertikalen Positioniervorrichtung 814 zur Positionierung in z-Richtung die Druckvorrichtung 110 befestigt ist. Weiterhin weist die Druckmaschine 810 eine Substratpositioniervorrichtung 816 zur Positionierung eines Substrats 612 in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene (xy-Ebene) auf. Das Substrat 612 wird auf der Substratpositioniervorrichtung 816 mittels Vakuumansaugung (nicht dargestellt) fixiert. Die Fixiervorrichtung ist also in diesem Beispiel Bestandteil der horizontalen Positioniervorrichtung 816. Die Druckvorrichtung 110 wird über ein Rohrleitungssystem 818 aus einer Vorratsflasche 820 mit Druckflüssigkeit 122 gespeist. Die Zufuhr der Druckflüssigkeit 122 zur Druckvorrichtung 110 wird mittels eines Druckreglers 822, welcher den Druck in der Vorratsflasche 820 regelt, gesteuert.
Um die Druckflüssigkeit am Druckkopf in flüssigem Zustand zu halten, ist auf geeignete Werte des Umgebungsklimas zu achten, insbesondere auf die Temperatur und auf den Partialdruck des Lösungsmittels, das für die Druckflüssigkeit verwendet wird. Das Klima lässt sich u. a. am Substrat durch geeignete Temperierung des Substrats oder der Stempelplatte einstellen.
Die beschriebene Vorrichtung erlaubt eine automatisierte Bedruckung auch größerer Substrate mit hoher Reproduzierbarkeit und geringem Wartungsaufwand.
In 9 ist ein stark vereinfachtes Verfahren zur Herstellung einfacher organischer Leuchtdioden mit einer einzelnen organischen Schicht mittels der beschriebenen Druckvorrichtung 110 dargestellt.
Zunächst wird dabei in Schritt 910 eine erste Elektrodenschicht, zumeist Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Anode, auf ein Substrat, beispielsweise Glas, aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Sputtern erfolgen und wird typischerweise von einem Substratlieferanten durchgeführt.
Anschließend wird in Schritt 912 eine Druckvorrichtung 110 der oben beschriebenen Art mit einer mindestens eine organische Komponente aufweisenden Flüssigkeit 122 gefüllt, wobei Flüssigkeit 122 durch die Poren der Stempelplatte 112 aus dem Reservoir 118 austritt und die Oberfläche der Stempelplatte 112 ganz oder teilweise benetzt.
Die Druckvorrichtung 110 wird dann in Schritt 914 lateral (d. h. in xy-Ebene) relativ zum Substrat 612 positioniert und anschließend in Schritt 916 mit der Stempelplatte 112 auf das Substrat aufgedrückt, wobei Flüssigkeit mit dem Substrat 612 in Kontakt gerät. Anschließend wird die Druckvorrichtung 110 in Schritt 918 wieder vom Substrat 612 entfernt, wobei ein Flüssigkeitsfilm auf dem Substrat 612 zurückbleibt. Dieser Flüssigkeitsfilm wird dann in Schritt 920 einem Trocknungsprozess unterworfen, wobei sich ein fester organischer Film auf dem Substrat 612 bildet. Der Trocknungsprozess kann zusätzlich durch eine Temperaturbehandlung unterstützt werden. Eine zumindest teilweise Antrocknung des Films kann auch schon erfolgen, während die Druckvorrichtung 110 noch auf das Substrat 612 aufgepresst ist.
Anschließend wird in Schritt 922 mindestens eine weitere Elektrodenschicht auf das Substrat 612 aufgebracht, beispielsweise eine Kalzium-Aluminium-Kathode.
Auch Kombinationen des hier beschriebenen Druckverfahrens mit anderen Beschichtungstechniken sind möglich. So lässt sich beispielsweise das Druckverfahren mit dem Spincoating kombinieren, wobei beispielsweise nur eine von mehreren organischen Schichten der Bauelemente durch Drucken auf das Substrat aufgebracht wird. Auch eine Kombination des hier beschriebenen Druckverfahrens mit anderen Drucktechniken, beispielsweise dem Siebdrucken oder dem Inkjetdrucken ist möglich. Auch eine wiederholte Durchführung des Druckvorgangs, beispielsweise zur Erzeugung dickerer Schichten oder verschiedener Schichten über- oder nebeneinander, ist möglich.
In 10 ist ein einfacher Schichtaufbau einer organischen Leuchtdiode dargestellt, welcher sich beispielsweise mit der Druckvorrichtung 110 und dem in 9 beschriebenen Verfahren in leichter Abwandlung realisieren lässt.
Wiederum wird ein Substrat 612 eingesetzt, welches im vorliegenden Fall aus Glas besteht. Auf das Substrat ist eine Anodenschicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) 1010 mit einer Schichtdicke von ca. 100 nm aufgebracht. Auf das ITO werden nach dem oben beschriebenen Verfahren mit der Druckvorrichtung 110 voneinander separierte rechteckige Schichten 1012 von PEDOT mit einer Schichtdicke von jeweils 30 nm aufgedruckt. PEDOT ist mit Poly(styrolsulfonsäure) dotiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen), wirkt als organischer Lochleiter und ist kommerziell von der Bayer AG in wässriger Lösung erhältlich. Nach dem Drucken wird das mit PEDOT 1012 beschichtete Substrat 612 im Ofen bei 150°C für fünf Minuten getrocknet.
Anschließend wird eine Schicht Poly[(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-p-phenylen)vinylen] (MEH-PPV) 1014 als organischer Elektronentransporter und Emitter auf das Substrat aufgebracht. Dazu wird eine 2-prozentige Lösung MEH-PPV in Toluol durch Spincoating bei 2000 Umdrehungen/Minute auf das Substrat aufgeschleudert und anschließend bei 70°C für 5 Minuten in einem Ofen getrocknet. Die Schichtdicke beträgt ca. 60 nm (gemessen über den PEDOT-Schichten 1012).
Anschließend wird durch Aufdampfen im Vakuum als Katode eine Schicht Kalzium 1016 mit einer Schichtdicke von 50 nm, gefolgt von einer Schicht Silber 1018 mit einer Schichtdicke von 200 nm auf die organische Schicht 1014 aufgebracht.
Das Bauelement weist nun zwei unterschiedliche Bereiche auf:

– Bereiche 1020, in denen zwischen den Elektrodenschichten 1010 und 1016 lediglich eine Elektronentransportschicht 1014 liegt, und
– Bereiche 1022, in denen zwischen den Elektrodenschichten 1010

1016

1012

1014

Wird nun zwischen die Anodenschicht 1010 und die Katodenschicht 1016 eine elektrische Spannung angelegt, so werden in die Bereiche 1020 fast ausschließlich Elektronen aus der Kathode 1016 injiziert, da hier die lochleitende Schicht 1012 fehlt. Es kann daher in diesen Bereichen nicht zu einer Rekombination von positiven und negativen Ladungsträgern kommen, so dass die Bereiche 1020 nahezu kein Licht emittieren.
In die Bereiche 1022 werden hingegen sowohl Löcher aus der Anode 1010 als auch Elektronen aus der Kathode 1016 injiziert. In diesen Bereichen können also Elektronen und Löcher in der organischen Schicht 1014 rekombinieren, wobei Licht emittiert wird. Die emittierten Photonen können das Bauelement durch das transparente ITO 1010 und das Glassubstrat 612 verlassen. Die Bereiche 1022 leuchten also (im Gegensatz zu den Bereichen 1020) bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Auf diese Weise wurde durch den Druckprozess ein strukturiert leuchtendes Bauelement hergestellt. Durch Verwendung der in 5 dargestellten Stempelplatte 112 lassen sich auf diese Weise beispielsweise leuchtende Warnsymbole herstellen.

110: Druckvorrichtung
112: Stempelplatte
114: Befestigungsrahmen
116: Grundkörper des Reservoirs 118
118: Reservoir
120: Einfüllstutzen
122: Druckflüssigkeit
124: Stützkörper
210: Mischen der Ausgangsmaterialien
212: Formen des Grünlings
214: Entbindern
216: Sägen und Polieren
218: Laserbehandlung
220: Imprägnierung
222: Aufbringen der Gelschicht
310: Gelschicht
312: flüssigkeitsundurchlässige Gräben
314: poröse, flüssigkeitsdurchlässige Bereiche
316: Verglasungszone
410: horizontale Laserlinien
412: vertikale Laserlinien
414: nicht bearbeitete, flüssigkeitsdurchlässige Bereiche
510: laserbehandelte, flüssigkeitsundurchlässige Bereiche
512: unbehandelte, flüssigkeitsdurchlässige Bereiche
610: Flüssigkeitströpfchen
612: Substrat
710: Flüssigkeitsfilm
810: Druckmaschine
812: Rahmen
814: vertikale Positioniervorrichtung
816: horizontale Positioniervorrichtung
818: Rohrleitungssystem
820: Vorratsflasche
822: Druckregler
910: Aufbringen der ersten Elektrodenschicht
912: Füllen der Druckvorrichtung
914: laterale Positionierung der Druckvorrichtung relativ zum Substrat
916: Drucken
918: Entfernen der Druckvorrichtung vom Substrat
920: Trocknen
922: Aufbringen der zweiten Elektrodenschicht
1010: Indium-Zinn-Oxid-Schicht (ITO)
1012: strukturiert aufgedruckte PEDOT-Schichten
1014: MEH-PPV-Schicht (durch Spincoating aufgebracht)
1016: Kalzium-Schicht
1018: Silber-Schicht

Claims

Druckvorrichtung (110) zur nasschemischen Erzeugung dünner Filme (1012, 1014) auf einem Substrat (612), mit a) mindestens einem Reservoir (118) zum Aufnehmen einer mindestens eine organische Komponente aufweisenden Flüssigkeit (122); b) einer mit dem Reservoir (118) verbundenen Einlassöffnung (120); c) einer mit dem Reservoir (118) in Verbindung stehenden porösen keramischen oder gläsernen Stempelplatte (112), c1) wobei die Stempelplatte (112) derart angeordnet ist, dass die Flüssigkeit (122) durch die Poren der Stempelplatte (112) aus dem Reservoir (118) austreten kann; und c2) wobei durch lokale Verglasung mittels Laser- und/oder thermischer Behandlung die Poren der Stempelplatte (112) in mindestens einem Bereich lokal verschlossen sind.
Druckvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse keramische oder gläserne Stempelplatte (112) folgende Verbindungen mit den angegebenen Anteilen am Gesamtgewicht aufweist: – 70–85 Gewichtsprozent Siliziumdioxid (SiO₂); – 7–15 Gewichtsprozent Boroxid (B₂O₃); – 1–7 Gewichtsprozent Natriumoxid (Na₂O); und – 0,5–6 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Druckvorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Stempelplatte (112) eine mittlere Nennweite zwischen 0,3 und 2,0 Mikrometern aufweisen.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verglasten Bereiche (316; 410, 412; 510) der Stempelplatte (112) relativ zu den unverglasten Bereichen (414; 512) ganz oder teilweise vertieft ausgebildet sind.
Druckvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die verglasten Bereiche (410, 412) die Stempelplatte (112) in eine Mehrzahl von unverglasten Bereichen (414) unterteilen.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Stempelplatte (112) konvex gewölbt ist.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (118) eine mit der Stempelplatte (112) in Kontakt stehende Stützvorrichtung (124) aufweist, – wobei die Stützvorrichtung (124) die Stempelplatte (112) gegen Durchbiegung zum Innenraum des Reservoirs (118) hin stabilisiert.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Stempelplatte (112) eine Rauhigkeit zwischen 0,2 und 1,5 Mikrometern aufweist.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Außenseite der Stempelplatte (112) eine Schicht eines Gels (310) aufgebracht ist, – wobei das Gel (310) in der Flüssigkeit (122) weitgehend unlöslich ist; und – wobei das Gel (310) durch die Flüssigkeit (122) quellbar ist.
Druckvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel (310) ganz oder teilweise aus Agarose oder Polyacrylamid besteht.
Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Stempelplatte (112) mit einer zusätzlichen organischen Schicht imprägniert sind.
Verwendung einer Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung organischer Dünnschichten (1012, 1014) für organische Leuchtdioden, organische Dünnfilmtransistoren oder organische Solarzellen.
Vorrichtung (810) zur Herstellung organischer elektronischer Bauelemente, insbesondere zur Herstellung organischer Leuchtdioden, organischer Dünnfilmtransistoren oder organischer Solarzellen, mit folgenden Komponenten: – einer Fixiervorrichtung (816) zur räumlichen Fixierung eines Substrates (612); – einer Druckvorrichtung (110) zum Aufbringen dünner organischer Filme (1012, 1014) nach einem der vorhergehenden, auf eine Druckvorrichtung gerichteten Ansprüche; – einer Speichervorrichtung (820) und/oder einer Zuführvorrichtung (818) zum Zuführen einer oder mehrerer Flüssigkeiten (122) zur Druckvorrichtung (110); und – mindestens einer Vorrichtung (814, 816) zur räumlichen Positionierung der Fixiervorrichtung (816) relativ zur Druckvorrichtung (110) oder umgekehrt.
Verfahren zum Herstellen poröser Stempelplatten (112) zum Aufbringen dünner organischer Filme (1012, 1014) auf ein Substrat (612) mit folgenden Schritten: a) mindestens eine Glas- und/oder Keramikpulverkomponente wird mit mindestens einem organischen Bindermaterial gemischt (210); b) das Gemisch wird zu einem Formkörper (Grünling) geformt (212); c) das Bindermaterial wird ganz oder teilweise aus dem Grünling entfernt (Entbindern) und/oder der Formkörper wird einem Temperaturbehandlungsprozess unterworfen (214); und d) mindestens eine Oberfläche der Stempelplatte (112) wird durch Laser- und/oder thermische Behandlung bearbeitet, – wobei die Stempelplatte in mindestens einem Flächenbereich (312, 316; 410, 412; 510) undurchlässig für Flüssigkeiten (122) gemacht wird (218).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) (212) zur Formgebung ein Schlickergussverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) (214) nur Temperaturen verwendet werden, welche unterhalb der Sintertemperatur der Glas- und/oder Keramikpulverkomponenten liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) (218) die Oberfläche der Stempelplatte (112) mit einem Kurzpulslaser bearbeitet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch folgende Laserparameter: – eine Wellenlänge zwischen 400 und 1200 Nanometern; – Pulslängen zwischen 5 und 30 Picosekunden; – ein Gaußsches Strahlprofil mit einem Fokus-Durchmesser zwischen 20 und 70 Mikrometern; – eine mittlere Laserleistung zwischen 1 und 15 Watt; – eine Repetitionsrate des Lasers von zwischen 10 und 200 kHz; und – eine Schreibgeschwindigkeit zwischen 5 und 50 mm/s.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) (218) die Oberfläche der Stempelplatte (112) mit einem Dauerstrichlaser bearbeitet wird, wobei folgende Laserparameter zum Einsatz kommen: – eine Wellenlänge zwischen 400 und 10600 Nanometern, – ein Gaußsches Strahlprofil mit einem Fokus-Durchmesser zwischen 50 und 300 Mikrometern, – eine mittlere Laserleistung zwischen 1 und 15 Watt, und – eine Schreibgeschwindigkeit zwischen 5 und 50 mm/s.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche mit zusätzlich folgendem Schritt: e) der mittlere Durchmesser und/oder die Oberflächenenergie der Poren der Stempelplatte (112) werden durch Imprägnierung mit einer mindestens eine organische Komponente aufweisenden Imprägnierlösung verändert.
Verfahren zur Herstellung organischer Halbleiterbauelemente, mit folgenden Schritten: a) mindestens eine erste Elektrodenschicht (1010) wird auf ein Substrat (612) aufgebracht; b) eine Druckvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Druckvorrichtung gerichteten Ansprüche wird mit einer mindestens eine organische Komponente aufweisenden Flüssigkeit (122) gefüllt, – wobei die Flüssigkeit (122) durch die Poren der Stempelplatte (112) aus dem Reservoir (118) austritt und eine äußere Oberfläche der Stempelplatte (112) ganz oder teilweise benetzt; c) die Druckvorrichtung (110) wird relativ zum Substrat (612) positioniert und mit der Stempelplatte (112) auf das Substrat (612) aufgedrückt, – wobei die Flüssigkeit (122) mit dem Substrat (612) in Kontakt gerät; d) die Druckvorrichtung (110) wird vom Substrat (612) entfernt, – wobei ein Flüssigkeitsfilm (710) auf dem Substrat (612) zurückbleibt; e) der auf dem Substrat (612) zurückgebliebene Flüssigkeitsfilm (710) wird einem Trocknungsprozess unterworfen; und f) mindestens eine zweite Elektrodenschicht (1016, 1018) wird auf das Substrat (612) aufgebracht.