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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines elektrolumineszierenden Leuchtelements nach den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Leuchtelemente
auf der Basis von Elektrolumineszenz sind bekannt. Neben Leuchtdioden,
so genannten LEDs, sind auch großflächige Leuchtelemente auf starren
und auch auf flexiblen Trägern
bekannt. In der Praxis haben sich auf der Basis der Dickschichttechnologie
hergestellte Folienelemente bewährt,
die mit Wechselspannungsfeldern angeregt werden. Hier sind Leuchtpigmente
in einem transparenten, organischen oder keramischen Bindemittel eingebettet.
Die Leuchtpigmente bestehen üblicherweise
aus binären
Verbindungen. Das elektrische Feld wird über strukturierte Elektroden
zugeführt,
von denen die Frontelektrode, aus der die Elektrolumineszenzstrahlung
austritt, aus einer transparenten, elektrisch leitfähigen Materialschicht
besteht, beispielsweise einer sehr dünnen Metallschicht oder einem
transparenten Halbleiter wie Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO).
Die Rückelektrode
besteht aus einer leitenden Metallschicht. Die zwischen Front- und
Rückelektrode
angeordnete Leuchtpigmentschicht, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen
Isolationsschicht, bildet in Verbindung mit ihrem Einbettungsmittel
das Dielektrikum eines Kondensators, weshalb verschiedentlich auch
die Bezeichnung "Leuchtkondensator" verwendet wird.
Die Leuchtelemente sind nichtlineare Bauelemente, deren Parameter
eine Funktion von angelegter Spannung und Frequenz sind und auch
von Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur abhängen.
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Häufig ist
die transparente Elektrode ein mit Indiumoxid oder Indiumzinnoxid
beschichteter Kunststoff (z.B. Polyester). Das Leuchtpigment kann
beispielsweise aus Zinksulfid bestehen, das durch verschiedene Metalle
wie Au, Ag, Cu, Ga oder Mn dotiert ist. Die Farbe des emittierten
Lichtes und die Leitfähigkeit
der Leuchtpigmentschicht werden durch Stärke und Zusammensetzung der
Dotierung bestimmt. Durch Variation der Dotierung können Farbtöne von Blau
bis Gelb, entsprechend einer Wellenlänge von etwa 480 nm bis 580
nm, und durch Mischen der Dotierungsstoffe daraus resultierende
Mischfarben, beispielsweise die Mischfarbe weiß, erzielt werden. Eine auf
diese Leuchtpigmentschicht aufgebrachte Isolationsschicht, beispielsweise
aus Bariumtitanat, wirkt gleichzeitig als Reflektor. Darauf wird
anschließend die
Rückelektrode,
etwa Aluminium, Kohlenstoff oder Silberlack, appliziert. Da Zinksulfid
stark hygroskopisch ist, wird eine Kapselung vorgesehen, die aus intensiv
Wasser abstoßendem
Material besteht. Es gibt aber bereits Pigmentgrundstoffe, bei dem
die Zinksulfidmoleküle
mikrogekapselt sind, so dass die hygroskopischen Eigenschaften weniger
hervortreten. Durch den größeren Molekülabstand
bedingt ist die Leuchtdichte etwas geringer und nicht ganz so homogen.
Derartige folienartige Leuchtelemente sind schneidbar, extrem dünn, hochflexibel
und kostengünstig.
Ein Einlaminieren ist nicht mehr unbedingt nötig, erhöht jedoch den Feuchtigkeitsschutz
zusätzlich.
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Bedingt
durch die gewünschte
Großflächigkeit
der Leuchtelemente ist die Strukturierung insbesondere der transparenten
Frontelektrode schwierig.
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Gleichzeitig
ist die Großflächigkeit
jedoch gerade für
eine Serienfertigung vorteilhaft.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte
Vorrichtung zur Herstellung derartiger flächenhafter elektrolumineszierender
Leuchtelemente anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Günstige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und
der Beschreibung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines elektrolumineszierenden Leuchtelements, bei
dem eine transparente Elektrodenschicht auf einen Träger aufgebracht
und auf der transparenten Elektrodenschicht eine Leuchtpigmentschicht
und eine Gegenelektrodenschicht aufgebracht werden, wird eine mit
einer Säure
getränkte Walzenelektrode
in Körperkontakt,
insbesondere in rotierenden Körperkontakt,
mit der transparenten Elektrode gebracht. Dadurch kann eine lokale Ätzung der
transparenten Elektrodenschicht erfolgen. Eine vorausgehende Strukturierung
beispielsweise durch eine Maskentechnik beim Auftragen der transparenten
Elektrodenschicht kann unterbleiben oder ein aufwändiges Maskieren
und Ätzen
des beschichteten Trägers
in einem Ätzbad,
in dem großflächige Träger ungünstig zu
handhaben sind und das Ätzverfahren
schlecht zu kontrollieren ist. Die transparente Elektrodenschicht
muss aus Funktionsgründen
des Leuchtelements an einigen Bereichen vom Träger entfernt werden, um beispielsweise
zu verhindern, dass außerhalb
der Leuchtpigmentschicht ein elektrisches Feld zwischen Frontelektrode
und Rückelektrode
auftritt. Die Walzenelektrode kann gleichgroß oder länger sein als der Träger breit
ist und entlang seiner Längserstreckung
geführt
werden. Alternativ kann jedoch die Walzenelektrode auch kürzer ist
als die Breite des Trägers
sein. Denkbar ist weiterhin eine Walzenelektrode mit einer strukturierten
Oberfläche,
mit der in einem Verfahrensschritt ein streifenförmiges Muster in die Elektrodenschicht
geätzt
werden kann.
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Die
Elektrodenschicht kann ganzflächig
auf den Träger
aufgebracht werden und anschließend mit
einer geeigneten Strukturierung versehen werden. Der Träger kann
starr sein oder als Folie, insbesondere eine PET-Folie (PET = Polyethylenterephthalat),
ausgebildet sein. Die transparente Elektrode kann aus einer sehr
dünnen
Metallschicht gebildet sein, die nur wenige zehntel Nanometer dick
ist, oder aus einem transparenten Halbleiter. Vorzugsweise wird
als transparenter Halbleiter Indiumoxid oder Indiumzinnoxid verwendet,
der auch mit Schichtdicken von mehreren hundert Nanometern eine
ausreichende Transparenz aufweist. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit
der Elektrodenschicht kann der Halbeliter auch dotiert sein. Vorzugsweise
wird die Elektrodenschicht mit CVD- oder PVD-Verfahren (CVD = chemical
vapor deposition, PVD = physical vapor deposition) aufgebracht.
Besonders bevorzugt wird die Elektrodenschicht mittels Kathodenzerstäubung hergestellt.
Kathodenzerstäubung
weist den Vorteil auf, dass die thermische Belastung des Trägers geringer ist
als bei Aufdampfverfahren und wegen der höheren kinetischen Energie der
zerstäubten
Schichtkomponenten eine verbesserte Schichthaftung zu erreichen
ist. Ferner kann in reaktiver Atmosphäre zerstäubt werden, um beim Zerstäubungsprozess
die Oxidbildung herbeizuführen,
so dass sich beispielsweise beim Niederschlagen auf den Träger das
Indiumzinnoxid bildet.
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Wird
die Walzenelektrode relativ zur transparenten Elektrodenschicht
bewegt, während
eine elektrische Spannung zwischen der transparenten Elektrodenschicht
und der Walzenelektrode angelegt ist, kann der Träger in einem
flächigen
Muster von der transparenten Elektrodenschicht befreit werden. Die Walzenelektrode
kann über
den Träger
schleifen oder rollen.
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In
einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird die Walzenelektrode beim Ätzen auf
dem Träger
abgerollt. Dadurch kann eine homogenere Ausnutzung der von der Walzenelektrode
mitgeführten
Säure oder
Säureschicht
erfolgen. Das abgeätzte
Material verteilt sich über
die Oberfläche
der Walzenelektrode und kann beispielsweise über ein Säurebad und/oder Reinigungsbad
abgegeben werden. Es können
größere Flächen behandelt
werden, bevor die Säure
wegen zu hoher Konzentration des abgeätzten Materials erschöpft ist.
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Vorzugsweise
kann eine elektrische Spannung zwischen 10 und 50 Volt, vorzugsweise
zwischen 12 Volt und 40 Volt, angelegt werden. Die Spannung wird
vom Fachmann zweckmäßigerweise abhängig von
der Art der Säure,
der Art des abzuätzenden
Materials, der Konzentration, der Temperatur und gegebenenfalls
anderen Prozessparametern eingestellt.
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Zweckmäßigerweise
kann die Walzenelektrode zwischen Ätzschritten mit Säure getränkt werden.
Dies ist besonders für
größere Flächen und/oder im
Serienprozess sinnvoll.
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Ist
die Walzenelektrode an ihrer Oberfläche strukturiert, kann der
Träger
bei Kontakt mit der Walzenelektrode gleichzeitig an gezielt voneinander
beabstandeten Bereichen von der transparenten Elektrodenschicht
befreit wird und beispielsweise ein streifenförmiges Muster in einem einzigen
Verfahrensschritt erzeugt werden. Die Prozesszeit zum Behandeln
großer
Flächen
wird verkürzt.
Denkbar ist auch, mehrere Bahnen von Trägermaterial nebeneinander anzuordnen
und mit einer einzigen Walzenelektrode zu behandeln.
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Zweckmäßigerweise
kann der Träger
mit der strukturierten transparenten Elektrodenschicht nach dem Ätzen mit
Wasser gereinigt werden.
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Mit
besonderem Vorteil kann die Walzenelektrode mit Zitronensäure getränkt werden.
Diese kann problemlos entsorgt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrolumineszierenden Leuchtelements
sieht eine mit Säure
tränkbare
Walzenelektrode vor, mit der die transparente Elektrodenschicht
bereichsweise auf elektrochemischen Weg entfernbar ist. Es können auch
mehrere Walzenelektroden vorgesehen sein, um mehrere parallele streifenförmige Träger, insbesondere
eine Folien, im Durchlaufverfahren zu behandeln.
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Vorteilhafterweise
kann die Walzenelektrode rotierbar angeordnet sein.
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Es
können
Mittel vorgesehen sein, um eine Relativbewegung zwischen Walzenelektrode
und Träger
zu bewirken.
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In
einer günstigen
Ausgestaltung kann die Walzenelektrode eine homogene Oberfläche aufweisen.
Alternativ kann die Walzenelektrode eine strukturierte Oberfläche aufweisen
mit durch Lücken
beabstandeten flächigen
Bereichen. Die flächigen
Bereiche ätzen
bei Kontakt mit der beschichteten Träger die transparente Elektrodenschicht,
während
die Elektrodenschicht in den Lückenbereichen
erhalten bleibt.
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Zweckmäßigerweise
kann ein Säurereservoir
vorgesehen sein, in das die Walzenelektrode zum Tränken eintauchbar
ist.
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Es
können
vorteilhaft mehrere Walzenelektroden vorgesehen sein, um mehrere
Träger
parallel zu behandeln. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Walzenelektroden
vorgesehen sein, um einen Träger
parallel zu behandeln. Damit kann eine Prozesszeit bei großen Stückzahlen
und/oder großen
Flächen
verkürzt
werden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne
auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein elektrolumineszierendes Leuchtelement im Schnitt;
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2a–f verschiedene
Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Leuchtelements; und
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3a,
b schematisch eine Vorrichtung mit einer Walzenelektrode (a) und
ein Detail mit angelegter Walzenelektrode beim Ätzen (b).
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In
den Figuren sind grundsätzlich
gleich bleibende oder gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen
beziffert.
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Wie
der Schnittdarstellung in 1 zu entnehmen
ist, weist ein elektrolumineszierendes Leuchtelements 10 einen
transparenten, aus PET-Folie bestehenden Träger 11 auf, auf den
eine transparente Elektrodenschicht 12, insbesondere aus
Indiumzinnoxid, aufgebracht ist. Auf der transparenten Elektrodenschicht 12 ist
eine Leuchtpigmentschicht 13 angeordnet. Die Leuchtpigmentschicht 13 besteht
vorzugsweise aus so genannten mikrogekapselten Leuchtpigmenten aus
Zinksulfid, die in einer Bindermasse eingebettet wie durch nicht
näher bezeichnete
runde Symbole in der Leuchtpigmentschicht 13 angedeutet
ist (nicht maßstabsgetreu). Dadurch
sind die hygroskopischen Leuchtpigmente vorteilhaft gegen Feuchtigkeit
geschützt.
Es sind die üblicherweise
bekannten Farben darstellbar, wie rot, grün, blau etc. Besonders vorteilhaft
kann auch die Farbe weiß dargestellt
werden, indem ein blaugrün elektrolumineszierendes
mikrogekapseltes Leuchtpigment in eine rot gefärbte Bindermasse eingebettet ist.
Alternativ kann auch eine Mischung aus grün, blau und orange elektrolumineszierenden
Leuchtpigmenten in einer transparenten Bindermasse eingebettet sein.
Insgesamt ergibt sich eine weiße
Farbe, die durch die transparente Elektrodenschicht 12 und den
transparenten Träger 11 abgestrahlt
wird.
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Die
Leuchtpigmentschicht 13 ist in einer Isolationsschicht 14 eingebettet,
auf der eine die Rückelektrode
bildende metallische Elektrodenschicht 15 aufgebracht ist.
In einem Bereich 20, in dem die metallische Elektrodenschicht 15 nicht überdeckt,
ist die transparente Elektrodenschicht 12 entfernt, so
dass keine störende
kapazitive Anordnung außerhalb
des elektrolumineszierenden Bereichs gebildet werden kann.
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Neben
der Isolationsschicht 14 ist eine Leiterstruktur 16 angeordnet,
welche die transparente Elektrodenschicht 12 elektrisch
kontaktiert und als Busbar-Struktur dient.
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Die
Elektrodenschicht 15 ist mit einer Schutzschicht 17 abgedeckt
und nur an einer Kontaktfläche 18 in
einer Ausnehmung der Schutzschicht 17 von außen zugänglich.
Die Leiterstruktur 16 weist eine ebensolche Kontaktfläche 19 (2f)
auf. Wird zwischen die Leiterstruktur 16 und die Rückelektrode 15 eine
elektrische Spannung angelegt, wird durch die bekannten Elektrolumineszenzmechanismen eine
relativ scharfbandige Elektrolumineszenzstrahlung aus der Frontelektrode
emittiert, was durch einen breiten Pfeil angedeutet ist.
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Die 2a bis 2f stellen
einzelne Beschichtungsschritte bei der Herstellung eines solchen Leuchtelements 10 dar.
Der Übersichtlichkeit
wegen sind in den Teilbildern jeweils nur die neu hinzugekommenen
Schichten mit Bezugszeichen versehen. Ein transparenter, bevorzugt
aus PET-Folie gebildeter Träger 11 ist
ganzflächig
mit einer aus Indiumzinnoxid gebildeten transparenten Elektrodenschicht 12 beschichtet
(2a). Bevorzugt erfolgt dies mit einem Kathodenzerstäubungsverfahren.
Anschließend wird
die Elektrodenschicht 12 elektrochemisch abgeätzt, indem
eine elektrische Spannung zwischen die Elektrodenschicht 12 und
eine säuregetränkte Walzenelektrode 21 (3) gelegt wird und die Walzenelektrode 21 über die
Elektrodenschicht 12 bzw. den Träger geführt wird. Auf die strukturierte
Elektrodenschicht 12 wird eine Leuchtpigmentschicht 13 aufgetragen
(2b). Bevorzugt enthält die Leuchtpigmentschicht 13 mikrogekapselte
Leuchtpigmente, die in eine Bindermasse eingebettet sind. Auf diese Leuchtpigmentschicht 13 wird
eine Isolationsschicht 14 abgeschieden (2c).
Vorzugsweise besteht die Isolationsschicht 14 aus Bariumtitanat.
Auf der Isolationsschicht 14 wird dann eine metallische
Elektrodenschicht 15 deponiert (2d) und
neben dieser eine elektrisch leitfähige, insbesondere metallische,
Leitungsstruktur 16 abgeschieden (2e). Anschließend wird
die gesamte Struktur mit einer Schutzschicht 17 abgedeckt,
wobei nur eine Kontaktfläche 18 zur
Kontaktierung der metallischen Elektrodenschicht 15 und
eine Kontaktfläche 19 zur
Kontaktierung der transparenten Elektrodenschicht 12 ausgespart
bleiben (2e). Die Schutzschicht 17 kann aus
einem geeigneten Schutzlack und/oder einer einseitig oder zweiseitig
selbstklebenden Schutzfolie aus PP (Polypropylen) oder PET bestehen.
Die transparente Elektrodenschicht 12 bildet mit ihrem
transparenten Träger 11 eine
Frontelektrode des Leuchtelements 10, während die metallische Elektrodenschicht 15 dessen
Rückelektrode
bildet. Die Schichten 12 bis 17 werden vorzugsweise
mittels Siebdruck aufgetragen, während
die transparente Elektrodenschicht 12 bevorzugt mit Kathodenzerstäubung aufgetragen
wird.
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Eine
Vorrichtung zur elektrochemischen Strukturierung einer transparenten
Elektrodenschicht 12 auf einem Träger 11 vor dem Aufbringen
einer Leuchtpigmentschicht 13 in der Art eines Tamponverfahrens
ist in den 3a und 3b dargestellt.
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Der
Träger 11 ist
auf einer Ablage 25 befestigt und wird in gewünschten
Bereichen mit einer mit einer Säure
getränkten
Walzenelektrode 21 in Körperkontakt
gebracht. Eine typische Größe des Trägers 11 ist
dabei etwa 610 mm × 1000
mm. Denkbar ist jedoch auch ein Rollenmaterial. Die Walzenelektrode 21 ist
relativ zur transparenten Elektrodenschicht 12 beweglich
angeordnet, so dass vorzugsweise die Wanzenelektrode 21 über den
Träger 11 bewegt
wird. Dies ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.
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Ein
Netzteil 29 liefert eine elektrische Spannung, die zwischen
der transparenten Elektrodenschicht 12 und der Walzenelektrode 21 angelegt wird.
Das Verfahren kann potentiostatisch, mit konstanter Spannung, oder
galvanostatisch, mit konstantem Strom, durchgeführt werden. Dabei bildet die
Walzenelektrode 21 die Kathode 27, während die transparente
Elektrodenschicht 12 die Anode bildet. In den Bereichen,
in denen die Walzenelektrode 21 mit der transparenten Elektrodenschicht 12 in
Kontakt gerät,
wird diese elektrochemisch abgeätzt.
Dabei ist günstig,
die Walzenelektrode 21 beim Ätzen auf dem Träger 11 abzurollen,
wie durch einen Pfeil in der Stirnfläche der Walzenelektrode 21 angedeutet ist.
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Die
Walzenelektrode 21 kann zwischen Ätzschritten mit Säure getränkt werden,
indem diese in ein Säurereservoir 26 getaucht
wird.
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Vorzugsweise
wird Zitronensäure
zum Tränken
der Walzenelektrode 21 eingesetzt. Das Verfahren findet
vorzugsweise bei Raumtemperatur statt. Eine Konzentration der Zitronensäure, wie
sie handelsüblich
für den
Haushalt angeboten wird, erweist sich als günstig. Als günstiger
Spannungsbereich zum Ätzen
hat sich ein Bereich von 10 bis 50 Volt Gleichspannung, insbesondere
12 bis 40 Volt, erwiesen. Die Ätzrate
hängt von
verschiedenen Parametern ab, etwa dem Anpressdruck der Walzenelektrode 21,
der Leitfähigkeit
der transparenten Elektrodenschicht 12, der Konzentration
der Säure,
der Temperatur und dergleichen. Je geringer der Widerstand der Elektrodenschicht 12,
desto höher
ist die beobachtete Ätzrate.
Die Walzenelektrode 21 kann mit einer Geschwindigkeit über den
Träger 11 bewegt werden,
die an die sonstigen Verfahrensparameter angepasst ist.
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3b illustriert
den Ätzprozess
im Detail. Die Walzenelektrode 21 weist einen tränkbaren
Walzenkörper 23 auf
mit einer Welle 22. Der Walzenkörper 23 besteht beispielsweise
aus einem säureresistenten
Gewebe oder Vlies, wie es etwa bei üblichen, so genannten Tamponbeschichtungsverfahren
bekannt ist, mit denen Beläge
elektrochemisch auf Substraten abgeschieden werden können.
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Wird
die Walzenelektrode 21 mit ihrer Oberfläche 24 in Körperkontakt
mit angelegter elektrische Spannung über den Träger 11 bewegt, ätzt die
Säure im
Walzenkörper 23 die
transparente Elektrodenschicht 12 ab und hinterlässt einen
freigelegten Bereich 20 des Trägers 11.
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- 10
- Leuchtelement
- 11
- Träger
- 12
- transparente
Elektrodenschicht
- 13
- Leuchtpigmentschicht
- 14
- Isolationsschicht
- 15
- Elektrodenschicht
- 16
- elektrische
Leitungsstruktur
- 17
- Schutzschicht
- 18
- Kontaktfläche
- 19
- Kontaktfläche
- 20
- Bereich
- 21
- Walzenelektrode
- 22
- Welle
- 23
- Walzenkörper
- 24
- Oberfläche
- 25
- Ablage
- 26
- Reservoir
- 27
- Kathode
- 28
- Anode
- 29
- Netzteil