Gedruckte elektrochemische Leuchtzellen auf Basis von biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Materialien

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. ... mehrEine 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.

Bioelectronics is currently concerned with developing new areas of application in the fields of medical technology, wearable devices and sustainable electronics. Due to a diverse usability as for instance illumi-nation, displays or therapeutic purposes light-emitting devices enjoy special attention in the research field. As a requirement for the marketability of this technology, cost-efficient production and devices made of biologically compatible and biodegradable materials are necessary. These requirements are met by light-emitting electrochemical cells (LECs) based on biomaterials produced by industrial printing pro-cesses. ... mehrAn LEC consists of only one active layer which can be deposited from the liquid phase and is there-fore particularly suitable for fabrication by printing techniques. In this work the three components of an LEC active layer, i.e. emitter, ion-conductive polymer and electrolyte, were partially replaced by biologi-cally compatible materials. Working devices could be produced with the biomaterials poly(lactic-co-gly-colic acid), choline acetate, poly(caprolactone-co-trimethylene carbonate) and tetrabutylammonium bis-oxalatoborate, whereby LECs, which use the emitter Super Yellow together with the ion conductive poly-mer poly(caprolactone-co-trimethylene carbonate) and the electrolyte tetrabutylammonium bis-oxa-latoborate, provide the best performance. The LECs achieved a maximum luminance of approximately 12,000 cd m-2, a turn-on voltage of 3.7 V, a maximum efficiency of approximately 2 cd A-1 and an opera-tional lifetime of over 100 hours. Fully printed devices, in which both the active layer and the electrodes were deposited with printing techniques such as inkjet printing and doctor blading, were produced on the biodegradable substrate film cellulose diacetate. Although the performance of these components with 200 cd m-2 and an operational lifetime of a few minutes is low, these LECs including the substrate are 99 vol% made of biomaterials and therefore are conditionally biodegradable and thus define a new refer-ence for sustainable electronics. Through further development of the printing process, fully printed LECs were fabricated on an ultra-thin biocompatible Parylene C film. These components achieved a maximum luminance of 900 cd m-2, a turn-on voltage of 6.7 V, an efficiency of 1 cd A-1 and an operational lifetime of 8.8 hours. The digital structuring of the components by inkjet printing allows the production of pixel shapes that are not possible with conventional techniques. Examples demonstrate a high mechanical flex-ibility of the devices, which enables the application as wearable electronics.