Biologisch abbaubare Materialien für flexible organische Leuchtmittel und für die Optimierung von Druckprozessen

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. ... mehrZusätzlich 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.

The growing demand for short-lived electronic products ensures that the already large volumes of electronic waste will continue to increase rapidly in the future. However, if the individual recycling management is not developed to its optimum, toxic substances can cause permanent damage to people and the environment. The use of biodegradable materials could create products that enable environmentally friendly and sustainable disposal. In addition, new markets in the field of bioresorbable, transient electronics for biomedical purposes could be explored. Optoelectronics, organic light-emitting devices in particular, offer the best conditions as all their components, from active material and electrodes to substrates, can potentially be replaced by biodegradable materials due to their organic composition. ... mehrIn addition, they enable individual and cost-effective production using modern, industrial printing processes. Therefore the aim of this work is to implement biodegradable materials in all components of organic light-emitting devices with respect to printing techniques. Starting with the active material, the natural fluorophore riboflavin (vitamin B2), was provided with butyrate ester groups and identified as emitter material in cooperation with the Institute of Organic Chemistry at the University of Heidelberg. The side groups improved solubility and film formation and reduced fluorescence quenching. This permitted the establishment of riboflavin tetrabutyrate as an emitter in solution-processed organic light-emitting diodes with a maximum luminance of ~10 cd/m2 and a broad electroluminescence spectrum with a maximum at 640 nm. It is of great importance to mention, that the external quantum efficiency for natural emitter-materials was increased by five orders of magnitude to 0.02 %. Furthermore, the active layer of light-emitting electrochemical cells was investigated. Light-emitting electrochemical cells simplify printing processes due to their single layer approach compared to organic light-emitting diodes. Biodegradable polycaprolactone, mixed with emitter and salt, improved the ion solubility of the active layer. This was demonstrated by increasing the ionic conductivity by four orders of magnitude and dissolving the salt agglomerates. Thus, the salt doped the interfaces with the electrodes more efficiently and charge carrier injection and transport were enhanced. The turn-on times of the cells were reduced from 16 min to 20 s and efficiencies of 3.2 cd/A and 1.5 lm/W as well as lifetimes of 30 h were achieved. During a research stay at the Massachusetts Institute of Technology, USA, the idea was developed to design the extraction of substrate-modes by a direct embossing process of microlenses into biosubstrates made of cellulose diacetate. The improved light extraction of the light-emitting devices resulted in a typical increase in efficiency of 1.45. The production of flexible substrates with microlenses is thus simplified to a single step process that can be integrated into industrial roll-to-roll procedures. In addition, the biodegradable proportion of the light-emitting devices has been increased to 99.94 %. Finally, a biodegradable secondary alcohol ethoxylate enabled printing of non-cytotoxic transparent electrodes on cellulose diacetate substrates by inkjet and doctor blade. The biosurfactant reduced the surface tension of the aqueous ink to 30 mN/m and showed excellent printing properties with a mass fraction of 0.1 %. With 286 S/cm, the electronic conductivity of the electrodes on cellulose diacetate almost tripled those of commercial reference inks, resulting in almost twice the luminance in organic light-emitting diodes. In this work biodegradable materials could be used in all components of organic light-emitting devices and their properties could be optimized for the production with modern printing processes.