Substratfunktionalisierungen zur Optimierung tintenstrahlgedruckter opto-elektronischer Bauteile

Das Drucken funktioneller, elektrisch (halb-)leitender Schichten eröffnet neue Möglichkeiten zur Implementierung elektrischer Komponenten in einer neuen Generation Bauteil. Insbesondere der digitale Tintenstrahldruck eröffnet dabei ein Höchstmaß an Personalisierung und Gestaltungsfreiheit zur Erschließung neuer Märkte. Hieraus resultieren deutlich andere Anforderungen an den Druckprozess, das Substrat oder die Tinte, als beim etablierten graphischen Druck, was die Entwicklung neuartiger Bauelemente notwendig macht. Diese müssen meist als Gesamtsystem individuell optimiert und angepasst werden. ... mehrDiese Arbeit setzt an der Seite des Substrats an und führt drei neuartige Methoden zur Substratfunktionalisierung für die Optimierung tintenstrahlgedruckter (opto-)elektronischer Bauteile ein.
Zunächst wurde der Einfluss der Oberflächenenergie auf die Druckauflösung untersucht. Hierzu wurden in einem neuartigen Prozess siloxanbasierte selbst-organisierende Monolagen (SAM) auf ein Glassubstrat abgeschieden, wodurch die Oberflächenenergie zwischen 47 und 13 mN/m variiert werden konnte. Hierdurch konnte die Auflösung, in Bezug auf die Einzeltropfengröße, um bis zu 70 % gesteigert werden. Durch die substratunabhängige Silanisierungsreaktion konnte die Oberflächenenergie verschiedener Substrate aneinander angeglichen werden, so dass die Tintenentwicklung vom Substrat entkoppelt werden kann. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurde in einem weiteren Schritt die Strukturierung der Oberflächenenergie untersucht, um die Ausbreitung und den Fluss der Tinte auf dem Substrat gezielt zu steuern. Durch die Kombination der Oberflächenstrukturierung mit den Vorteilen des digitalen Tintenstrahldrucks, konnte die Druckauflösung Tinten- vor allem aber auch Strukturunabhängig merklich erhöht werden. Hierdurch ist es möglich, Elektroden mit einem Abstand von 25 µm in einem einzelnen Druckdurchgang herzustellen. Auf Basis dieser Substratfunktionalisierungen konnten funktionale organische Feldeffekttransistoren hergestellt werden, um den Einfluss der SAM auf die elektrischen Eigenschaften zu untersuchen. Die elektrische Charakterisierung der Bauteile enthüllte, dass durch die Oberflächenmodifikation die Druckauflösung gesteigert werden kann, ohne dass die elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden. Ein weiterer Ansatz spiegelt die Leistungsfähigkeit des Tintenstahldrucks wider. Durch die Entwicklung einer druckbaren, jedoch hochkonzentrierten Tinte, konnten fluoreszente Schichten auf der Substratrückseite von tintenstrahlgedruckten Perowskit-Solarzellen abgeschieden werden. Hierdurch konnte eine größtmögliche Flexibilität in Bezug auf Form und Farbe der Solarzellen erreicht werden, wobei die Gesamtleistung der Solarzelle nur um bis zu 17 % reduziert wurde.

Printing of functional and electrically (semi-)conductive layers opens up new possibilities for implementing electrical components in a new generation of devices. Digital inkjet printing in particular allows for a high degree of personalization and freedom of design to open up new markets. This leads to significantly different requirements for the printing process, the substrate or the ink compared to well-established graphical printing. Because of that, the development of novel concepts, inks, and substrates is necessary, which typically require the individual optimization and adaption as an entire system. ... mehrThis work addresses the substrate and introduces three novel substrate functionalization methods for the optimization of inkjet printed (opto-)electrical components.
First, the influence of the surface energy on the printing resolution was investigated. For this purpose, siloxane-based self-assembled monolayer (SAM) were deposited in a novel process on glass substrates. The surface energy could be varied between 47 and 13 mN/m, which increased the resolution, in terms of the single drop size, by up to 70 %. In addition, the substrate-independent silanization reaction made it possible to match the surface energies of different substrates, so that the ink development can be decoupled from the substrate itself. Based on these results, the structuring of the surface energy was investigated in a second step. This aims on the specific control of the spread and flow of the ink on the substrate. By combining the surface structuring with the advantages of digital inkjet printing, the print resolution could be significantly increased, independent of ink and structure. This made it possible to produce electrodes with a distance of 25 µm in a single print pass. In addition, functional organic field effect transistors were produced on the basis of these substrate functionalizations to investigate the influence of SAM on the electrical properties. The electrical characterization of the components revealed that the surface modification could increase the print resolution without affecting the electrical properties. Another approach reflects the performance of inkjet printing. By developing a printable but highly concentrated ink, fluorescent layers could be deposited on the backside of the substrate of inkjet printed perovskite solar cells. This allowed the highest possible flexibility in terms of shape and color of the solar cells, while reducing the overall performance of the component by only up to 17 %.