Abstract:
Die wachsenden Märkte der tragbaren Elektronik (engl. Wearables) und des Internet-der-Dinge (engl. Internet-of-Things, IoT), welchen die organische Elektronik neue Möglichkeiten hinsichtlich des Gewichts, der Flexibilität und abgestimmten Materialeigenschaften bietet, erfordern für deren Anwendungen einfach herzustellende, kostengünstige, tragbare und personalisierbare Displays, um Informationen mit dem Anwender zu teilen. Für eine erfolgreiche Markteinführung solcher Displays eignen sich aufgrund der Anforderungen insbesondere digitale Drucktechnologien, wie der Tintenstrahldruck. ... mehrAllerdings ist es absehbar, dass diese Displays aufgrund der geringen Lebensdauer (bspw. medizinische Hygienevorschriften, Verpackungen) und des hohen Verbrauchs zur Menge des Elektroschrotts und dessen Umweltauswirkungen beitragen werden. Daher wird in dieser Arbeit die Verwendung von umweltfreundlichen und bioabbaubaren Materialien in elektrochromen (EC) und elektrochemilumineszenten (ECL) Bauteilen untersucht, um mittels Tintenstrahldruck personalisierte bioabbaubare reflektive Displays und umweltfreundliche Dual-Mode-Displays zu entwickeln. Diese umfassen natürliche Salze und Farbstoffe, bioabbaubare Polymere, umweltfreundliche Halbleiter und ionische Flüssigkeiten, sowie grüne Lösemittel. Die umweltfreundlichen bzw. bioabbaubaren funktionellen Schichten der elektrochemischen optoelektronischen Bauteile werden hinsichtlich ionischer Leitfähigkeit, EC Kontrast & Effizienz, sowie Emission optimiert. Die EC Bauteile erreichen dabei Kontraste über 45 %, Kolorationseffizienzen über 237 cm²·C-1 und Schaltzeiten bis zu unter einer Sekunde. Auf der Grundlage der optimierten EC-Bauteile werden in einem weiteren Schritt im Tintenstrahldruckverfahren bioabbaubare tragbare Displays entwickelt. Diese Displays bestehen aus 33 individuell ansteuerbaren Einzelsegmenten und haben einen Bioabbaubarkeitstest von unabhängiger Seite gemäß ISO14855 bestanden. Die vorgestellten ECL-Bauteile weisen eine maximale Leuchtdichte von 108 mcd·m-² bei 5 V und 40 Hz auf und ermöglichen durch die Kombination mit den EC Bauteilen die Entwicklung umweltfreundlicher gedruckter Dual-Mode-Displays. Aufgrund der Bauteilarchitektur der Dual-Mode-Displays aus einer Kombination von EC und ECL Schichten können Informationen in Form von statischen Bildern in einem reflektiven und einem emissiven Modus angezeigt werden, welche über Schalten zwischen Wechsel- und Gleichspannung reversibel gewechselt werden können. Da zudem zukünftige Anwendungen im Bereich der Wearables und IoT mechanischer Spannung ausgesetzt sein werden, müssen elektrische Bauteile mit einer ausreichenden Dehnbarkeit entwickelt werden. Als Lösungsansatz, der einen Transfer etablierter Druckprozesse von flexiblen auf dehnbare Substrate ermöglicht, wird in dieser Arbeit eine dehnbare Plattform, aus festen Inseln, die über Brücken verbunden sind, vorgestellt. Dazu werden dehnbare und flexible Substrate über eine Silankopplung verbunden, um Inseln und Brücken zu formen. Es wird gezeigt, dass auf den Inseln und Brücken mittels Tintenstrahldruck aufgebrachte Elektroden und Bauteile vor mechanischer Belastung geschützt sind. Daher konnte das vorgestellte bioabbaubare, reflektive Display auf die dehnbaren Insel-Brücken-Plattformen übertragen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit heben die Möglichkeiten, die die organische Elektronik für dehnbare und gedruckte Display-Applikationen und zur Reduzierung der Menge des Elektroschrotts durch die Verwendung bioabbaubarer Materialien in elektronischen Bauteilen bereitstellt, hervor. Daher ist die Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung von im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten bioabbaubaren Displays und dehnbarer Elektronik im Hinblick auf eine zukünftige Markteinführung.
Abstract (englisch):
The growing markets of wearables and the Internet-of-Things (IoT), for which organic electronics can offer new possibilities in terms of weight, flexibility and tailored properties, require displays for their applications that are easy to manufacture, inexpensive, wearable and personalizable in order to share information with the user. Due to these requirements, digital printing technologies, such as inkjet printing, are particularly suitable for a successful market launch of such displays. However, it is foreseeable that the displays for these markets will contribute to the amount of e-waste and its environmental impact due to their short lifetime (i.e. ... mehrmedical hygiene regulations, packaging) and high consumption. Therefore, this work investigates the use of ecofriendly and biodegradable materials in electrochromic (EC) and electrochemiluminescent (ECL) devices to develop personalized biodegradable reflective displays and ecofriendly dual-mode displays fabricated by inkjet printing. The materials include natural salts and dyes, biodegradable polymers, environmentally friendly semiconductors and ionic liquids or green solvents. The ecofriendly or biodegradable functional layers of the electrochemical optoelectronic devices are optimized with respect to ionic conductivity, electrochromic contrast & efficiency and emission. The presented EC devices achieve contrasts above 45 %, coloration efficiencies above 237 cm2·C-1 and switching times down to less than one second. Based on the optimized EC devices, inkjet-printed biodegradable wearable displays are developed in a further step. These displays consist of 33 individually addressable pixels and passed an independently conducted biodegradability test according to ISO14855. The presented ecofriendly ECL devices show a maximum luminance of 108 mcd·m-2 at 5 V and 40 Hz and enable the development of inkjet-printed ecofriendly dual-mode displays by combining them with the EC devices. Due to the device architecture of the dual-mode displays made of a combination of EC and ECL layers, information can be displayed in the form of static images in a reflective and an emissive mode, which can be switched back and forth by changing between AC and DC voltages. Since future applications in the field of wearables or IoT require resistance to mechanical stress, electrical devices with sufficient stretchability need to be developed. Therefore, a stretchable platform, consisting of solid islands connected by bridges, that enables a transfer of established printing processes from flexible to stretchable substrates, is presented in this work. The platform is composed of a flexible and a stretchable substrate which are covalently bonded via silane coupling. It is shown that electrodes and devices deposited on the islands and bridges via inkjet printing are protected from mechanical stress. Finally, the presented biodegradable reflective display is transferred to the stretchable island-bridge platforms. The results of this work highlight the possibilities provided by organic electronics for stretchable and inkjet-printed display-applications and to actually reduce the amount of e-waste, by utilizing biodegradable materials in electronic devices. Therefore, the work is an important contribution in the development of inkjet-printed biodegradable displays and stretchable electronics with respect to a future market introduction.
