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Brillante Farben, herausragende Bildqualität, hohe Effizienz: OLED-Displays verfügen über bestechende Vorteile, ob für Smartphones oder große TV-Geräte. Bislang ist die Herstellung noch aufwändig und kostspielig. Doch innovative Druckverfahren, an denen Merck seit einigen Jahren intensiv forscht, sollen schon bald ein „leuchtendes Zeitalter“ einläuten.

OLEDs drucken: Die OLED-Substanzen (Polymere, niedermolekulare Verbindungen) werden gelöst und als Tinte über einen Druckkopf auf einen Glasträger aufgetragen. Eingebettet zwischen Anode und Kathode werden die organischen Moleküle elektrisch angeregt und erzeugen Licht.

Gestern noch die Zukunft, heute schon von vorgestern – die Elektronikindustrie ist innovationsstark und schnelllebig. Doch nun kommt das nächste „große Ding‟ in der Displaytechnologie, dem Experten enormes Potenzial prophezeien: Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, dürften die Märkte schon bald in den unterschiedlichsten Anwendungen erobern. In den Displays vieler Mobiltelefone entfalten sie bereits ihre Strahlkraft. Und auch in den ersten TV-Geräten sorgen sie für ein farbenprächtiges und kontraststarkes Fernseherlebnis. Bei der künftigen multimedialen Nutzung von OLED-Displays sind der Fantasie kaum Grenzen gesetzt: transparente Bildschirme, magisch leuchtende Häuser, Wände und Fenster, riesige Anzeigetafeln und Verkehrsleitsysteme sowie flexible Displays, die sich biegen, falten und rollen lassen. Designer schwärmen bereits von den vielfältigen Möglichkeiten der filigranen Lichtkacheln. Und auch die Automobilindustrie zeigt reges Interesse am Einsatz von OLEDs, zum Beispiel als Rückleuchten.

Leuchtendes Beispiel

Doch was macht OLEDs so zukunftsträchtig? „Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die halbleitenden, organischen Materialien unter elektrischer Spannung selbstständig leuchten‟, erklärt Herwig Buchholz, Leiter der chemischen Forschung und strategischen Entwicklung für die OLEDs bei Merck. „Im Gegensatz zu Flüssigkristallbildschirmen kommen OLEDs ohne Hintergrundbeleuchtung aus und die Displays können sehr dünn gestaltet werden.‟ Jedes einzelne der Millionen Pixel eines hochauflösenden TV-Bildschirms besteht aus jeweils einer Leuchtdiode in Rot, Grün und Blau. Während Flüssigkristalle (englisch „Liquid Crystals‟ oder LCs) als schaltbare Filter wirken und auch im Dunkeln noch etwas Licht durchlassen, produzieren OLEDs farbiges Licht nur bei Ansteuerung. So entstehen aus jeder Perspektive des Betrachters äußerst kontrastreiche, scharfe und farbenfrohe Bilder mit sehr schnellen Reaktionszeiten. Weitere Vorteile der organischen Leuchtdioden sind ihre lange Lebensdauer und ihre hohe Energieeffizienz.

Teurer Dampf

Warum sind OLEDs dann nicht längst weltweiter Standard? Zum einen genügen die seit Langem weltweit etablierten Flüssigkristalle, bei denen Merck Markt- und Technologieführer ist, den ständig steigenden Qualitätsansprüchen. Zum anderen liegt das Problem in der bislang noch sehr aufwändigen und teuren Produktion von OLEDs. Für jede Diode werden mehrere hauchdünne Materialschichten punktgenau und in winzigen Portionen auf eine Glasplatte aufgetragen. Je dichter die Dioden beieinander liegen, desto höher ist die Auflösung des Displays. Mit dem derzeit vorherrschenden Beschichtungsverfahren werden die OLED-Materialien mittels einer Metallschablone aufgedampft und abgeschieden. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach mit wechselnden Materialien und Schablonen. Ein großer Nachteil dieses Prozesses sind die hohen Kosten und die geringe Materialausnutzung. Mehr als die Hälfte der OLED-Materialien geht beim Abscheiden verloren. Und schließlich fällt auch die Energie- und Umweltbilanz dieser Methode eher bescheiden aus. „Für die Massenproduktion großflächiger OLED-Displays ist das Aufdampfverfahren aus technischen und finanziellen Gründen nicht gut geeignet‟, sagt Anja Jatsch, verantwortlich für die Formulierungsentwicklung der OLED-Drucktinten. „Unsere Kunden verwenden heute für TV-Geräte ein Verfahren, das weiße OLEDs mit Farbfiltern kombiniert. Damit lassen sich für großflächige TV-Geräte sehr gute Ergebnisse erreichen.‟

Masse und trotzdem Klasse

Der Schlüssel zum zukünftigen Erfolg ist eine innovative Drucktechnologie, an der Merck seit einigen Jahren intensiv forscht. Die Pionierleistung besteht aus der Kombination der Vorteile von zwei unterschiedlichen Materialklassen – dem Aufdrucken von Lösungen aus kleinen Molekülen und halbleitenden Polymeren. Kleine lösliche Moleküle erhöhen die Beschichtungseffizienz deutlich, das Druckverfahren ermöglicht die Beschichtung großer Flächen mit hoher Homogenität und geringem Materialverbrauch.

Links: OLED-Testsubstrat
Rechts: Die Merck-OLED-Forscher Herwig Buchholz, Leticia Garcia Diez, Remi Anemian und Anja Jatsch im Projektgespräch (von links nach rechts)

„In unseren internationalen und interdisziplinären Teams kommen unterschiedliche Kulturen und Arbeitsweisen zusammen. Das schafft ein hoch innovatives und stimulierendes Umfeld. Zusammen mit unserer Begeisterung für die Entwicklung neuer Technologien trägt dies entscheidend zum Erfolg unserer Produkte bei.“

Herwig Buchholz, Global Head of R&D OLED Chemistry and Strategic Developments

Anja Jatsch, Leiterin des Formulierungslabors, bei der Herstellung einer OLED-Drucktinte.

„Mit der Nutzung der Tintenstrahltechnologie rückt die massentaugliche Herstellung großer OLED-Fernseher in greifbare Nähe.“

Anja Jatsch, Project Manager OLED Formulation

„Mit der Nutzung der Tintenstrahltechnologie rückt die massentaugliche Herstellung großer OLED-Fernseher in greifbare Nähe‟, so Jatsch. Um den Innovationsprozess bei der Verwendung von Inkjet-Drucktinten voranzutreiben, kooperiert Merck seit Oktober 2012 eng mit Seiko Epson. Der japanische Konzern zählt zu den weltweit führenden Druckerherstellern. „Gemeinsam arbeiten wir daran, unsere hochwertigen OLED-Materialien in Drucktinten umzuwandeln, die mit Inkjet-Drucksystemen aufgebracht werden‟, sagt Leticia Garcia Diez, bei Merck verantwortlich für die weltweite Technologieentwicklung der OLED-Tinten. Die Anforderungen an die Tinten sind sehr hoch: Nach der Formulierung der OLED-Materialien müssen sie sich schnell, fehlerfrei und in herausragender Qualität drucken lassen – in riesigen Druckern mit einer Vielzahl an Druckköpfen.

Remi Anemian vor einem interaktiven Spiegel mit OLED-Beleuchtung.

Grenzenloser Teamgeist

Schritt für Schritt optimieren die Wissenschaftler derzeit die OLED-Tinten auf ihre elektro-optischen Eigenschaften, die Tropfen- und Filmbildung, das Drucken von mehreren übereinander liegenden Schichten und die Anpassung an die Druckköpfe.Diese Herausforderungen meistert ein weltweit tätiges Team aus Chemikern, Physikern, Ingenieuren und Materialwissenschaftlern. Nicht zuletzt nutzen auch die Marketingexperten von Merck bereits ihre guten bestehenden Kontakte, die sie aus dem Flüssigkristallgeschäft zu ihren Kunden, den Displayherstellern, haben. Denn schließlich sollen die
OLED-Tinten in speziellen Kartuschen schon bald weltweit vermarktet werden. „In unseren internationalen und interdisziplinären Teams kommen unterschiedliche Kulturen und Arbeitsweisen zusammen‟, sagt Herwig Buchholz. „Das schafft ein hoch innovatives und stimulierendes Umfeld. Zusammen mit unserer Begeisterung für die Entwicklung neuer Technologien trägt dies entscheidend zum Erfolg unserer Produkte bei.‟

Organisch wachsen

Merck ist bereits heute in dem Markt für OLED-Materialien sehr gut positioniert. Dass Merck auch fest an den künftigen Erfolg der organischen Leuchtdioden glaubt, unterstreichen die hohen Investitionen des Unternehmens an mehreren Standorten: „So arbeiten wir zum Beispiel in Korea in unserem neuen Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungslabor eng mit wichtigen Kunden zusammen. Neben der ständigen Weiterentwicklung der Materialien für die heutigen Beschichtungsverfahren laufen spannende Pilotprojekte zum Einsatz der Druckverfahren auf großen Produktionsanlagen, erste Markteinführungen für gedruckte OLED-Bildschirme bereits im Jahr 2017 sind denkbar‟, sagt Remi Anemian, verantwortlich für das globale technische Marketing der OLEDs. Und in Darmstadt hat Merck im Juni 2015 den Grundstein für eine neue Produktionsanlage gelegt. In dem rund 2.000 Quadratmeter großen Gebäude sollen ab Sommer 2016 hochreine OLED-Materialien zur Anwendung in Bildschirmen und Beleuchtungssystemen hergestellt werden. Mit einer Investition von rund 30 Mio Euro stärkt das Unternehmen weiter seine Position in dem aussichtsreichen Geschäft. Das Ziel ist hoch gesteckt: Bis zum Jahr 2018 will Merck auch bei druckbaren OLED-Materialien der weltweit führende Anbieter sein.