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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung flächiger strukturierter Elektroden, wie sie insbesondere bei mehrschichtigen Aufbauten eingesetzt werden können. Solche Elektrodenstrukturen können insbesondere bei organischen Leuchtdioden (OLED's) oder organischen photovoltaischen Elementen (OSC's, OPV's) genutzt werden.
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Bei zahlreichen Anwendungen, bei denen eine flächige Elektrodenstruktur benötigt wird, ist deren Strukturierung/Unterbrechung eine Herausforderung, wenn die darunterliegenden Schichten/Materialien nicht beschädigt werden dürfen und eine Strukturierung durch Schattenmasken den Anforderungen nicht genügt. Wichtige Anwendungsgebiete für die Lösung dieses Problems sind OLEDs und organische Solarzellen/Solarmodule.
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Eine auf Lithografieprozessen basierende Lösung sind sogenannte Kathodenseparatoren, die bei der Herstellung von Passiv Matrix (PM) OLED-Displays zur Zeilenstrukturierung Verwendung finden.
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Die Verwendung von Elektrodenseparatoren kann in zahlreichen Variationen mit unterschiedlichen Zielen sinnvoll sein.
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So ist aus
DE 10 2010 013 755 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem die Herstellung solcher Separatoren mittels Fotolithographie auf einer speziellen, i. a. ganzflächig auf das Substrat aufgebrachten Lackschicht, die auch als Fotoresist bezeichnet wird, erfolgt. Im Stand der Technik wird zur Strukturierung häufig eine Schutzmaske auf ein angreifbares Material aufgebracht, um das Lösen des angreifbaren Materials mit einem Lösungsmittel zu unterbinden. Dies ist jedoch sehr aufwändig und erfordert ein Lithografie-verfahren mit vielen einzelnen durchzuführenden Verfahrensschritten.
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Bei der aus
DE 10 2010 013 755 A1 bekannten technischen Lösung wird das Verfahren vereinfacht, indem zwei Polymere/Resiste strukturiert aufgebracht werden und das zuerst aufgebrachte Material durch einen Ätzschritt angreifbarer für ein Ätzmittel ist, als das darüber liegende. Zurück bleibt eine im Querschnitt „Pilzartige”-Struktur, an deren Flanke die Elektrode abreißt. Als Herstellungsverfahren werden z. B. Ink-Jet-, Flexo-, Sieb- oder Gravurdruck vorgeschlagen. Dabei gibt es aber einige wesentliche Nachteile.
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Entweder sind aufwändige Litografieprozesse erforderlich, oder bei den herkömmlichen Druckverfahren ist deren Auflösungsvermögen und Zuverlässigkeit begrenzt. Im letztgenannten Fall wird ein angreifbares Material auf das Substrat strukturiert aufgebracht und dessen Oberflächenbereich wird durch gerichtete Bestrahlung mit Ausnahme der seitlichen Kanten für einen späteren Ätzschritt unangreifbar gemacht. Nach dem Ätzschritt bleibt unter dem „unangreifbaren” Oberflächenbereich ein schmalerer Steg des angreifbaren Materials übrig.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2011 106 390 A1 ist es bekannt auf einem Substrat mindestens eine eine Elektrode bildende elektrisch leitende Schicht flächig auszubilden. Auf dieser elektrisch leitenden Schicht ist ein organischer Ein- oder Mehrschichtaufbau, mit dem die Funktionalität bestimmt wird, und auf dem Ein- oder Mehrschichtaufbau ist eine weitere elektrisch leitende Schicht zur Ausbildung mehrerer weiterer Elektroden ausgebildet.
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Die Elektroden, die mit der weiteren elektrisch leitenden Schicht ausgebildet werden, sind durch jeweils mindestens ein elektrisch isolierendes Element voneinander getrennt. Dabei können elektrisch isolierende Element direkt auf der Oberfläche der Elektrode und/oder der Oberfläche des Substrats aufgebracht sein. Im Fall dass ein elektrisch isolierendes Element auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und die elektrisch leitende Schicht nach dem Ausbilden elektrisch isolierender Elemente aufgebracht wird, kann auch eine Trennung in mehrere Elektroden, die auf der Substratoberfläche ausgebildet sind, erreicht werden. Das eine oder mehrere elektrisch isolierende Elemente weisen eine Höhe und Breite auf, die über die weitere elektrisch leitende, die weiteren Elektroden bildende Schicht soweit übersteht, dass es beim Ausbilden der weiteren elektrisch leitenden Schicht ohne Weiteres zu einem Abriss der weiteren elektrisch leitenden Schicht im oberen Kantenbereich kommt und dadurch die weitere Schicht in die einzelnen Elektroden segmentiert ist.
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Das Aufbringen elektrisch isolierender Elemente kann dabei durch Druckverfahren, insbesondere dem Aerosoljet-Drucken erfolgen. Es werden geeignete pastöse Stoffe eingesetzt, um isolierende Elemente mit einer Linienbreite um 20 μm mit gleichzeitig einer Höhe in der gleichen Dimension auf einer Substratoberfläche ausbilden zu können. Dieser Auftrag ist aufwändig und es muss eine konstante Konsistenz der Druckpaste eingehalten werden.
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In
WO 2007/135603 A1 sind Möglichkeiten zum elektrischen Trennen von leitenden Lagen an OLED's beschrieben.
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US 2011/0248219 A1 betrifft die Herstellung feiner Leiterstrukturen an OLED's mit Lift-off-Technik.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für die Herstellung flächiger strukturierter Elektroden anzugeben, mit denen diese einfacher und mit geringerem Aufwand ausgebildet werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 anwendet, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der Erfindung wird auf die Oberfläche eines Substrats mit einer ersten Schicht versehen, die aus einem mit einem Dickschichtverfahren aufgebrachten druckfähigen Material besteht, wobei eine Schichtdicke von 50 nm bis zu 20 μm eingehalten werden soll. Anschließend erfolgt ein Werkstoffabtrag mit einem Laserstrahl, bei dem in der Schicht eine grabenförmige Vertiefung ausgebildet wird. Dabei soll ein steiler Flankenwinkel mit den Seitenwänden der Vertiefung ausgebildet werden, der ausreicht um eine elektrische Potentialtrennung für mindestens eine in einem folgenden Verfahrensschritt als weitere Schicht auf die erste Schicht aufgebrachte Schicht, die eine Elektrode bildet, zu erreichen.
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Dabei sollte die erste Schicht eine Schichtdicke im Bereich zwischen 50 nm und 20.000 nm aufweisen. Die Schichtdicke sollte über die gesamte Fläche möglichst konstant gehalten sein. Die weitere Schicht, die eine Elektrode bildet kann eine Schichtdicke im Bereich zwischen 10 nm und 500 nm aufweisen. Diese Schichtdicke hängt im Wesentlichen von der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffs, der für die weitere Schicht eingesetzt wird, ab. Sie kann dabei bei größerer elektrischer Leitfähigkeit kleiner als bei kleinerer elektrischer Leitfähigkeit sein. Bei der jeweiligen Schichtdicke für eine weitere Schicht kann auch eine Berücksichtigung der optischen Transparenz eine Rolle spielen, die eine Begrenzung in Richtung der maximal möglichen Schichtdicke darstellen kann. So können bzw. müssen weitere Schichten aus Metall dementsprechend eine kleinere Schichtdicke aufweisen, als Schichten die mit elektrisch leitenden und optisch transparenten Oxiden (TCO's) hergestellt sind.
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Auf einer weiteren Schicht kann ein herkömmlicher Mehrschichtaufbau, wie er bei OLED's oder organischen photovoltaischen Elementen üblich ist, aufgebracht werden.
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Bei der Herstellung solcher organischer optoelektronischer Elemente werden kontinuierlich arbeitende Verfahren, wie ein Beschichten von Rolle zu Rolle oder auch Inline-Beschichtungsverfahren, eingesetzt. Es kann aber auch mit so genannten Clusteranlagen gearbeitet werden, bei denen das zu beschichtende Substrat während der Beschichtung rotiert, um eine möglichst homogene Beschichtung über die beschichtete Fläche zu erhalten. In beiden Fällen kann die elektrische Potentialtrennung im Bereich der Vertiefung noch verbessert werden, indem der Schattenwurf eines Separators in der Dampfkeule genutzt wird. Dies kann besonders an den oberen Kantenbereichen der grabenförmigen Vertiefung ausgenutzt werden, wenn der Einfallswinkel entsprechend in Bezug zu den geneigten Seitenwänden einer Vertiefung gewählt worden ist, kann lediglich ein kleiner Teil der Vertiefung im oberen Kantenbereich einer Vertiefung mit elektrisch leitendem Werkstoff, der die weitere Schicht bildet, beschichtet werden. Große tieferliegende Flächenbereiche der Seitenwände der Vertiefung bleiben so unbeschichtet und bilden eine elektrische Isolation.
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Dieser Effekt kann bei Inline-Anlagentechnik durch geeignete Anordnung von Verdampferquelle zum Separator und auch zu einer ausgebildeten Vertiefung mit geeignetem Winkel und bei Clusteranlagen durch Verzicht auf eine Bewegung, bevorzugt eine Drehbewegung, des zu beschichtenden Substrats erreicht werden.
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Der Flankenwinkel der Seitenwände von Vertiefungen sollte bei mindesten 75° liegen, wobei der jeweilige Flankenwinkel in Abhängigkeit der Tiefe und Breite einer Vertiefung liegen kann, um eine sichere elektrische Trennung zu erreichen. So kann der Flankenwinkel bei tieferen und schmaleren Vertiefungen kleiner sein. Eine Mindestbreite ist jedoch ein zu halten, damit eine Überbrückung in Folge nachfolgend aufzubringender Schichten vermieden werden kann, die den Spalt vollständig, zumindest aber zum größten Teil ausfüllen würden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 in schematischer Form ein Beispiel einer Elektrodenausbildung, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten worden ist.
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Auf ein Substrat 4, das aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht, wurde mittels eines Druckverfahrens, z. B. Siebdruck eine erste Schicht 3, die aus einem dielekrischen Werkstoff gebildet war, mit einer Schichtdicke von 10 μm aufgebracht. Diese erste Schicht 3 wurde anschließend getempert, um eine ausrechende Festigkeit zu erreichen.
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Mit Druckverfahren können Schichtdicken im Bereich 1 μm bis 100 μm, bevorzugt mit ca. 10 μm aufgebracht werden.
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Mit einem Laserstrahl wurde die erste Schicht 3 strukturiert, in dem eine grabenförmige Vertiefung 5 durch Werkstoffabtrag ausgebildet wurde. Der Verlauf einer Vertiefung 5 kann dabei geradlinig aber auch beliebig entlang der Oberfläche ausgebildet werden, je nach dem wie die Strukturierung für ein gewünschtes Layout eines optoelektronischen oder ggf. eines anderen Elements gewünscht worden ist.
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Die Vertiefung 5 hatte dabei eine größere Tiefe als Breite. Die Tiefe kann bis zur Oberfläche des Substrats 4 reichen, also maximal 10 μm betragen. Die Breite der Vertiefung 5 ist hier größer und liegt bei diesem Beispiel bei 50 μm. Dabei sollte eine steile Flanke an der Innenwand der Vertiefung 5 eingehalten sein, um eine Überbrückung zu vermeiden.
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Bei einer minimalen Dicke einer Schicht 3, sollte eine Breite für Vertiefungen 5 von mindestens 3 μm eingehalten sein, um ein „Zuwachsen” bei nachfolgender Beschichtung zu vermeiden.
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Wegen der schematischen Darstellung ist in 1 ein Flankenwinkel der Seitenwände der Vertiefung von 90° gezeigt. Bei der Ausbildung einer Vertiefung 5 mit einem Laserstrahl ist ein solcher Flankenwinkel nicht oder nur sehr schwer zu erreichen. Je nach Strahlgüte verjüngt sich eine Vertiefung 5 ausgehend von der Oberseite in Richtung Substrat mehr oder weniger, so dass kleinere Flankenwinkel realistisch sind. Steile Flankenwinkel bis nahezu 90° lassen sich mit so genannten „Top-Hat-Lasern” erhalten.
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Nach der Ausbildung einer oder mehrerer Vertiefungen 5 wird mindestens eine weitere Schicht 2 aufgebracht. Im in 1 gezeigten Beispiel ist dies eine Elektrodenschicht aus elektrisch leitfähigem Werkstoff. So werden zwei elektrisch durch die Vertiefung 5 sicher voneinander getrennte Elektroden 1 und 2 ausgebildet.
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Es kann auch ein Mehrschichtaufbau, mit mindestens einer weiteren Schicht 2, die Elektroden bildet, entsprechend nach der Ausbildung von Vertiefung(en) 5 aufgebracht werden.
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Beim Aufbringen eines Mehrschichtaufbaus kann mit herkömmlichen Schattenmasken eine Strukturierung berücksichtigt werden.
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Ein solcher Mehrschichtaufbau kann auch eine Deck- oder Topelektrode aufweisen, die als oberste Schicht ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff abgeschieden worden ist.
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Auch hierfür ist eine elektrische Trennung dieser Elektroden mittels der einen oder mehreren Vertiefungen 5 möglich, da die Vertiefung einen ausreichend breiten und tiefen Spalt bildet, der bei geeigneter Verfahrensführung für die Beschichtung nicht vollständig ausgefüllt werden kann.
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Als elektrisch leitfähiger Werkstoff, für die Ausbildung von Elektroden können Metalle, wie z. B. Ag, Al, Ca, Mg, Ba, Li, Au, Cu, Pt, Yb, Pd oder auch Legierungen davon, oder elektrisch leitfähige Oxide (TCO's), wie z. B. ITO, AZO, FTO eingesetzt werden. Bei deren Beschichtung können Bereiche des Substrats 4, die mit Vertiefungen 5 versehen sind, mittels Schattenmasken in herkömmlicher Weise geschützt werden.
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Bei der Erfindung können mehrere Parameter genutzt werden, um die Wirkung und Strukturierung von Elektroden zu beeinflussen. So kann einmal die Schichtdicke der ersten Schicht 3 eingestellt werden. Zum anderen sind die Breite und Tiefe von Vertiefungen 5 wählbar. Die Tiefe sollte dabei größer als die Breite, auch am oberen Rand der Vertiefung sein.
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Die Ausbildung und Dimensionierung der Vertiefungen kann auch unter Berücksichtigung der Stoffe mit denen ein Mehrschichtaufbau ausgebildet wird, gewählt werden. Dabei spielt das Abrissverhalten an den oberen Kanten der Vertiefung 5 dieser Stoffe eine Rolle. Reißen sie leicht ab, kann eine schmalere und nicht so tiefe Ausbildung von Vertiefungen ausreichen, bei zähen und dehnfähigen Stoffen, die ein gutes Kriechverhalten aufweisen können schmalere und tiefere Vertiefungen 5 ausgebildet werden.
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Für viele Anwendungen ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit der strukturierten Elektroden 2 gewünscht. Die häufig aus elektrisch leitfähigen Oxiden, wie den TCO's gebildeten Elektroden weisen einen höheren elektrischen Schichtwiderstand auf, als dies bei Metallen der Fall ist. Daher können die Linien/Flächen, die später als Träger für Vertiefungen 5 dienen sollen, aus Metall bzw. metallhaltigen Pasten bestehen, die die elektrische Leitfähigkeit verbessern. Sie können als Busbar bzw. als eindimensionales Gitter wirken.
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Als Separator für Elektroden können prinzipiell auch metallische Dickschichten, beispielsweise aus Ag, genutzt werden. Solche metallischen Schichten können durch eine Sauerstoffbehandlung oxidiert und dadurch elektrisch isolierend gemacht werden. Dies kann auch mittels elektrochemischer Behandlung erreicht werden. Eine elektrische Passivierung von Metallseparatoren für Elektroden ist auch durch Nutzung von ALD und SAMSs möglich.
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Flächige erste Schichten 3 in die Vertiefungen 5 mittels Laserstrahl ausgebildet werden können, können auch als Auskoppel- oder Einkoppelschicht wirken, in dem der optische Brechungsindex angepasst wird und/oder elektromagnetische Strahlung streuende Partikel eingesetzt werden. Dabei können auch Mehrschichtsysteme mit optischen Brechungsindexgradienten eingesetzt werden.
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Erste Schichten 3 können porös, als Dickschichten ausgebildet werden. Deren Poren verbessern eine Auskopplung elektromagnetsicher Strahlung. Sie lassen sich auch leichter mittels Laserstrahlung strukturieren. Bei diesen porösen Schichten ist auch die Oberfläche im Flankenbereich größer, wodurch die Separation vereinfacht werden kann.
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Es können zwei und mehr Elektroden, z. B. einer OLED sowie eines OLED-Schichtstapels darüber strukturiert ausgebildet werden. Bei mehr als zwei ausgebildeten weiteren Schichten 2, die Elektroden bilden, können mehrere OLED's oder eine Kombination von OLED mit mindestens einem organischen photovoltaischen Element übereinander ausgebildet werden und einen Schichtstapel bilden. Es ist auch eine Anwendung bei an den Rückseiten kontaktierten Displays möglich. Außerdem kann die Zuverlässigkeit erhöht werden, da keine Kanteneffekte (Zäune) durch eine Anodenstrukturierung mittels Laserstrahlung erforderlich ist.