Fraunhofer-institutet bygger belysningspaneler enligt metoden rulle-till-rulle. Det är en polymerteknik för elektroluminescerande paneler som är effektsnåla och som kan tillverkas till låga kostnader.
Hela artikeln i PDF-format.
Plastfolier tilldrar sig sedan länge elektronikernas intresse. Man räknar med att kunna tillverka flexibla kretar av folierna, och målet är att man vid tillverkningen samtidigt i så hög grad som möjligt även skall kunna trycka de ingående komponenterna. Typiska exempel är RFID-”taggar”, men även andra produkter kan dra nytta av metoden.
Plastfolier lämpar sig väl för användning vid massproduktion av elektroniska system eftersom de på samma sätt som en tidning kan tryckas från rulle till rulle. Fraunhofer Gesellschaft har därför sedan länge en avdelning för polytroniska system vid Institutet för Tillförlitlighet och Mikrointegration (IZM) i München. Här tar man fram effektiva och kostnadsgynnsamma tillverkningsmetoder för polymerelektronik. Rulle-till-rulle-metoden har här utvecklats till prototypstadiet.
Men förutom RFID-taggarna går det också att tillverka helt andra elektroniska system med hjälp av polymer-elektronik. Nyligen demonstrerade institutet för första gången ett sådant, nämligen en ljuspanel som utvecklats och tillverkas som en rulle-till-rulle-produkt.
Vi har talat med dr Karlheinz Bock, som är chef för avdelningen för polytroniska system:
– När laboratoriet för några år sedan såg över sin inriktning fick vi intrycket en satsning främst på flexibla elektroniska kretsar framställda med rulle-till-rulle-tryckteknik. Nu visar ni och era medarbetare upp ljusfolier framställda på detta vis. Har ni ändrat inriktning?
– Inte alls! Vi trodde i början att vi skulle kunna realisera alla slags tekniska kopplingar inom elektroniken med rulle-till-rulle-metoder. Flera utvecklingsresultat föreligger ju redan. Ett exempel är sensorteknik, för vilken vi har utvecklat en egen folietransistor. Men vi vill inte bara tillverka separata komponenter, utan hela ”Low-Cost”-elektroniksystem. Och för det krävs att vi har alla funktioner som man kan tänkas behöva, som presentation, mätning och analys. Och detta gäller inte bara för ”dagens” elektronik, utan också för kommande teknologier som biodiagnostik och mikrofluidik. Här måste man koppla samman subsystem med varandra för att bygga upp omfångsrika polytroniska system, se fig 1. Först då har vi löst vår uppgift.
– Kan ni ge något konkret exempel på hur långt ni kommit?
– Ett exempel är biochip, med hjälp av vilka vi kan visa på förekomsten av vissa antikroppar i blod. På så sätt gör man det möjligt att skriva ut rätt medicin, t ex för att lindra besvären vid artros. Med de vanliga analysmetoder som används i laboratorierna idag får man fram resultaten först efter tre dagar. Men patienten har ju ont nu, så man behöver få fram svaret inom en timme för att kunna hjälpa honom. Men alla mediciner mot artros har inte samma verkan. Ett medel som passar för en viss typ av artros kan vara värdelöst för en annan typ, eller rent av förstärka smärtorna. Vi arbetar med att minska dagens analyssystem och realisera en framtidslösning baserad på ett sådant polytroniskt system.
– Låt oss återvända till vårt ursprungliga tema: utvecklandet av en lysande folie som tillverkas i ett rulle-till-rulle-förfarande. Hur fungerar en sådan ljuspanel och vilka fördelar och nackdelar ger den elektroluminiscens som ni använder?
– Med det belysningssystem som vi realiserat här vill vi visa att även ljusfunktioner kan framställas med ett rulle-till-rulle-förfarande. Med hjälp av elektroluminiscens går det generellt att realisera effektsnåla belysningssystem. Den ljuskvalitet som man idag kan uppnå med folier är dock inte så användbar för dagens behov. Snarare får man fram signalfärger. Men om man anbringar lämpliga EL-pastor mellan två glasplattor, på vilka man dessförinnan lagt på en lämplig struktur av kopparledningar, kan man få EL-pastan att lysa genom att lägga på en växelspänning på 40 till 60 V med en frekvens mellan 80 Hz och 1 kHz. Elektroluminiscensen drar lite ström, och de EL-pastor som finns tillängliga idag kan med hjälp av mikroinkapsling göras okänsliga för yttre påverkan. Härigenom har vi uppnått två stora fördelar jämfört med den konkurrerande OLED-tekniken.
Dessa kräver nämligen höga strömmar, och de är känsliga för väte och syre.
– Vad ytterligare har Fraunhofer-institutet gjort?
– Vi ville realisera sådana lysande strukturer på PET-plast och fortlöpande tillverka dessa – liksom andra elektronikkretsar – i ett rulle-till-rulle-förfarande. Vi har tillverkat ungefär hundra löpmeter EL-struktur i laboratoriet, se fig 2, och använt dessa till stora paneler, se fig 3. Panelerna har vi placerat som nattbelysning på Fraunhofer Gesellschafts höghus, och till jul bildade de en stiliserad julgran. Vi behövde bara omkring 20 W per panel. Med en konventionell belysning hade vi behövt använda mycket högre effekt.
– Och hur uppstår ljuseffekten?
– Zinkoxiden i EL-pastan har dopats med joner. Om man lägger på ett elektriskt växelfält över materialet lyfts laddningsbärarna först upp till en högre orbitalnivå. Om man sedan kopplar bort fältet faller laddningsbäraren tillbaka till den ursprungliga nivån och avger den frigjorda energin i form av fotoner. Man pumpar alltså först in energi, och låter den sedan bokstavligen ”stråla ut”. Om detta sker tillräckligt snabbt uppfattar ögat inte längre variationerna i ljusstyrka, utan får intrycket av en kontinuerlig ljuskälla.
– Hur ljuspanelen är uppbyggd?
För panelens egentliga funktion behöver man fem trycksteg. Härtill krävs ett metalliseringsplan av ledande silverpasta som fungerar som elektrod, och ovanpå krävs ett isolerande laminatskikt. Totalt krävs alltså sju trycksteg som utförs i screentryck. Allt efter typ använder man ett eller två skikt av denna EL-plast, och därtill krävs ytterligare en elektrod. Denna måste dock vara genomskinlig för den önskade ljusutstrålningen, och därför använder man indiumzinkoxid på laboratoriet.
Vid screentrycket använder man strukturer med minst 200 µm storlek. Det går att åstadkomma mindre strukturer, men detta behövs inte för ljuskällor. För anpassningen mellan maskerna gäller en tolerans som idag är 200 µm. För att uppnå detta använder man riktmärken på kanten av rullen, med hjälp av vilka de olika tryckmaskerna orienteras i förhållande till det första skiktet. Detta är samma metod som används vid tillverkning av tryckta kretsar.
Det första skiktet trycks med silverpasta. Man skulle också ha kunnat använda vanlig kretskortsteknik här. Även för uppbyggnaden av de övriga skikten är screentryck den lämpligaste metoden, eftersom bläckstråleskrivare är för långsamma vid så stora ytor. Först när man behöver strukturer som ligger klart under den upplösning som screentrycket medger måste man sätta in bläckstråletryck. Men då finns det säkert blandtekniker, där man tar fram större strukturer med screentryck och finare med bläckstråle.
– Hur stora ytor klarar ni att bearbeta vid laboratoriet?
– Med den utrustning som IZM vid Fraunhofer Institut har idag klarar vi att trycka ca 120 löpmeter per timme. Om man översätter detta till användbar yta får man omkring 20 till 25 kvadratmeter per timme. Om man använde en trumma istället för en platt maskin för litografin skulle man kunna öka hastigheten ytterligare. Screentryck med stora trummor har en kapacitet som är flera gånger högre.
– Några andra intressanta frågor är hur stor verkningsgrad man uppnår jämfört med andra ljuskällor, liksom om man kan modifiera färgerna. Och hur lång är den genomsnittliga livslängden?
– På grund av panelernas typiska linjespektra ligger ljusstyrkan vid mörker kanske 2 till 2,5 gånger högre än hos konventionella ytstrålare vid samma energiförbrukning. Med de EL-pastor som står till förfogande finns det naturligtvis också andra färger. Till en viss grad kan färgen hos en pasta påverkas med hjälp av frekvensen. I det frekvensområde som vi använder, 400 till 800 Hz, förändras färgen mellan grönt och blått. Amplituden hos den pålagda spänningen har ingen inverkan på färgen, utan styr bara ljusstyrkan. Samma sak gäller för skikttjockleken hos den pålagda EL-pastan.
Viktigt för oss är att konstruktionen kan skalas i godtycklig grad. Man skulle alltså kunna belysa en hel vägg, vilket kanske kunde vara av intresse för teaterscener och för arkitektonisk gestaltning. Vi ser också helt andra användningsområden. Det finns redan väskor och ryggsäckar som försetts med lysande EL-remsor. Och för innertaket i lyxbilen Maybach används också en sådan EL-ljuspanel.
Livslängden är svår att definiera för en optisk tillämpning. Halvvärdestiden, d v s den tid som det tar för ljusstyrkan att halveras, anger vi till minst 3 000 timmar. Men det går, beroende på ljusstyrkan, att uppnå 10 000 timmar. Det verkligt charmiga med dessa paneler är dock att de är billiga att tillverka!
Delano L. Klipstein
15%
18%
18%
31%
11%
7%
