Forschenden gelingt Unglaubliches – sie drucken funktionsfähiges OLED-Display

3D-Drucker sind eine faszinierende Technologie, die in vielen Bereichen ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Ihre Entwicklung schreitet in einem enormen Tempo voran. Die Drucker werden immer schneller, ausgefeilter und können zum Teil ganz neue Dimensionen bewältigen. Die Herstellung ganzer Bauteile auf Knopfdruck ist keine Zukunftsvision mehr. Auch im Elektronikbereich haben Forschende schon erstaunliche Erfolge vollbracht, doch das Projekt der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der University of Minnesota Twin Cities erreicht in diesem Bereich noch einmal eine ganz neue Dimension: Dem Team ist es gelungen, ein flexibles organisches Leuchtdioden-Display (OLED) in 3D zu drucken. Beim anschließenden Test waren die Ergebnisse erstaunlich.

Diese Innovationen werden die Zukunft prägen

Kleiner 3D-Drucker statt großer Produktionsanlagen fürs OLED-Display

Bei einem OLED-Display dient eine organische Materialschicht dazu, Elektrizität in Licht umzuwandeln. Das Ergebnis sind digitale Anzeigen, die flexibel gestaltet werden können und im Alltag bereits weit verbreitet sind. Unter anderem werden sie für Fernsehbildschirme und Monitoren verwendet. Im kleineren Maßstab sind Smartphones mit ihnen ausgestattet. Ihre Vorteile liegen auf der Hand: Sie sind leicht, energieeffizient, dünn und flexibel. Gleichzeitig bieten sie einen breiten Betrachtungswinkel und ein hohes Kontrastverhältnis.

Die Produktion ist allerdings nicht ganz unaufwendig. „OLED-Displays werden in der Regel in großen, teuren und extrem sauberen Produktionsanlagen hergestellt“, sagt Michael McAlpine, Professor an der Fakultät für Maschinenbau der University of Minnesota. „Wir wollten herausfinden, ob wir all das vereinfachen und ein OLED-Display auf unserem Tisch-3D-Drucker drucken können.“ Tisch-Drucker ist dabei allerdings stark untertrieben. Denn es handelt sich natürlich nicht um ein handelsübliches Modell, sondern um eine Spezialanfertigung. Laut McAlpine habe das Gerät in etwa so viel gekostet „wie ein Tesla Model S.“

Zwei Verfahren für den 3D-Druck des OLED-Displays kombiniert

Vor der Entwicklung dieses 3D-Druckers hatte das Team mehrere ähnlich gelagerte Versuche gestartet, die jedoch alle nicht die gewünschten Ergebnisse brachten. Vor allem die Gleichmäßigkeit der Licht emittierenden Schichten stellte sich als schwierig heraus. Gute Displays gelangen in anderen Teams nur, indem sie weitere Verfahren zur Hilfe nahmen, etwa eine Rotationsbeschichtung (Spin Coating) oder die thermische Verdampfung.

Die Forschenden gingen daher einen neuen Weg und entschieden sich für zwei verschiedene Druckverfahren, um die sechs benötigten Schichten der Bauelemente zu drucken: Die Elektroden, die Verbindungen, die Isolierung und die Verkapselung druckten sie im Extrusionsverfahren, während sie die aktiven Schichten bei Raumtemperatur aufsprühten. Der Clou: Es gelang ihnen, beide Verfahren in dem Spezialdrucker zu kombinieren, sodass der Prototyp nur mit diesem einen Gerät hergestellt werden konnte. Das Displays war auf jeder Seite etwa 1,5 Zoll groß und hatte 64 Pixel.

OLED-Display im Funktionstest

Soweit die Theorie, entscheidend war aber der Praxistest, und der überraschte sogar die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Jedes Pixel funktionierte und zeigte Licht an. „Ich dachte, es würde etwas Gutes entstehen, aber doch kein voll funktionsfähiges Display“, sagte Ruitao Su, der das Projekt federführend begleitet hat. „Aber dann stellte sich heraus, dass alle Pixel funktionierten, und ich konnte den von mir entworfenen Text anzeigen.“

Wie gewünscht, sei das Display, das im 3D-Druck-Verfahren entstanden ist, flexibel. Zudem könne es in einem einkapselnden Material verpackt werden, weswegen es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sei. „Das Gerät zeigte eine relativ stabile Emission über 2.000 Biege-Zyklen hinweg, was darauf hindeutet, dass vollständig 3D-gedruckte OLEDs möglicherweise für wichtige Anwendungen in der Weichelektronik und für tragbare Geräte verwendet werden können“, sagt Su.

Tragbarer 3D-Drucker als Zukunftsvision

Als Nächstes wollen die Forschenden den 3D-Druck so anpassen, dass sie Displays mit höherer Auflösung und mehr Helligkeit produzieren können. „Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass wir dieses Verfahren innerhalb weniger Jahre auf einen kleinen tragbaren Drucker übertragen könnte, um alle Arten von Displays selbst zu Hause oder unterwegs zu drucken“, glaubt McAlpine.

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