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Oberflächentechnik Ultradünne transparente Lacke ohne Defekte

| Redakteur: Beate Christmann

Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das Fehler beim Auftrag extrem dünner und transparenter Lackschichten auf ebenfalls transparente Folienbänder frühzeitig sichtbar machen soll. Ein Inline-Detektionssystem, das mit Fluoreszenzfarbstoffen arbeitet, soll Produktionsfehler verhindern sowie die Echtheit fluoreszenzmarkierter Materialien belegen können.

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Mit dem neuen Inline-Detektionssystem der Fraunhofer-Allianz Polo sollen Verkapselungsfolien für flexible organische Leuchtdioden (OLEDs) künftig ohne Defekte hergestellt werden.
Mit dem neuen Inline-Detektionssystem der Fraunhofer-Allianz Polo sollen Verkapselungsfolien für flexible organische Leuchtdioden (OLEDs) künftig ohne Defekte hergestellt werden.
(Bild: Fraunhofer-IAP)

Organische Leuchtdioden (OLEDs) oder Solarzellen lassen sich im Vergleich zu ihren anorganischen Äquivalenten kostengünstiger produzieren, sind jedoch gleichzeitig wesentlich empfindlicher. Ein besonderer Schutz ist nötig, um die Lebensdauer der Dünnschichtbauelemente zu erhöhen. Dazu hat die Fraunhofer-Allianz Polymere Oberflächen Polo eine Ultrabarrierefolie entwickelt. Sie soll die Materialien langanhaltend vor Sauerstoff und Wasserdampf schützen.

Barrierelack unter 1 µm dünn

Eine wichtige Schicht der Folie bildet ein extrem dünner und transparenter Barrierelack, bestehend aus dem Hybridpolymer Ormocer. Er wird im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf eine ebenfalls transparente Folie aufgetragen. Dabei muss die Lackschicht an allen Stellen exakt gleichmäßig dünn sein und unter 1 µm liegen. Keine leichte Aufgabe: Da sowohl Lack als auch Folie einen sehr ähnlichen Brechungsindex aufweisen, wird die Bestimmung der Schichtdicke zur Herausforderung. Die Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP, für Verfahrenstechnik und Verpackungen IVV und für Silicatforschung ISC haben dafür ein Inline-Detektionssystem konstruiert.

Die Forscher mischen eine kleine Menge eines fluoreszierenden organischen Farbstoffs in den Lack. Die Konzentration entspricht in etwa 0,001 %. Der Farbstoff absorbiert Licht einer bestimmten Wellenlänge und sendet Licht einer längeren Wellenlänge, also einer anderen Farbe, aus. Bereits geringste Konzentrationen des Farbstoffes können detektiert werden. Bei einigen Fluoreszenzfarbstoffen können die benachbarten Moleküle die Intensität oder die Wellenlänge des ausgesandten Lichts beeinflussen. Beispielsweise führt die Aushärtung der Lackschicht zu einem stärkeren Fluoreszenzsignal. Werden solche Farbstoffe kombiniert, können Informationen über die Dickenverteilung und den Härtungsgrad der Schicht gewonnen werden.

Niedrigere Kosten durch perfekte Schichten

Für das Auftragen des Lacks wurde das Detektionssystem in den Rolle-zu-Rolle-Prozess zur Herstellung der Ultrabarrierefolie eingebunden. Zwei Typen monochromatischer LED-Lampen bestrahlen den Lack. Zwei kommerziell erhältliche Digitalkameras messen die ausgestrahlte Fluoreszenz zweier Farbstoffe im Lack. „Die Farbstoffe bestimmen zum Beispiel die Art der Lichtquelle oder der Filter“, erklärt Dr. Andreas Holländer, Sprecher der Fraunhofer-Allianz Polo und Oberflächenspezialist am Fraunhofer-IAP. Die Farbstoffe müssten zudem im Beschichtungssystem löslich sein, führt Holländer weiter aus: „Ihre optischen Eigenschaften dürfen sich nicht mit denen der Beschichtung selbst überlagern.“ Mithilfe der elektronischen Bildgebung sollen Defekte in der Lackschicht damit erstmals direkt während des Beschichtungsprozesses sichtbar werden und dieser sofort und präzise angepasst werden können. Solche Mängel zeigten sich bisher erst während der Anwendung, beispielsweise durch eine zu kurze Lebensdauer der OLEDs. Ein Imageschaden einerseits und zusätzliche Kosten durch Rückrufaktionen oder Reklamationen andererseits könnten mit dem nun zur Verfügung stehenden System vermieden werden.

Da die Farbstoffe in so geringen Konzentrationen zugesetzt werden, dass sie chemisch nicht analysierbar sind, sehen die Forscher das Prinzip auch für den Plagiatschutz von Materialien vor. Zudem gibt es nach Aussage der Wissenschaftler einige Tausend kommerziell verfügbare Fluoreszenzfarbstoffe, die miteinander kombiniert werden können: „Daraus ergeben sich unzählig viele mögliche Varianten, was das Kopieren der Markierung zusätzlich erschwert“, erklärt Holländer. Und der IAP-Forscher weiter: „Werden Massenkunststoffe oder auch hochwertige Materialien wie Schmierstoffe mit dem Lack markiert, können diese über eine Art eigenen Fluoreszenz-Code auf ihre Echtheit geprüft werden.“

Dank eines einfachen Aufbaus soll das fluoreszenzbasierte Inline-Bildgebungssystem leicht in bestehende Prozesse integriert werden können. Künftig soll es auch kommerziell verfügbar sein.

* Weitere Informationen: Dr. Andreas Holländer, Sprecher der Fraunhofer-Allianz Polo und Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in 14476 Potsdam-Golm, Tel. (03 31) 5 68 14 04, andreas.hollaender@iap.fraunhofer.de

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