Alterungsverhalten von OLED-Modulen

Analytische Studie über Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen

Vorderseite eines graphischen OLED-Displays (Modul Typ F), das im Vorhaben untersucht wurde.

Wir haben analytische Methoden entwickelt, mit denen wir Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen detailliert untersuchen konnten. Aus den analytischen Daten leiteten wir erstmalig geeignete Maßnahmen zur Reduzierung von Alterungseffekten ab. Diese Forschungsergebnisse tragen dazu bei, elektronische Bauteile über lange Zeit zu lagern, ohne dass sich ihr Nutzwert und ihre Verarbeitbarkeit verändern. Davon profitiert die Ersatzteilverfügbarkeit elektronischer Bauteile, um z. B. automotive-Produkte, weiße Ware, Kräne, Roboter oder medizinische Geräte, in denen häufig OLED-Displays und OLED-Beleuchtungselemente integriert sind, planungssicher mehrere Jahrzehnte lang zu betreiben. So erhöht sich die Rohstoffproduktivität nachhaltig.

Raman-Analyse eines OLED-Moduls im Querschnitt: a) Mikroskopische Abbildung, b) zugehörige Raman-Map. Farbcodiert ist die identifizierte Materialzusammensetzung der einzelnen Lagen: Glas (grün), Klebstoff (türkis), optische Folie (lila), Streufolie (blau) und Einbettmittel für Präparationszwecke (rot). In den schwarzen Bereichen war kein charakteristisches Raman-Signal messbar.
Distanzmatrix unterschiedlicher Alterungsbedingungen, die aus den FTIR-Daten zweier OLED-Module berechnet wurde.
Raman-Mikroskop WITec alpha 500 zur Untersuchung von Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen.

Materialanalytik und statistische Datenanalyse zur Verringerung von Alterungseffekten bei Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen

Bei der Ersatzteilversorgung sind Langzeitlagerungen essentiell, und wirken einer vorzeitigen Abkündigung entgegen. Dadurch können automotive-Produkte, weiße Ware, Kräne, Roboter oder medizinische Geräte mehrere Jahrzehnte lang planungssicher betrieben werden, womit sich die Produktlebensdauer verlängert, und die Ressourceneffizienz bezogen auf den Rohstoffeinsatz bei der Herstellung ansteigt. Lieferketten für elektronische Komponenten werden durch die Corona-Pandemie, Naturkatastrophen und politische Verwerfungen vor Herausforderungen gestellt. Um einer schwankenden Verfügbarkeit zu begegnen, werden on-demand Langzeitlagerungen solcher Komponenten immer bedeutender. Für den erfolgreichen Einsatz ist es unabdingbar, die Lagerbedingungen an den Materialmix der einzulagernden Komponenten anzupassen. Nach Stand der Technik ist dies v. a. für Leiterplatten-Materialien oder Lötzinn möglich. Technische Systeme, in denen Displays (OLED oder LCD) integriert sind, haben jedoch einen erweiterten Materialmix, der in der Anpassung zurzeit noch unberücksichtigt ist. Daher wurden am LBF im Rahmen eines Verbundvorhabens materialspezifische Alterungsvorgänge von OLED-Modulen und Maßnahmen zu deren Verringerung erforscht. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der HTV Conservation GmbH, die im zweiten Teilvorhaben opto-elektronische Eigenschaften der OLED-Module untersuchte. Gefördert wurde das Verbundvorhaben im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung vom Projektträger PTJ im Rahmen des Förderprogramms kmu Innovativ – Ressourceneffizienz. 

Analytische Methoden

Im Vorhaben wurden analytische Methoden entwickelt, mit denen Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen untersucht werden können, die auf multivariater konfokaler Raman-Mikroskopie, FTIR-Spektroskopie und Kontaktwinkelanalyse basieren. Typische OLED-Module am Markt (Graphische Displays, flächige Leuchtelemente) wurden beschafft und darin enthaltene Komponenten aus Kunststoff aufgelistet. Gefunden wurden v. a. Folienkabel, Schutzfolien, optische Funktionsfolien (Polarisatoren, Farbfilter), Dichtungs- und Vergussmassen und natürlich die organischen Halbleitermaterialien selbst. In diesen Komponenten enthaltene Kunststoffe wurden mit den entwickelten Analysemethoden identifiziert und ihre Langzeitbeständigkeit mit Hilfe von Literaturdaten vorab grob abgeschätzt. Von den Kunststoffkomponenten der OLED-Module konnten zeitabhängige Alterungszustände analytisch dargestellt werden, die bei beschleunigten Alterungsversuchen mit unterschiedlichen Temperaturen und Absorbermaterialien resultieren. Dabei wurden Alterungszeiten bis zu einem Jahr realisiert. Zeitabhängige Alterungszustände eines repräsentativen Klebstoffs (Acryl-Basis) wurden ebenfalls untersucht, als Modellsystem für die Lagen aus transparentem Acryl-Klebstoff in OLED-Modulen. Sie können infolge von Alterungsprozessen delaminieren und die optische Funktion beeinträchtigen. In einer statistischen Auswertung der analytischen Daten wurde die Wirkung unterschiedlicher Absorber auf die Degradation von Kunststoffkomponenten in OLED-Modulen verglichen. 

Demnach ist ein Absorbermaterial bei gleicher Temperatur besonders geeignet, Materialveränderungen zu verringern. Die typische beschleunigende Wirkung der Temperatur auf das Alterungsverhalten zeigte sich in der Datenanalyse erwartungsgemäß ebenfalls.

Geeignete Bedingungen zur Langzeitlagerung von OLED-Modulen

Die Projektergebnisse helfen gemäß der ursprünglichen Antragsziele bei der Auswahl geeigneter Bedingungen zur Langzeitlagerung von OLED-Modulen und ähnlichen Komponenten. Kunden können auf diesem Weg die Langzeitverfügbarkeit ihrer Produkte und einen planungssicheren Betrieb technischer Einrichtungen sicherstellen. Dadurch verlängert sich die Produktnutzung, was die Rohstoffproduktivität steigert. Das schont natürliche Ressourcen, senkt die Menge zu entsorgender Altgeräte und trägt zu einer nachhaltigeren Gesellschaft bei.  

Das LBF unterstützt bei Fragestellungen zu Alterungsvorgängen von Kunststoffkomponenten mit der Erfassung und Verringerung von Alterungseffekten und liefert wertvolle Erkenntnisse über Aufbau und Zustand von Kunststoffprodukten.