Na drodze do nowoczesnych zastosowań: układy optoelektroniczne na cienkim szkle

6 gru 2019

Niedawno zainicjowany projekt KODOS („Konfektionierter Dünnglas-Verbund für optoelektronische Systeme” - „Cienkie laminaty szklane do układów optoelektronicznych”), finansowany przez niemieckie Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych, ma na celu opracowanie gotowych produktów z cienkiego szkła z uwzględnieniem całego łańcucha wartości. Na potrzeby projektu firmy EMDE development of light, Volkswagen oraz Deutsche Werkstätten Hellerau, które specjalizują się w rozwoju zastosowań, połączyły siły z dostawcami technologii – tesa, VON ARDENNE, Flabeg, 4JET microtech, SURAGUS oraz instytutem Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP. Celem konsorcjum jest opracowanie kompletnego, modułowego systemu materiałów funkcjonalnych, półproduktów, narzędzi oraz technologii produkcji układów optoelektronicznych na cienkim szkle.

Zaawansowane ultracienkie tafle szklane są dostępne na rynku już od pewnego czasu. Szkło w tej postaci jest cieńsze niż warstwy szklane stosowane w wyświetlaczach telefonów komórkowych czy ekranach laptopów – i ma w sobie o wiele większy potencjał. Ze względu na doskonałe właściwości (wysoka elastyczność, bardzo gładka powierzchnia, odporność na zarysowania) idealnie sprawdza się również w charakterze powierzchni funkcjonalnych w meblach i samochodach oraz jako podłoże dla układów optycznych.

Aby umożliwić ekonomiczną i ukierunkowaną na bieżące potrzeby rynku obsługę nowych zastosowań, powstało konsorcjum złożone z dziewięciu partnerów z branży przemysłowej i badawczej, którzy tworzą podstawy dla finansowanego ze środków publicznych projektu KODOS.

Firma Volkswagen dokona oceny i kwalifikacji zastosowań cienkich tafli szklanych jako funkcjonalnych powierzchni dekoracyjnych w samochodach. W tym celu podstawowe laminowane urządzenia optyczne opracowane w ramach projektu zostaną przetestowane pod kątem wytrzymałości i odporności na skutki uderzeń. Przeanalizowane zostaną także właściwości powierzchni funkcjonalnych z naciskiem na oświetlenie, symbole i funkcje dotykowe.

Firma Deutsche Werkstätten Hellerau wykorzysta ultracienkie szkło jako materiał „high-tech” do uszczelniania powierzchni drewnianych i wprowadzi do mebli dodatkowe funkcje, np. organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) i aktywne powierzchnie czujników.

Jak podkreśla Thomas Emde z EMDE development of light, lidera konsorcjum: „Celem projektu jest analiza potencjału i opracowanie istotnych z ekonomicznego punktu widzenia zastosowań dla cienkiego szkła. Przykładowo, technologia diod OLED może być wykorzystywana w wyświetlaczach i elementach sterowania w połączeniu z funkcją dotykową na bazie ultracienkiego szkła w tak odmiennych od siebie branżach jak architektura, produkcja mebli, sektor AGD i zastosowania detaliczne. Poszukiwane innowacyjne rozwiązanie obejmuje powlekanie, strukturyzację, łączenie i laminowanie, jak również opracowanie gotowego do wdrożenia procesu – od wyprodukowanego materiału aż do gotowego do instalacji półproduktu”. W ramach projektu firma EMDE development of light opracuje wykaz wymogów niezbędnych dla optymalizacji procesów typu roll-to-roll („rolka-do-rolki”) i produkcji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED).

Wszystkie wymienione etapy stanowią duże wyzwanie ze względu na szczególne właściwości mechaniczne ultracienkiego szkła. W wyniku realizacji projektu konsorcjum przedstawi kompletny modułowy system funkcjonalnych materiałów, półproduktów, narzędzi i technologii.

Do laminowania podstawowych komponentów tesa dostarczy samoprzylepne taśmy izolacyjne przeznaczone do organicznych urządzeń elektronicznych na bazie cienkiego szkła. Muszą one gwarantować zwiększoną żywotność, aby sprostać rygorystycznym wymogom przemysłu motoryzacyjnego pod względem eksploatacji w wysokich temperaturach. Prowadzone są także badania nad technologiami pełnopowierzchniowego i częściowego bezpośredniego powlekania cienkich folii szklanych warstwami funkcjonalnymi, m.in. z otworami na diody OLED, styki elektryczne albo nadruki dekoracyjne.

Firma Flabeg będzie odpowiadać za istotne etapy technologiczne niezbędne do wdrożenia formowanych w technologii 3D cienkich laminatów szklanych z funkcjami dotykowymi i dekoracyjnymi oraz ochroną przeciwodpryskową jako elementów stosowanych w wyposażeniu wnętrz pojazdów. Ten partner projektu zajmuje się w szczególności procesem formowania na gorąco oraz laminowania jednoosiowo i dwuosiowo giętego cienkiego szkła.

Elementy funkcjonalne na bazie cienkiego szkła, które zostaną opracowane w ramach powołanego konsorcjum projektowego, będą podstawą dla ich późniejszej integracji w wybranych zastosowaniach podczas realizacji projektu. Istotnym procesem na początku łańcucha wartości jest funkcjonalizacja powierzchni szklanych przy wykorzystaniu powłoki PVD.

Aby móc produkować w sposób ekonomiczny, najbardziej racjonalnym rozwiązaniem jest obróbka cienkiego szkła w systemach powlekania PVD typu „rolka-do-rolki”. Zadaniem producenta urządzeń VON ARDENNE przy realizacji projektu jest zapewnienie stabilnej, ciągłej kontroli procesu przy wysokiej wydajności materiałowej oraz opracowanie parametrów jakościowych umożliwiających ocenę użyteczności cienkiego szkła w postaci rolek. Niezbędna jest także optymalizacja procesów powlekania i komponentów zapewniających funkcjonalność kolejnych procesów (laminowanie, odkształcanie termiczne, cięcie laserowe).

W ścisłej współpracy z naukowcami z Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP opracowywane zostaną rozwiązania koncepcyjne dla integracji technologicznej i ekonomicznej poszczególnych etapów łańcucha produkcyjnego (np. łańcucha procesowego powlekania próżniowego – laminowania enkapsulacyjnego – łączenia i rozdzielania OLED). Specjaliści z instytutu Fraunhofer FEP zajmują się opracowywaniem wydajnych technologii powlekania elektrod i diod OLED. Wdrożą także nowe poziomy strukturyzacji do procesu produkcji typu „rolka-do-rolki”. W tym miejscu ich działania będą łączyć się z know-how innego partnera projektu, firmy SURAGUS, w zakresie zintegrowanej procesowo charakterystyki istotnych właściwości elektrycznych i optycznych. SURAGUS opracowuje technologię pomiarową do oznaczania parametrów laminowanych diod OLED.

Po udanym wyprodukowaniu urządzeń optycznych na bazie cienkiego szkła kolejnym etapem procesu jest separacja gotowych diod OLED z rolki. Na obecnym etapie rozwoju łańcucha procesów nie są dostępne niezawodne technologie w tym zakresie. Aby skutecznie wykorzystać ogromną przewagę konkurencyjną, jaką odznacza się proces produkcji typu „rolka-do-rolki”, konieczne jest opracowanie technologii separacji umożliwiającej uzyskiwanie diod OLED o wysokiej wytrzymałości krawędzi i wymaganej trwałości.

Korzystnym rozwiązaniem jest w tym przypadku technologia separacji laserowej badana przez firmę 4JET microtech. Zasadniczo wytrzymałość wycinanych laserowo krawędzi szkła może spełniać wymogi stawiane diodom OLED. W szczególności możliwe jest uzyskanie praktycznie dowolnych konturów cięcia, a więc dowolnych kształtów matryc OLED. W ramach wspólnie prowadzonego projektu przeanalizowane zostaną szczególne wyzwania związane z laminatami szklano-polimerowymi. Opracowane zostaną również konkurencyjne technologie produkcji.

W ciągu najbliższych trzech lat konsorcjum projektowe będzie pracować nad rozwojem technologii, które mają ukierunkowanie praktyczne i mogą być wprowadzane w różnych gałęziach przemysłu. Projekt obejmuje również wdrożenie prototypowych podstawowych urządzeń zawierających innowacyjny materiał jakim jest ultracienkie szkło, a także opracowanie demonstratorów technologii.

Partnerzy projektu dziękują niemieckiemu Ministerstwu Edukacji i Badań Naukowych za sfinansowanie projektu „KODOS – Konfektionierter Dünnglas-Verbund für optoelektronische Systeme” („Cienkie laminaty szklane do układów optoelektronicznych”) prowadzonego w ramach inicjatywy „Photonik nach Maß”.