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Characterization and Investigation of Large-Area, Ultra-Thin Gravure Printed Layers

Bornemann, Nils :
Characterization and Investigation of Large-Area, Ultra-Thin Gravure Printed Layers.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Characterization and Investigation of Large-Area, Ultra-Thin Gravure Printed Layers
Language: English
Abstract:

Graphical gravure printing is a very reliable process to transfer smallest amounts of fluid droplets to a substrate. Nevertheless, enabling this printing technique to produce large-area, ultra-thin layers for applications such as organic light emitting diodes (OLEDs) is a challenging task. This application not only imposes strong requirements on the printing technology but also on large-area measurement methods. Characterizing the homogeneity of sub-100 nm thin layers across the total printing area is one of the two central topics of the present investigation. Utilizing optical interference from the thin film samples I developed and evaluated a method which successfully determined the thickness of thin, organic semiconductor layers with an accuracy better than 5 nm. Sample sizes of up to 150 × 150 mm² could be characterized within seconds using two hardware setups. I enabled a microscope and a modified flatbed scanner to acquire conventional RGB-images of the thin film samples. These images were then compared to a corresponding physical model using MATLAB resulting in a laterally resolved thickness map. The method is predestinated for being part of an inline process control. In the second part of the thesis, I deduced a physical understanding of gravure printing to produce ultra-thin, homogeneous layers from low viscous ink solutions which are based on small molecules dissolved in toluene. To this purpose, I processed on two consecutively mounted 150 × 150 mm² ITO-coated glass substrates with varying process parameters, resulting in a total number of 128 different gravure printed fields, each 30 × 30 mm² in size. Applying the large-area characterization method developed in the first part, I measured the thicknesses of all sub-100 nm printed layers (with a total area of ~1800 cm²). This thickness data was analyzed regarding several surface parameters, such as roughness, dominant lateral wavelength, skewness and kurtosis. These surface parameters were referred to the physical models of fluid and thin film dynamics with respect to the underlying process parameters. As a consequence, two distinct process windows for the gravure printing process to produce homogeneous, ultra-thin layers were identified. The process windows were defined by two types of ink transfer mechanisms, namely single cell transfer and film splitting transfer, as well as appropriate film leveling and drying times. The two process windows for producing homogeneous, ultra-thin layers using gravure printing have been reported in the literature and were demonstrated through the present experiments. By combining the two different topics, for the first time, these experimentally observed process windows were theoretically verified.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das grafische Tiefdruckverfahren ist eine sehr zuverlässige Technologie, um kleinste Flüssigkeitsmengen in Form von Druckpunkten strukturiert auf ein Substrat zu übertragen. Dennoch stellt es eine erhebliche wissenschaftliche Herausforderung dar, dieses Druckverfahren für die Herstellung großflächiger, ultra dünner Schichten zu nutzen, wie sie z.B. in organischen Leuchtdioden (OLEDs) zum Einsatz kommen. Dies gilt nicht nur für die Drucktechnologie, sondern auch für die großflächige Messtechnik dieser Schichten. Die Charakterisierung von sub-100 nm dünnen Schichten über die gesamte Druckfläche (∼DINA5) hinsichtlich ihrer Schichthomogenität ist eines der beiden Kernthemen der vorliegenden Arbeit. Durch die Ausnutzung der optischen Interferenz an dünnen Schichten wurde ein Verfahren erarbeitet, experimentell aufgebaut und erfolgreich an organischen Halbleitern evaluiert, das Schichtdicken von bis zu DINA5 großen Proben binnen Sekunden auf unter 5 nm genau bestimmt. Sowohl ein Mikroskop als auch ein modifizierter Flachbettscanner wurden verwendet, um herkömmliche RGB-Bilddaten der Dünnschichtproben mit Hilfe eines weiterentwickelten physikalischen Modells, das in MATLAB implementiert wurde, auszuwerten. Das vorgestellte Verfahren bietet die Möglichkeit einer Inline Prozesskontrolle für die Herstellung großflächiger, ultra dünner Schichten. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Erarbeitung eines Modells, das es erlaubt, experimentell gefundene Prozessparameter für die erfolgreiche Verwendung des Tiefdruckverfahrens für die Herstellung ultra dünner Schichten aus niedrigviskosen Tinten auf Basis Kleiner Moleküle zu verifizieren. Dazu wurden Tiefdruckexperimente mit variierenden Prozessparametern auf je zwei hintereinander montierten 150×150 mm² großen ITO-beschichteten Glasscheiben durchgeführt, die einen Parameterraum von 128 verschiedenen gedruckten Feldern der Größe 30×30 mm² bilden. Die entwickelte Messtechnik ermöglichte es, alle sub-100 nm Schichten vollflächig hinsichtlich ihrer Schichtdicke zu charakterisieren (insgesamt ∼1800 cm²), um sie einer genauen, topographischen Analyse zu unterziehen. In dieser Analyse werden verschiedene Schichtparameter, darunter die Rauigkeit, die dominante laterale Wellenlänge, die Schiefe (Skewness) und die Kurtosis ausgewertet und mit fluiddynamischen Modellen des Druckprozesses und deren Auswirkungen auf die gedruckte Schicht verglichen. Für das Drucken homogener, ultra dünner Schichten lassen sich zwei Prozessfenster identifizieren, die auf Farbspaltungsmechanismen im Druckspalt- die Punkt- und die Filmspaltung −, die Nivellierung des flüssigen Films und die Trocknungszeit zurückzuführen sind. Durch die Verknüpfung der beiden zugrunde liegenden Forschungs themen werden erstmalig die in der Literatur und der vorliegenden Arbeit experimentell nachgewiesenen Prozessfenster für das erfolgreiche Herstellen ultra dünner Schichten mittels Tiefdruck theoretisch verifiziert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle Fertigung
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 07 May 2014 12:49
Last Modified: 07 May 2014 12:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-38479
Referees: Dörsam, Prof. Edgar
Refereed: 26 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3847
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