Biologisch abbaubare Materialien für flexible organische Leuchtmittel und für die Optimierung von Druckprozessen

Die wachsende Nachfrage nach kurzlebigen Elektronikprodukten trägt dazu bei, dass die bereits großen Massen an Elektroschrott auch zukünftig rapide zunehmen werden. Bei einem unausgearbeiteten Recyclingmanagement bergen jedoch giftige Inhaltsstoffe bleibende Schäden für Mensch und Umwelt. Der Einsatz biologisch abbaubarer Materialien könnte Produkte generieren, die eine umweltfreundliche und nachhaltige Entsorgung ermöglichen. Außerdem können neue Märkte im Bereich der bioresorbierbaren, transienten Elektronik für biomedizinische Zwecke erschlossen werden. Gerade die Optoelektronik bietet mit organischen Leuchtmitteln beste Voraussetzungen, da all ihre Komponenten, von Aktivmaterial, über Elektroden, bis hin zum Substrat, aufgrund ihrer organischen Zusammensetzung potentiell durch biologisch abbaubare Materialien ersetzt werden könnten. Zusätzlich ermöglichen sie eine individuelle und kostengünstige Herstellung anhand moderner, industrieller Druckverfahren. Das Ziel dieser Arbeit liegt daher auf der Implementierung von biologisch abbaubaren Materialien in allen Bestandteilen organischer Leuchtmittel mit Hinblick auf die Herstellung durch Drucktechniken. Beginnend mit dem Aktivmaterial wurde in Kooperation mit dem Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg ein natürlicher Fluorophor, Riboflavin (Vitamin B2), mit Butyratestergruppen versehen und als Emittermaterial identifiziert. Die Seitengruppen verbesserten die Löslichkeit, sowie die Filmbildung und verminderten die Fluoreszenzauslöschung. Hierdurch war es möglich Riboflavintetrabutyrat als Emitter in flüssigprozessierten organischen Leuchtdioden mit einer maximalen Leuchtdichte von ~10 cd/m2 und einem breiten Elektrolumineszenzspektrum mit einem Maximum bei 640 nm zu etablieren. Die externe Quanteneffizienz erreichte 0,02 % und konnte somit für natürliche Emittermaterialien um fünf Größenordnungen gesteigert werden. Weiter wurde die Aktivschicht von lichtemittierenden elektrochemischen Zellen untersucht, welche Druckprozesse durch ihren simpleren Aufbau gegenüber organischen Leuchtdioden vereinfachen. Biologisch abbaubares Polycaprolacton konnte, gemischt mit Emitter und Salz, die Ionenlöslichkeit der Aktivschicht verbessern. Dies wurde durch die Steigerung der ionischen Leitfähigkeit um vier Größenordnungen und die Auflösung der Salzagglomerate nachgewiesen. So konnten die Grenzflächen mit den Elektroden durch das Salz effizienter dotiert und Ladungsträger besser injiziert und transportiert werden. Die Einsatzzeiten der Zellen wurden von 16 min auf 20 s reduziert und Effizienzen von 3,2 cd/A und 1,5 lm/W, sowie Lebenszeiten von 30 h erreicht. Im Rahmen eines Forschungsaufenthalts am Massachusetts Institute of Technology, USA, wurde zudem die Idee entwickelt, die Substratmodenextraktion durch einen direkten Prägeprozess von Mikrolinsen in Biosubstrate aus Cellulosediacetat zu gestalten. Anhand der hierdurch verbesserten Lichtauskopplung der Leuchtmittel konnte so eine typische Effizienzsteigerung von 1,45 erreicht werden. Die Herstellung von flexiblen Substraten mit Mikrolinsen vereinfacht sich somit auf einen Prozessschritt, der in industrielle Rolle zu Rolle Verfahren integriert werden kann. Außerdem wurde der biologisch abbaubare Anteil der Leuchtmittel auf 99,94 % gesteigert. Zuletzt konnte durch ein biologisch abbaubares sekundäres Alkohol-Ethoxylat der Inkjet- und Rakeldruck nichtzytotoxischer transparenter Elektroden auf Cellulosediacetat-Substraten ermöglicht werden. Als Biotensid reduzierte es die Oberflächenspannung wässriger Tinten auf 30 mN/m und zeigte mit einem Massenanteil von bereits 0,1 % hervorragende Druckeigenschaften. Die elektronische Leitfähigkeit der Elektroden auf Cellulosediacetat übertraf mit 286 S/cm kommerzielle Referenztinten um fast das Dreifache, wodurch eine fast doppelt so hohe Leuchtdichte in organischen Leuchtdioden erreicht wurde. In dieser Arbeit konnten somit biologisch abbaubare Materialien in allen Komponenten organischer Leuchtmittel verwendet und ihre Eigenschaften für die Herstellung mit modernen Druckprozessen optimiert werden

A Single‐Step Hot Embossing Process for Integration of Microlens Arrays in Biodegradable Substrates for Improved Light Extraction of Light‐Emitting Devices

Integration of light management solutions relying on biodegradable materials in organic light‐emitting devices could assist the development of sustainable light sources or conformable and wearable display technology. Using industrially relevant processing techniques, it is shown that microlens arrays can be seamlessly integrated into flexible and biodegradable cellulose diacetate substrates to facilitate extraction of the trapped substrate modes in light‐emitting electrochemical cells. The substrates are patterned for light extraction and optimized for scalable printing processes in a single step by thermally embossing microlenses with polydimethylsiloxane molds on one substrate surface and simultaneous flattening of the other. Furthermore, by implementing the biopolymer substrate with microlens arrays, the total volume fraction of biodegradable materials in the microlense equipped device is 99.94%. The embossed microstructures on the biopolymer substrates are investigated by means of scanning electron microscopy and the angular light extraction profile of the devices is measured and compared to ray tracing simulations. Light‐emitting electrochemical cells with integrated microlens array substrates achieve an efficiency enhancement factor of 1.45, exceeding conventional organic light‐emitting diodes on glass substrates with laminated microlens arrays (enhancement factor of 1.23)

Extraction of 2′-O-apiosyl-6′-O-crotonic acid-betanin from the ayrampo seed (Opuntia soehrensii) cuticle and its use as an emitting layer in an organic light-emitting diode

The molecule 2′-O-apiosyl-6′-O-crotonic acid-betanin (called Achkiy) was obtained after an ecofriendly and low-cost purification process of the extract from the ayrampo seed cuticle. Results from EDS give us an idea of the organic elements present in the ayrampo cuticle layer composed of carbon, oxygen and nitrogen. Further characterization analysis of ayrampo extract by Fourier Transform Infrared Spectrophotometry (FTIR) corroborated the presence of characteristic functional groups corresponding to carboxyl, carbonyls, hydroxyls and secondary amines. On the other hand, we have confirmed by absortion peak the glucose, apiosyl, crotonic acid and betanin at 227 nm, 276 nm, 291 nm and 534 nm bands respectively. Mass Spectrometry (MS) characterization was used finally to identify the electroactive Achkiy molecule. This molecule was tested in an Organic Light Emitting Diode (OLED) achieving a luminance of 4.8 Cd m$^{−2}$ when bias voltage of 16.5 V and a current of 34.1 mA was applied. In addition, the irradiance generated by the Achkiy layer reaches a value of ≈ 113.3 μW m$^{−2}$ emitting light with a λ ≈ 390.10 nm. These preliminary results report an interesting molecule extracted from a natural pigment wich emits light in the blue region

Development and Characterization of a Novel Low-Cost Water-Level and Water Quality Monitoring Sensor by Using Enhanced Screen Printing Technology with PEDOT:PSS

A novel capacitive sensor for measuring the water-level and monitoring the water quality has been developed in this work by using an enhanced screen printing technology. A commonly used environment-friendly conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) for conductive sensors has a limited conductivity due to its high sheet resistance. A physical treatment performed during the printing process has reduced the sheet resistance of printed PEDOT:PSS on polyethylenterephthalat (PET) substrate from 264.39 Ω/sq to 23.44 Ω/sq. The adhesion bonding force between printed PEDOT:PSS and the substrate PET is increased by using chemical treatment and tested using a newly designed adhesive peeling force test. Using the economical conductive ink PEDOT:PSS with this new physical treatment, our capacitive sensors are cost-efficient and have a sensitivity of up to 1.25 pF/mm

Development of a high density glass interposer based on wafer level packaging technologies

Currently glass is mainly used as unstructured wafers or panels with the highest market share in glass capping applications. Higher functionality in glass is driven by the applications in RF and Photonics. Since the technologies of via interconnects in Si and glass are completely different, it is challenging to perform a direct and fair comparison. Mainly laser technology and electrical discharge are used for forming the vias into the glass. Slightly modified thin film technologies already in mass production in WLP can be used to fill the vias with a copper metallization. Conformal metallization and full via plating are options. High yield and excellent reliability have been achieved. Generally, due to the lossy nature of silicon and complex polarization mechanism that occurs at the Si-SiO2, TSVs may suffer from severe signal integrity and EMI problems such as huge insertion loss, delay and cross-talk, depending on the Si-resistivity considered. Therefore, regarding the dielectric material, TGVs have significant advantages over TSV, especially when either LRS or MRS is used. In summary TGVs show excellent RF characteristics over TSVs. This has been proven for a test design up to 40 GHz

Sirolimus in renal transplant recipients with malignancies in Germany

Background. Renal transplant recipients have an increased cancer risk. The mammalian target of rapamycin inhibitor sirolimus (SRL) has immunosuppressive and antitumour activities but knowledge about its use in recipients with cancer is limited. Methods. We retrospectively analysed 726 renal allograft recipients converted to SRL from 10 German transplant centres. Patient and graft survival were analysed depending on malignancy status prior to conversion and tumour entity. Results. Malignancy before conversion to SRL was reported in 230 patients, with 137 patients having skin cancers and 101 having solid cancers. Cancer occurred 4.6±9.4 (median 3.0) years after transplantation. Basal cell carcinoma, squamous cell carcinoma and Bowen's disease were the most prevalent skin cancers, while carcinomas of the kidney, colon and breast were the most prevalent solid cancers before conversion. Patients with prior malignancy were older and had better renal function at conversion compared with patients without a history of cancer. After conversion to SRL, cancer incidence rates (IRs) of all tumours were lower compared with rates before conversion. Cancer IRs after conversion were higher in patients with malignancy before conversion compared with those without. Patient survival was worse in patients with solid cancers compared with patients with skin cancers or without malignancies. Biopsy-proven acute rejections in the first year after conversion were less frequent in patients with malignancy compared with those without. Graft survival and renal function in all cancer types were better than in patients converted to SRL without cancers. Conclusions. Conversion to SRL in patients with a history of cancer is safe regarding renal function and graft survival, while patient survival is largely dependent on tumour entity