Aegerter, Michel A.

Pütz, Jörg

Scientific documents from the Saarland University,

Sol-Gel-Beschichtung von Displaygläsern 
 
Jörg Pütz, Michel A. Aegerter 
Leibniz-Institut für Neue Materialien – INM, Abt. Schichttechnologie 
Im Stadtwald, Geb. D2 2, 66123 Saarbrücken 
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Einleitung 
Dünne Schichten spielen eine entscheidende Rolle in der heutigen Displaytechnologie, 
wo sie unterschiedlichste optische, elektrische und mechanische Aufgaben über-
nehmen. Die Aufbringung solcher Schichten erfolgt in der Regel über die Gasphase, 
doch kann auch die Nassbeschichtung über den Sol-Gel-Prozess [1] oder unter 
Verwendung von Nanopartikeln hier durchaus Vorteile bieten. 
Sol-Gel-Beschichtung und -Strukturierung 
Zur Nassbeschichtung großflächiger Glassubstrate bietet sich vor allem die Sol-Gel-
Tauchbeschichtung [2] an, die industriell seit langem zur Herstellung reflexmindernder 
Schichten für Verglasungen eingesetzt wird. Bei der Verwendung dünner Displaygläser 
sind jedoch einige Besonderheiten zu berücksichtigen, die sich speziell aus der 
geringen Dicke von unter 1 mm ergeben. So führt die geringere Wärmekapazität zu 
einer stärkeren Abkühlung des Substrates bei der Tocknung des Nassfilms und in der 
Folge zu einer gestörten Schichtbildung, die sich in Inhomogenitäten sowie einer 
Trübung zeigt (Abb. 1a). Abhilfe schafft hier bereits eine leichte Erwärmung der 
Beschichtungslösung auf konstante Temperaturen zwischen 25 und 30°C, wodurch dem 
Substrat eine ausreichende Wärmemenge zur Verdampfung und kontrollierten 
Filmbildung mitgegeben wird (Abb. 1b) [3,4]. Darüber hinaus stellt aber sicherlich auch 
die geringere mechanische Stabilität der dünnen Gläser eine Herausforderung bei der 
Beschichtung und der thermischen Nachbehandlung dar. 
Neben der Flächenbeschichtung können nasschemische Verfahren ebenfalls zur 
Erzeugung optischer und elektrischer Strukturen auf Glassubstraten genutzt werden, 
wobei neben photolithographischen Prozessen vor allem Präge- und Druckverfahren zur 
Verfügung stehen. 
a) 
 
b) 
15 20 25 30 35 40
0
2
4
6
8
10
0
20
40
60
80
 
Tr
üb
un
gs
gr
ad
 (%
)
Temperatur (°C)
 Trübungsgrad
 Flächenwiderstand
 
Corning 1737
0.4 mm
Fl
äc
he
nw
id
er
st
an
d 
(k
Ω 
)
 
Abb. 1: Transparente leitfähige ATO-Schicht auf Displayglas (0.4 mm). a) Aufnahmen 
einer trüben Schicht und b) Trübungsgrad und Flächenwiderstand in Abhängigkeit 
von der Lösungstemperatur [3]. 
Transparente leitfähige Oxidschichten 
Von besonderer Bedeutung für Displayanwendungen sind die als Elektroden dienenden 
transparenten leitfähige Schichten mit Materialien wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Sb-
dotiertem Zinndioxid (ATO) [5,6]. Die im Sol-Gel-Prozess erzielbaren Flächenwider-
stände in der Größenordnung von etwa 1 kΩsq [6,7] reichen für eine direkte Verwendung 
als Elektrode jedoch in der Regel nicht aus, so dass Anwendungen eher im Bereich der 
Antistatik [8] oder in Touch-Screen-Displays zu finden sind. 
Eine interessante Einsatzmöglichkeit ergibt sich dennoch im Bereich der OLED-Display-
Technologie (organic light emitting diode), die vollkommen neue Anforderungen an die 
verwendeten Elektroden stellt. Neben guter Leitfähigkeit und hoher Transparenz, muss 
die Frontelektrode anwendungsbedingt eine sehr geringe Rauheit sowie eine hohe 
Austrittsarbeit (> 5,0 eV) aufweisen, was sich im Falle gesputterter ITO-Schichten nur 
mit einer zusätzlichen leitfähigen Polymerschicht realisieren lässt. Alternativ kann hier 
eine dünne anorganische Sol-Gel ATO-Schicht mit lediglich 40-100 nm Dicke zur 
Glättung im Tauchprozess aufgebracht werden, wodurch gleichzeitig eine Erhöhung der 
Austrittsarbeit der Elektrode auf über 5.2 eV bewirkt wird (Abb. 2) [9,10]. Die erreichte 
Rauheit der ATO-beschichteten ITO-Substrate liegt bei Ra < 1 nm und Rpv < 4 nm, so 
dass die verfahrensbedingten Oberflächenstrukturen und Defekte der kommerziellen 
ITO-Schicht mit Rpv–Werten von etwa 31 nm wirkungsvoll überdeckt werden (Abb. 3, 
Tab. 1). 
 
ATO: 45 nm / 5,4 kΩ
Glassubstrat
ITO: 192 nm / 7,7 Ω
237 nm
17 Ω
 
Abb. 2: Schematischer Aufbau der ATO-Glättungsschicht auf einem ITO-Substrat. 
 
Abb. 3: REM-Oberflächenstruktur einer gesputterten ITO-Schicht (8 Ωsq) a) wie erhalten 
(Rpv = 31 nm) und b) mit einer zusätzlichen Sol-Gel-ATO-Schicht (Rpv < 4 nm). 
Aufgrund der geringen Dicke der ATO-Schicht wird die ursprüngliche Leitfähigkeit des 
ITO-Substrates (Rsq: 8 Ωsq) nur geringfügig beeinflusst, doch ist eine intrinsische 
elektrische Leitfähigkeit der Glättungsschicht generell notwendig, um den Einsatz als 
Elektrode zu ermöglichen. Bei der für die Sol-Gel-Schicht unersetzlichen Temperatur-
behandlung bei etwa 450-550°C dient diese dünne Schicht gleichzeitig als 
Schutzschicht für die oxidationsempfindliche ITO-Schicht. Eine weitere Erniedrigung des 
Flächenwiderstandes lässt sich durch eine nachträgliche Behandlung des Schicht-
systems unter reduzierenden Bedingungen erreichen. 
Tabelle 1: Grundlegende Eigenschaften der ITO- und ATO-Schichten sowie des ATO-
beschichteten ITO-Substrates (auf Corning 1737) [9]. 
 ITO (gesputtert) ATO auf ITO Sol-Gel ATO 
    
Flächenwiderstand (Ωsq) 7,7 17 5,4×103 
Transmission (%) 83 82 > 85 
Austrittsarbeit (eV) 4,3…4,6 4,8…5,2 4,8…5,2 
Schichtdicke (nm) 192 45/192 45 
Rauigkeit, Ra (nm) 4,7 0,4 0,4 
 Rpv (nm) 31 3,8 3,8     
 
Unter Verwendung nanopartikulärer Druckpasten lassen sich solche TCO-Materialien 
auch im Direktdruck auf flexiblen Substraten wie dünnen Gläsern und Polymerfolien 
aufbringen. Eine solche transparente Leiterstruktur, die unter Verwendung von ITO-
Nanopartikeln im Tiefdruck-Verfahren hergestellt wurden (Abb. 4) [11], konnte bereits 
erfolgreich als Frontelektrode in einfachen OLED-Anzeigen getestet werden [12]. Der 
Vorteil von dünnen Glas-Substrate gegenüber Polymerfolien liegt hierbei vor allem in 
der Möglichkeit der Hochtemperaturbehandlung sowie den hervorragenden Barriere-
eigenschaften gegenüber Wasser und Sauerstoff, die für zahlreiche Anwendungen, 
insbesondere OLEDs, ausgeschlossen werden müssen. 
 Abb. 4: WLI-Abbildung einer im Tiefdruck-Verfahren aufgebrachten ITO-Struktur [11]. 
Weitere Funktionsschichten 
Über die an den Beispielen dokumentierten transparenten leitfähigen Schichten hinaus, 
bieten Sol-Gel-Materialien zahlreiche weitere Funktionalitäten, vor allem für die Optik. 
So lassen sich neben Antireflex-Systemen auf der Basis von Interferenz-Schichten oder 
porösen Schichten [13,14] auch geprägte oder holografische Strukturen zur Erhöhung 
der Lichtausbeute oder zum Lichtmanagement einsetzen [15,16]. Insbesondere der 
Einsatz nanopartikulärer Funktionsmaterialien eröffnet der Nassbeschichtung ein breites 
Spektrum zum Teil vollkommen neuer Anwendungen, die bisher nur über aufwendigere 
und teurere Verfahren zugänglich waren. 
Literatur 
[1] S. Sakka, Handbook of Sol-Gel Science and Technology – Vol III Applications of Sol-Gel 
Technology, Kluwer Academic Publishers, Boston (2005). 
[2] J. Puetz, M.A. Aegerter, Dip Coating Technique, in: M.A. Aegerter, M. Mennig, „Sol-Gel 
Technologies for Glass Producers and Users”, Kluwer Academic Publishers, Boston 
(2004), S. 37. 
[3] J. Puetz, M.A. Aegerter, G. Guzman, J. Sol-Gel Sci. Technol. 32 (2004), 125. 
[4] G. Guzman, J. Pütz, M. Aegerter, A method for depositing a film on a substrate, 
WO2004022248A1, 03.09.2003 (s.a. FR2842899A1, 03.09.2002). 
[5] H.L. Hartnagel, A.L. Dawar, A.K. Jain, C. Jagadish, Semiconducting Transparent Thin 
Films, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1995, S. 358. 
[6] J. Puetz, M.A. Aegerter, Transparent Conducting Oxide Coatings, in: M.A. Aegerter, M. 
Mennig, „Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users”, Kluwer Academic 
Publishers, Boston (2004), S. 169. 
[7] J. Puetz, M.A. Aegerter, J. SID (2005), 13 (2005), 321. 
[8] T. Ohishi, S. Maekawa, T. Ishikawa, D. Kamoto, J. Sol-Gel Sci. Technol. 8 (1997), 511. 
[9] G. Guzman, B. Dahmani, J. Puetz, M.A. Aegerter, Thin Solid Films 502 (2006), 281. 
[10] G. Guzman, B. Dahmani, J. Puetz, M.A. Aegerter, Material for use in the manufacturing of 
luminous display devices, WO2004023436A2, 03.09.2003 (s.a. FR2844136A1, 
03.09.2002). 
[11] J. Puetz, M.A. Aegerter, Proc. of 6th International Conference on Coatings on Glass and 
Plastics – ICCG6, 18.-22. June 2006, Dresden, Germany. 
[12] M. Tuomikoski, R. Suhonen, M. Välimäki, T. Maaninen, A. Maaninen, M. Sauer, P. Rogin, 
M. Mennig, S. Heusing, J. Puetz, M.A. Aegerter, SPIE 6194-4 (Photonics Europe, 
Strasbourg, France, 03.-07.04.2006). 
[13] P.W. Oliveira, M. Mennig, M.A Aegerter, H. Schmidt, Interference coatings, in: M.A. 
Aegerter, M. Mennig, „Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users”, Kluwer 
Academic Publishers, Boston (2004), S. 195. 
[14] D. Chen, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 68 (2001), 313. 
[15] M. Mennig, P.W. Oliveira, H. Schmidt, Embossing, in: M.A. Aegerter, M. Mennig, „Sol-Gel 
Technologies for Glass Producers and Users”, Kluwer Academic Publishers, Boston 
(2004), S. 109. 
[16] M. Mennig, P.W. Oliveira, H.K. Schmidt, Glass Sci. Technol. 76 C2 (2003), 115. 


Sol-Gel-Beschichtung von Displaygläsern

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