DE10061298A1 - Signalüberträger auf der Basis von organischem Material, Herstellungsverfahren dazu und Verwendungen - Google Patents

Signalüberträger auf der Basis von organischem Material, Herstellungsverfahren dazu und Verwendungen

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Signalüberträger auf der Basis von organischem Material, insbesondere einen Optokoppler. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Signalüberträgers und neue Verwendungen eines Signalüberträgers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalübertrager, insbesondere einen Optokoppler. Außerdem betrifft die Erfindung ein Her­ stellungsverfahren zur Herstellung eines Signalüberträgers und Verwendungen eines Signalüberträgers.
Bei vielen Geräten, wie z. B. Computer, Automatisierungsgerä­ te, Medizintechnische Geräte, Kommunikationsgeräte etc., ist es nötig, dass digitale und/oder analoge Signale galvanisch in der Übertragung zumindest einmal getrennt werden. Dazu gibt es magnetisch induktive Koppler, bei denen das elektri­ sche Signal durch eine Spule geschickt wird, damit dort durch Induktion ein elektromagnetischer Impuls erzeugt wird. Dieser Puls wird von einer zweiten Spule empfangen wobei zwar wieder ein elektrischer Puls entsteht, der jedoch vom ursprünglichen Puls galvanisch getrennt erzeugt ist. Die Übertragung des Pulses an dieser Stelle hat dann galvanisch getrennt stattge­ funden. Außerdem gibt es kapazitive Koppler und Optokoppler. Auf dem Gebiet dieser Signalüberträger ist bislang nur der Einsatz herkommlicher, also anorganisch-halbleitender Techno­ logie üblich. Dabei wird z. B. bei einem Optokoppler ein e­ lektrisches Signal durch eine Leuchtdiode in einen Lichtpuls gewandelt, der bei der Übertragung von einer galvanisch ge­ trennten Photozelle aufgenommen wird.
Die bekannten Signalüberträger der herkömmlichen Halbleiter- Technologie haben den Nachteil, dass sie in komplizierten Ar­ beitsschritten mit Strukturierung über Photolackmasken, Rück­ ätzen etc. und/oder in einem Hybridaufbau hergestellt werden. Bei den Optokopplern werden z. B. eine Leuchtdiode und eine Photozelle als getrennte Bauteile hergestellt und dann durch ein lichtdurchlässiges und isolierendes Medium verbunden, in ein Gehäuse eingebaut. Die Herstellung dieser Optokoppler ist deswegen aufwendig und teuer, ist aber für manche Zwecke un­ umgänglich, weil diese Koppler hohe Zuverlässigkeit und Qua­ lität haben. Für einen Massen-Einsatz in integrierten Schal­ tungen von Wegwerf-Produkten wie Verpackungen, Tickets, Sen­ soren, Identity tags, Sensoren etc. sind diese Signalüberträ­ ger jedoch nur bedingt geeignet. Bei diesen Anwendungen wäre es aber möglich, auf die ausgesprochene Zuverlässigkeit der herkömmlichen anorganischen Halbleiter (Silizium, Germanium, Gallium Arsenid, . . .) enthaltenden Signalüberträger zugunsten billigerer Signalüberträger zu verzichten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Signalüberträger und/oder einen Optokoppler zur Verfügung zu stellen, der für den Ein­ satz in Massenprodukten geeignet und zudem preiswert, einfach herstellbar und/oder entsorgbar ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Signalüberträger im Schicht­ aufbau, der ein ankommendes Signal galvanisch getrennt wei­ terleitet und bei dem zumindest eine Funktionsschicht organi­ sches Material umfasst. Weiterhin ist Gegenstand der Erfin­ dung ein Optokoppler, der zumindest ein erstes Element, in dem ein elektrischer Puls in einen Lichtpuls gewandelt wird und zumindest ein zweites Element umfasst, in dem der Licht­ puls wieder in einen elektrischen Puls gewandelt wird, wobei die zumindest zwei Elemente aus zumindest einer Funktions­ schicht aufgebaut, elektrisch isolierend und lichtdurchlässig durch eine Zwischenschicht verbunden sind und zumindest eines dieser Elemente und/oder die Zwischenschicht zumindest teil­ weise organisches Material umfasst. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Opto­ kopplers im Vielfachschichtsystem. Schließlich sind Gegen­ stand der Erfindung Verwendungen von Signalüberträgern auf Basis organischen Materials.
Der Begriff "organisches Material" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z. B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Optokoppler bil­ den (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschrankung im dogmatischen Sinn auf organi­ sches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist dem­ nach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Ein­ satz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term kei­ ner Beschrankung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbeson­ dere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecu­ les" denkbar.
Als "Funktionsschlicht" wird eine Schicht des Optokopplers be­ zeichnet, die eine Funktion wie z. B. Elektrode, Halbleiter, Isolator erfüllt. Reine Zwischenschichten, die beispielsweise nach einem Strukturierungsschritt als Photolackschichten übe­ rigbleiben werden hier nicht als Funktionsschicht bezeichnet, weil sie für keine Funktion bei der Signalübertragung über­ nehmen.
Bevorzugt ist das erste Element eines Optokopplers eine Leuchtdiode, insbesondere bevorzugt eine organische Leuchtdi­ ode (OLED).
Bevorzugt ist das zweite Element des Optokopplers eine Photo­ zelle, insbesondere bevorzugt eine, die vorwiegend aus orga­ nischem Material besteht. Die Photozelle kann prinzipiell denselben Aufbau haben wie die Leuchtdiode, nur muss in der optisch aktiven Schicht eine Ladungstrennung durch Lichtein­ fluss geschehen, wobei Ladung unterschiedlichen Vorzeichens zu den entgegengesetzten Kontakten (Elektroden) wandert (Pho­ tospannung).
Bevorzugt wird ein organischer Optokoppler durch ein Viel­ fachschichtsystem aufgebaut, insbesondere so, dass sich die OLED und die organische Photozelle voneinander weder im Auf­ bau noch in den Materialien unterscheiden. Dieser Aufbau ist besonders kostengünstig und für eine Massenfertigung geeig­ net.
Ein typischer Vielfachschichtaufbau ist folgender:
Auf einem Substrat wird eine Photozelle, die aus einer unte­ ren Elektroden enthaltenden Schicht und einer entsprechenden oberen Elektroden enthaltenden Schicht besteht mit dazwischen einer optisch aktiven, z. B. photosensitiven Schicht.
Auf der Photozelle befindet sich die transparente Isolations­ schicht auf der wieder eine Elektrodenschicht eine optisch aktive Schicht (diesmal Bestandteil der OLED, d. h. z. B. eine fluoreszierende Schicht) und schließlich die obere Elektro­ denschicht der OLED.
Dabei kann jeder einzelne Schichttyp wieder aus einer Kombi­ nation mehrerer Schichten bestehen und/oder mehrere Schichten können aus identischem Material sein. Die Schichten können auch lateral strukturiert sein.
Die Herstellung kann durch Drucken, Laminieren, Spin-Coaten, Aufdampfen, Aufsputtern, Abscheiden aus der Gasphase gesche­ hen und schließlich sind noch Verwendungen eines Optokopplers z. B. in Sensoren oder in Kombination mit konventioneller E­ lektronik, z. B. eingebaut in Leiterplatten oder auf Gehäusen aufgebracht.
Bevorzugt haben die einzelnen Schichten des Optokopplers eine Schichtdicke von maximal 2 µm insbesondere bevorzugt von klei­ ner 1 µm (typischerweise wenige 100 nm). Die Elektroden kön­ nen dicker sein, im Bereich mehrerer µm. Die Dicke der Isola­ torschicht hängt ab von der benötigten Isolation bzw. Durch­ bruchspannung und kann auch mehrere µm betragen, so dass der gesamte Optokoppler bei reinem Schichtaufbau mit organischem Material sehr flach wird und damit für viele Anwendungen, für die bisher aus Platzgründen ein konventioneller Optokoppler nicht geeignet war, einsetzbar wird. Beispielsweise lassen sich derartige Optokoppler leicht in Schaltungen integrieren oder im einfachsten Fall lässt sich der Optokoppler direkt auf eine integrierte Schaltung prozessieren, in dem einfach der Schichtaufbau erhöht wird. Damit kann sogar ein zusätzli­ ches Substrat oder ein Träger für den Optokoppler eingespart werden.
Die an den Optokoppler angeschlossene Ansteuerungs- und Aus­ werteelektronik kann auch zumindest teilweise aus organischen Materialien aufgebaut sein, so dass diese Elektronik sich auch mit dem Optokoppler im selben Herstellungsverfahren her­ stellen lässt.
Die Zwischenschicht zwischen dem ersten Element, das bevor­ zugt eine OLED ist und dem zweiten Element, das bevorzugt ei­ ne organische Photozelle ist, ist aus elektrisch isolierendem aber lichtdurchlässigem Material. Bevorzugt bei der Auswahl dieses Materials ist, dass es sich in der Dünnschichttechnik verarbeiten lässt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung noch an­ hand einer Figur, die einen Querschnitt durch einen Opto­ koppler zeigt, erläutert.
Das Aufbaubeispiel ist schematisch dargestellt, wobei der Aufbau der OLED und der Photozelle sehr ähnlich oder ver­ schieden sein kann. Die Materialien können variiert werden.
Die organische Leuchtdiode 1 und die Photozelle 2 haben einen sehr ähnlichen Aufbau. Zwischen zwei Elektroden 3a und 4a bzw. 3b und 4b befinden sich p- und n-leitende organische Halbleiterschichten (5a, 5b, 6a, 6b), die beim Anlegen von Spannung an die Elektroden Licht erzeugen (LED) oder beim Einwirken von Licht Spannung an den Elektroden erzeugen (Pho­ tozelle). Die beiden Elemente sind durch eine isolierende a­ ber lichtdurchlässige Schicht 7 getrennt. Der Lichtpuls, der von der Leuchtdiode erzeugt wird, kann durch die Schicht 7 (vgl. Pfeil) treten und auf die Photozelle 2 auftreffen. Da­ mit wirkt dieser Aufbau als Optokoppler, also als galvanisch getrennter Signalübertrager.
Die Elektronik zur Ansteuerung und/oder Auswertung des Kopplers umfasst bevorzugt Bauelemente mit organischer Elekt­ ronik ("Polymerelektronik"), wie z. B. organische Feldeffekt- Transistoren, kann aber auch konventionelle Si-Halbleiter- Elektronik beinhalten.
Der Vorteil eines zumindest zum Teil aus organischem Material bestehenden Optokopplers besteht darin, dass er sehr einfach als aufeinanderfolgendes Schichtpaket mit geringem Struktu­ rierungsaufwand oder ohne Strukturierungsaufwand hergestellt und z. B. auf einen fertigen Chip, der z. B. seinerseits im Dünnschichtverfahren hergestellt wurde (z. B. Polymerelektro­ nik-Chip) aufgebracht werden kann.
Die Herstellung im Dünnschichtverfahren bedeutet, dass die Schichten z. B. wenige µm oder weniger als 1 µm dich sind. Dün­ ne homogene Schichten können durch "Spin-Coating", Rakeln, Laminieren, Drucken (z. B. Tampon, Tintenstrahl, Offset, Mic­ rocontactprinting, Siebdruck), Aufdampfen, Aufsputtern, Chemi­ sches Abscheiden, usw. erzeugt werden. Vielfachschicht heißt, dass mehrere Schichten übereinander gebracht werden können, wobei zu beachten ist, dass es keine oder wenig Vermischung der einzelnen Schichten gibt.
Die Materialauswahl hängt vom speziellen Verfahren ab, z. B. spielt beim Drucken oder Spin-Coaten eine wichtige Rolle, dass sich die Materialien in einem Lösungsmittel lösen las­ sen, dass nach dem Aufbringen der Schicht wieder entweichen kann. Bei der Verwendung von Lösungsmittel kommen eher Poly­ mere als Small molecules in Frage, weil, die aufgedampft wer­ den. Es können natürlich auch small molecules so behandelt werden, dass sie löslich sind. Für dünne Schichten ist es auch wichtig, dass die Materialien keine Klumpen enthalten, die die Schicht inhomogen werden lassen.
Beispiele für bevorzugte Materialien sind:
Leiter: z. B. Polyanilin, PEDOT;
Isolatoren: z. B. Polyhydroxystyrrol, Cymel;
Halbleiter z. B. Polytiophen, Pentacen, Polyfluoren.
Substrat: z. B. PET, PEN
Ein organischer Signalübertrager ist beispielsweise ein Opto­ koppler, der eine Kombination einer organischen Leuchtdiode mit einer organischen Photozelle umfasst. Diese Elemente kön­ nen durch eine isolierende, lichtdurchlässige Schicht vonein­ ander galvanisch getrennt sein. Die sonstige Funktionsweise entspricht der herkömmlicher Optokoppler.

Claims (13)

1. Signalübertrager auf der Basis von organischem Material im Schichtaufbau, der ein ankommendes Signal galvanisch getrennt weiterleitet und bei dem zumindest eine Funktionsschicht or­ ganisches Material umfasst.
2. Optokoppler, der zumindest ein erstes Element, in dem ein elektrischer Puls in einen Lichtpuls gewandelt wird und zu­ mindest ein zweites Element umfasst, in dem der Lichtpuls wieder in einen elektrischen Puls gewandelt wird, wobei die zumindest zwei Elemente aus zumindest einer Funktionsschicht aufgebaut, elektrisch isolierend und lichtdurchlässig durch eine Zwischenschicht verbunden sind und zumindest eines die­ ser Elemente und/oder die Zwischenschicht zumindest teilweise organisches Material umfasst.
3. Optokoppler nach Anspruch 2, bei dem zumindest eine Funk­ tionsschicht vorwiegend organisches Material umfasst.
4. Optokoppler nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das erste Ele­ ment eine organische Leuchtdiode ist.
5. Optokoppler nach einem der Anspruche 2 bis 4, bei dem das zweite Element eine organische Photozelle ist.
6. Optokoppler nach einem der Anspruche 2 bis 5, bei dem zu­ mindest ein Element und/oder die elektrisch isolierende Zwi­ schenschicht im Vielfachschichtsystem aufgebaut ist.
7. Optokoppler nach einem der Anspruche 2 bis 6, bei dem zu­ mindest die Bestandteile aus organischem Material und/oder die elektrisch isolierende Zwischenschicht als einfache Schichten aufgebaut sind.
8. Optokoppler nach einem der Anspruche 2 bis 7, bei dem zu­ mindest eine der Schichten in Dünnschichttechnik aufbringbar ist.
9. Optokoppler nach einem der Anspruche 2 bis 8, bei dem zu­ mindest eine der Schichten und/oder eine der Funktionsschich­ ten eine Dicke von maximal 2 µm hat.
10. Verfahren zur Herstellung eines Signalüberträgers im Vielfachschichtsystem.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Signalübertrager im Vielfachschichtsystem auf einen Chip aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Anspruche 10 oder 11, bei dem der Signalübertrager in der Dünnschichttechnik aufgebracht wird.
13. Verwendung eines Signalüberträgers auf der Basis von or­ ganischem Material in einem Computer, einem Automatisierungs­ gerät, einem medizintechnischen Gerät und/oder einem Kommuni­ kationsgerät.
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