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Kohlenstoffnanoröhren in der Displaytechnik

Im Jahre 1991 wurden durch Sumito Iijima erstmals Kohlenstoffnanoröhren (engl.: carbon nanotube, CNT) entdeckt. Diese weisen eine einzigartige Kombination aus mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften auf. In den vergangenen Jahren haben Kohlenstoffnanoröhren deshalb das Interesse von Forschergruppen aus den unterschiedlichsten Bereichen geweckt.

Am Institut für Großflächige Mikroelektronik werden zwei Einsatzgebiete von Kohlenstoff Nanoröhren in Flachbildschirmen untersucht. Als transparenter Leiter und als Halbleiter in Dünnschichttransistoren. Die Motivation liegt in der Einführung von wesentlich günstigeren Prozessen im Vergleich zum Stand der Technik, sowie der Realisierung von flexiblen Displays, welche mit den heute üblichen Materialien und Prozessen nicht ohne Weiteres realisiert werden können.

Hierfür werden Kohlenstoff Nanoröhren in Pulverform bezogen und mit Hilfe von Tensiden in eine wässerige Suspension gebracht. Aus dieser flüssigen Phase können die Nanoröhren mit einfachen und kostengünstigen Verfahren wie z.B. dem Aufschleudern oder Aufsprühen abgeschieden werden.

Einsatz als transparenter Leiter

Aktiv-Matrix LCD

Vollfarbiges aktiv-matrix LCD mit Kohlenstoffnanoröhren Pixelelektroden

Flexibles CNT-LCD

Flexibles Flüssigkristalldisplay mit Kohlenstoffnanoröhren-Pixeln

Für nahezu alle aktuellen Displaytechnologien werden optisch möglichst transparente und dennoch elektrisch leitfähige Schichten benötigt. Hier hat sich Indium-Zinn-Oxid (engl. Indium Tin Oxide, ITO) als optimales Material durchgesetzt. Das enthaltene Indium ist jedoch ein sehr seltenes Element und so hat sich der Marktpreis, nicht zuletzt wegen der stark gestiegenen Produktionszahlen von großflächigen Flüssigkristalldisplays (Liquid Crystal Display, LCD), in den letzten Jahren vervielfacht.

Kohlenstoff Nanoröhren können ebenfalls in dünnen Schichten abgeschieden werden, so dass eine leitfähige Fläche entsteht, die dennoch transparent ist. Hierfür werden die Nanoröhren einfach aus der flüssigen Phase aufgesprüht und es bildet sich ein ungeordnetes Netzwerk, das anschließend strukturiert werden kann. Alternativ könnten solche Schichten auch gedruckt werden, was die übliche subtraktive Strukturierung zusätzlich einsparen würde. Dies wird am IGM jedoch nicht untersucht. Im Vergleich zum ITO entfällt somit ein teurer Vakuumprozess für die Abscheidung.

Bei gleicher Transmission weisen die CNT Schichten im Vergleich zum ITO zwar noch etwas geringere Leitfähigkeiten auf, neben dem günstigeren Prozess haben die Nanoröhrenschichten jedoch den weiteren Vorteil, dass sie sehr flexibel sind. Scheidet man beide Materialien auf einer Folie ab und biegt diese dann mehrfach hin und her verliert das brüchige ITO sehr schnell seine Leitfähigkeit, während bei der Nanoröhrenschicht nahezu keine Veränderung stattfindet.

Am Institut für Großflächige Mikroelektronik wurden die nötigen Prozesse zur Herstellung von Flüssigkristallbildschirmen entwickelt, bei denen Kohlenstoff Nanoröhren Netzwerke als transparente Pixelelektroden eingesetzt werden und somit komplett auf ITO verzichtet werden kann. Es wurden zwei Arten von Flüssigkristallanzeigen realisiert. Vollfarbige Aktivmatrix Displays, wie sie in der Mehrzahl der TV-Geräte, Laptops und Computermonitoren zum Einsatz kommen sowie einfachere flexible Foliendisplays mit 7-segment Anzeige. Hiermit konnte demonstriert werden, dass das neue Material ohne wesentliche Änderungen am herkömmlichen Displayprozess eingesetzt werden kann und zusätzlich für zukünftige flexible Displays sehr gut geeignet ist.

Einsatz als Halbleiter

CNT-TFTs auf Folie

Kohlenstoffnanoröhren Dünnschichttransistoren auf Folie

Bei Flüssigkristalldisplays befindet sich bei jedem Bildpunkt ein kleiner Transistor, der während des Einschreibens der Bildinformation leitet und in der übrigen Zeit ausgeschaltet bleibt. Bei den neueren Displays mit organischen, lichtemittierenden Dioden (OLED) werden sogar mehrere Transistoren pro Bildpunkt benötigt. Für diese Transistoren nutzt man amorphes Silizium als Halbleiter. Auch hier werden für die chemische Gasphasenabscheidung teure Vakuumprozesse benötigt. Die erzeugten Schichten sind hart und brüchig und nicht kompatibel zu flexiblen Plastiksubstraten. Zusätzlich werden optimalerweise hohe Prozesstemperaturen benötigt, die solche Folien zerstören würden.

Die Elektronenbeweglichkeit des amorphen Siliziums ist vergleichsweise gering, was die Verwendung solcher Transistoren für zusätzliche Ansteuerelektronik auf dem Display stark einschränkt. Eine einzelne Nanoröhre kann hingegen eine bis zu 10.000 mal höhere Elektronenbeweglichkeit aufweisen. Solch hohe Werte werden sich zwar in der Anwendung bei weitem nicht erreichen lassen, es besteht aber dennoch das Potential für eine wesentliche Verbesserung durch den Einsatz von CNTs als Halbleiter.

Am IGM wurden sowohl auf Glas als auch auf flexiblen Foliensubstraten erfolgreich Kohlenstoff Nanoröhren Transistoren mit guten Eigenschaften hergestellt. Die Ausbeute sowie die Homogenität konnten durch die Optimierung der Abscheidung stark verbessert werden.

Neben der Anwendung in Displays wäre auch der Einsatz in flexibler Elektronik, wie RFID Etiketten, die auf Verpackungen oder Kleidung zum Einsatz kommen könnte, denkbar.