Institut für Chemie neuer Materialien


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Elektrochrome Displays

Hochauflösende, schaltbare, elektrochrome Bilder

Das grafische Interface spielt in der heutigen Informationsgesellschaft eine herausragende Rolle. Häufig ist eine numerische Information gefordert und es reichen die 7 Segmente zur Darstellung aller Ziffern von 0 bis 9 (Abb. 1), in anderen Fällen kommt der wichtige Informationsfluss durch das Schalten von einfachen oder komplizierten (hochaufgelösten) Piktogrammen zustande.

Durch Verwendung eines elektrochromen Materials auf einer Elektrode mit einer sehr hohen Oberfläche kann der Eindruck von "Tinte auf Papier" erreicht werden, und dies bei vollständiger Unabhängigkeit vom Betrachtungswinkel. Elektrochrome Devices färben sich beim Anlegen einer Spannung und absorbieren dann das Licht. Die Grundidee entstand ursprünglich gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. M. Grätzel, ETH-Lausanne. Bis vor kurzem waren nur schaltbare Filter, und schaltbare numerische Displays zugänglich. In Osnabrück gelang uns aber kürzlich der Durchbruch zu elektrochromen Bildern mit einer Auflösung von 300 dpi und mehr. Dies wurde durch die Kombination eines "top-down" (Ink-Jet-Technologie) und eines "bottom-up" Ansatzes (molekulare Selbstassemblierung, molekulare Verstärkung und molekulare Fixierung) erreicht.

Farbverstärkung durch Nanotechnologie

In Zusammenarbeit mit der Lausanner Forschungsgruppe haben wir ein bereits für Solarzellen bekanntes, nanotechnologisches Verstärkungsprinzip weiterentwickelt [1]. Dabei werden auf einer leitenden Glaselektrode (dotiertes Zinndioxid auf Glas) halbleitende Titandioxid-Nanokristalle versintert. Es entsteht eine dreidimensionale, transparente Elektrode mit einer entsprechend großen Oberfläche. Auf diesen Titandioxid-Kristallen werden Viologene, versehen mit speziellen Ankergruppen wie Posphonsäuren, als monomolekulare Schicht abgesetzt. Somit verteilt sich viel elektrochromes Material über das elektrisch leitende Titandioxid-Netzwerk, das effizient und schnell über Ladungsänderungen die Farbe ändern kann (Abb. 2).

Nach dem oben dargestellten Verfahren wurden transparente Filter und reflektierende Displays (4-Pixel-Prototyp-Displays) aufgebaut (Abb. 3) [2-4]. Verglichen mit den bekannten elektrochromen Materialien zeigen diese neuartigen Displays und Filter eine höhere Farbdichte und schnellere Schaltzeiten [5]. Diese Arbeiten entstanden in Kooperation mit der Flachglas AG.

Hochaufgelöste elektrochrome Bilder [6,7]

Durch Verwendung eines kommerziell erhältlichen Tintendruckers (Ink Jet) kann mit "elektrochromer Tinte" jede beliebige Grafik auf eine Elektrode übertragen werden. Wird die viologen-behandelte Elektrode durch elektrochemische Reduktion eingefärbt, verschmiert das Bild aber nach einer gewissen Zeit, da sich die Viologene vom Titandioxid ablösen können. Durch kaskadische Oberflächenreaktionen gelang es das mit dem Ink-Jet Drucker aufgebrachte Bild zu fixieren und in seiner Intensität zu verstärken. Die Animation zeigt ein zusammengesetztes Display unter Verwendung einer Elektrode mit einem fixierten elektrochromen Bild und einer transparenten Gegenelektrode.

Die Fixierung beruht auf der kaskadischen Quervernetzung von elektrophilen, bzw. nukleophilen Funktionen der oberflächenverankerten, mittels Ink-Jet Verfahren aufgebrachter Farbzentren durch multi-funktionale, nukleophile bzw. elektrophile Moleküle. Die dadurch erreichte Verstärkung und Stabilisierung der grafischen Information kann deutlich in Abb. 4 erkannt werden. Ohne Fixierung diffundiert die grafische Information nach wenigen Monaten ab, mit Fixierung bleibt sie erhalten.

Die von uns entwickelte Fixierung der Viologenzentren durch Quervernetzung hat auch Auswirkung auf die Stabilitätsverbesserung elektrochromer, numerischer 7-Segment Displays (wie sie vom Industriepartner NTERA entwickelt werden), und schafft die Grundlagen zur Herstellung von matrixadressierten Displays.

 

 

Literatur
  1. T. Gerfin, M. Grätzel, L. Walder, Molecular and Supramolecular Surface Modification of Nanocrystalline TiO2 Films: Charge Separating and Charge-Injecting Devices in Molecular level artificial photosynthetic materials, New York, Wiley, 1997, S. 345-393.
  2. M. Felderhoff, S. Heinen, N. Molisho, S. Webersinn, L. Walder, Helv. Chim. Acta 2000, 83, 181.
  3. F. Campus, P. Bonhote, M. Gratzel, S. Heinen, L. Walder, Sol. Energ. Mat. Sol. C. 1999, 56, 281.
  4. P. Bonhôte, E. Gogniat, F. Campus, L. Walder, M. Grätzel, Displays 1999, 20, 137.
  5. P. Bonhôte, L. Walder, M. Gratzel, Patent US6426827, 2002.
  6. L. Walder, M. Möller, Patent EP1271227, 2003.
  7. M. Möller, S. Asaftei, D. Corr, M. Ryan, L. Walder, Adv. Mater. 2004, 16, 1558.