Verdreifachter Durchsatz in der OLED-Materialentwicklung

Eine der größten Hürden im Wettlauf um die Entwicklung von Display-Technologien der nächsten Generation ist die Erzeugung und Validierung neuer Materialien. Diesen langwierigen Prozess beschleunigte OTI Lumionics aus Kanada mit der universell einsetzbaren Automatisierungstechnik von Beckhoff. Durch die erhöhte Effizienz in der Testproduktion kann das Unternehmen den Validierungsprozess für seine Highend-OLED-Materialien nun schneller abschließen.

„Wir entwickeln bahnbrechende Materialien durch die Kombination von Quantensimulation und maschinellem Lernen mit Praxistests in der Pilotproduktion“, sagt Michael Helander, CEO und Präsident von OTI Lumionics aus Mississauga, Ontario. Diese Materialien ermöglichen neuartige Funktionen in elektronischen Geräten – von Smartphones mit Unter-Display-Kameras bis zu hochmodernen Automobil-Displays. „In enger Zusammenarbeit mit Partnern wie Apple, Samsung und LG entwickeln wir die wichtigsten Materialien für die nächste Generation der OLED-Displays in der Unterhaltungselektronik und in der Automobilindustrie“, so Michael Helander weiter.

Testverfahren auf dem Prüfstand

Um dieses Erfolgsniveau zu ermöglichen, implementierte OTI die innovative Materialtestplattform EPOC-auto für die automatisierte Pilotproduktion. „Vor deren Entwicklung hatten wir mit unterschiedlichen Ergebnissen von verschiedenen Bedienern zu kämpfen“, sagt Terry Xu, Vice President Engineering bei OTI Lumionics. „Es war schwierig, den Aufbau einer OLED-Struktur zu wiederholen, wenn es galt, kritische Parameter fein abzustimmen. Die Systeme blieben meist ungenutzt, da eine Gerätestruktur immer in einem Durchgang pro Tag fertiggestellt werden muss. Dadurch waren die Betriebskosten sehr hoch und die Ausbeute an funktionierenden OLED-Mustern gering.“

Für die Automatisierung galten komplexe Anforderungen. Das System sollte 20 Substrate mit unterschiedlichen Schichtstrukturen erzeugen und eine Genauigkeit von 0,1 mm bei der Substrat- und Maskenausrichtung erreichen – ein Niveau der Materialauftragskontrolle, das schon in einem Arbeitsgang schwierig durchzuhalten ist, geschweige denn über kontinuierliche Prüfzyklen hinweg. Weiterhin musste das System in der Lage sein, mehrere Materialquellen gleichzeitig mit jeweils einem eigenen Präzisionsregler zur Steuerung der Abscheidungsraten zu automatisieren. Um konsistente Ergebnisse zu erzielen, müssen Hunderte von Sensoren und beweglichen Elementen perfekt zusammenarbeiten.

Zudem ist wegen der häufig wechselnden Testbedingungen ein hohes Maß an Flexibilität erforderlich. „Aufgrund des experimentellen Charakters unserer Arbeit können sich unsere Ziele täglich ändern“, erklärt Terry Yang, Senior Mechatronics Engineer bei OTI. „Darum benötigen wir ein System, das sich schnell ändern und anpassen lässt.“

Industrielle Automatisierung in wissenschaftlicher Umgebung

Um die Herausforderungen zu bewältigen, traf OTI die Entscheidung, auf die universelle PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff zu standardisieren. Herzstück der Plattform ist der Embedded-PC CX2033, der bei der Automatisierung des gesamten Prozesses die präzise, deterministische Steuerung für die Materialabscheidung im Nanometerbereich bietet. Das Industrial-Ethernet-System EtherCAT bildet die Basis für die nahtlose Integration von Sensoren, Aktoren und wissenschaftlichen Geräten.

Das breite Spektrum der EtherCAT-Klemmen ermöglicht auch die Kommunikation mit Drittanbietergeräten und verbindet die wissenschaftlichen Spezialgeräte mit der Automatisierung. Als Schnittstellen für die Integration waren sie angesichts der besonderen Bedingungen in der Halbleiterforschung und -entwicklung von entscheidender Bedeutung.

EtherCAT integriert wissenschaftliche Spezialgeräte

OTI setzt die seriellen Schnittstellenklemmen EL6021 für den Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch mit Spezialgeräten wie z. B. Quarzkristall-Mikrowaagen und Vakuum-Controllern über RS422/RS485-Kommunikation mit bis zu 115,2 kBaud ein. Die 4-Kanal-Analog-Eingangsklemmen EL3024 ermöglichen mit 12-Bit-Auflösung und galvanischer Trennung die genaue Überwachung mehrerer Ablagerungsparameter bei gleichzeitigem Schutz empfindlicher Messgeräte. Die 8-Kanal-Analog-Eingangsklemmen EL3318 unterstützen den Anschluss von acht Thermoelementen für die präzise Temperaturüberwachung über mehrere thermische Zonen mit integrierter Linearisierung und Kaltstellenkompensation.

Durch diese Kombination entsteht eine robuste Mess- und Steuerungsinfrastruktur mit der hohen, für die OLED-Entwicklung erforderlichen Genauigkeit. Die kompakte Bauform der Klemmen und die durchgängige EtherCAT-Implementierung vereinfachen die Schaltschrankkonstruktion und ermöglichen die flexible Erweiterung um Schnittstellen für neue Messpunkte, wenn sich die Testanforderungen ändern.

Passend zu der schlanken Architektur integriert das I/O-System die Servomotor-EtherCAT-Klemmen EL7211-9014 für eine präzise Positioniersteuerung mit den Servomotoren AM8122. „Die One Cable Technology (OCT) der kompakten Servomotoren sorgt für eine schlanke Verkabelung, und die Integration der Drittanbieterkomponenten wird durch die TwinCAT-Bibliotheken für serielle Kommunikation vereinfacht“, erklärt Terry Yang.

Bei der Implementierung arbeitete OTI eng mit Rui Zhang, Application Engineer and Drive Technology Products Specialist bei Beckhoff Kanada, zusammen, insbesondere bei der Integration der Servomotoren AM8122 und der Softwarekonfiguration. Das Motion-Control-System umfasst außerdem fünf Servoverstärker AX5201, die mit den Motoren die entscheidende Schnittstelle zwischen dem Mechaniksystem und der Steuerung bilden. Mit Stromregelzyklen von bis zu 62,5 μs bieten sie die notwendige Performance für hochdynamische Positionieraufgaben.

OTI profitiert von der Feedback-Schnittstelle der Baureihe AX5000 durch die Unterstützung verschiedener Feedback-Systeme, darunter Resolver und hochauflösende Encoder. Diese Flexibilität ermöglichte dem Ingenieursteam in Verbindung mit den variablen Parametriermöglichkeiten durch Strom- und Geschwindigkeitsfilter die Feinabstimmung der Bewegungssteuerung für die Nanometer-Präzisionsanforderungen.

„Die solide technische Kompetenz und die Erfahrung von OTI mit der objektorientierten Programmierung machten den Integrationsprozess außergewöhnlich reibungslos“, so Rhui Zhang. Die Automatisierungssoftware TwinCAT integriert die Echtzeitsteuerung mit den SPS-, NC- und CNC-Funktionalitäten auf einer einzigen Plattform. Die Engineeringumgebung ermöglicht die Konfiguration, Programmierung, Fehlersuche und Diagnose von allen angeschlossenen Automatisierungsgeräten. „Wir verwenden ausschließlich Structured Text, weil es der objektorientierten Programmierung sehr ähnlich ist“, erklärt Terry Yang. „Das macht unsere Software aufgrund des prägnanten Programmierstils einfach zu lesen und zu debuggen.“

Von der Komplexität zur Klarheit

„EPOC-auto kann rund um die Uhr mit minimalen Bedienereingriffen laufen“, sagt Terry Xu und erklärt, dass der Durchsatz dreimal so hoch ist wie bei einem halbautomatischen oder manuellen System. „Bislang ist das System fehlerfrei ohne Unterbrechungen gelaufen. Außerdem ist die Wiederholgenauigkeit der Tests doppelt so hoch wie bei unseren früheren Systemen.“ Die verbesserten Datenerfassungs- und -analysefunktionen haben sich als besonders wertvoll für die Weiterentwicklung des Prüfprozesses erwiesen.

„Diese automatisierte Testplattform hat die Art und Weise unserer Innovationsprozesse grundlegend verändert“, erklärt Terry Xu. „Wenn man seine Prüfleistung verdreifachen und gleichzeitig die Präzision verbessern kann, löst man nicht nur heutige Herausforderungen, sondern führt auch die Zukunft der Displaytechnologie schneller hierbei.“