OLED - LED Know-how

OLED Technologie
Eine organische Leuchtdiode (englisch organic light emitting diode, OLED)
OLED ist ein leuchtendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, das sich
von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheidet, dass die elektrische Stromdichte und Leuchtdichte geringer sind und keine einkristallinen Materialien
erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen
sich organische Leuchtdioden daher in Dünnschichttechnik kostengünstiger herstellen,
her
ihre Lebensdauer ist jedoch derzeit geringer als die herkömmlicher
herkömmlicher Leuchtdioden.
Leuchtdio
Eine OLED auf einer biegsamen Kunststofffolie
Die OLED-Technik ist für Bildschirme (vorerst in Smartphones und Tablet-Computern,
Tablet
später auch in großflächigeren Fernsehern,, PCs, Monitoren) und Displays geeignet.
geeig
Ein
weiteres Einsatzgebiet ist die großflächige Raumbeleuchtung. Aufgrund
grund der MaterialMaterial
eigenschaften
schaften ist eine mögliche Verwendung der OLEDs als biegsamer
biegsamer Bildschirm
Bild
und
als elektronisches Papier interessant.
Aufbau und Funktionsweise
Schema einer OLED. 1. Kathode,
Kathode 2. Emitterschicht,, in grün dargestellt, 3. Rekombination der
Ladungsträger mit Emission eines Photons, 4. Lochleitungsschicht, 5. Anode
OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. Dabei wird meist auf die
Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid
Indium
(ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet,
eine Lochleitungsschicht (engl.
engl. hole transport layer,, HTL) aufgebracht. Zwischen
Zwi
ITO
und HTL wird – abhängig von der Herstellungsmethode – oft noch eine Schicht aus
PEDOT/PSS aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere
Injektionsbarriere für Löcher dient und
die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert. Auf die HTL wird eine Schicht
aufgebracht, die entweder den Farbstoff enthält (ca. 5–10 %) oder – eher selten – vollständig aus dem Farbstoff besteht, z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin)
hydroxychinolin), Alq3. Diese
Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (engl. emitter layer,, EL). Auf diese wird opop
tional noch eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport layer,
layer ETL) aufge-
bracht. Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend
hend aus einem Metall oder einer
Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium,
Calcium Aluminium,
Barium, Ruthenium,, Magnesium-Silber-Legierung,
Magnesium
rung, im Hochvakuum aufgedampft. Als
Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere
Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen
Kathode und E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid,
Lithiumfluorid Caesiumfluorid oder Silber aufgedampft.
OLED Aufbau im Vergleich
Die Elektronen (= negative Ladung) werden nun von der Kathode injiziert, während die
Anode die Löcher (= positive Ladung)
Ladung) bereitstellt. Loch und Elektron driften aufeinander
aufei
zu und treffen sich im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen
gebundenen Zustand, den
man als Exziton bezeichnet. Abhängig vom Mechanismus stellt das Exziton bereits den
angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar, oder
oder der Zerfall des Exzitons stellt die
Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung.
Verfügung. Dieser Farbstoff hat verver
schiedene Anregungszustände.
Anregungszustände Der angeregte Zustand
stand kann in den Grundzustand
übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen) aussenden.
senden. Die Farbe des ausgesenausgesen
deten Lichts hängt vom Energieabstand zwischen
zwischen angeregtem und Grundzustand ab
und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle
Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem
stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände
Triplett Zustände dar. Diese können durch Zugabe von
sogenannten „Exzitoren““ wieder gelöst werden.
Verwendung und Auswahl organischer Materialien
Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzung PLED
(engl. polymer light emitting diode)
diode durchgesetzt. Als SOLED oder SMOLED werden
seltener die aus „small
small molecules“
molecules (kleinen Molekülen)) hergestellten OLEDs bezeichnet.
In PLEDs werden als Farbstoffe häufig Derivate von Poly(p-phenylen
phenylen-vinylen) (PPV)
verwendet. In jüngster Zeit werden Farbstoffmoleküle eingesetzt, die eine vierfach höhere Effizienz als mit den oben beschriebenen fluoreszierenden Molekülen erwarten
lassen. Bei diesen effizienteren OLEDs werden metall-organische Komplexe verwendet,
bei denen die Lichtaussendung aus Triplett-Zuständen erfolgt (Phosphoreszenz).
Diese Moleküle werden auch Triplett-Emitter genannt; der Farbstoff kann auch durch
das Umgebungslicht angeregt werden, was zu Lumineszenz führen kann. Ziel ist es
allerdings, selbstleuchtende Flächen herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen.
Vorteile
OLEDs lassen sich industriell nicht nur unter teuren Vakuum- und Reinraum-Bedingungen fertigen. Ein weiterer Vorteil beruht auf der Alternative, OLEDs in Masse und großflächig kostengünstig auch auf drucktechnischem Wege herstellen zu können, was bei
klassischen LEDs nicht und bei elektronischen Bauelementen und Systemen nur selten
der Fall ist. Der Kostenvorteil ergibt sich daraus, dass die elektrisch leitenden farbgebenden Schichten in einem modifizierten Tintenstrahldruckverfahren oder neuerdings
auch im Offsetdruck aufgebracht und ebenfalls ohne Vakuum-Aufdampfen anschliessend beschichtet werden können. Führend auf diesem Gebiet der löslichen OLED-Materialsysteme sind DuPont und Merck. Die ersten OLEDs wurden unter Laborbedingungen bereits 1987 gedruckt. Leitmesse mit Kongress für die gedruckte Elektronik ist jährlich die LOPEC Messe in München. Auf der Drupa 2012, Leitmesse der Druckindustrie,
wurden u. a. gedruckte OLEDs als Milliardenmarkt identifiziert.
Nachteile
Das größte technische Problem stellt die vergleichsweise geringe Lebensdauer mancher aus organischen Materialien bestehenden Bauelemente dar. Bei (O)LEDs bezeichnet man als Lebensdauer die mittlere Betriebszeit, nach der die Leuchtdichte auf
die Hälfte abgesunken ist. Für weiße Lichtquellen und Monitore ist für die insgesamt
nutzbare Lebensdauer die der blauen Komponente begrenzend. 2011 wurden für weiße
Lichtquellen 5.000 Stunden (bei 1000 cd/m²) und 12.000 Stunden (bei 100 cd/m²) angegeben.
Allerdings müssen bei den offiziellen Angaben zur Lebensdauer von OLED-Materialien
mehrere wichtige Aspekte beachtet werden: Die (maximal mögliche oder im Verhältnis
dazu verringerte) Anfangshelligkeit, bei der die Lebensdauermessung beginnt, die Zeit
bis zum Abfall der Leuchtstärke auf 50 Prozent dieses Anfangswertes sowie die unterschiedlichen Temperaturen, bei der die OLEDs betrieben werden (können). Eine gut
gekühlte OLED (egal welcher Farbe) mit geringer Anfangsleuchtstärke hat also immer
eine sehr viel höhere Lebensdauer als eine OLED, die ohne Kühlung von Anfang an mit
der maximalen Leuchtstärke betrieben wird. Zudem wird die Lebensdauer meist theoretisch aus dem kürzesten Wert extrapoliert: Da es kaum praktikabel ist, ein OLED-Material zehn- oder gar hunderttausende von Stunden bei mittlerer oder geringer Leuchtstärke zu testen, verwendet man die Lebensdauer bei maximaler Leuchtkraft und rechnet diese auf die geringeren Leuchtstärken um. Dass der Boom bei OLED bis jetzt ausgeblieben ist, hat vor allem mit diesen Lebensdauer- und Qualitätsunterschieden bei
OLED-Farben und -Materialien zu tun.
Ebenso wie Wasser kann auch Sauerstoff das organische Material zerstören. Daher ist
es wichtig, das Bauelement zu verkapseln und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die
nötige starre, anorganische Verkapselung beeinträchtigt die Flexibilität. Mittlerweile sind
die organischen Materialien jedoch deutlich resistenter gegen Wasser und Sauerstoff
als frühere Versionen. Durch Korrosion ist vor allem die hochreaktive Injektionsschicht
aus Calcium und Barium gefährdet. Typische Versagenserscheinungen sind kreisrunde,
wachsende nichtleuchtende Bereiche, sogenannte „Dark Spots“. Ursache ist häufig eine
Partikelbelastung beim Aufdampfen der Metallschichten. Auch die mikroskopischen
Kanten der Mehrschichtstruktur werden durch Korrosion unterwandert, was zur Abnahme der effektiv leuchtenden Pixelfläche bei Bildschirm-Anwendungen führt.
Kommerzielle OLEDs auf flexiblem Substrat befinden sich erst in der Einführungsphase,
da alle flexiblen Kunststoffsubstrate eine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit aufweisen. Dünnstglas (Glas mit einer Dicke von höchstens etwa 0,2 mm)
ist in der Verarbeitung schwer handhabbar, außerdem ist das Anodenmaterial Indiumzinnoxid ein Hartstoff und daher spröde. Wiederholtes Ein- und Ausrollen um einen geringen Radius führt zum Brechen und schnellem Versagen (Widerstandsanstieg) der
Anode.
Stand der Technik
Prototyp eines batteriebetriebenen flexiblen OLED-Flächenstrahlers. Rechts daneben eine
warmweiße OLED-Leuchte.
Die Hauptanbieter von OLED-Technik sind die Firmen Osram, Philips, Sony, LG,
Samsung SDI, RiTdisplay, Univision, Pioneer und TDK. Philips und Osram stiegen 2004
beziehungsweise 2007 aus dem Display-Geschäft aus und produzieren nur noch
OLED-Leuchtmittel.
Anwendung
OLED wird nicht wie allgemein angenommen die LED ersetzen sondern als ergänzende
Technologie sich etablieren. Dabei ist klar zu unterscheiden ob es sich um eine Anwendung als Display zur Darstellung von hauptsächlich bewegten Bildern und interaktiven
Nutzungen handelt oder ob eine Beleuchtungsanwendung im Vordergrund steht.
Roadmap Anwendungen in der Beleuchtung Stand 2014
Roadmap Effizienz in der Beleuchtung Stand 2014