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Organische Leuchtdioden Wann schafft die OLED-Technologie den Durchbruch?

Autor / Redakteur: Michael Bächle, Dr. Thomas Baumann, Dr. Birgit Rudat und Daniel Volz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Organische Leuchtdioden sind energieeffizient, kontrastreich und sie sind dünn und flexibel. Wir zeigen Ihnen, wie OLEDs funktionieren und welche Fortschritte die OLED-Entwicklung bereits gemacht hat.

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Bild 2: Schichtaufbau einer OLED – OLEDs bestehen aus mehreren dünnen Schichten. Neben den Elektroden, die zur Kontaktierung des Bauteils benötigt werden, sind leitende Schichten für den Transport von negativen und positiven Ladungen vorhanden. Eine zentrale Rolle für die Licht-erzeugung spielt dabei die Emitterschicht, in der die Ladungsträger rekombinieren und das gewünschte Licht erzeugt wird.
Bild 2: Schichtaufbau einer OLED – OLEDs bestehen aus mehreren dünnen Schichten. Neben den Elektroden, die zur Kontaktierung des Bauteils benötigt werden, sind leitende Schichten für den Transport von negativen und positiven Ladungen vorhanden. Eine zentrale Rolle für die Licht-erzeugung spielt dabei die Emitterschicht, in der die Ladungsträger rekombinieren und das gewünschte Licht erzeugt wird.
(Cynora)

Seit einiger Zeit liegt die Entwicklung von energiesparenden, preiswerten Lösungen für den Beleuchtungs- und Displaymarkt im Fokus von Forschungsaktivitäten in Unternehmen und an Universitäten. Für diese Märkte haben sich organische Leuchtdioden (OLEDs) mittlerweile als innovative Lösung etabliert.

Bild 1: Prototyp einer OLED, die nass-chemisch auf ein flexibles Substrat prozessiert wurde. Ein Meilenstein auf dem Weg zu OLED-Folien für intelligente Verpackungen.
Bild 1: Prototyp einer OLED, die nass-chemisch auf ein flexibles Substrat prozessiert wurde. Ein Meilenstein auf dem Weg zu OLED-Folien für intelligente Verpackungen.
(Cynora)
Firmen wie der südkoreanische Hightech-Gigant Samsung setzen die OLED-Technologie mittlerweile in großen Stückzahlen für Displays in Smartphones und Digitalkameras ein, während die Beleuchtungsexperten Osram und Philips erste OLED-Lampen verkaufen. Die erfolgreiche Einführung dieser Technologie insbesondere im Displaybereich hängt eng mit den Vorteilen gegenüber konventionellen Technologien wie Flüssigkristall- (LCD) oder Plasmadisplays zusammen.

OLEDs zeichnen sich durch eine gute Energieeffizienz, einen hohen Kontrast unter großen Beobachtungswinkeln sowie einen dünnen, flexiblen Aufbau aus. Außerdem lassen sich die Leuchtfarben der Materialien einfach auf die Bedürfnisse von Kunden anpassen. Durch diese Eigenschaften sind Geräte mit OLED-Technologie mittlerweile Weltmeister in mehreren Disziplinen: Bei Ausstellungen und Messen präsentieren die großen Player jährlich immer dünnere und leichtere Bildschirme.

Zusätzlich bieten OLEDs die Möglichkeit, flächige Beleuchtung ohne zusätzliche Hilfen wie Glasfaseroptik oder Mattscheiben zu realisieren, was den konventionellen, punktförmigen Lichtquellen wie Glühlampen oder LEDs diametral entgegensteht. Sprichwörtliche Flexibilität ist eine weitere Stärke von OLEDs. Mit flexiblen Gläsern oder Plastikfolien als Substraten können sie bieg- und rollbar hergestellt werden. (Bild 1) Prototypen wie aus dem Drehbuch von Sciencefiction-Filmen konnten diese Eigenschaft eindrucksvoll demonstrieren. Biegbare Tablet-PCs, halbtransparente Fernsehbildschirme und Getränkedosen mit selbstleuchtenden OLED-Etiketten versprechen künftig aufregende neue Anwendungen.

Noch domminieren hochpreisige OLED-Produkte den Markt

Ein gutes Ende der OLED-Geschichte muss dennoch erst geschrieben werden. Allen visionären Ideen zum Trotz müssen Wissenschaftler und Ingenieure noch entscheidende Durchbrüche erringen. Momentan dominieren hochpreisige Produkte den OLED-Markt, vor allem aufgrund der noch komplexen Herstellungsverfahren. Die Entwicklung von neuen, kostengünstigen Verfahren sowie geeigneten Materialien ist also ein wichtiges Forschungsthema. Besonders die Anwendung dieser Materialien in kommerziell durchführbaren Druck- und Beschichtungsprozessen wird eine wichtige Rolle bei der Hochskalierung der OLED-Produktion spielen.

Jüngere Entwicklungen wie die Verzögerungen bei der Markteinführung von flexiblen Displays durch Samsung [1] oder die einfache Tatsache, dass heutzutage immer noch keines der beliebten Apple-Produkte die OLED-Technologie nutzt [2], zeigen klar, dass noch einige offene Fragen beantwortet werden müssen. Dieser derzeit noch laufende Prozess bietet zahlreiche Chancen, insbesondere für Experten für Druck- und Beschichtungsprozesse.

Wie OLEDs funktionieren und wie sie aufgebaut sind

Bild 2: Schichtaufbau einer OLED – OLEDs bestehen aus mehreren dünnen Schichten. Neben den Elektroden, die zur Kontaktierung des Bauteils benötigt werden, sind leitende Schichten für den Transport von negativen und positiven Ladungen vorhanden. Eine zentrale Rolle für die Licht-erzeugung spielt dabei die Emitterschicht, in der die Ladungsträger rekombinieren und das gewünschte Licht erzeugt wird.
Bild 2: Schichtaufbau einer OLED – OLEDs bestehen aus mehreren dünnen Schichten. Neben den Elektroden, die zur Kontaktierung des Bauteils benötigt werden, sind leitende Schichten für den Transport von negativen und positiven Ladungen vorhanden. Eine zentrale Rolle für die Licht-erzeugung spielt dabei die Emitterschicht, in der die Ladungsträger rekombinieren und das gewünschte Licht erzeugt wird.
(Cynora)
OLEDs funktionieren nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz und erreichten ihren Durchbruch durch die Verwendung von Mehrschichtarchitekturen [3]. Dabei werden mehrere nanometer-dünne, funktionelle Schichten zwischen zwei Elektroden übereinander geschichtet. (Bild 2). Die Gesamtdicke eines solchen Schichtaufbaus liegt in der Größenordnung von 100 bis 300 nm. Obwohl sich der Aufbau einer OLED auf den ersten Blick signifikant vom Aufbau einer konventionellen LED unterscheidet, gibt es doch gewisse Schnittmengen.

Ergänzendes zum Thema
Wie OLEDs derzeit hergestellt werden

Das linke Bild zeigt eine Anlage für die Herstellung von kleineren Test-OLEDs mit einer Größe von 1 cm². Typischerweise werden sehr niedrige Drücke benötigt, wodurch die Vakuumdeposition als aufwändig gilt, insbesondere für größere OLEDs. Es demonstriert einen großen Nachteil dieser Technik. Während des Abscheidens wird nicht nur das Substrat, sondern das gesamte Innere der Anlage mit den OLED-Materialien beschichtet. Zu sehen ist eine geöffnete Verdampfungskammer, die mit Silber, einem oft verwendeten Material für Elektroden, beschichtet ist. Obwohl die Dicke auf dem Substrat nur wenige Nanometer beträgt, beginnt sich das überschüssige Material in dicken Schichten von den Wandungen der Anlage abzuschälen. Durch Flüssigprozessierung kann dieses Problem elegant umgangen werden. Das rechte Bild zeigt eine für die Beschichtung von OE-Lösungen optimierte Schlitzdüse in den Laboren des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik im Bereich Thin Film Technology am Karlsruher Institut für Technologie. Flüssigprozessierung ermöglicht die kontinuierliche Produktion von Rolle zu Rolle. [10]

Während alle physikalischen Prozesse (Injektion von Ladungsträgern, Transport der Ladungen, Rekombination und Lichtemission) in der LED von einem Material geleistet werden, verteilen sich die Funktionen in der OLED auf mehrere übereinander angebrachte Materialien. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, erfolgt die Injektion von Ladungsträgern (Löchern und Elektronen) ins Material, wobei für jede Ladungsträgerart spezielle Materialien zuständig sind.

(ID:38367460)

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