Effiziente OLED-Displays: Auf der Suche nach einem perfekten Emitter-Material

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OLED-Displays genießen eine hohe Popularität, sind allerdings noch nicht perfekt. Gefragt sind geringer Stromverbrauch und hohe Effizienz. Dabei stehen die organischen Materialien im Mittelpunkt.

Seit mehr als 50 Jahren läutet die Consumer Electronic Show (CES) in Las Vegas für die Elektronk-Branche das Jahr ein und präsentiert ein echtes Technik-Festival mit Elektroautos, vernetzten Gadgets und Unterhaltungsgeräten. Im Mittelpunkt stehen auch Fernseher: Hersteller wie Samsung, LG, Panasonic oder Sony liefern sich ein Rennen auf der Suche nach besseren, kontrastreicheren, dünneren und größeren Geräten.

Als der erste HD-TV-Fernseher 1998 auf der CES präsentiert wurde, überrascht uns die Displaybranche ständig mit neuen Techniken und Entwicklungen. Und genau vor zehn Jahren wurden erste Prototypen von Fernsehern mit organischen Leuchtdioden (OLED) vorgestellt. Die OLED-TVs der ersten Stunde hatten einen hohen Farbkontrast, bessere Energieeffizienz und ein schlankes Design.

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Die OLED-Technik als Alternative zum LC-Display

Gründe, warum die organischen Leuchtdioden sich in letzten zehn Jahren als Alternative für Flüssigkristall-Bildschirme (LCD) etabliert haben. Heute setzt fast jeder Display-Hersteller auf OLED. Ein Vorreiter bei OLED war in diesem Jahr LG mit dem weltweit ersten 66-Zoll-Modell, das aufgerollt und ähnlich wie eine Leinwand in einer Box verstaut werden kann. Außerdem präsentierte das Unternehmen ein 88-Zoll-Display, das eine Auflösung von 8K bietet. Zuvor bot der größte OLED-Bildschirm von LG lediglich 77 Zoll und 4K.

Bei den Smartphones wird erwartet, dass Samsung als der derzeitige Führer in kleinen OLED-Displays im Februar sein neues Galaxy S9 auf dem Mobile World Kongress präsentieren wird. Nachdem Apple mit dem iPhone X die OLED-Technik auf den Markt gebracht hatte, ist die Fachwelt gespannt, wie sich Samsung vom Konkurrenten differenzieren will. Für 2018 plant Apple auch ein neues Plus-Modell mit einem größeren OLED-Display.

Das Herz einer OLED sind die Emitter

Das Herz einer OLED sind die sogenannten Emitter. Sie wandeln elektrische Energie in sichtbares Licht um, die als rote, grüne oder blaue Pixel wahrgenommen werden. Bisher werden dafür drei unterschiedliche Konzepte verwendet: Fluoreszenz, Phosphoreszenz und thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF = Thermally Activated Delayed Fluorescence).

Die Hauptunterschiede zwischen der drei Konzepten sind in der Quantenmechanik zu finden. Bei der elektrischen Anregung von Emittern werden Singulett- und Triplett-Excitonen gleichermaßen angeregt. Die Energie bei der Singulett-Exciton liegt höher als bei der Triplett-Exciton; allerdings steht die Anzahl der Zustände in einem Verhältnis von 1:3. Singulett-Emitter, die diesen Singulett-Zustand für die Generierung von Licht verwenden, sind auf eine prinzipielle maximale Effizienz von 25 Prozent beschränkt, während Triplett-Emitter bis zu 100 Prozent der Anregungsenergie in Licht umsetzen können.

Mehr Effizienz mit dem TADF-Prinzip

Dementsprechend gehen beim Fluoreszenz-Prinzip knapp 75 Prozent der elektrischen Energie verloren. Die Phosphoreszenz und das TADF-Konzept generieren Licht sowohl von den Singulett- als auch von den Triplett-Excitonen, was insgesamt eine Effizienz von 100 Prozent in der OLED ermöglicht. Die hundertprozentige Effizienz wird dadurch ermöglicht, dass ein Schwermetall in die chemische Struktur (Phosphoreszenz) eingeführt wird. Mehr Effizienz wird auch durch sorgfältige steirische Modifikationen auf molekularer Ebene (TADF) erreicht.

Momentan verwenden OLED-Hersteller hocheffiziente grüne und rote Materialien, die mit der Phosphoreszenz-Technik entwickelt worden sind. Das Fluoreszenz-Konzept verwendet man trotz geringer Performance für blaue Emitter. Der Grund ist, dass nach fast 20 Jahren Forschung in Industrie und Wissenschaft auf dem Gebiet der phosphoreszierenden Emitter immer noch kein blaues phosphoreszierendes Material gefunden wurde, welches gleichzeitig gute Effizienz, Stabilität und einen richtigen Farbpunkt zeigt. Doch für OLED-Displays sind hocheffiziente Emitter aller Farben notwendig. Vor allem suchen die Forscher noch nach blauen Emittern.

Höhere Effizienz bei einem OLED-Display

Wegen der niedrigeren Effizienz benötigen derzeit alle OLED-Bildschirme relativ große blaue Pixelbereiche, um ausreichende Helligkeit im Display zu erreichen. In einem Smartphone mit roten, grünen und blauen Pixeln macht das blaue Pixel rund 50 Prozent der Gesamtfläche aus. Blaue phosphoreszierende oder TADF-Materialien, die eine höhere Effizienz bieten, könnten die Hersteller von OLED-Panels die Größe der blauen Pixel deutlich verringern.

Das spiegelt sich in einer höheren Display-Auflösung wider. Ein effizienteres Material bedeutet für den Endanwender einen geringeren Energieverbrauch und bei einem Smartphone längere Akkulaufzeiten. Bei Fernsehern sind Auflösungen mit 8K das Ziel. Effiziente blaue OLED-Emitter würden es ermöglichen, dass sich die Auflösung verdoppelt. OLED-Fernsehgeräte verwenden eine komplexe Stapelarchitektur, die im Wesentlichen weißes Licht aus rot, gelb und blau emittierenden Schichten erzeugt, um dann per Farbfilter wieder in rote, grüne und blaue Pixel aufzuteilen. Ein effizienter blauer Emitter könnte den Herstellungsprozess durch weniger Schichten vereinfachen.

Effizienteres blaues Material

Die OLED-Hersteller suchen bereits seit einigen Jahren nach einem effizienten blauen Material. Da die Phosphoreszenz-Technologie bisher erfolglos war, erregt die relativ junge TADF-Technik für Aufmerksamkeit. Die Effizienz des TADF-Systems ist wie bei phosphoreszierten Materialien bis zu viermal höher als bei den derzeit verwendeten fluoreszierenden blauen Materialien. Hinzu kommt, dass keine Schwermetalle verwendet werden und in Zukunft von der jetzigen Vakuumverarbeitung zur Drucktechnologie angepasst werden.

Der deutsche Materialhersteller Cynora arbeitet seit zwei Jahren an der Entwicklung von tief-blauen Emittern für OLED-Displays. Sowohl die Stabilität als auch Effizienz des blauen Materials konnte erhöht werden. Seit 2017 führt das Unternehmen bei den hocheffizienten blauen Emitter-Materialien und momentan befindet sich die Firma in der finalen Phase der Kommerzialisierung. In den nächsten Jahren sollen zudem rote und grüne Emitter entwickelt werden, die mit den bisherigen phosphoreszierenden-Materialien konkurrieren.

Laut Markt-Experten wird der zunehmende Einsatz von OLED-Panels in Premium-TVs und Smartphones dazu führen, dass der Material-Markt bis 2021 auf 4,4 Mrd. US-Dollar ansteigt. Die TADF-Technik könnte in naher Zukunft zur nächsten Weiterentwicklung der OLED-Industrie beitragen. Ein nächster Schritt, um die OLED auch effizient in der Beleuchtung einzusetzen.

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* Ing. M.Sc. Joanna Wrzeszcz ist bei Cynora für das Marketing verantwortlich.

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