Für die OLED ist das Auto eine anspruchsvolle Umgebung

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Neue Emitter- und Transportmaterialien

Dank neuer Emitter- und Transportmaterialien wurden in den vergangenen Jahren von mehreren OLED-Herstellern signifikante Fortschritte bei der Verbesserung der OLED-Performance und -Zuverlässigkeit erreicht. Bei der Lebensdauer muss zwischen aktiver Lebensdauer der OLED im Betrieb und der passiven (Lager-) Lebensdauer der ausgeschalteten OLED unterschieden werden. Die Anforderung an ein modernes Leuchtmittel im Automobil sieht vor, dass dieses nicht mehr ausgetauscht werden muss. Seine passive Lebensdauer muss damit mindestens einem Fahrzeugleben (> 15 Jahre) entsprechen. Je nach Beleuchtungsfunktion kommt die OLED auf eine aktive Lebensdauer von bis zu 10.000 Betriebsstunden.

Typische Ausfallmechanismen unter Automobil-typischen Bedingungen sind beispielsweise:

• Das Auftreten und die Vermehrung von Dark Spots. Diese nicht leuchtenden Bereiche in der Leuchtfläche treten bei Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff durch eine unzureichende bzw. defekte Verkapselung auf [2].

• Eine Verringerung der leuchtenden Fläche und ein „Ausfransen“ der Ränder.

• Eine Abnahme der Leuchtdichte. Diese wird durch höhere Temperaturen und größere Stromdichten im Betrieb beschleunigt [3].

• Ein Anstieg der OLED-Vorwärtsspannung um einige 100 meV bis einige V, die von einer geeigneten Ansteuerelektronik aufgefangen werden muss.

Die Untersuchung der aktiven Lebensdauer roter OLEDs bei erhöhten Temperaturen zeigt, dass je nach OLED-Typ mehreren Tausend Betriebsstunden erreicht werden können (Bild 3). Die Temperatur-Abhängigkeit der LT70-Lebensdauer (Abklingen auf 70% der Anfangshelligkeit) folgt, wie bereits von anderen Halbleiterbauelementen bekannt, dem Arrhenius-Modell. Rechnet man die gemessenen Werte auf ein für Signalleuchten typisches Temperaturkollektiv von -40 bis 85°C um, lassen sich für einige OLED-Typen Lebensdauern von bis zu 10.000 Betriebsstunden erreichen.

Im Gegensatz zum Betrieb führt die Hochtemperaturlagerung der OLEDs nur zu einer geringen Abnahme der Leuchtdichte. Stattdessen ist hier ein deutliches Ansteigen der Vorwärtsspannung zu beobachten. Der Spannungsanstieg ist also der begrenzende Faktor der Lagerlebensdauer. Auch dieser Effekt wird bei höheren Temperaturen beschleunigt. Doch hohe Temperaturen sind nicht der einzige Umwelteinfluss, der die passive Lebensdauer von OLEDs im Automobil verkürzen kann. Dazu wurden die zu untersuchenden OLEDs während des Betriebs mehr als 500 Stunden mit dem Licht eines Sonnensimulators ausgesetzt.

Neben der Abnahme der Leuchtdichte ist deutlich zu erkennen, dass die Leuchtfläche nach ca. 500 Stunden deutlich geschrumpft ist und die Ränder ausgefranst erscheinen. Dieser als Pixel Shrinkage [4] bekannte Effekt lässt sich eindeutig auf die Bestrahlung mit UV-Licht zurückführen. Mögliche Ursachen können in diesem Fall das Ausgasen aus dem als Isolationsschicht in der OLED verwendeten Passivierungslack und die Diffusion der entstandenen Schadgase in die OLED-Schicht sein.

Eine robuste Integration der OLED für das Automobil

Die robuste Integration der OLED umfasst eine auf das Leuchtmittel angepasste Elektronik, eine stabile mechanische Fixierung und ein Konzept für die elektrische Kontaktierung. Die Ansteuerelektronik hat unter anderem die Aufgabe, die bereits erwähnten großen Veränderungen der OLED-Vorwärtsspannung auszugleichen. Auch die elektrische Kontaktierung der OLEDs über die wenige µm starken Schichten der OLED-Kontaktflächen erfordert für den Bereich der Kfz-Beleuchtung neue Technologien. Hier orientiert man sich an Konzepten, die bereits erfolgreich für die Kontaktierung von Displays umgesetzt wurden. Dazu zählt unter anderem das ACF-Bonding (anisotrop conducting film), bei dem die OLED mit einem anisotrop leitenden Klebefilm auf einer flexiblen Leiterplatte adhäsiv verbunden wird.

Die mechanische Fixierung der OLED in der Anwendung muss gleichzeitig zwei Aufgaben lösen: Sie muss robust genug sein, um den erheblichen mechanischen Beanspruchungen standzuhalten und sie soll die gestalterischen Möglichkeiten wenig einschränken. Der filigrane Eindruck der dünnen leuchtenden Glasscheiben soll erhalten bleiben, die Ränder möglichst vollständig sichtbar und Halteelemente nahezu unsichtbar sein.

Quellen:

[1] C.W. Tang, S.A. VanSlyke, Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987).

[2] P.E. Burrows, V. Bulovic, S.R. Forrest, L.S. Sapochak, D.M. McCarthy, M.E. Thompson, Appl. Phys. Lett. 65, 2921 (1994).

[3] H. Aziz, Z.D. Popovic, N.-X. Hu, Appl. Phy. Lett. 81, 370 (2002).

[4] M. S. Weaver, L. A. Michalski, K. Rajan, M. A. Rothman, J. A. Silvernail, J. J. Brown, P. E. Burrows, G. L. Graff, M. E. Gross, P. M. Martin, M. Hall, E. Mast, C. Bonham, W. Bennett, M. Zumhoff, Appl. Phys. Lett. 81, 2929 (2002)

[5] Q. Wang, Y. Luo, H. Aziz, Appl. Phy. Lett. 97, 063309 (2010).

* Dr. Matthias Dworzak arbeitet als Leuchtmittel-Experte bei Hella und Dr.-Ing. W. Pohlmann ist Director Opto-Mechatronic Technology bei Hella KGaA Hueck & Co. in Lippstadt.

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