Organische LEDs in der Außenbeleuchtung von Fahrzeugen

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Das Gesehenwerden steht immer im Vordergrund

In der Exterieur-Beleuchtung von Fahrzeugen werden OLEDs künftig in Lichtfunktionen eingesetzt werden, bei welchen nicht das Sehen, sondern das Gesehen werden im Vordergrund steht. Im ersten Schritt werden das die Funktionen Schlusslicht und das Seitenmarkierungslicht in Front und Heck sein. Alle weiteren, also jene Lichtfunktionen, die aufgrund gesetzlicher oder funktionaler Anforderungen hohe Leuchtdichten der Lichtquellen und eine gerichtete Lichtverteilung erfordern, werden weiter durch herkömmliche LEDs oder sogar durch laserbasierte Lichtquellen mit zugehörigen Optiksystemen umgesetzt.

Abhängig von der Weiterentwicklung und der damit verbundenen Steigerung der maximalen Leuchtdichte wird es in einigen Jahren jedoch möglich sein, weitere Funktionen mit organischen LEDs umzusetzen. Fahrtrichtungsanzeiger in Front und Heck, zweistufige Schluss- und Bremslichtkombinationen und hochgesetzte Bremsleuchten mit super-homogenem Erscheinungsbild. Bevor jedoch die ersten OLEDs in Serienprojekten auf der Straße zu sehen sein werden, müssen sowohl die OLED-Hersteller als auch die Automobilunternehmen noch einige technische Hürden überwinden. Dazu zählen die stabile mechanische und elektrische Integration der OLEDs in das Fahrzeug, sowie die Steigerung der Performance und Erfüllung der Lebensdaueranforderungen.

Die OLED muss dicht und stabil geschützt werden

Hinsichtlich der Lebensdauer, gelten für die Lichtfunktionen, die mit OLEDs realisiert werden, dieselben Anforderungen wie für alle anderen Halbleiteranwendungen im Fahrzeug: Sie müssen ohne Austausch ein Fahrzeugleben lang funktionieren. Im Gegensatz zu anorganischen LEDs, in welchem das Licht in silizium-basierten Halbleiterkristallen erzeugt wird, passiert das bei den OLEDs in den Organiken selbst.

Auf einem mit transparentem Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glassubstrat, der Anode, sind mehrere Schichten aus halbleitenden, organischen Verbindungen aufgebracht, in welchen das Licht emittiert wird. Darüber liegt die Kathode, welche üblicherweise aus einer dünnen, reflektierenden Metallschicht besteht. Die in den OLEDs eingesetzten organischen Substanzen sind extrem empfindlich gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit.

Eine der Hauptherausforderung für die OLED-Hersteller ist demnach, die organischen Verbindungen hermetisch dicht und stabil zu schützen, um die harten Lebensdaueranforderungen der Automobilhersteller erfüllen zu können. Das von den Herstellern präferierte Konzept hierfür ist die sogenannte Dünnfilm- oder Dünnschichtverkapselung. Dabei wird über die Kathode eine hauchdünne, sehr dichte Oxidschicht aufgebracht. Um ausreichend mechanischen Schutz für den insgesamt maximal 1 µm dicken Schichtaufbau zu gewähren, wird die OLED mit einem zusätzlichen Deckglas komplettiert.

Ein weiteres Thema welchem sich aktuell die OLED Hersteller stellen, ist die elektrische Kontaktierung der filigranen Bauteile. Hier ist die Herausforderung, auf extrem dünnen Metallschichten, eine sowohl gut leitende, als auch mechanisch ausreichend robuste Kontaktierung zu realisieren. Das Spektrum der unterschiedlichen Konzepte reicht vom einfachen Löten bis hin zum automatisierten ACA- (Anisotropic-Conductive-Adhesive-)Bonding.

Das ACA-Bonding ist bereits jetzt eine gängige und sichere Form der Kontaktierung beispielsweise von Displays und Scheibenheizungen oder Außenspiegeln. In einem Klebstoff, der meist auf Epoxidharz basiert, befinden sich kleine, elektrisch und thermisch leitende Partikel. Mit diesem Prozess können Flex PCBs, welche mit dem Treiber verbunden werden oder diesen sogar beinhalten, direkt auf die OLED aufgebracht werden.

Elektrische Unterschiede zur LED-Technologie

Nicht allein die Kontaktierung stellt die Beteiligten aus elektronischer Sicht vor Herausforderungen. Nur auf den ersten Blick verhält sich die organische LED elektrisch wie die konventionelle LED. Der relativ großen Temperaturabhänigkeit und der damit verbundenen Drift der Vorwärtsspannung bei Konstantstrombetrieb, sowie der Erhöhung der Vorwärtsspannung über Lebensdauer folgen zusätzliche Anforderungen für die Treiber und die Integration in vorhandene Bordnetze. Bereits etablierte Treiberschaltungen für LEDs können nicht ohne Anpassung übernommen werden. Das gilt es für die Automobilhersteller in Zusammenarbeit mit den Leuchtenlieferanten zu lösen.

Um den Nutzen der geringen Bauhöhe von OLEDs für neuartige Designs maximal ausnutzen zu können, bedarf es intelligenter Lösungen für die mechanische Integration. Ohne die Entwürfe der Designer negativ zu beeinflussen, muss sichergestellt werden, dass die Konzepte für die Fixierung die filigranen Bauteile ausreichend robust ausgeführt sind. Die OLED-Technologie bietet für den Einsatz im Fahrzeug viele Vorteile und eröffnet neue Möglichkeiten im Erscheinungsbild. In wenigen Jahren werden erste Fahrzeuge mit OLEDs zu sehen sein. Bis dahin müssen sich alle Beteiligten vielen spannenden Themen stellen.

* Thomas Trojak ist Projektleiter für OLED-Technologien bei der BMW Group in München.

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