Wann schafft die OLED-Technologie den Durchbruch?

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Die Ladungsträger werden durch das elektrische Feld im Inneren der OLED zu den jeweiligen Gegenelektroden transportiert. Wenn sich Loch und Elektron begegnen, erfolgt die Rekombination und Bildung eines energiereichen Excitons. Dieses Exciton überträgt seine Energie auf spezielle Leuchtstoffe in der Emitterschicht, die Licht im sichtbaren Spektralbereich aussenden. Je nach verwendetem Material ist dieses Licht rot, grün, blau oder weiß. (Bild 3).

Zwei Ansätze der OLED-Herstellung

Bild 3: Leuchtspektrum einer Serie von Kupferemittern für OLEDs. Verschiedene Materialien strahlen Licht in einstellbaren Wellenlängen ab. Sie können verwendet werden, um in einer OLED rotes, grünes, blaues oder sogar weißes Licht zu erzeugen. Weiß entsteht dabei durch gleichzeitige Erzeugung von allen drei Farben.
(Cynora)

Zwei grundverschiedene Ansätze stehen für die Herstellung von OLEDs zur Verfügung. Einerseits können kleinere Moleküle durch Verdampfen auf den Substraten abgeschieden werden. (Bild 4 im Kasten). Diese sogenannte Vakuumdeposition wird derzeit hauptsächlich angewendet und ermöglicht es, sehr reine und definierte Schichtarchitekturen herzustellen. Dennoch ist dieses Verfahren aus prozesstechnischer Sicht problematisch, da es mit hohen Kosten für die benötigten Materialien verbunden ist und Preis und Aufwand für die Herstellung großer OLEDs überproportional ansteigen. Typische Drücke bei der Prozessierung liegen im Bereich von 10 bis 8 mbar.

Die Skalierung vom Labormaßstab auf eine Massenproduktion ist bei diesem Verfahren besonders schwierig. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Materialbedarf. Die Abscheidung erfolgt unspezifisch, in der Regel wird das gesamte Innenleben der Verdampfungsapparaturen mit dem teuren Funktionsmaterial beschichtet. Obwohl eigentlich nur winzige Mengen an Material benötigt werden, ist diese Art der OLED-Produktion mit großen Verlusten verbunden. Die erforderliche regelmäßige Entfernung des unerwünscht im Inneren der Anlagen abgeschiedenen Materials nach nur wenigen Produktionszyklen erschwert eine kontinuierliche Produktion und verkompliziert die Herstellung entsprechend zusätzlich.

Die alternativen Ansätze der OLED-Herstellung

Bild 5: OLED-Leuchtstoffe unter Schwarzlicht. Die Energie des Schwarzlichtes löst im Leuchtstoff ähnliche physikalische Prozesse wie bei der Anregung mit elektrischem Strom aus – Das Material leuchtet. Die Leuchtfarbe kann durch eine Modifikation der molekularen Eigenschaften der Leuchtstoffe gewährleistet werden. So ist nahezu jede Farbe erzielbar. Durch Kombination mehrere Leuchtstoffe lässt sich auch weißes Licht mit OLEDs erzeugen.
(Cynora)

Ein alternativer Ansatz für die Herstellung von OLEDs nutzt nasschemische Abscheidungsverfahren, also Druck- und Beschichtungsprozesse. [4-6] Im Gegensatz zur Vakuumprozessierung sind diese kostengünstiger und ermöglichen einen schnelleren Durchsatz. Außerdem sind sie zur Erzeugung von großflächigen Filmen deutlich besser geeignet. Die Modifikation bestehender Verfahren wie Schlitzguß, Spin-Coating, Tiefdruck, Siebdruck oder Inkjetdruck ermöglicht den Einsatz von löslichen Materialien, und hier vor allem Polymere, aber auch Übergangsmetallkomplexe.

Die Fabrikation von ultradünnen Hochleistungsbauteilen auf flexible und (halb-)transparente Folien rückt so in den Bereich des Möglichen: Völlig neue Anwendungen sind denkbar, wenn es gelingt, die Flüssigprozessierung weiter zu entwickeln. Es ist kein Geheimnis, dass alle großen Marktteilnehmer im OLED-Bereich mit Hochdruck an diesem Thema arbeiten, selbst wenn derzeit die Vakuumprozessierung noch klar dominiert.

Wo die OLED-Herstellung noch Probleme hat

Als die OLED-Technologie noch in den Kinderschuhen steckte, bestand die größte Herausforderung darin, den Abbau der Materialien durch den Eintritt von Luft und Sauerstoff zu verhindern. Durch neue Verkapselungskonzepte und flexible Gläser gilt dieses Problem weitestgehend als gelöst. Dennoch stellt die Verarbeitung der Materialien die OLED-Herstellung vor Herausforderungen. Insbesondere bei der noch jungen Methode der Flüssigprozessierung gibt es noch Entwicklungsbedarf, um aus dem Laborverfahren eine wirklich verlässliche Industrieanwendung zu machen.

Vergleicht man Bauteile, die durch Flüssig- beziehungsweise Vakuumprozessierung hergestellt wurden, so findet man sowohl bei der Effizienz als auch der Bauteillebensdauer den Vorteil auf Seiten der besser entwickelten Verdampfungsverfahren. Insbesondere die Darstellung der Mehrschichtarchitekturen, unerlässlich für effiziente und damit langlebige Bauteile, stellt hohe Anforderungen an Materialien und Verarbeitungsprozesse.

Langzeitbetrieb und Eigenschaften der Bauteile dürfen sich nicht ändern

Die Unlöslichkeit vieler bekannter Funktionsmaterialien für Vakuum-prozessierte OLEDs muss gelöst werden. Ir(ppy)₃, ein häufig verwendeter Referenzfarbstoff, weist nur eine Löslichkeit von rund 1 mg/ml in Chlorbenzol auf. Die Herstellung von homogenen Filmen in ausreichender Dicke wird so massiv erschwert. Die Bildung von morphologischen Defekten wie unerwünschten Kristalliten in den Filmen wird durch schwerlösliche Materialien ebenfalls begünstigt, dadurch sinkt die Effizienz der Bauteile. Durch die Verwendung von besser löslichen Materialien und die Anknüpfung der Materialien an Polymere können Defekte jedoch verhindert werden.

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Organische Leuchtdioden

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