OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung

Transkript

1 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Dipl.-Ing. André Philipp Fraunhofer FEP Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Intelligente Haustechnik Hightech Zentrum Aargau AG Brugg, Schweiz 28. November 2014 page 1

2 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle Zusammenfassung page 2

3 Fraunhofer FEP Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Vormals Fraunhofer COMEDD - organische Elektronik 07/2014 Zusammenschluss mit Fraunhofer FEP Über 10 Jahre Erfahrungen mit organischer Elektronik Institutsleiter: Prof. Dr. Volker Kirchhoff Mission: F&E zu neuartigen Konzepten und Herstellungsmethoden für organische Elektronik Kompetenzen: Elektronenstrahl - Technologie Sputter - Technologie Plasmaaktivierte Hochratenabscheidung Technologien organische Elektronik IC- und Systemdesign FEP (2013) Mitarbeiter: 141 Gesamtbudget: 17.6 M Industrieerträge: 7.0 M Investments: 1.4 M COMEDD (2013) Mitarbeiter: 75 Gesamtbudget: 8.5 M Industrieerträge: 1.9 M Investments: 0.4 M page 3

4 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle Zusammenfassung page 4

5 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Warum OLED? Erste echte Flächenlichtquelle ideale Ergänzung zur LED als Spot-Lichtquelle Blendfreies Licht Unbegrenzte Formenvielfalt OLED = leuchtende Grafik Transparente / beidseitig emittierende Lichtquelle Flexible Lichtquelle (auf flexiblen Substraten) Dünnes Bauteil aus <2 mm dickem Glas Lichtquelle = Leuchte OLED = eine neue Dimension des Lichtes Leichtigkeit Formenvielfalt Transparenz Flexibilität page 5

6 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Die OLED: Ganz einfach Metallkathode Organik ITO Glassubstrat ITO α-npd Alq 3 Mg:Ag + Schnittdarstellung (Seitenansicht) Draufsicht N a-npd N Alq 3 N O Al O N O N page 6

7 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie OLED-Materialien: Einordnung nach Molekülgröße Kleine Moleküle (small molecules) Polymere anthracene (from first academic studies) α-npd, α-npb "naphtalene-diphenyl-benzidine" (common hole transport material)... trans-polyacetylene (simplest conjugated polmyer)... Ir(ppy) 3 "Ir-tris-phenylpyridine" (standard green emitter dopant) F 4 -TCNQ "tetracyanoquinodimethan" (molecular p-dopant in basic research) PPV "poly(para-phenylene vinylene)" (light emitting polymer in first polymer OLED) n Schichterzeugung durch thermische Verdampfung unter Vakuum: hohe Materialreinheit und Schichtgenauigkeit Große Vielfalt an verfügbaren Materialien komplexe Multi- and Mixed-Layer-Stacks möglich Höchste Performance der OLED Schichterzeugung aus flüssiger Lösung (Spin-Coating oder Ink-Jet-Printing) geringere Reinheit, strukturelle Unordnung Multi-Layer-Stack sehr schwierig (orthogonale Lösungsmittel notwenig) Eignung für kostengünstige Massenproduktion Aktueller Forschungsschwerpunkt: Lösungsprozessierbare Kleine Moleküle page 7

8 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie OLED-Architekturen Bottom Top Transparent Standard-Aufbau Transparenter Grundkontakt (auf Substrat) Invertierter Aufbau Transparenter Deckkontakt Schwierigerer OLED-Stack Top Kontakt Substrat Bottom Kontakt Organkschichten Beide Kontakte transparent Geringere Leistung, jedoch neue Anwendungen möglich page 8

9 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie OLED-Architekturen für weiße OLEDs 2-Farb, EML Co-Dotierung 2-Farb, EML-Stacking 3-Farb, EML-Stacking metal cathode ETL and HBL EML HTL and EBL ITO anode glass substrate metal cathode ETL and HBL EML blue EML yellow HTL and EBL ITO anode glass substrate EML blue interlayer EML green EML red 3-Farb, 2-unit blue unit interlayer yellow unit 3-Farb, 3-unit blue unit interlayer green unit interlayer red unit Gestackte OLED (x-units) verhalten sich wie serienverschaltete 1-unit OLEDs: höhere Spannung geringerer Stromfluß bessere Homogenität hohere Lebensdauer aber: höhere Kosten! page 9

10 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Leuchtdichte-Homogenität Das Problem der lateralen Stromverteilung: Helligkeitsabfall durch hohen Flächenwiderstand der transparenten Elektroden Lösung: - Keine großen Leuchtflächen - Busbars - Stacked OLED (kleinerer Strom) - Modulinterne Serienverschlatung page Schema einer OLED mit Busbars Metal Kathode Organkschichten Metallisierung ITO Glassubstrat

11 Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Beschichtungsanlagen zur OLED Herstellung Cluster Glas, Metall und Polymer Substrate bis 200 x 200 mm² In-Linie Glas, Metall und Polymer Substrate bis 300 x 400 mm² R2R-Linie Metall und Polymer Bänder bis 300 mm Breite page 11

12 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle Zusammenfassung page 12

13 Status der OLED Zahlen OLED Displays 1) >95% Marktanteil von koreanischen Anbietern (Samsung + LG) Format bis 55 (Samsung und LG) Nutzung etablierter und hochentwickelter TFT- Backplane-Technologie (in Europa nicht vorhanden) OLED Lighting Erstes Produkt 2008 (Ingo Maurer mit OSRAM) Derzeit kaum Leuchten unter 1000 Katalogware nur von LG und Philips (OSRAM) Analysten: bis 2018 wird OLED Lighting Markt 1.3 2) 6 1) Mrd. $ umfassen Quelle: 1) Display Search, ) Nanomarkets, 2013 Selux - Manta Rhei page 13

14 Status der OLED Zahlen - Rückblick (LG) Quelle: DisplaySearch - OLED Lighting in 2009 and Beyond: The Bright Future Quelle: US Display Consortium: OLED-lighting Roadmap (2000?) page 14

15 Status der OLED Zahlen - Rückblick? (LG) Quelle: DisplaySearch - OLED Lighting in 2009 and Beyond: The Bright Future Quelle: US Display Consortium: OLED-lighting Roadmap (2000?) (LG Chem) (LG Chem bendable) (> /m² Verkaufspreis Conrad-Elektronik) page 15

16 Status der OLED Verfügbare Module - Stand 2014 Quelle: Herstellerbilder (Philips, OSRAM, LG Chem) page 16 Size (mm) Efficiency (lm/w) Luminance (cd/m2) Lifetime (hrs) (L70) Color Temperature (K) Philips Lumiblade GL x ,650 <10,000 3, Philips Lumiblade GL x ,500 <10,000 3, OSRAM Orbeos 119 x ,000 <10,000 3,300? Lumiotec 145 x ,000 12,000 4, Konica Minolta Symfos 74 x ,000 <8,000 2, LG Chem 99 x 99 >50 3,000 10,000 4,000 < 99 Blackbody Bonsai 25 2,000? 3, PIOL 97 x ,800 10,000 4,000? Verbatim Velve 207 x ,000 8,000 3,000 Price 605 (eval kit)

17 Status der OLED Verfügbare Module nicht erfüllte Versprechen Gründe für Verzögerungen Einerseits: Unterschätzte Komplexität der Herstellungsprozesse (Kosten) Empfindlichkeit der Materialien (v.a. bei flexiblen OLEDs: Verkapselung Lebensdauer) bestehende Probleme werden oft durch zusätzliche Maßnahmen (Prozessschritte) behoben Kosten Andererseits: Fehlende Nachfrage (um Entwicklung zu beschleunigen und Investitionen zu begründen) page 17

18 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle Zusammenfassung page 18

19 OLED-Anwendungen Überblick Quelle: Pars Mukish, M.Sc., Yole Développement, LpS 2013 page 19

20 OLED-Anwendungen Beleuchtung Stand: Beleuchtung mittels Standardmodulen Designleuchten - Eye-catcher Mittelfristig: Akzentbeleuchtung Veränderung der Lichtfarbe sø 330 mm, 72 segments page 20

21 OLED-Anwendungen Beleuchtung Langfristig: Vision des leuchtenden Fensters auf absehbare Zeit nicht realisierbar (transparente Elektroden) Begrenzung der Leuchtfläche durch Segmentierung dynamisches Licht! Quelle: Osram Deutsches Museum München (2012) Exponat Deutscher Zukunftspreis COMEDD mit heldstudio page 21

22 OLED-Anwendungen Automotive Mittelfristig: Integration in Rückleuchten 3-dimensionale Anordnung starrer oder flexibler OLED-Module in Leuchtenkörper (ergänzt durch LED) Diverse Designstudien existieren Längerfristig: Innenraumbeleuchtung Großflächige Beleuchtung des Dachhimmels Z.B. Smart Forvision Studie mit BASF Quellen: Hella Absolute Vision: Leuchtende Karosserie Abbildung leuchtender Konturen zur Fahrzeugerkennung bei Nacht Wegfall klassischer Scheinwerfer bei gleichzeitiger Integration von autonomer Fahrzeugsteuerung Z.B. Studie von Audi Hyundai page 22

23 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle Zusammenfassung page 23

24 Entwicklungstrends Transparente OLED Weltgrößte transparente OLEDs von COMEDD: 33 x 33 cm² (2012) OLED design mit chaotischen Busbarstrukturen als Designelement Generell: physikalische Größenlimitierung von transparenten OLEDs! Zwei transparente Elektroden Nur eine Elektrode kann (derzeit) mit Busbars versehen werden Max. realisierbare busbarfreie Fläche: ca. 15x15 cm² (H>75%) page 24

25 Entwicklungstrends Farbvariable OLED - Technologieübersicht (1) Sub-pixel structure of RGB OLED TV z.b. Samsung KE55S9 55 OLED (2) Lateral sub-line structure z.b. Verbatim Velve OLED Quelle: Wikipedia Quelle: Verbatim Quelle: Verbatim Quelle: Youtube Quelle: Samsung page 25

26 Entwicklungstrends Farbvariable OLED FEP Ansatz Vertikales Stapeln von Monochrom-OLEDs Separate Steuerung jeder einzelnen Farbe 2-Farb (1-Dim.) oder 3-Farb (2-Dim.) Mischung Individuelle Farbmischungen einstellbar Farbmischung über großen Bereich des Farbdreiecks einstellbar Hoher Füllfaktor yellow + blue R + G + B + Vorteile Skalierbar auf große Flächen Beliebige Formen möglich Flexibel realisierbar! Herausforderungen Transparente leitfähige Elektroden Dünnschicht-Optiken für Auskopplungsverbesserungen page 26

27 Entwicklungstrends Flexible OLED Plastikfolie Metallfolie Dünnglass bottom-emitting (Plastikfolie oder Dünnglas) top-emitting (Metall oder Plastikfolie oder Dünnglas) transparent conductor organic layers metal cathode substrate page 27

28 Entwicklungstrends OLED von der Rolle Rolle-zu-Rolle-Herstellung (R2R) als kostengünstige, großserienfähige Technologie! FEP verfügt über eine R2R-Linie für flexible OLEDs auf Metall- und Plastikfolien Aluminium-/Edelstahlbänder (200 µm Dicke) Top-emitting Stack Oberflächenschutz durch Plastikfolie Plastikfolien Bottom-emitting Stack Transparente Elektrode (ITO) Gesamter Herstellungsprozess wird im R2R- Verfahren abgebildet Substrate Inspection Structuring Substrate inspection Vacuum coating Encapsulation OLED characterisation page 28

29 Entwicklungstrends OLED von der Rolle FEP Stabile R2R-Herstellung monochromer und weißer OLEDs auf Metall- und Plastiksubstraten R2R-Druck (Substratstrukturierung) und Lamination (Verkapselung) sowie Substrattransfers unter Inertbedingungen R2R-Inspektionseinheit zum Monitoring von Prozessfehlern und Defekten page 29

30 Entwicklungstrends OLED von der Rolle Herausforderungen Optimierung der Verkapselung Verbesserung Lebensdauer Kontaktierung im R2R-Verfahren Konfektionierung des Bandes (Zuschneiden, Versiegeln) Optimierung R2R-Substratstrukturierung: Integration neuer Funktionen (z.b. Touch-Schalter, ) page 30

31 OLED: Neue Anwendungen in der Beleuchtung Fraunhofer FEP Einführung OLED: Grundlagen und Technologie Status der OLED OLED-Anwendungen Entwicklungstrends Transparente OLED Farbvariable OLED Flexible OLED OLED von der Rolle OLED-Leuchten Zusammenfassung page 31

32 Zusammenfassung OLED wird LED nicht ersetzen, sondern ideal ergänzen Alleinstellungsmerkmale der OLED müssen konsequent genutzt werden! OLED = Leuchte OLED eröffnet neuartige Anwendungen Lassen Sie sich überraschen! page 32