Stand der Entwicklung flexibler OLED- Beleuchtung

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1 Stand der Entwicklung flexibler OLED- Beleuchtung Stefan Mogck 18. Oktober 2018 page 1

2 Agenda Kurzvorstellung FEP und Bereich Flexible Organische Elektronik Warum OLED? - Status in Produkten Grundzüge der Technologie Wettbewerbstechnologien, Beleuchtungsindustrie und Lichtmarkt Kostenstruktur und Marktentwicklung, Marktteilnehmer Anwendungsszenarien Technologische Entwicklungstrends und Herausforderungen OLED-Technologieentwicklung am Fraunhofer FEP Zusammenfassung page 2

3 FRAUNHOFER FEP: FRAUNHOFER INSTITUT FOR ORGANISCHE ELEKTRONIK, ELEKTRONENSTRAHL- UND PLASMATECHNIK Fraunhofer COMEDD fusionierte mit dem Fraunhofer FEP am 1. Juli 2014 zum: Fraunhofer Institut for Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) Leiter: Prof. Dr. Volker Kirchhoff Standorte: Dresden-Gruna und Dresden-Klotzsche 2015: Beschäftigte 197, Gesamtaufwand 27,8 M, Industrieerträge 8,9 M, Öffentliche Ertäge 84 M, Investitionen 3,4 M Kernkompetenzen: ELEKTRONEN- STRAHL- TECHNOLOGIE SPUTTER- TECHNOLOGIE PLASMAAKTIVIERTE HOCHRATE HOCHRATE- PECVD BEDAMPFUNG TECHNOLOGIEN FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK IC UND SYSTEM DESIGN page 3

4 Organische Elektronik Flexible organische Elektronik Produktion- und Integrationstechnologien für neuartige großflächige (OLED-) Lichtanwendungen Flexible Foliensubstrate (Rolle-zu-Rolle- Technologie) für flexible Anwendungen Organische Photovoltaik Microdisplays & Sensoren OLED-on-Silicon-Technologie und Entwicklung von Geräten Bi-directionale Microdisplays für Datenbrillen Mikrostrukturierte OLED für Mikroskope Organische Photodioden (OPD, OTFT) page 4

5 Kernkompetenzen Flexible Organische Elektronik Prozessentwicklung zur Herstellung von organischen elektronischen Bauelementen mit Schwerpunkt OLED auf flexiblen Substraten Abdeckung Fertigungstechnologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette Kern Know-how: Abscheidung der OLED-Schichtstapel unter Vakuum Beschichtung und Strukturierung Vakuum: Verdampfen, Sputtern Naß: Drucken, Spin-Coating, Schlitzdüse Laser Verkapselung ALD Lamination Systementwicklung Kundenspezifische OLED Layouts Treiberentwicklung Elektr. Kontaktierung 200 mm System: Glas Substrate, Metall und Polymerfolien, flexibles Glas für Substratgrößen bis 200 x 200 mm² page 5 Gen2 Linie: Glass Substrate 370 x 470 mm² Rolle-zu-Rolle Linie: Metall und Polymerfolie, flexibles Glas für Folienbreiten bis 300 mm

6 OLED FÜR BELEUCHTUNG - 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 oder Folie Lichtquelle = Leuchte OLED = eine neue Dimension des Lichtes Leichtigkeit Formenvielfalt Transparenz Flexibilität page 6

7 Prinzipien der Lichterzeugung 1. Generation 2. Generation 3. Generation 4. Generation LED OLED page 7

8 Licht als elektromagnetische Welle sichtbares Licht: λ = nm page 8 [Fördergemeinschaft Gutes Licht, licht.wissen 01 ]

9 Traditionelle Lichtquellen Glühlampen und Halogenlampen: Wolframdrahtwendel wird durch elektrischen Stromfluss erhitzt hohe Energieniveaus werden durch thermische Energie unspezifisch besetzt Aussendung von Schwarzkörperstrahlung, Spektrum nur abhängig von Temperatur Glühlampe Halogenlampe Quelle: [licht.wissen 01] Quelle: [licht_u_beleuchtung] page 9

10 Anorganische Leuchtdiode (LED) Energieniveau-Schema für p- und n-halbleiter: p n E vac (Vakuum) D + D + D + E LB (Leitungsband) A - A - A E VB (Valenzband) page 10

11 Licht als Energie-Quant 2 1 E = E E = hν = hc λ Wechselwirkung mit Atomen/Molekülen/Festkörpern: vorher: nachher: Absorption: hν E 2 - E 2 - E 1 E 1 Emission: - E 2 E 2 hν E 1 - E 1 page 11

12 Weißes Licht aus LEDs? blaue LED blaues Licht Phosphor E 3 E 2 Wärme Spektrum einer weißen LED - gelb-rotes Licht - E 1 + Quelle: [licht_u_beleuchtung] page 12

13 Organische Leuchtdiode (OLED) organisch = organische Verbindungen im Sinne der Chemie! Einteilung nach Art der Moleküle kleine Moleküle Polymere N 0 N Al 0 0 N n Alq = Al-hydroxo-quinolinol (klassisches OLED-Material, ETL + green Emitter) alpha-npd (klassisches OLED-Material als HTL) PPV poly(para-phenylene vinylene) (modernes Untersuchungsobjekt) Am Fraunhofer FEP werden nur OLEDs aus kleinen Molekülen unter Vakuumbedingung gebaut. Zurzeit Stand der Technik auch in der OLED Display Produktion (Smartphones oder OLED TV) page 13 [Fördergemeinschaft Gutes Licht, licht.wissen 01 ]

14 Funktionsprinzip OLED Zweischicht-OLED: ähnlich zu anorganischer LED! Anode HTL ETL Kathode HTL = hole transport layer (Löcher Transportschicht, entspricht p-gebiet) ETL = electron transport layer (Elektronen Transportschicht, enstrpricht n-gebiet) page 14

15 Grundzüge der Technologie - Bauelement 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 15

16 Präparation organischer Halbleiter (kleine Moleküle): Aufdampfen dünner Schichten (ca. 100 nm) im Hochvakuum! Substrat Schichtdickenmonitor (Matrix) Shutter Schichtdickenmonitor (Dotierung) Foto der Sunicell plus 200 Geheizte Quelle mit org. Dotier-Material Geheizte Quelle mit org. Matrix-Material page 16

17 Weißes Licht aus OLEDs Verwendung mehrerer Emitter-Farbstoffe! (z.b. in mehreren, aufeinander abgeschiedenen Emissionsschichten) fluoreszent blau Spiro-DPVBi norm. PL intensity (a.u.) Wellenlänge (nm) phosph. grün Ir(ppy) 3 Spect. Radiance [W/(m 2 *sr*nm)] phosph. rot Ir(MDQ) 2 (acac) C.I.E. cd/m 2 (3.0V) 2.9V 3.0V 3.1V 3.2V 3.3V 3.4V Wavelength [nm] Herausforderung phosph. Blau mit langer Lebensdauer! page 17

18 OLED wie sie heute Produziert wird Al n-etl HBL EL-orange EBL p-htl connecting layer n-etl HBL EL-green EBL p-htl connecting layer n-etl HBL EL-blue EBL p-htl ITO 3-fach Unit wegen hoher Leuchtdichte und Leuchthomogenität 17 organische Schichten (9 Ko-verdampfte Schichten) Fluoresziertes Blau und phosphoresziertes grün/rot Spect. Radiance [W/(m 2 *sr*nm)] C.I.E. cd/m 2 (9.36V) 8.0V 8.5V 9.0V 9.5V 10.0V 10.5V Wavelength [nm] page 18

19 Wettbewerbstechnologien Lichtausbeute der ersten LED (1962) = 0,1 lm/w LED- Lichtausbeute derzeit = etwa 70 lm/w Hochleistungs-LEDs = 100 bis 120 lm/w Zum Vergleich: Glühlampen = 10 lm/w, Halogenlampen = 20 lm/w Dazu Elektrolumineszenz, in der Zukunft auch LEC oder Quantum Dots? page 19 Quelle: LED: Das Licht der Zukunft, Fördergemeinschaft Gutes Licht

20 OLED Performanz Stand der Technik Weiße OLED Produkte CCT aktive Fläche Leistungse ffizienz Durchfluss menge LT70 Leucht dichte K cm 2 lm/w lm kstd. cd/m² Quelle x ~3000* (01/2016) x ~3000* (01/2016) x (01/2016) x (01/2016) (01/2016) ,5x12, (01/2016) ,5x12, (01/2016) *estimated based Φ = ππ AA LL (assumption of Lambertian emission) page 20

21 Status der OLED Technologie in Produkten OLED Display >95% Marktanteil von koreanischen Anbietern (Samsung + LG) Format bis 55 und sogar 77 (Samsung und LG) Nutzung etablierter und hochentwickelter TFT-Backplane- Technologie (in Europa nicht vorhanden) seit 2013 erste flexible AM-OLED: LG Display G Flex, Apple Watch, Samsung Galaxy Note Edge OLED Beleuchtung Erstes Produkt 2008 (Ingo Maurer mit OSRAM) Derzeit kaum Leuchten unter 1000 Katalogware nur von LG Chem und Philips Weitere Firmen aktiv: OSRAM OLED, AstronFiamm, KonicaMinolta, Kaneka Analysten: mit Nischenanwendungen wird der Markt für OLED Beleuchtung auf 1.9 Mrd. $ in 2025 wachsen (IDTechEx 2014) page 21

22 Die Beleuchtungsindustrie Marktstruktur im Wandel, Herausforderungen traditionell: Leuchtmittel => Lampe => Leuchte aktuell: LEDifizierung - Lampe und Leuchte verschmelzen zu integrierten Lichtsystemen Wettkampf zwischen Standardisierung und Individualisierung innerhalb der Beleuchtungsindustrie Die Beleuchtungsindustrie wandelt sich zur digitalen Industrie Sehr kurze Innovationszyklen im Gegensatz zur traditionellen Beleuchtungsindustrie Die Elektronik ermöglicht heute schon nahezu unbegrenzte Optionen in Richtung der Bedienung und individuellen Anpassung Intelligente Verschmelzung der Lichtquelle LED mit innovativen optischen Systemen Herausforderung für die Lichtmesstechnik aktuell: Effizienzsteigerung ist im wesentlichen durch, neuer Fokus auf die Qualität des Lichts (Farbwiedergabeindex, Binning etc.) page 22 nach T. Rehberg, Netzwerk Licht 003, Dresden, Oktober 2014

23 Der Lichtmarkt Segmentierung und Potential der OLED Segment Allgemeinbeleuchtung Marktpotential/Zeit der OLED- Massenmarkteinführung Residential gering, langfristig Office gering, langfristig Shop gering, langfristig Hospitality gering, langfristig Industrial gering Outdoor gering Architectural mittel, langfristig Transport Auto hoch, kurzfristig Flugzeug hoch, langfristig Bahn mittel, mittelfristig Backlights gering Beschilderung mittel, mittelfristig page 23 Quelle: McKinsey&Company: Lighting the way_ Perspectives on the global lighting market, Second Edition, 2013

24 Markteintritt - Status (LG) Quelle: DisplaySearch - OLED Lighting in 2009 and Beyond: The Bright Future Quelle: US Display Consortium: OLED-lighting Roadmap (2000?)? 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) 2014/15 80 (LG Chem) (LG Chem bendable) (>12000 /m² Verkaufspreis Conrad-Elektronik) page 24

25 Kostenstruktur und -vorhersagen Kostentreiber (nach DOE 2014): Kostenentwicklung (nach DOE 2014, OLED Panel Cost Estimated Progress ($/m²) page 25 Quelle: Manufacturing Roadmap Solid-State Lighting Research and Development, U. S. Department of Energy (2014).

26 page 26

27 Degradation of OLED Watervapor- and Oxygentransmission: - Water-vapour-transmission-rate WVTR - Oxygen-transmission-rate OTR Watervaportransmissionrate [g/(m²d)] 1 month Source: OES encapsulation workshop page 27

28 Aktuelle Markterwartungen OLED Lighting Umsatz in Millionen US$ oled-info 2015 IHS 2014 Yole 2012 IDTechEx 2014 UBI 2014 Nanomarkets 2014 page 28

29 Marktteilnehmer Produzenten und Integratoren Hersteller Europa Osram OLED: Fokus Auto Philips aktuell: Übernahme durch OLEDWorks Astron-Fiamm: Design und Auto, klein aber fein Asien LG Chem Konica Minolta: Rolle-zu-Rolle sowie: First O-Lite, Kaneka, Lumiotec, Mitsubishi Chemical, Panasonic- Idemitsu (PIOL), Pioneer, Toshiba, Visionox, LG Chem, Mitsubishi Pioneer (MPOL) und weitere Integratoren USA: Acuity, WAC Lighting, Blackjack Lighting, Alkilu, LiteControl Europa: Blackbody, Liternity, Philips, Tridonic Asien: Hanyoung, HwangMyung Lighting, Mitsubishi-Pioneer, NEC Lighting, Verbatim, Visionox, Synqroa, Intelas weitere wie Materialhersteller, Anlagenbauer, page 29

30 OLED Leuchten Visionen Vision des leuchtenden Fensters auf absehbare Zeit nicht realisierbar (transparente Elektroden) Begrenzung der Leuchtfläche durch Segmentierung dynamisches Licht! Deutsches Museum München (2012) Exponat Deutscher Zukunftspreis COMEDD mit heldstudio page 30

31 R2D2 AUTOMOTIVE DEMONSTRATOR Innovative and unique 3D lighting design by the use of flexible OLED technology Presented first time at Int. Symposium on Automotive Lighting, ISAL 2015, Darmstadt, Germany, September 28th to 30th page 31

32 Anwendungsszenarien Flugzeug BDLI-Technologieroadmap page 32 Quelle: Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie e.v.

33 Technologische Entwicklungstrends: Transparenz und einstellbare Farbe yellow + blue R + G + B page 33

34 Was bedeutet flexible OLED? - Begriffsbestimmung Konsens: Nutzung eines flexiblen Substrats aber dann: entweder/oder: biegbar (curvable/bendable) formbar/anpassungsfähig faltbar rollbar verdrehbar knüllbar ohne negativen Einfluß auf die Funktionalität! Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Arten von Flexibilität Krümmung: 1-dimensional 1,5-dimensional /? 2-dimensional?? Eine flexible OLED ist immer mechanisch zu integrieren! page 34

35 Technologische Entwicklungstrends: OLED/OPV-Integration in Glasverbünde OLED Erste Demonstratoren Integration in Raumteiler (St. Gobain mit LG Chem auf Light&Building 2014) Integration opaker Module (starres Glas) in Vitrinenböden (Glas Trösch mit LG Chem auf Light&Building 2014) Gebäudeintegrierte organischer Photovoltaik (BIOPV) Heliatek in Signapur (ab Mai 2015): HeliaFilm auf für Gebäude relevanten Baumaterialien: in und auf Glas, auf Stahl sowie auf gebogenem Polycarbonat (opake als auch halbtransparente Ausführungen (15% und 30 % Transparenz) in verschiedenen Farbgebungen page 35

36 Autoklaven Prozess: Glas-PVB-OLED-PVB-Glas Laminat, erste Machbarkeit zusammen mit THIELEGLAS vorher danach Original after 100 days page 36

37 OLED auf flexiblem Dünnstglas Flexibles Glas (G-Leaf TM von NEG) 50 µm dick laminiert auf PET Folie als OLED Substrat. Kompletter Rolle-zu-Rolle Prozess Keine Alterung! Rolle-zu-Rolle OLED Demonstration mit Dünnstglas als Substrat und Verkapselung (Leuchtfläche 62,8 x 30 cm²). page 37

38 EU Projekt PI-SCALE OLED Pilotlinien ab Juli 2017 If you would like to use the flexible OLED pilot line please contact us at page 38 38

39 Technologische Herausforderungen Effizienz: theoretisch keine Differenz zu anorganischen LED, diese haben jedoch einen Entwicklungsvorsprung Effizienz ist für die meisten Anwendungen ausreichend monochrom z.b. rotes Rücklicht weiß mit hohem CRI Weltrekord für weiße OLED: Konica Minolta mit 139 lm/w (März 2014 auf 15 cm²) Betriebslebensdauer ausreichend für die meisten Anwendungen (LT70) Lagerlebensdauer unter Normalbedingungen für glasbasierte Module ausreichend noch kritisch für flexible Module Entwicklung: Verbesserung der Barrieretechnologien, Integration in Verbundmaterialien weitere: Kostenreduktion, Standardisierung,. page 39

40 Organic & Flexible Electronics in Saxony Wertschöpfung Organische Elektronik in Sachsen page 40 Source: Saxony Economic Development Corp. / Organic Electronics Saxony e. V., 2015

41 Zusammenfassung OLED-Technologie bereits in Produkten verfügbar hauptsächlich Display, hauptsächlich koreanische Anbieter OLED für Beleuchtung ermöglicht völlig neue Designs OLED wird LED nicht ersetzen, sondern ideal ergänzen Alleinstellungsmerkmale der OLED müssen konsequent genutzt werden! OLED = Leuchte OLED eröffnet neuartige Anwendungen Fraunhofer FEP als Ihr F&E und Consulting-Partner für OLED-Technologie page 41