OLED Schwester der LED?

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2 SCHWERPUNKT_LED & OLED OLED Schwester der LED? Mit der Organischen Leuchtdiode (OLED) steht bereits die nächste Licht- und Displayinnovation kurz vor dem Start. Als Flächenstrahler kann die OLED ganz neue Lichterlebnisse erzeugen und das sehr effizient. AUTOR: CHRISTIAN RAHNFELD OLED STEHT FÜR Organische LED. Das Wort Organik verweist dabei auf so genannte Kleine Moleküle (small molecules), eine besondere Art chemischer Verbindungen. Wie in klassischen, anorganischen Halbleiter-Bauelementen können sie Ladungsträger leiten, Schichten isolieren oder unter Stromfluss Licht emittieren. Entdeckt wurde das Funktionsprinzip OLED bereits in den späten 1980ern; zu Nutze gemacht und kommerziell angewendet wird es jedoch erst seit wenigen Jahren. Den derzeit größten Aufschwung erhält die Technologie durch die Anwendung in Displays. In vielen Millionen moderner Smartphones, beispielsweise von Nokia oder Samsung, arbeiten bereits AM-OLED- Displays das sind Aktiv-Matrix-OLED- Displays, die Nachfolger der Passiv-Matrix-Displays. Hier können alle Bildpunkte des Displays mittels einer Transistor-Backplane einzeln angesteuert werden. Verwendung finden dort ebenfalls Kleine Moleküle, die auf winzig kleinen Flächen rotes, grünes oder blaues Licht emittieren können. Die Vorteile liegen auf der Hand: toller Kontrast, knackige Farben und wenig Stromverbrauch, da keine Hintergrundbeleuchtung benötigt wird. Gegenüber LCDs kann so, neben der geringeren Bautiefe, auch knapp ein Drittel an Energie eingespart werden; bei entsprechender Menügestaltung helle Schrift auf dunklem Grund sogar noch mehr, denn schwarze Bildbereiche verbrauchen gar keinen Strom. Vom Display zur Leuchte Auch in der Lichtbranche wird die OLED nun schon seit einigen Jahren als Revolution angepriesen, doch schafft sie es bisher nur schwer, in den Markt zu kommen. Osram und Philips haben 2009 mit der Vermarktung begonnen, doch sind OLEDs bislang eher in Designstudien Foto: Gerald Fuest Die Deckenleuchte Obranch der serbischen Designerin Irena Kilibarda nutzt sechs transparente OLEDs, die ihr Licht allseitig abgeben. Foto: Gerald Fuest Die Pendelleuchte Discothèque demonstriert, wie sich OLEDs per App aktiv steuern lassen. Die Pusteblume dient ebenfalls als Technologieträger, knapp OLEDs vereint das Osram- Projekt. 24 DESIGN REPORT _ 02/2013

3 und exklusiven Lampen zu finden und nicht im Baumarkt um die Ecke. Die Gründe liegen vor allem in den noch hohen Herstellungskosten, der bislang vergleichsweise geringen Effizienz und der LED. Diese hat in den vergangenen Jahren deutlich an Fahrt aufgenommen, ist zuverlässiger und preiswerter geworden und hält nun Einzug in Displays, kommerzielle Beleuchtung und auch in die Haushalte. Das scheint für die meisten Unternehmen und auch Lichtplaner derzeit an Innovation genug zu sein. Die OLED Konkurrentin der LED? Organische Leuchtdioden gehören wie Polymerleuchtdioden (PLEDs) und auch Leuchtdioden (LEDs) auf Siliziumbasis zur Klasse der Festkörperbeleuchtung (Solid-State Lighting). Zunächst sind die Funktionsweisen vergleichbar: Licht wird erzeugt, weil Ladungsträger innerhalb der Diode rekombinieren. Bei der LED geschieht dies auf kleinstem Raum, die Lichtquelle ist somit ein Punktlicht. Um eine LED hell zu betreiben, muss sie deshalb sehr gut gekühlt werden, außerdem wird der Betrachter im Regelfall von ihr geblendet. Bei einer OLED wird das Licht flächig erzeugt und nahezu unter jedem Betrachtungswinkel gleichverteilt abgestrahlt; das Licht ist blendfrei und das Modul muss nicht mit einem Kühlkörper temperiert werden. Der Grund liegt im Aufbau der OLED, der an einen Plattenkondensator erinnert: Zwischen den flächig auf dem Trägermaterial aufgebrachten Elektroden befindet sich ein Unter der Bezeichung Tabola entstehen am COMEDD verschiedene transparente OLED- Modultypen. DESIGN REPORT _ 02/

4 SCHWERPUNKT_LED & OLED hauchdünnes Mehrschichtsystem der Kleinen Moleküle. Strom durchfließt diesen wenige 100 Nanometer dicken Schichtstapel flächig, sodass auch das Licht flächig emittiert wird. Der Träger kann aus Glas, Polymerfolie oder einer dünnen Metallfolie bestehen. So lässt sich das realisieren, was mit der LED schwierig wäre: flächige Lichtelemente, die flexibel, leicht und optional transparent sind. Die OLED wird nicht in eine Leuchte eingesetzt sie selbst ist die Leuchte. Fenster und Fassaden werden nicht mit OLEDs nachgerüstet die OLED selbst wird zum Fenster. Noch optimierbar: die Lebensdauer An der Dresdner Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente COMEDD wird seit einigen Jahren unter anderem die Herstellung von OLEDs auf flexiblen Substraten erforscht. Dabei werden dünne Polymerfolien- oder Metallbahnen am OLEDs auf flexiblen Substraten könnten in absehbarer Zeit für neuartige Lichtelemente sorgen. Noch aber ist die Verkapselung der Schichten nicht langlebig genug. Fotos: COMEDD laufenden Meter gereinigt, strukturiert, mit Organik beschichtet und mit einer dünnen Spezialfolie laminiert. Für diesen Zweck bauten die Forscher eine Rolle-zu- Rolle-Beschichtungskammer auf, die die Vorteile der thermischen Verdampfung im Hochvakuum mit dem Produktivitätspotenzial einer Rolle-zu-Rolle-Beschichtung kombiniert. Die so produzierten OLEDs lassen sich über mehrere Wochen und Monate stabil betreiben. Deutlich zuverlässiger funktioniert dies mit strukturierten Glassubstraten, auf denen OLEDs bis zu einer Größe von 33 mal 33 Zentimeter hergestellt werden können. Mit einer zweiten dünnen Glasscheibe verkapselt, weisen diese OLEDs eine lange Lebensdauer auf und stellen momentan den Standard aller weltweiten OLED-Pilotlinien dar. Bei OLEDs mit größeren Leuchtflächen werden die semitransparenten Elektroden mit einem Metallgitter verstärkt, um den Stromfluss in die Fläche hinein zu gewährleisten und eine homogene Leuchtdichte zu erreichen. Für ausreichend langlebige, flexible OLEDs fehlt es jedoch noch an geeigneten Barrierefolien, mit denen die empfindlichen Organikschichten vor Wasserdampf und Sauerstoff geschützt werden können. Die Verwendung von Dünnglas, das hohe Transparenz und sehr gute Barriereeigenschaften vereint, wäre eine Lösung, ist aber in der großformatigen OLED-Fertigung schwer zu handhaben und in der Praxis nicht bruchfrei dreidimensional krümmbar. Faszinierende Aussichten Dass Konzerne und öffentliche Fördermittelgeber dennoch viel Geld in die Technologie stecken, ist ein Hinweis darauf, dass OLEDs faszinieren und einen völlig neuen Weg bieten, Licht zu gestalten. Formen, Farben, Dynamik und Transparenz lassen sich frei bestimmen und neue Objekte kreieren. Trotz der Beschränkung, glasbasierte OLEDs bislang nur plan herstellen zu können, bietet die Pilotproduktion schon viele Möglichkeiten. Denn die aktive Fläche der OLED lässt sich derart strukturieren, dass beim Einschalten der OLED ein Symbol, ein Logo oder ein Schriftzug zu sehen ist. Hier werden gewisse Bereiche der Elektrode bewusst isoliert, sodass an dieser Stelle kein Strom fließt und damit keine Lichtemission stattfindet. Gleichermaßen lässt sich die Elektrode mit einem Laser segmentieren, wodurch sich verschieden ansteuerbare Leuchtbereiche definieren lassen, die optisch als eine Fläche wahrgenommen werden. Dies bezeichnet man als dynamisches Flächenlicht. Im eingeschalteten Zustand emittieren die OLEDs ein warmes, weiches Licht. Über die Stromstärke lässt sich die Helligkeit direkt steuern; ohne Stromzufuhr wirken die Module wie ein leicht getöntes, transparentes Glas. Warmes und weiches Licht Zwei unter COMEDD-Beteiligung realisierte Demonstratoren zeigen die Möglichkeiten des dynamischen Flächenlichts: der OLED- Schmetterling und die OLED-Hängeleuchte Discothèque, welche sich mittels Tablet oder Smartphone aktiv steuern lassen. Sie wurden erstmalig auf der Luminale 2012 in Frankfurt präsentiert. Ebenfalls dort gezeigt wurde der Leuchter Obranch der 26 DESIGN REPORT _ 02/2013

5 Gestaltung: büro uebele Ein Nachwuchswettbewerb für Gestalter Foto: COMEDO Foto: Osram Im Linecoater produziert man bei COMEDD OLED-Testreihen, hier der dazugehörige Vakuum-Beschichter. Kleines Bild: Reinraumumgebung ist bei der OLED-Produktion in jedem Fall gefordert. serbischen Designerin Irena Kilibarda, der mit sechs der bislang weltweit größten, transparenten OLED- Module ausgestattet ist. Die OLED-Module wurden bei COMEDD gefertigt und geben ihr Licht zu beiden Seiten ab. Neben den bereits erwähnten Designerleuchten finden OLEDs Verbreitung in verschiedenen Installationen. So ist das Treppenhaus der Deutschen Bank in Berlin mit einer OLED-Installation gestaltet worden, welche 384 OLEDs von Philips umfasst. Im BMW-Museum in München war bis zum Januar 2013 Osrams OLED- Pusteblume mit knapp OLEDs zu sehen. Fleißiges Forschen Zwei Dinge sind klar: Die OLED wird die LED nicht ablösen, sondern diese ergänzen. Bis alle Träume in Erfüllung gehen, muss an OLEDs jedoch weiter geforscht werden: bei den glasbasierten Standardmodulen an der Effizienzsteigerung, bei flexiblen OLEDs an den Fertigungsverfahren und Verkapselungstechniken. ZUM AUTOR Christian Rahnfeld (Jahrgang 1981) studierte Mikrotechnik/ Mechatronik an der TU Chemnitz und arbeitete dort anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich der gedruckten Elektronik. Seit 2010 arbeitet er am Fraunhofer COMEDD im Bereich Lighting & Flexible Integration und ist dort für Projektakquise, Projektleitung und Business Development mitverantwortlich. Medienpartner: Einsendeschluss 24. Juni 2013 mit freundlicher Unterstützung von