OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. Dabei Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet,

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1 OLED Technologie Eine organische Leuchtdiode (englisch organic light emitting diode, OLED) ist ein leuch- das sich tendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheidet, dass die elektri- Materialien sche Stromdichte und Leuchtdichte geringer sind und keine einkristallinen erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen sich organische Leuchtdioden daher in Dünnschichttechnik kostengünstiger herstellen, ihre Lebensdauer ist jedoch derzeit geringer als die herkömmlicher Leuchtdioden. Eine OLED auf einer biegsamen Kunststofffolie Die OLED-Technik ist für Bildschirme (vorerst in Smartphones und Tablet-Computern, später auch in großflächigeren Fernsehern, PCs, Monitoren) und Displays geeignet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die großflächige Raumbeleuchtung. Aufgrund der Material- Bildschirm und eigenschaften ist eine mögliche Verwendung der OLEDs als biegsamer als elektronisches Papier interessant. Aufbau und Funktionsweise Schema einer OLED. 1. Kathode, 2. Emitterschicht, in grün dargestellt, 3. Rekombination der Ladungsträger mit Emission eines Photons, 4. Lochleitungsschicht, 5. Anode OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. Dabei wird meist auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet, eine Lochleitungsschicht (engl. hole transport layer, HTL) aufgebracht. Zwischen ITO und HTL wird abhängig von der Herstellungsmethode oft noch eine Schicht aus PEDOT/PSS aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere für Löcher dient und die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert. Auf die HTL wird eine Schicht aufgebracht, die entweder den Farbstoff enthält (ca %) oder eher selten voll- Alq3. Diese ständig aus dem Farbstoff besteht, z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin), Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (engl. emitter layer, EL). Auf diese wird oplayer, ETL) tional noch eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport aufge-

2 OLED Aufbau im Vergleich bracht. Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium, Aluminium, Barium, Ruthenium, Magnesium-Silber-Legierung, im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Caesium- fluorid oder Silber aufgedampft. Die Elektronen (= negative Ladung) werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher (= positive Ladung) bereitstellt. Loch und Elektron driften aufeinander zu und treffen sich im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinations- Zustand, den schicht genannt wird. Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen man als Exziton bezeichnet. Abhängig vom Mechanismus stellt das Exziton bereits den angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar, oder der Zerfall des Exzitons stellt die Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Dieser Farbstoff hat ver- schiedene Anregungszustände. Der angeregte Zustand kann in den Grundzustand übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen) aussenden. Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt vom Energieabstand zwischen angeregtem und Grundzustand ab und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände dar. Diese können durch Zugabe von sogenannten Exzitoren wieder gelöst werden. Verwendung und Auswahl organischer Materialien Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzung PLED (engl. polymer light emitting diode) durchgesetzt. Als SOLED oder SMOLED werden seltener die aus small molecules (kleinen Molekülen) hergestellten OLEDs bezeichnet. In PLEDs werden als Farbstoffe häufig Derivate von Poly(p-phenylen-vinylen) (PPV)

3 verwendet. In jüngster Zeit werden Farbstoffmoleküle eingesetzt, die eine vierfach höhere Effizienz als mit den oben beschriebenen fluoreszierenden Molekülen erwarten lassen. Bei diesen effizienteren OLEDs werden metall-organische Komplexe verwendet, bei denen die Lichtaussendung aus Triplett-Zuständen erfolgt (Phosphoreszenz). Diese Moleküle werden auch Triplett-Emitter genannt; der Farbstoff kann auch durch das Umgebungslicht angeregt werden, was zu Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Flächen herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen. Vorteile OLEDs lassen sich industriell nicht nur unter teuren Vakuum- und Reinraum-Bedingungen fertigen. Ein weiterer Vorteil beruht auf der Alternative, OLEDs in Masse und großflächig kostengünstig auch auf drucktechnischem Wege herstellen zu können, was bei klassischen LEDs nicht und bei elektronischen Bauelementen und Systemen nur selten der Fall ist. Der Kostenvorteil ergibt sich daraus, dass die elektrisch leitenden farbgebenden Schichten in einem modifizierten Tintenstrahldruckverfahren oder neuerdings auch im Offsetdruck aufgebracht und ebenfalls ohne Vakuum-Aufdampfen anschliessend beschichtet werden können. Führend auf diesem Gebiet der löslichen OLED-Materialsysteme sind DuPont und Merck. Die ersten OLEDs wurden unter Laborbedingungen bereits 1987 gedruckt. Leitmesse mit Kongress für die gedruckte Elektronik ist jährlich die LOPEC Messe in München. Auf der Drupa 2012, Leitmesse der Druckindustrie, wurden u. a. gedruckte OLEDs als Milliardenmarkt identifiziert. Nachteile Das größte technische Problem stellt die vergleichsweise geringe Lebensdauer mancher aus organischen Materialien bestehenden Bauelemente dar. Bei (O)LEDs bezeichnet man als Lebensdauer die mittlere Betriebszeit, nach der die Leuchtdichte auf die Hälfte abgesunken ist. Für weiße Lichtquellen und Monitore ist für die insgesamt nutzbare Lebensdauer die der blauen Komponente begrenzend wurden für weiße Lichtquellen Stunden (bei 1000 cd/m²) und Stunden (bei 100 cd/m²) angegeben. Allerdings müssen bei den offiziellen Angaben zur Lebensdauer von OLED-Materialien mehrere wichtige Aspekte beachtet werden: Die (maximal mögliche oder im Verhältnis dazu verringerte) Anfangshelligkeit, bei der die Lebensdauermessung beginnt, die Zeit bis zum Abfall der Leuchtstärke auf 50 Prozent dieses Anfangswertes sowie die unterschiedlichen Temperaturen, bei der die OLEDs betrieben werden (können). Eine gut gekühlte OLED (egal welcher Farbe) mit geringer Anfangsleuchtstärke hat also immer eine sehr viel höhere Lebensdauer als eine OLED, die ohne Kühlung von Anfang an mit der maximalen Leuchtstärke betrieben wird. Zudem wird die Lebensdauer meist theoretisch aus dem kürzesten Wert extrapoliert: Da es kaum praktikabel ist, ein OLED-Material zehn- oder gar hunderttausende von Stunden bei mittlerer oder geringer Leuchtstärke zu testen, verwendet man die Lebensdauer bei maximaler Leuchtkraft und rechnet diese auf die geringeren Leuchtstärken um. Dass der Boom bei OLED bis jetzt ausgeblieben ist, hat vor allem mit diesen Lebensdauer- und Qualitätsunterschieden bei OLED-Farben und -Materialien zu tun.

4 Ebenso wie Wasser kann auch Sauerstoff das organische Material zerstören. Daher ist es wichtig, das Bauelement zu verkapseln und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die nötige starre, anorganische Verkapselung beeinträchtigt die Flexibilität. Mittlerweile sind die organischen Materialien jedoch deutlich resistenter gegen Wasser und Sauerstoff als frühere Versionen. Durch Korrosion ist vor allem die hochreaktive Injektionsschicht aus Calcium und Barium gefährdet. Typische Versagenserscheinungen sind kreisrunde, wachsende nichtleuchtende Bereiche, sogenannte Dark Spots. Ursache ist häufig eine Partikelbelastung beim Aufdampfen der Metallschichten. Auch die mikroskopischen Kanten der Mehrschichtstruktur werden durch Korrosion unterwandert, was zur Abnahme der effektiv leuchtenden Pixelfläche bei Bildschirm-Anwendungen führt. Kommerzielle OLEDs auf flexiblem Substrat befinden sich erst in der Einführungsphase, da alle flexiblen Kunststoffsubstrate eine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit aufweisen. Dünnstglas (Glas mit einer Dicke von höchstens etwa 0,2 mm) ist in der Verarbeitung schwer handhabbar, außerdem ist das Anodenmaterial Indiumzinnoxid ein Hartstoff und daher spröde. Wiederholtes Ein- und Ausrollen um einen geringen Radius führt zum Brechen und schnellem Versagen (Widerstandsanstieg) der Anode. Stand der Technik Prototyp eines batteriebetriebenen flexiblen OLED-Flächenstrahlers. Rechts daneben eine warmweiße OLED-Leuchte. Die Hauptanbieter von OLED-Technik sind die Firmen Osram, Philips, Sony, LG, Samsung SDI, RiTdisplay, Univision, Pioneer und TDK. Philips und Osram stiegen 2004 beziehungsweise 2007 aus dem Display-Geschäft aus und produzieren nur noch OLED-Leuchtmittel. Anwendung OLED wird nicht wie allgemein angenommen die LED ersetzen sondern als ergänzende Technologie sich etablieren. Dabei ist klar zu unterscheiden ob es sich um eine Anwendung als Display zur Darstellung von hauptsächlich bewegten Bildern und interaktiven Nutzungen handelt oder ob eine Beleuchtungsanwendung im Vordergrund steht.

5 Roadmap Anwendungen in der Beleuchtung Stand 2014

6 Roadmap Effizienz in der Beleuchtung Stand 2014