Organische Leuchtdiode Die OLED für die Beleuchtung – Ein Technologieüberblick

Autor / Redakteur: Gotthard Weißflog * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie sind OLEDs für die Beleuchtung aufgebaut und wie lassen sich Lichtausbeute und Energiemanagement effizient gestalten? Wir schauen genauer auf die organische LED und ihre Zukunft.

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OLEDs in der Beleuchtung: Eine organische Leuchtdiode besteht aus organischen Halbleiterschichten. Sie sind dünn und ihr Licht ist gleichmäßig flächig.
OLEDs in der Beleuchtung: Eine organische Leuchtdiode besteht aus organischen Halbleiterschichten. Sie sind dünn und ihr Licht ist gleichmäßig flächig.
(Philips)

Eine organische Leuchtdiode oder kurz OLED besteht aus organischen Halbleiterschichten zwischen zwei Elektroden. Mindestens eine Elektrode ist dabei transparent. Falls beide transparent sind, wird das Licht sowohl nach oben und als auch nach unten abgestrahlt. Der organische Schichtstapel wird auf einem mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten leitfähigen Glassubstrat (transparente Anode) aufgebracht, welchem eine dünne, lichtundurchlässige Metallschicht als Kathode folgt. Die untere Abdeckung besteht meist aus Glas.

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Alternativ lässt sich auch eine dünne Metallplatte verwenden. Bei neuen Produkten nutzt man eine Dünnschichtverkapslung, um die Gesamtdicke auf unter einen Millimeter zu reduzieren, um so Kosten zu sparen. Damit kein Sauerstoff und Wasser von außen eindringen kann, ist eine hohe Barriereschicht notwendig. Ansonsten wird die Lebensdauer einer OLED stark verkürzt.

Ergänzendes zum Thema
Ausblick und Roadmap der OLED

( Netzwerk OLAB )
In der Vergangenheit waren die Roadmaps der Hersteller trotz enormer Fortschritte oft zu optimistisch. In Zukunft wird es ähnlich wie bei den LEDs verschieden Formen der OLED geben. Die Hersteller werden neben Parametern wie Effizenz, Lebensdauer, Beleuchtungsstärke oder Lumenoutput weitere spezifische Vorteile anbieten. Die meisten Marktforschungsinstitute bescheinigen der OLED einen Milliardenmarkt. Die Angabe des Zeitpunktes ist allerdings unterschiedlich. Viel wird davon abhängen, welches Investitionsvolumen für Produktionsanlagen zukünftig zur Verfügung steht bzw. eingesetzt wird. Man geht für die Generation 5 von Investitionen in dreistelliger Millionenhöhe (in US-$) aus. Eine Konsolidierung der inzwischen zahlreichen Akteure entlang der Wertschöpfungskette bis zum Bare-Level-OLED ist ein mögliches Szenario. Entscheidend für das Tempo wird sein, wie der Nutzer die Konzepte, die mit OLED-Leuchten möglich sind, annimmt und erhöhte Initialkosten in Kauf nimmt.

Bauelementearchitekturen und interne Wirkmechanismen

Es werden drei grundsätzliche Bauarten unterschieden. OLEDs können mit der Lichtaustrittsrichtung vom Substrat weg, der sogenannten Top-Emission-, oder mit der Lichtaustrittsrichtung durch das Substrat hindurch in der Bottom-Emission-Bauweise hergestellt werden. Falls beide Elektrodenschichten sehr dünn sind, lassen sich transparente OLEDs herstellen. Um die Lichterzeugung zu stimulieren, eine höhere Lichtleistung zu erreichen und die Energieverluste durch Wärmeentwicklung zu veringern, sind im Vergleich zu den anorganischen Halbleitern komplexere Schichtstrukturen erforderlich.

Zusätzlich zu den lichtemittierenden Schichten werden noch weitere organische Schichten als Elektronentransportschicht, Lochtransportschicht, Elektronblockschicht, Lochblockschicht, Elektroninjektionsschicht und Lochinjektionsschicht aufgebracht (siehe Bild 2).

Hohe Lichtausbeute und effizentes Energiemanagement

Für eine hohe Lichtausbeute und die damit verbundenen Energieeffizienzen spielt die Dotierung der Schichten eine ähnlich wichtige Rolle wie in der anorganischen Halbleitertechnik. Grundsätzlich anders laufen die Elementarprozesse in den organischen Halbleitern ab. Die Elektronen- und Lochübertragung zwischen den spezifischen Kohlenwasserstoffmolekülen (PPV) erfolgt nach einem Hoppingmechanismus. Dabei driften die unterschiedlichen Ladungsträger aufeinander zu. Die Mobilität dieses intermolekularen Ladungsträgertransports ist dabei wesentlich geringer (< 10-2) als beispielsweise bei Silizium.

Sobald ein Molekül gleichzeitig ein Elektron im Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) und ein Loch im Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) trägt, treffen die Ladungsträger aufeinander und bilden ein Loch-Elektronen-Paar, das Exziton. Es hat ein starkes Deaktivierungsbestreben und das Molekül kehrt wieder in den Grundzustand zurück. Dabei entsteht Wärme oder Licht. Die Lichtenergie wird auf spezielle Leuchtstoffe übertragen, die in die Molekülstruktur eingebaut worden sind.

Ergänzendes zum Thema
Das Thema OLED auf dem Entwicklerforum im Oktober

Die organische LED wird auf dem OLED-/LED-Entwicklerforum vom 7. bis 9. Oktober in Würzburg einen eigenen Themenschwerpunkt bekommen. Dr. Weißflog vom mittelständischen OLED- Anwendernetzwerk OLAB wird einen Ausblick der OLED in Deutschland und der EU geben. Er geht dabei auf die europäische Technologieplattform Photonics 21 ein und berichet von der im September stattfindenden OLED-Leitkonferenz „15th annual OLEDs World Summit”.

Licht in einstellbaren Wellenlängenbereichen

Verschiedene anorganische Materialien (Iridium- oder Kupferemitter) strahlen Licht in einstellbaren Wellenlängenbereichen ab. Die angestrebte Lichtemission erfolgt unter bestimmten Bedingungen beim Zerfall der Exzitonen (gebundenes Elektron-Loch-Paar). Sie ist wahrscheinlicher bei einem starren Molekülgerüst. Man unterscheidet zwischen den Emittern mit fluoreszierender und phosphoreszierender Lichtemission. Neben den Sigulettexzitonen im Fluoreszenz-Prozess wird angestrebt, über den Phosphoreszenz-Prozess auch Triplettexzitonen zur Emission von Licht zu nutzen. Der maximale intrinsische Wirkungsgrad für den möglichen Zerfall der Exzitonen in Licht erhöht sich dadurch von 25 auf 100 Prozent. Das hat unmittelbare Auswirkungen auf die Energieeffizienz der OLED und auf das Wärmemanagement.

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