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Trends in der Beleuchtung Die OLED für die Beleuchtung – ist sie marktreif?

| Autor / Redakteur: Benjamin Krummacher, Karsten Diekmann, Stefan Seidel und Steven Rossbach * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Flexibel oder starr, transparent oder spiegelnd: Mit der OLED lassen sich unterschiedliche Designs verwirklichen. Im Gegensatz zur klassischen Beleuchtung sind hier viele Disziplinen gefragt.

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Die OLED im Auto: Für flächiges Licht wie Blinker, Heckleuchte oder die Innenbeleuchtung eignen sich OLEDs. Knackpunkt ist dabei die Temperaturbeständigkeit.
Die OLED im Auto: Für flächiges Licht wie Blinker, Heckleuchte oder die Innenbeleuchtung eignen sich OLEDs. Knackpunkt ist dabei die Temperaturbeständigkeit.
(Foto: Osram)

Mit der rasanten Verbreitung des Smartphones schlüpfte die OLED-Technologie (kurz für Organische Leuchtdioden) in den letzten Jahren aus den Kinderschuhen der Vorentwicklung und ließ die frühe Anwendungsphase zu Anfang des Jahrtausends hinter sich. OLEDs sind mittlerweile in den Anzeigedisplays zahlreicher Handheldprodukte etabliert. Gegenwärtig wird die Einführung der Technologie in großflächigeren Displays für Tablets und TV mit Hochdruck betrieben.

Die Erfolgsgeschichte wird nun als Lichtquelle für den Einsatz in Allgemeinbeleuchtung und im Automobilbereich fortgeschrieben: OLEDs ergänzen die klassischen Leuchtdioden (LEDs) als zusätzliche Leuchtmittel im sogenannten Solid State Lighting – kurz SSL. Mit anderen Worten: effiziente Beleuchtung mit Lichtquellen basiert auf Halbleitern.

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Die OLED als Design-Objekt

Kürzlich hat OSRAM den Prototypen einer Handheld-Anwendung entwickelt, die sich die kombinierten Eigenschaften transparenter und spiegelnder OLEDs zunutze macht. Wie in einem Klapphandy liegen transparente und spiegelnde OLED zunächst übereinander und vereinen ihre Helligkeit in der Funktion einer Suchleuchte. Klappt man die transparente OLED nach oben, so kann sie zur Gesichtsbeleuchtung dienen und die ausgeschaltete andere OLED fungiert als Schminkspiegel. Die transparente OLED kann auch als Leselicht eingesetzt werden. Schiebt man im eingeklappten Zustand ein auf Gecko-Folie gedrucktes Bild zwischen die OLEDs, ergibt sich ein tragbarer Bilderhalter.

Während ein modernes AMOLED-Display aus zahlreichen winzigen OLED-Pixeln aufgebaut ist, sind in der Beleuchtung Leuchtflächen von mehreren 10 bis einigen 100 Quadratzentimeter Größe üblich. Die flächigen OLED-Lichtquellen sind in unterschiedlichen Ausführungen realisierbar: Sie können opak, spiegelnd oder auch transparent sein. Dabei weisen die Bauelemente eine außerordentlich geringe Dicke von ungefähr 2 mm auf. Darüber hinaus können die Leuchtflächen biegbar gestaltet werden. Die Fertigung großflächigerer Leuchten mit OLEDs wird zu Kosteneinsparungen führen, da die OLED durch ihre Flächenlichteigenschaft schon viel vom Leuchtencharakter in sich trägt und Komponenten wie Lichtleiter oder Diffusoren sowie aufwändige Bestückungsszenarien entfallen.

OLEDs sind aus mehreren organischen Halbleiterschichten zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine transparent ist, aufgebaut. In Bild 1 sind zwei verschiedene OLED-Typen schematisch dargestellt: ein einseitig abstrahlendes Bauteil (links) und ein transparentes, das Licht in zwei Richtungen abstrahlt (rechts). Bei der Herstellung einer OLED werden die organischen Schichten sequentiell auf ein leitfähig beschichtetes Substrat aufgebracht, gefolgt von einer weiteren leitfähigen Elektrode.

Ein typischer Aufbau basiert auf einem mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glassubstrat als transparente Anode und einer lichtundurchlässigen Metallschicht als Kathode. Werden elastische oder dehnbare Substratmaterialien eigesetzt, können sogar flexible oder formbare Bauteile realisiert werden (Bild 2).

Wie die Farbe bei einer OLED entsteht

Der organische Schichtstapel einschließlich der Elektroden ist in der Regel dünner als 1 μm. Das entspricht dem Hundertstel eines menschlichen Haares. Bei der Herstellung werden meist thermische Aufdampfverfahren im Hochvakuum angewendet. Wird eine Gleichspannung von wenigen Volt an die Elektroden angelegt, können die injizierten Elektronen und Löcher in den organischen Schichten rekombinieren und Licht in einer bestimmten Farbe abstrahlen.

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Die Farbe des Lichts hängt von der Beschaffenheit des organischen Emitter-Materials ab und lässt sich durch seinen chemischen Aufbau gezielt beeinflussen; auch Kombinationen sind möglich, so kann beispielsweise bei der gemeinsamen Verwendung von blauen, roten und grünen Emittern weißes Licht erzeugt werden. Das Prinzip der Lichterzeugung – die sogenannte Elektrolumineszenz – und die Beeinflussbarkeit der Emissionsfarbe zeichnen die SSL-Leuchtmittel aus und begründen ihre Effizienz: Die Licht-Emission erfolgt im Gegensatz zu traditionellen Leuchtmitteln wie Glüh- und Halogenlampen nur in dem Wellenlängenbereich, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.

So wurden von OSRAM schon weiße OLED-Labormuster mit einer Lichtausbeute von 87 lm/W (Lumen pro Watt) erzielt – demgegenüber beträgt beispielsweise die Effizienz einer typischen Halogenlampe ca. 25 lm/W. Energiesparlampen liegen bei ca. 55 lm/W. Die Helligkeit der OLEDs ist stufenlos dimmbar und Aufbau und Herstellung sind quecksilberfrei.

Die OLED in der Allgemeinbeleuchtung etablieren

Wesentliche technische Herausforderungen, die bis zum breiten Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung zu lösen sind, sind eine weitere Effizienzsteigerung, das Ausschöpfen von Kostensenkungspotenzialen im Herstellungsprozess und bei den dabei eingesetzten Materialien sowie die weitere Skalierung der Leuchtflächen. Ein Faktor, der die Größe der Leuchtfläche limitiert, ist die begrenzte laterale Leitfähigkeit der aktuell verwendeten transparenten Elektroden.

Überdies gilt es analog zu den Sockel-Fassungskonzepten für die existierenden Technologien – wie den Glühlampenfassungen E14 oder E27 – Lösungen zur einfachen Integration von flächigen OLED-Bauelementen in die verschiedenen Beleuchtungsanwendungen zu finden und zu etablieren. Bestehende Infrastrukturen sind nicht unbedingt auf OLEDs ausgelegt. Bei OSRAM möchte man OLEDs bis zum Ende dieser Dekade voll wettbewerbsfähig machen, um sie in der Allgemeinbeleuchtung etablieren zu können.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt OLYMP arbeitet OSRAM mit Firmen wie dem LED-Verbindungsspezialisten BJB und dem Leuchtenhersteller Trilux an diesen Aspekten. Bei Trilux setzt man sich auch damit auseinander, wie die OLED-Flächenleuchten in der Allgemeinbeleuchtung effektiv und funktional eingesetzt werden können. Der Leuchtendesigner Michael Jurisch stellt hier beispielsweise eine Pendelleuchte vor, bei der drei Ebenen aus OLED-Segmenten über ein Seilzugsystem verfahren werden können, um die Beleuchtungsverhältnisse optimal den situativen Bedürfnissen anzupassen.

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