Die OLED in der Beleuchtung – Grundlagen und Entwicklungsstand

| Autor / Redakteur: Gotthard Weißflog * / Hendrik Härter

OLED-Leuchten: LG Chem hat die National University in Seoul, Südkorea, mit OLED-Tischleuchten ausgerüstet. Vorteil: Das Licht ist homogen.
OLED-Leuchten: LG Chem hat die National University in Seoul, Südkorea, mit OLED-Tischleuchten ausgerüstet. Vorteil: Das Licht ist homogen. (Bild: LG Chem)

Die Technik der OLED für die Beleuchtung ist noch jung. Im ersten Teil unserer Geschichte zeigen gehen wir auf wissenschaftliche Grund- lagen ein und stellen den aktuellen Entwicklungsstand vor.

Vor 30 Jahren berichteten Prof. Ching W. Tang und Steven Van Slyke von Eastman Kodak erstmals von einem Leuchtdiodenaufbau aus organischen Materialien. Dabei wurde eine neuartige Zweischichtstruktur mit getrennter loch- und elektronentransportierender Schicht verwendet, so dass Rekombination und Lichtemission in der Mitte der organischen Schicht auftraten. Das führte gegenüber der in den 50iger Jahren entdeckten Elektrolumineszenz von organischen Materialien zu einer niedrigeren Betriebsspannung und höherer Effizienz. Es stellte den Beginn der heutigen OLED-Forschung und –Produktion von „Dünnschicht-OLEDs“ dar.

Erfunden wurde damals eine grün leuchtende OLED mit einer Lichtausbeute von 1,5 lm/W, bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m² und einer Ansteuerspannung von ca. 10 V. Hinsichtlich der sicherlich noch sehr kurzen Lebensdauer gibt es keine Angaben. Der nächste Meilenstein wurde 1995 durch den japanischen Chemiker Prof. Junji Kido mit der Erfindung der OLED mit weißem Licht erreicht. Die Lichtausbeute war kleiner als 1 lm/W und die Lebensdauer weniger als ein Tag.

Danach starteten intensive Entwicklungen. Es wurden vor 15 Jahren eine Energieeffizienz von 15 lm/W und eine Lebensdauer von 3000 h bei 1000 cd/m² erreicht. Erste industriell gefertigte OLED-Beleuchtungsmodule sind erst seit etwa 2010 erhältlich. Im Vergleich dazu konnte man bereits 1962 die erste rote anorganische Leuchtdiode erwerben.

Blick ins Innere: Wie die OLED aufgebaut ist

Eine organische Leuchtdiode ist ein Dünnschichtbauelement und besteht im Kern 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. Das Bild 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines einseitig abstrahlenden Bauteils. Der organische Schichtstapel wird dabei auf einem mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten leitfähigen Glassubstrat (transparente Anode) aufgebracht, welchem eine dünne, lichtundurchlässige Metallschicht als Kathode folgt.

Um das Eindringen von Sauerstoff und Wasser zu vermeiden, bedarf es einer hohen Barriereschicht, da sonst die Lebensdauer der OLED stark verkürzt wird. Die untere Abdeckung besteht aus Glas oder einer dünnen Metallplatte. Bei neuen Produkten nutzt man inzwischen eine Dünnschichtverkapselung, um die Gesamtdicke auf unter einem Millimeter zu reduzieren und Kosten zu sparen.

Preiswerte Massenfertigung weißer OLEDs

Bei flexiblen OLED-Bauelementen werden entweder sehr dünnes Glas mit Dicken um 100 µm oder flexible Barriereschichten aus Nanoschichtenstapel verwendet, meist aus anorganischen und polymeren Schichten. Transparente oder farblich durchstimmbare OLEDs wurden im Labor entwickelt, wobei die industrielle Produktion noch nicht umgesetzt wird. Die Hersteller konzentrieren sich momentan auf eine preiswerte Massenfertigung weißer OLED-Panels.

In der emittierenden OLED-Schicht rekombinieren die positiven und negativen Ladungsträger aus den leitenden Schichten. Es bilden sich Excitonen (= ein gebundenes Elektron-Loch-Paar in einem Isolator bzw. einem Halbleiter), die durch das Emitter-Material in Licht umgewandelt werden können. Die Energie der Excitonen hängt vom Aufbau der OLED und den eingesetzten Materialien ab. Es gibt zwei Arten von Excitonen: sogenannte Singuletts und Tripletts, die im Verhältnis 1:3 auftreten. Für hocheffiziente OLEDs müssen beide Arten von Excitonen in Licht umgewandelt werden. Dabei ist die Umwandlung für Tripletts um ein mehrfaches komplexer als für Singulett-Excitonen.

Neue Entwicklungen zeigen, dass Tripletts auch durch thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF) in Licht umwandelt werden können. TADF kombiniert die Vorteile von Phosphoreszenz (hohe Effizienz) und Fluoreszenz (Lebensdauer). Damit ergibt sich auch die Aussicht, die noch bestehende Lücke hinsichtlich einer Herstellung stabiler und effizienter dunkelblauer Emitter zu schließen.

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