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OLED-Beleuchtung: Mit einem Baukastensystem in die Massenproduktion

| Autor / Redakteur: Frank Uhr * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit sich die OLED im Massenmarkt etablieren kann, ist ein günstiges Fertigungsverfahren notwendig. Das Forschungsprojekt AMOLA setzt auf ein Baukastensystem mit variabel kombinierbaren OLED-Modulen.

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OLED-Module für den Massenmarkt: Damit die OLED günstiger wird, muss sie weg vom Forschungsstadium.
OLED-Module für den Massenmarkt: Damit die OLED günstiger wird, muss sie weg vom Forschungsstadium.
(Bild: automation Uhr )

Das klingt erst einmal sehr interessant, da die OLED ein gleichmäßiges, homogenes Flächenlicht mit einem angenehmen Lichtspektrum erzeugt. Ihre Bauform ist extrem flach. Sie ist blendfrei und benötigt daher keine Reflektoren. Auch ihre Energieeffizienz überzeugt. Einzig am derzeit noch zu hohen Preis scheitert eine Einführung im Massenmarkt. Aktuell wird der Markt für Wohnraumleuchten daher noch durch preiswertere LEDs mit meist ungünstigerer Beleuchtungscharakteristik bestimmt.

Damit die OLEDs für den Endkunden erschwinglich werden und nicht nur in Designer-Leuchten eine mögliche Anwendung finden, müssen die Herstellungskosten deutlich sinken. Das erfolgt wie bei anderen neuen Produkten meist durch eine schrittweise Erhöhung der Abnahmestückzahlen und schließlich eine bessere Automatisierung der Produktionsprozesse.

Die OLED auf dem Weg in den Massenmarkt

Um die OLED in den Massenmarkt zu überführen, hat automation Uhr im Rahmen des Thüringer Forschungsprojektes AMOLA zwei konzeptionelle Ansätze verfolgt. Den Absatz durch ein Baukastensystem für variabel kombinierbare OLED-Module und Unterstützung der Modulfertigung durch ein variables Automatisierungskonzept zu erhöhen. Die Projektbezeichnung AMOLA steht dabei für ein automatisiertes Modulfertigungskonzept von organischen Leuchtdioden für die Massenanwendung. Die Herstellung einer kompletten OLED-Leuchte kann man vereinfacht in zwei grundsätzliche Bereiche untergliedern:

  • Die Fertigung des Grundelements, auch Bare-Level-OLED genannt, und die
  • spätere Vervollständigung zu einem „verkaufsfähigen“ Beleuchtungsmodul.

OLED-Vorserien mit Glasträgermaterial

Aktuell gibt es am Markt bereits diverse in Vorserien hergestellte OLED-Grundelemente in verschiedenen Formaten. Die hochwertigen Formate bestehen meist aus einem Glasträgerelement mit einer Dicke von 0,3 bis 1 mm, das mit organischen Materialien bedampft wird sowie dünnen Kontaktier-Elementen für den späteren Anschluss einer Spannungsversorgung. Sie werden auf speziellen Produktionsanlagen im Vakuum hergestellt, damit die organischen Beschichtungen bestmöglich homogen sind und damit die Qualität erhalten bleibt. Die Kosten für besonders hochwertige Anlagen zur Vorfertigung dieser Grundelemente liegen aktuell noch im zweistelligen Mio-Euro-Bereich. Sie sind oft als Forschungsanlagen entstanden, die eher zur Prozessevaluierung als zum massenhaften Durchsatz konzipiert wurden.

Beschichtet werden jeweils größere Glasträgerelemente von ungefähr 400 mm x 500 mm. Daraus werden danach die späteren Kleinformate für derzeit übliche Grundelemente mit beispielsweise 100 mm x 100 mm oder 150 mm x 40 mm separiert. Diese müssen in mehreren nachfolgenden Schritten noch zu einem verwendbaren Beleuchtungsmodul aufgebaut werden.

Die Produktion von kompletten OLED-Leuchten ist wegen der relativ neuen, derzeit noch nicht optimierten Technik und vergleichsweise geringer Abnahmestückzahlen deutlich teurer. Priorität haben steigende Verkaufsstückzahlen. Dafür hat automation Uhr ein Musterkonzept entwickelt, mit dem die zurzeit am häufigsten produzierten OLED-Grundelemente mit 100 mm x 100 mm zu kompletten OLED-Beleuchtungsmodulen aufgebaut und einem viel größeren Kundenkreis zugänglich gemacht werden sollen.

Eine variable Leuchte mit OLED dank Baukasten

Das Bild zeigt eine konzipierte Fertigungslinie für OLED-Module in einer relativ hohen Automatisierungsvariante.
Das Bild zeigt eine konzipierte Fertigungslinie für OLED-Module in einer relativ hohen Automatisierungsvariante.
(Bild: automation Uhr )

Die OLED-Module lassen sich auf Basis des entwickelten Baukastensystems variabel kombinieren und zu einem anpassbaren Beleuchtungssystem erweitern. Die so entstandenen Module können so einfach und ohne spezielles Fachwissen konfiguriert sowie mechanisch und elektrisch kombiniert werden.

Als Synonym steht hier der Begriff „Baumarktleuchte“, also ein einfaches System, um variable Beleuchtungskonzepte mit OLED-Modulen zu erstellen und beispielsweise über Baumärkte zu vermarkten. Mit den deutlich höheren Abnahmestückzahlen lässt sich die Fertigung der Module besser automatisieren. Damit fallen die Herstellkosten und die Leuchten werden preislich immer interessanter.

Mit einem Musterkonzept von automation Uhr sollen sich die zur Zeit am häufigsten produzierten OLED-Grundelemente mit 100 mm x 100 mm zu Modulen vervollkommnen und dann in beliebiger Kombination aneinander reihen lassen.
Mit einem Musterkonzept von automation Uhr sollen sich die zur Zeit am häufigsten produzierten OLED-Grundelemente mit 100 mm x 100 mm zu Modulen vervollkommnen und dann in beliebiger Kombination aneinander reihen lassen.
(Bild: automation Uhr )

Damit die spätere OLED-Leuchte auch über lange Zeit ihr flächiges Licht abstrahlen kann, darf es nicht zu Fehlstellen oder Rissbildung im Grundelement kommen. Dies würde zu einer deutlichen Verkürzung der Lebensdauer führen. Die vollautomatische optische und elektrische Prüfung der OLED-Grundelemente konnte automation Uhr bereits im Rahmen von Fertigungslinien realisieren. Dabei wird die Homogenität der Bedampfung mit Hilfe von extrem hochauflösenden Kameras auf feinste Fehler kontrolliert und dann mit komplexer Software ausgewertet. Das erfolgt sowohl im angeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand. So lassen sich Fehlstellen im Bereich von wenigen Hundertstel-Millimetern aufspüren. Sogar das ausgesendete Lichtspektrum kann automatisch mittels Ulbricht-Halbkugel bewertet werden.

Vom OLED-Grundelement zum fertigen Beleuchtungsmodul

Die kleineren Glasträger werden meist durch Ritz- und/oder Brechvorgänge aus dem großen Glasnutzen erstellt. Deshalb müssen die Kanten sehr genau auf Haarrisse und Ausbrüche untersucht werden. Damit die gefertigten OLED-Grundelemente identifiziert und die Prozessbedingungen wieder rückverfolgt und optimiert werden können, sind sie mit einem Data-Matrix-Code ausgestattet. Die zu speichernden Informationen werden dabei nicht nur linear wie bei den bekannten Strichcodes, sondern 2D wie in einer Art Matrix über einen Laser aufgebracht.

Der weitere Aufbau des OLED-Grundelements zu einem verkäuflichen Beleuchtungsmodul ist komplex: Schutzgrad, Housing und die Art der elektrischen Anbindung hängen von den unterschiedlichen Einsatzbedingungen ab. Bisher werden meist mehrere Handarbeitsplätze mit hoher/teurer Mitarbeitereinbindung eingesetzt. Ein günstiger Preis der OLED-Module lässt sich nur durch einen hohen Automatisierungsgrad erreichen, was sich bei großen Fertigungsstückzahlen gut realisieren lässt.

Problematisch sind kleine Stückzahlen, die rationell gefertigt werden müssen. Das ist im aktuellen Leuchtenmarkt der Fall. Mit flexiblen Anlagen, Steuerungen und eigens entwickelten variablen Trägersystemen lassen sich kleinere Chargen auf einer Fertigungslinie zusammenfassen. In seinem variablen Fertigungskonzept hat es automation Uhr geschafft, für eine breite Palette unterschiedlicher OLED-Entwicklungen spezielle Anwendungen für unterschiedliche Automatisierungsgrade zu entwickeln. In Abhängigkeit von der geplanten Abrufstückzahl wird im Anfragestatus entschieden, wie hoch der Grad der Automatisierung ausgewählt werden kann. In kurzer Zeit ist es möglich, aus der Entwicklungsoberfläche der optimale Automatisierungsgrad zu ermitteln und die Kosten zu benennen. Langwierige oder teure Machbarkeitsstudien entfallen. Der Kunde erhält einen belastbaren Preis und eine realistische Lieferzeit für seine Anlage.

Fazit: Für eine ganzheitliche Herangehensweise bei der Markteinführung der OLED-Beleuchtungsmodule sind immer zwei Aspekte zu betrachten:

  • 1. Wie kann man möglichst viele potenzielle Kunden für das Produkt interessieren?
  • 2. Wie kann man die Herstellprozesse so geschickt automatisieren, damit die Produktkosten so gering wie möglich werden?

Wenn die OLED denselben Entwicklungsstand wie die führende LED-Technik erreicht hat, kann sie in bei der Raum- sowie technischen Beleuchtung mehr Marktanteil einnehmen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2020: Sonderteil LED & Optoelektronik (Download PDF)

* Frank Uhr ist Geschäftsführer des Sondermaschinenbauers automation Uhr in Reichenbach/Thüringen.

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