OLED in der Beleuchtung: Aktueller Stand bei Forschung und Fertigung

| Autor / Redakteur: Gotthard Weißflog * / Hendrik Härter

OLED im Fahrzeug: Einige Autohersteller verbauen in den Rücklichtleuchten segmentierte, biegsame OLEDs für ihre Premiumfahrzeuge in kleinen Stückzahlen.
OLED im Fahrzeug: Einige Autohersteller verbauen in den Rücklichtleuchten segmentierte, biegsame OLEDs für ihre Premiumfahrzeuge in kleinen Stückzahlen. (Bild: Hella)

OLED sind flexibel, dünn, leicht. Das unterscheidet sie von herkömmlichen LED-Lösungen – und prädestiniert sie für neuartige Beleuchtungskonzepte. Lesen sie hier, wie die modernen Lichtspender entstehen.

Nach den Grundlagen der OLED im ersten Teil, gaben wir im zweiten Teil unserer vierteiligen Serie der OLED für die Beleuchtung einen aktuellen Stand über die industrielle Produktion von OLEDs. In diesem dritten Teil geht es um den Status der Forschung und Fertigung. Wesentliche Merkmale der OLED: sie sind flexibel, extrem dünn und sehr leicht. Das unterscheidet sie von der LED-Technik. Dank dieser Eigenschaften eröffnen sich für die Anwendung ganz neue Möglichkeiten im Design. Allerdings ergeben sich für den Entwickler noch technische, technologische und auch kommerzielle Unwägbarkeiten, die gelöst werden müssen. Wir schauen uns die aktuellen Aktivitäten in der Forschung und Entwicklung der OLED genauer an; begonnen von den Herstellern bis zu den ersten Anwendern.

Eins vorweg: Gegenüber den OLEDs in einem Display besteht für die OLED in der Beleuchtung ein viel höherer Preisdruck bei den erforderlichen Komponenten und Herstellungsprozessen und aktuell ein noch geringeres Marktpotenzial. Deshalb ist auch bei der Umsetzung der Flexibilität der OLED-Bauelemente ein modifizierter Ansatz für die Beleuchtung gegenüber den Displays erforderlich. Eine Übersicht der verschiedenen Formen der Flexibilität (Bild 1) ist deshalb notwendig, um daraus mögliche Anwendungen ableiten zu können. Während schon für das Jahr 2019 erste faltbare OLED-Displays für Smartphones angekündigt worden sind, so ist die OLED in der Beleuchtung im industriellen Maßstab momentan in der ersten Kategorie angekommen: die Biegsamkeit. Hier werden bei Polymerfolien Biegeradien von rmin = 30 mm erreicht.

Die verschiedenen Substrat-Typen bei einer OLED

Bei der OLED in der Beleuchtung gibt es unterschiedliche flexible Substrate, die prinzipiell für die Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden (Bild 2). Aufgrund der sehr hohen Barriereanforderungen gegenüber Wasser und Sauerstoff hat sich gezeigt, dass speziell behandeltes Papier nur eine sehr geringe Lebensdauer ermöglicht. Das Dünnglas wird trotz eingeschränkter Flexibilität bisher aufgrund seiner hervorragenden Barriereeigenschaften, der Wärmebeständigkeit im OLED-Fertigungsprozess sowie der geringen Oberflächenrauhigkeit bei geringen Kosten eingesetzt.

Für den Verabeitungsprozess bei Rolle zu Rolle (R2R) ist Dünnglas mittlerweile ebenfalls geeignet. Spezifische Polymerfolien, dazu gehören beispielsweise transparente Polyimide, werden für die Produktion bei Sheet-to-Sheet (S2S) eingesetzt. Bisher sind allerdings in Verbindung mit dem R2R-Verfahren die erforderlichen Barriereeigenschaften für einen hohen Grad der Flexibilität bei den Beleuchtungsanwendungen nur mit hohen Kosten umsetzbar.

Die Metallfolien spielen aufgrund der vergleichsweise hohen Oberflächenrauhigkeit und den Möglichkeiten bei der Verarbeitung im R2R-Prozess im Vergleich zu den oben aufgeführten Substraten bisher nur ein Nischendasein. Verständlicherweise sind sie für transparente OLEDs nicht geeignet. Allerdings nutzt der Hersteller LG bei der Verkapselung im S2S-Prozess auf der Rückseite dünne Metallfolien.

Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Überblick

Schon seit mehr als 15 Jahren wird intensiv an einer Herstellung von flexiblen OLED-Bauelementen geforscht. Der Pionier General Electric hat seine Vorlaufforschung allerdings eingestellt. Das vorhandene Know-how wurde von Konica Minolta weitergeführt, ohne das bisher Bauelemente kommerziell zur Verfügung stehen. In Europa wurden die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in Deutschland, den Niederlanden, Finnland und Großbritannien unterstützt. Inzwischen wird ein gemeinsamer Ansatz in der EU als ein Schwerpunkt gefördert. Das Anfang 2019 auslaufende Projekt Pi-Scale ermöglicht es, dass die Forschungseinrichtungen ihre Kompetenzen einbringen, die neben den Herstellungsprozess bei S2S insbesondere den der R2R in Pilotanlagen voranbringen sollen.

Die industrielle Fertigung einer OLED für die Beleuchtung

Sowohl durch bedampfen im Vakuum, flächenhafte Beschichtungsverfahren von flüssig-prozessierbaren Materialien bis zu hin zu den Drucktechniken werden Musterbauelemente gefertigt. Um die Lücke bis zum Einsatz der Ergebnisse im Massenmarkt zu schließen, ist es noch ein weiter Weg. Das hat verschiedene Ursachen. Es fehlt noch an den Voraussetzungen der Prinziplösungen (Beispiel in Bild 4) sowie das erhebliche unternehmerische Engagement von Anwendungsfirmen. Das ist bereits erkannt worden. Außerhalb der EU wird insbesondere in Südkorea durch und für Samsung und LG, den USA, Japan, China und Taiwan geforscht.

Seit über zwei Jahren bietet LG Display biegsame OLEDs für unterschiedliche Anwendungen in der Beleuchtung an. Zu Beginn wurden sehr dünne Glassubstrate verwendet. Inzwischen werden dazu Polymerfolien genutzt und vier unterschiedliche Größen angeboten. Der Aufbau ist im Bild 5 dargestellt. Einen anderen Ansatz wendet OLEDWorks an (Bild 6). Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Glashersteller Corning (das Willow Glas ist 0,1 mm dick) ist es inzwischen gelungen, die hellsten Bauelemente mit der längsten Lebensdauer am deutschen Standort in Aachen zu fertigen. Erste Bauelemente wurden zur Light & Building 2018 in Frankfurt vorgestellt. Der Verkaufsstart der zertifizierten biegsamen OLEDs ist im vierten Quartal 2018 geplant. Beide Hersteller fertigen auf S2S In-line Vakuumbeschichtungsanlagen (VTE).

Preiswerte OLEDs dank Rolle zu Rolle

Durch die Inbetriebnahme einer Anlage des Typs Gen 5 in Südkorea kann erneut der Preis gesenkt werden und es wird erwartet, dass LG weitere Formate der Baulemente herstellen wird. OLEDWorks möchte mittelfristig zur R2R-Fertigung übergeben, damit sich der Preis drastisch reduzieren lässt. Experten gehen von unter 100 US-Dollar/m² aus. Damit soll der zukünftige Massenmarkt bedient werden. Die möglichen Varianten der Fertigungsfolge mit möglichen Längen von ungefähr 40 m und die zu lösenden technologischen Herausforderungen wurden in Workshops der „Solid-State Lighting Initiative“ des Department of Energy in den USA beraten und mit den europäischen Forschungseinrichtungen diskutiert.

Bei weiteren Herstellern ist noch unklar, ob sie sich den zukünftigen technischen und kommerziellen Anforderungen an eine Massenfertigung stellen (können). Durch den Zusammenschluss der OLED-Aktivitäten von Konica Minolta, die vor drei Jahren die erste Massenfertigung ankündigten, und Pioneer in den Verbund Konica Minolta Pioneer OLED, wurde eine Weiterführung im Jahr 2017 bekannt gegeben. Sumitomo kann langkettige OLEDs (POLED) entwickeln und ist prinzipiell in der Lage, den Produktionsprozess für das R2R-Verfahren zu vereinfachen. Ob Osram die Forschungsaktivitäten seiner Pilotlinie in Regensburg mit dem Ziel, den Automobilmarkt zu bedienen, weiterführen wird, ließ sich noch nicht ermitteln.

Ebenfalls in die gedruckte Elektronik eingestiegen ist Rehau. Im Rahmen des europäischen Programms Lyteus, dem insgesamt 14 Partner angehören, fungiert der Polymerspezialist als sogenannter „Launching Customer“, sprich als Pilotkunde. Am Beispiel seines Technologieträgers Smart Backend demonstriert Rehau die neue Gestaltungsfreiheit. Am Fahrzeugheck wurden die Folien spiralförmig in die Leuchten integriert

Seminar-Tipp Im Bereich Elektrotechnik bietet die Vogel Communications Group einige Seminare für Ingenieure und Techniker an. Zusammen mit den Akademien unserer Marken MaschinenMarkt, ELEKTRONIKPRAXIS, elektrotechnik, Process, Automobilindustrie und konstruktionspraxis haben wir eine interessante Auswahl an Themen zusammengestellt. So stehen unter anderem Seminare zu „LED-Beleuchtung in der elektrotechnischen Praxis" auf dem Programm.

Die Anforderungen an die Wertschöpfungskette

Für den Einsatz der OLED im Fahrzeug sind Rücklichtleuchten mit segmentierten, biegsamen OLEDs für Premiumfahrzeuge deutscher Hersteller in kleinen Stückzahlen im Einsatz. Sie werden noch in Manufakturfertigung produziert. Die attraktiven Eigenschaften werden durch den Kunden sehr gut angenommen. Unter dem Markennamen Luflex wirbt LG für seine OLED-Beleuchtungselemente. Die komplette Wertschöpfungskette enthält, ausgehend vom OLED-Tile (Roh-OLED), die weiteren Stufen über das OLED-Panel, das OLED-Modul bis zur OLED-Leuchte.

Wie bereits im zweiten Teil dargestellt, sind noch zahlreiche technologische Schritte bis zur fertigen Leuchte notwendig. Sie müssen durch geeignete Automatisierungsprozesse in der Massenfertigung kostengünstig abgebildet werden. Dank der dünnen Bauform lassen sich flexible OLEDs leichter handhaben, einfacher kontaktieren und der Anschluss sowie die Einbindung der notwendigen Treiberelektronik bis hin zur Integration der OLED in das Gehäuse ist wesentlich sensibler als bei starren OLED-Varianten.

Die bisher erschienen Teile

Die OLED in der Beleuchtung – Grundlagen und Entwicklungsstand

Die OLED in der Beleuchtung – Grundlagen und Entwicklungsstand

27.09.17 - 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. lesen

Die OLED in der Beleuchtung: Aktueller Stand der industriellen Produktion von OLEDs

Die OLED in der Beleuchtung: Aktueller Stand der industriellen Produktion von OLEDs

03.04.18 - Nach den technischen Grundlagen einer OLED zur Beleuchtung betrachten wir den aktuellen Stand der OLED-Produktion, die Hersteller und ihre Fertigungsstraßen. Die Branche ist im Wandel. lesen

* Dr. Gotthard Weißflog ist Netzwerkmanager des OLED-Industrial Light Application (OLAB) in Jena.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45456507 / LED & Optoelektronik)