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Weiße OLED: Erhebliche Effizienzsteigerung mit Nanostrukturen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Physiker haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, die externe Quanteneffizienz weißer OLEDs auf bis zu 76,3% zu erhöhen. Dabei spielen regelbare Nanostrukturen eine entscheidende Rolle.

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Prinzip des reaktiven Ionenätzens zur Herstellung von quasi-periodischen Nanostrukturen.
Prinzip des reaktiven Ionenätzens zur Herstellung von quasi-periodischen Nanostrukturen.
(Bild: Sebastian Reineke et al. / CC BY 4.0 / CC BY 4.0)

Im Fokus der aktuellen OLED-Forschung für die Beleuchtung steht die Effizienzsteigerung weißer OLED für die Beleuchtung. Seit der ersten Entwicklung von weißen OLEDs in den 1990er Jahren gab es zahlreiche Bemühungen, ein ausgeglichenes Weißspektrum und hohe Leuchtkraft bei einer praktikablen Leuchtdichte zu erreichen. Jedoch liegt die externe Quanteneffizienz bzw. Quantenausbeute (EQE = External Quantum Efficiency) für weiße OLED-Bauelemente ohne zusätzliche Auskopplungstechniken heute immer noch bei nur 20 bis 40%. Ungefähr 20% der erzeugten Lichtteilchen (Photonen) bleiben in der Glasschicht des Bauelementes gefangen. Schuld daran ist die interne Totalreflektion der Teilchen an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Weitere Photonen werden in den organischen Schichten – ähnlich wie in Glasfaserkabeln – geleitet, wieder andere gehen an der Grenzfläche zur oberen Metallschicht verloren.

In zahlreichen Forschungsvorhaben versuchen Forscher, die gefangenen Lichtteilchen aus den OLEDs zu befreien. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Simone Lenk und Prof. Sebastian Reineke von der TU Dresden hat jetzt eine neue Methode zur Befreiung der Photonen vorgestellt [1]. Dazu bedienen sich die Physiker eines einfachen, skalierbaren und insbesondere lithographiefreies Verfahren, um gezielt regelbare Nanostrukturen mit gerichteter Zufälligkeit und räumlicher Ordnung zu erzeugen. Damit lässt sich die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik von weißen OLEDs deutlich verbessern. Die Nanostrukturen werden mit reaktivem Ionenätzen erzeugt. Somit lässt sich die Topographie der Nanostrukturen über die Einstellung der Prozessparameter gezielt kontrollieren.

Anwendungen in Optik, Biologie und Mechanik

Durch die Integration der Nanostrukturen in weiße OLEDs erhöht die externe Quanteneffizienz auf bis zu 76,3%. Für Dr. Simone Lenk eröffnet die neue Methode zahlreiche neue Wege: „Wir hatten bereits lange nach einer Möglichkeit gesucht, Nanostrukturen gezielt zu manipulieren. Mit dem reaktiven Ionenätzen haben wir einen kostengünstigen und für große Flächen nutzbaren Prozess gefunden, welcher sich auch für die industrielle Nutzung eignet. Der Vorteil liegt darin, dass sich Periodizität und Höhe der Nanostrukturen komplett über die Prozessparameter einstellen lassen und dass somit eine optimale Auskopplungsstruktur für weiße OLEDs gefunden werden konnte. Diese quasi-periodischen Nanostrukturen eignen sich nicht nur als Auskoppelstrukturen für OLEDs, sondern besitzen auch das Potential für weitere Anwendungen in der Optik, Biologie und Mechanik.“

Referenz

[1] Original-Beitrag auf nature communications (abgerufen am 23.7.2019)

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