Eine Organische Leuchtdiode, kurz OLED (Kurzform für engl.: „organic light-emitting diode“), ist ein dünnfilmiges, leuchtendes Bauelement aus organischen, halbleitenden Materialien, dessen Aufbau dem einer anorganischen Leuchtdiode (LED) ähnelt. Im Vergleich zueinander bieten die organischen Dioden die Möglichkeit zu einer kostengünstigeren Herstellung. Die OLED-Technologie ist vorrangig für die Bildschirmanwendung (z. B. Fernseher, PC-Bildschirme) gedacht. Ein weiteres Einsatzgebiet stellt die großflächige Raumbeleuchtung dar. Aufgrund der nutzbaren Materialien ist die Verwendung der OLEDs als biegsames Display und als E-Paper denkbar und wahrscheinlich.
Aufbau und Funktionsweise
OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut (im Bild: 1 bis 6). Dabei wird meist auf die Anode (5, z. B. Indium-Zinn-Oxid (ITO)), die sich auf einer Glasscheibe (6) befindet, eine Lochleitungsschicht (Hole Transport Layer oder HTL, 4) aufgebracht. Zwischen ITO und HTL wird abhängig von der Herstellungsmethode oft noch eine Schicht aus PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen)/Polystyrolsulfonat) aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere für Löcher dient und die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert. Auf die HTL wird eine Schicht aufgebracht, die entweder den Farbstoff enthält (ca. 5–10 %) oder - selten - vollständig aus dem Farbstoff (z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin), Alq3) besteht. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (Emitter Layer, EL, 3). Auf diese wird dann eine Elektronenleitungsschicht (Electron Transport Layer, ETL, 2) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode (1) (bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit zum Beispiel Calcium, Aluminium, Barium, Ruthenium, Magnesium-Silber-Legierung) im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und ETL meistens eine sehr dünne Schicht an LiF, CsF oder Ag aufgedampft.
Die Elektronen werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher bereitstellt. Loch (= positive Ladung) und Elektron (= negative Ladung) driften aufeinander zu und treffen sich im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen Zustand, den man als Exziton bezeichnet. Abhängig vom Mechanismus stellt das Exziton bereits den angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar, oder der Zerfall des Exzitons stellt die Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Dieser Farbstoff hat verschiedene Anregungszustände. Der angeregte Zustand kann in den Grundzustand übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen) aussenden. Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt vom Energieabstand zwischen angeregten und Grundzustand ab und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände dar. Diese können durch Zugabe von sogenannten Exzitoren wieder gelöst werden.
Verwendung und Auswahl organischer Materialien
Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzung PLED durchgesetzt. Als SOLED oder SMOLED werden seltener die aus "small molecules" (kleinen Molekülen) hergestellten OLEDs bezeichnet. In PLEDs werden als Farbstoffe häufig Derivate von Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV) verwendet. In jüngster Zeit werden Farbstoffmoleküle eingesetzt, die eine vierfach höhere Effizienz als mit den oben beschriebenen fluoreszierenden Molekülen erwarten lassen. Bei diesen effizienteren OLEDs werden metall-organische Komplexe verwendet, bei denen die Lichtaussendung aus Triplett-Zuständen erfolgt (Phosphoreszenz). Diese Moleküle werden auch Triplett-Emitter genannt [1][2]. (Der Farbstoff kann übrigens auch durch Licht angeregt werden, was zur Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Displays herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen.)
Vorteile
Der Herstellungsprozess eines OLED-Flachbildschirms unterscheidet sich grundlegend von dem eines Flüssigkristallbildschirms (LCD). Da OLEDs auf fast jedes Material gedruckt werden können, bieten sie gegenüber der LCD-Technologie theoretisch eine signifikante Kostenersparnis. Durch die Verwendung von biegsamen Trägermaterialien (flexible Substrate, Folien) eröffnen sie die Möglichkeit, aufrollbare Bildschirme herzustellen und Displays in Kleidungsstücke zu integrieren.
Ein weiterer Vorteil der OLED-Bildschirme gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen ist, dass sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen: Während LCDs nur als farbige Filter wirken, emittieren OLEDs farbiges Licht. Dadurch benötigen sie weniger Energie und können gut in kleinen tragbaren Geräten eingesetzt werden (Handy, MP3-Player).
Außerdem haben OLED-Anzeigen einen großen Blickwinkelbereich von bis zu 170 Grad und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, wodurch sie sich besonders gut zur Darstellung bewegter Bilder eignen.
Nachteile hat es kaum da sie
Stand der Technik
OLEDs könnten in vielen Anwendungen die heute gebräuchlichen LCDs sowie Plasmabildschirme ersetzen. Der südkoreanische Konzern Samsung präsentierte auf der Konferenz [3] in Boston ein 40-Zoll-OLED-Panel. Die Lebensdauer gibt noch einige Probleme auf, denn die roten, grünen und blauen Dots eines jeden Pixels altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmäßige Altern der Einzelfarben kommt es beim Gesamtbild im Laufe der Zeit zu Farbverschiebungen, die nur begrenzt durch eine − idealerweise automatische - Nachregelung (vor allem über die Verstärkung der Blauemission) ausgeglichen werden können.
Die Grundpatente für OLED-Strukturen stammen aus den 1980er Jahren. Hierbei war die Firma Kodak führend. Seit 1980 sind zu dem Thema etwa 6600 Patente bekannt. Forschungsschwerpunkte liegen in Japan, Südkorea und den USA. Die meisten Patente sind in Japan registriert, gefolgt von den USA und Europa. Deutschland liegt mit etwa 4,5 % auf Platz drei hinter den USA mit etwa 22 %.
Da OLEDs bislang noch teurer als LCDs sind, kommen sie bisher nur in speziellen Anwendungen zum Einsatz. Wegen der geringeren Abmessungen bieten sie größere Gestaltungsfreiräume für den Gerätehersteller. Auch der Stromverbrauch der OLEDs ist oft niedriger, da keine eigene Hintergrundbeleuchtung benötigt wird. Die Hauptanwendungen von OLED-Displays liegen momentan bei kleinen und kleinsten Anzeigen für Mobiltelefone und andere, insbesondere portable Kleingeräte.
Große Bildschirme sind bisher noch nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar. Der Durchbruch im Fernseh- und Monitorbereich wird wohl noch einige Jahre auf sich warten lassen. Probleme stellen hierbei vor allem die Verkapselung der Bauelemente und die aufwändigere Ansteuerung der Pixel dar. Im Gegensatz zu spannungsgesteuerten LCDs müssen die OLEDs stromgesteuert werden, das heißt, es muss ein Strom fließen, um Elektrolumineszenz zu erzeugen, weshalb die bisher verwendete, ausgereifte Technologie aus dem LCD-Bereich nicht direkt übertragen werden kann.
Bei kleinen OLED-Displays kann die Steuerung über eine sogenannte Passivmatrix erfolgen: Ein bestimmtes Pixel wird durch das Anlegen einer Spannung an eine Zeile und Spalte angesteuert, wofür zwei Leitungen notwendig sind. Für große Displays ist diese Methode nicht ausreichend, zur Steuerung muss eine Aktivmatrix eingesetzt werden, bei der jedes Pixel einzeln über einen eigenen Transistor adressiert wird, was vier Leitungen nötig macht. Die Bereitstellung von Schalt-(spannungssignalen) als auch Versorgungsstrom ist (wie bei Plasmadisplays) aufwändig und damit sehr teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Displays.
Literatur
- Webster E. Howard: Better Displays with Organic Films. Scientific American, 290(2), S. 76, 2004
- Joseph Shinar (Hrsg.): Organic Light-Emitting Devices: A Survey. Springer, New York 2004, ISBN 0-387-95343-4
- Hartmut Yersin (Hrsg.): Highly Efficient OLEDs with Phosphorescent Materials. Wiley-VCH, 2007, ISBN 3-527-40594-1
Weblinks
- OLLA-Projekt der Europäischen Union
- Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme (IPMS) (pdf)
- Informationsportal und Community über OLED
- Vernetztes Studium Chemie
- OLED-Display.net - englischsprachiges Portal
- Audio-Datei des Computerclub2 mit einfacher Erklärung. OLED ab Minute 19.
- OLED-Fernseher ab 2009 im Handel. Quelle pressetext.ch / 12.04.2007
- Flach, flacher, OLED-TV Quelle: Technology Review, 16.04.2007: 11 Zoll OLED-Fernseher noch 2007 im Handel
Fußnoten
- ↑ Hartmut Yersin, Triplet emitters for OLEDs. Introduction to exciton formation, charge transfer states, and triplet harvesting.
- ↑ H. Yersin, Triplet emitters for OLED applications. Mechanisms of exciton trapping and control of emission properties. Top. Curr. Chem. 241, S. 1 (2004).] ISSN 0340-1022
- ↑ SID 2005