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Organische Leuchtdiode

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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

Schema einer OLED

Ein OLED-Aufbau besteht aus mehreren organischen Schichten (im Bild: 1 bis 6). Dabei wird meist auf die Anode (5) (z. B. Indium-Zinn-Oxid, ITO vom englischen Indium-Tin-Oxide), die sich auf einer Glasscheibe (6) befindet, eine Lochleitungsschicht (4) (Hole Transport Layer = HTL) 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, die Oberfläche glättet 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 - komplett aus dem Farbstoff (z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) = Alq3) besteht. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (3) (Emitter Layer = EL). Auf diese wird dann eine Elektronenleitungsschicht (2) (Electron Transport Layer = ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode (1) (bestehend aus einem Metall oder Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit z. B. Calcium, [[Aluminium], [Barium]], 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 oder CsF 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 im EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Die 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.

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 von OLED-Flachbildschirmen unterscheidet sich grundlegend von dem der LCD-Bildschirme. Da OLEDs auf fast jedes Material gedruckt werden können, bietet sich theoretisch eine signifikante Kostenersparnis gegenüber der LCD-Technologie. Durch die Verwendung von biegsamen Materialien (flexible Substrate, Folien) eröffnet sich die Anwendung von aufrollbaren Bildschirmen und die Möglichkeit Displays in Kleidungsstücke zu integrieren.

Ein weiterer Vorteil der OLED-Bildschirme gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen ist, dass sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen. Dadurch benötigen sie deutlich weniger Energie und können auch gut in kleinen tragbaren Geräten eingesetzt werden, deren Laufzeiten dadurch verlängert wird (Handy, MP3-Player). Es hat einen großen Blickwinkelbereich von bis zu 170° und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, wodurch es sich besonders gut zur Darstellung von bewegten Bildern eignet.

Weitere Energieersparnisse eröffnen sich dadurch, dass schwarze Pixel im Gegensatz zum LCD keinen Strom verbrauchen; es existieren keine vorgelagerten Schaltkristalle, die das Licht filtern und damit Energie absorbieren.

Nachteile

Das größte technische Problem stellt die vergleichbar geringe Lebensdauer mancher aus organischen Materialien bestehenden Bauelemente dar. Während bei roten Leuchtdioden die Lebensdauer bereits Schätzungen von ca. 10 Mio. Stunden (mehr als 1100 Jahre) erreicht, leuchten blaue Dioden im Durchschnitt „nur“ 150.000 Stunden (mehr als 17 Jahre). Allerdings müssen bei allen offiziellen Angaben zur Lebensdauer von OLED-Materialien mehrere wichtige Aspekte beachtet werden: Die (maximal mögliche oder im Verhältnis dazu verringerte) Anfangshelligkeit, bei der die Lebensdauermessung beginnt, die Zeit bis zum Abfall der Leuchtstärke auf 50 Prozent dieses Anfangswertes (meist sind die Angaben darauf bezogen) sowie die unterschiedlichen Temperaturen, bei der die OLEDs betrieben werden (können). Eine gut gekühlte OLED (egal welcher Farbe) mit geringer Anfangsleuchtstärke hat also immer eine sehr viel höhere Lebensdauer als eine OLED, die ohne Kühlung von Anfang an mit der maximalen Leuchtstärke betrieben wird. Zudem wird die Lebensdauer meist theoretisch aus dem kürzesten Wert extrapoliert: Da es kaum möglich bzw. sinnvoll ist, ein OLED-Material erst mal zehn- oder gar hunderttausende von Stunden bei mittlerer oder geringer Leuchtstärke zu testen, verwendet man die Zeitdauer, die bei maximaler Leuchtkraft bis zu deren Nachlassen auf 50 Prozent vergeht, und rechnet diese auf die übrigen geringeren Leuchtstärken um. Dass der Boom bei OLED-Monitoren bis jetzt ausgeblieben ist, hat vor allem mit diesen Lebensdauer- und Qualitätsunterschieden bei OLED-Farben und -Materialien zu tun.

Ebenso wie Wasser kann auch Sauerstoff das organische Material zerstören. Es ist daher wichtig, das Bauelement zu verkapseln und von äußeren Einflüssen zu schützen. Die nötige starre, anorganische Verkapselung beeinträchtigt mitunter die Flexibilität. Die organischen Materialien sind mittlerweile deutlich resistenter gegen Wasser und Sauerstoff als frühe Versionen. Durch Korrosien ist daher vor allem die hochreaktive Injektionsschicht aus Ca, Ba gefährdet. Typische Versagenserscheinungen sind hierbei kreisrunde, wachsende nichtleuchtende Bereiche, sog. Dark Spots. Ursache ist häufig eine Partikelbelastung beim Aufdampfen der Metallschichten. Auch die mikroskopischen Kanten der Mehrschichtstruktur werden durch Korrosion unterwandert, was zur Abnahme der effektiv leuchtenden Pixelfläche bei Displayanwendungen führt.

Kommerzielle Anwendungen auf flexiblem Substrat werden noch einige zeit auf sich warten lassen, da sämtliche flexible Kunststoffsubstrate eine zu hohe Durchlässigkeit für Luftsauerstoff und - feuchtigkeit aufweisen. Dünnstglas ist in der Verarbeitung schwer handhabbar. Weiterhin ist das Anodenmaterial ITO ein Hartstoff und daher spröde. Wiederholtes ein- und ausrollen um einen geringen Radius führt zum Brechen und schnellen Versagen (Widerstandsanstieg) der Anode.

Stand der Technik

OLEDs werden als Nachfolger der heutigen LCDs gesehen. 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 Pixel altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmäßige Altern der Einzelfarben kommt es beim Gesamtbild im Laufe der Zeit zu Farbverschiebungen. Die blauen Pixel sind am kurzlebigsten; machbar ist damit momentan (Stand Anfang 2006) eine Lebensdauer (Abfall der Leuchtdichte auf die Hälfte) von 150.000 Stunden. Die Vorgängergeneration erreichte lediglich eine (inakzeptabel kurze) Lebensdauer von 30.000 Stunden (knapp über drei Jahre).

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, gefolgt von den USA und Europa registriert. 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 des OLEDs ist oft niedriger. Daher liegen die Hauptanwendungen von OLED-Displays v. a. bei kleinen und kleinsten "Sub-Displays" 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 v. a. die Verkapselung der Bauelemente (es darf kein Wasser oder Sauerstoff in die aktiven Schichten eindringen) und die aufwändigere Ansteuerung der Pixel dar. Im Gegensatz zu spannungsgesteuerten LCDs müssen die OLEDs stromgesteuert werden (es muss ein Strom fließen, um Elektrolumineszenz zu erzeugen), das heißt, die bekannte und ausgereifte Technologie aus dem LCD-Bereich kann nicht direkt übertragen werden.

Bei kleinen OLED-Displays kann die Steuerung über eine sogenannte Passivmatrix (ein bestimmtes Pixel wird durch das Anlegen einer Spannung an eine Zeile und Spalte angesteuert, 2 Leitungen) erfolgen. Für große Displays ist diese Methode nicht ausreichend, zur Steuerung muss eine Aktivmatrix (jedes Pixel wird einzeln über einen eigenen Transistor adressiert, 4 Leitungen) eingesetzt werden. Die nötige 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.

Kommerzielle Nutzung

Die Hauptanbieter sind die Firmen LGE, Samsung SDI, RiTdisplay, Universion, Pioneer und TDK (Nennung nach Marktanteilen [4]).

Literatur

  • Howard, Webster E., Better Displays with Organic Films. Scientific American, 290(2), S. 76 (2004).
  • Shinar, Joseph (Ed.), Organic Light-Emitting Devices: A Survey. NY: Springer-Verlag (2004). ISBN 0-387-95343-4

Quellen

  1. ↑ Hartmut Yersin, Triplet emitters for OLEDs. Introduction to exciton formation, charge transfer states, and triplet harvesting.
  2. ↑ 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.
  3. ↑ SID 2005
  4. ↑ Marktanteile, Stand 2.Quartal 2006
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