OLED Technologie 1|9 OLED Technologie OLED ist ein leuchEine organische Leuchtdiode (englisch organic light emitting diode, OLED) tendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, das sich von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheidet, dass die elektrische Stromdichte und Leuchtdichte geringer sind und keine einkristallinen Materialien erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen sich organische Leuchtdioden daher in Dünnschichttechnik kostengünstiger herstellen, ihre Lebensdauer ist jedoch derzeit geringer als die herkömmlicher Leuchtdioden. Eine OLED auf einer biegsamen Kunststofffolie Die OLED-Technik ist für Bildschirme (vorerst in Smartphones und Tablet-Computern, Tablet später auch in großflächigeren Fernsehern, PCs, Monitoren) und nd Displays geeignet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die großflächige Raumbeleuchtung.. Aufgrund der MaterialeiMaterialei genschaften ist eine mögliche Verwendung der OLEDs als biegsamer Bildschirm Bildschi und als elektronisches Papier interessant. Aufbau und Funktionsweise Schema einer OLED. 1. Kathode ode,, 2. Emitterschicht, in grün dargestellt, 3. Rekombination der Ladungsträger mit Emission eines Photons, 4. Lochleitungsschicht, 5. Anode OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. aufgebaut. Dabei wird meist auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid Indium (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet, eine Lochleitungsschicht (engl. engl. hole transport layer,, HTL) aufgebracht. Zwischen ITO und HTL wird – abhängig von der Herstellungsmethode – oft noch eine Schicht aus PEDOT/PSS aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere 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 – eher selten – vollständig aus dem Farbstoff besteht, z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) hydroxychinolin), Alq3. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (engl. emitter layer,, EL). Auf diese wird OLED Technologie 2|9 optional noch eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport layer, layer ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode,, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium, Calcium Aluminium, Barium, Ruthenium,, Magnesium-Silber-Legierung, Magnesium Legierung, im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Lithiumfluorid Caesiumfluorid oder Silber aufgedampft. OLED Aufbau im Vergleich Die Elektronen (= negative Ladung) werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher (= positive Ladung) bereitstellt. Loch und Elektron driften aufeinander au zu und treffen sich im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen gebundene 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 e zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Dieser Farbstoff hat verver schiedene Anregungszustände. Anregungszustände. Der angeregte Zustand kann in den Grundzustand übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen)) aussenden. Die Farbe des ausgesenausgesen deten Lichts hängt vom Energieabstand zwischen angeregtem angeregtem und Grundzustand ab und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände Triplett Zustände dar. Diese können durch Zugabe von sogesoge nannten „Exzitoren“ wieder gelöst werden. OLED Technologie 3|9 Verwendung und Auswahl organischer Materialien Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzung PLED (engl. polymer light emitting diode) 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; der Farbstoff kann auch durch das Umgebungslicht angeregt werden, was zu Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Bildschirme herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen. Vorteile Gedruckte OLED-Zeile, mit einer Batterie zum Leuchten gebracht. Ein Vorteil von OLED-Bildschirmen gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen (LCDs) ist der sehr hohe Kontrast, da sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen: schwarze Pixel emittieren kein Licht. Während LCDs nur als farbige Filter wirken und im Dunkelzustand trotzdem etwas Licht durchscheint, emittieren OLEDs farbiges Licht nur bei Ansteuerung, was auch sehr gute Farbdarstellung verspricht. Dieses Verfahren ist deutlich effizienter, wodurch OLEDs, speziell bei der Darstellung dunkler Bilder, weniger Energie benötigen. Aus diesem Grund werden OLED-Geräte weniger warm als entsprechende Geräte mit LC-Bildschirmen, obschon durch die Umstellung von Kaltkathodenröhren auf LEDs für die LCD-Hintergrundbeleuchtung der Energieaufwand für Flüssigkristallbildschirme gesenkt wurde. Durch den geringen Energiebedarf können OLEDs gut in kleinen, tragbaren Geräten eingesetzt werden, beispielsweise Notebooks, Handys und MP3-Playern. Aufgrund der nicht benötigten Hintergrundbeleuchtung ist es möglich, OLEDs sehr dünn zu gestalten. Ein auf der „Display 2008“ vorgestelltes Modell von Sony hat eine Tiefe von lediglich 0,3 Millimetern. OLED Technologie 4|9 Die Reaktionszeit (engl. response time) von OLED-Bildschirmen liegt bei einigen Geräten unter 0,001 Millisekunden (1 Mikrosekunde) und ist damit um rund das 1000-fache schneller als das aktuell schnellste LCD mit einer Millisekunde. OLEDs lassen sich industriell nicht nur unter teuren Vakuum- und Reinraum-Bedingungen fertigen. Ein weiterer Vorteil beruht auf der Alternative, OLEDs in Masse und großflächig kostengünstig auch auf drucktechnischem Wege herstellen zu können, was bei klassischen LEDs nicht und bei elektronischen Bauelementen und Systemen nur selten der Fall ist. Der Kostenvorteil ergibt sich daraus, dass die elektrisch leitenden farbgebenden Schichten in einem modifizierten Tintenstrahldruckverfahren oder neuerdings auch im Offsetdruck aufgebracht und ebenfalls ohne Vakuum-Aufdampfen anschließend beschichtet werden können. Führend auf diesem Gebiet der löslichen OLEDMaterialsysteme sind DuPont und Merck. Die ersten OLEDs wurden unter Laborbedingungen bereits 1987 gedruckt. Leitmesse mit Kongress für die gedruckte Elektronik ist jährlich die LOPEC Messe in München. Auf der Drupa 2012, Leitmesse der Druckindustrie, wurden u. a. gedruckte OLEDs als Milliardenmarkt identifiziert. Nachteile Nahaufnahme eines gealterten OLED-Bildschirms. Das größte technische Problem stellt die vergleichsweise geringe Lebensdauer mancher aus organischen Materialien bestehenden Bauelemente dar. Bei (O)LEDs bezeichnet man als Lebensdauer die mittlere Betriebszeit, nach der die Leuchtdichte auf die Hälfte abgesunken ist. Für weiße Lichtquellen und Monitore ist für die insgesamt nutzbare Lebensdauer die der blauen Komponente begrenzend. 2011 wurden für weiße Lichtquellen 5.000 Stunden (bei 1000 cd/m²) und 12.000 Stunden (bei 100 cd/m²) angegeben. Allerdings müssen bei den 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 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 praktikabel ist, ein OLED-Material zehn- oder gar hunderttausende von Stunden bei mittlerer oder geringer Leuchtstärke zu testen, verwendet man die Lebensdauer bei maximaler Leuchtkraft und rechnet OLED Technologie 5|9 diese auf die 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. Daher ist es wichtig, das Bauelement zu verkapseln und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die nötige starre, anorganische Verkapselung beeinträchtigt die Flexibilität. Mittlerweile sind die organischen Materialien jedoch deutlich resistenter gegen Wasser und Sauerstoff als frühere Versionen. Durch Korrosion ist vor allem die hochreaktive Injektionsschicht aus Calcium und Barium gefährdet. Typische Versagenserscheinungen sind kreisrunde, wachsende nichtleuchtende Bereiche, sogenannte „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 Bildschirm-Anwendungen führt. Kommerzielle OLEDs auf flexiblem Substrat befinden sich erst in der Einführungsphase, da alle flexiblen Kunststoffsubstrate eine hohe Durchlässigkeit für Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit aufweisen. Dünnstglas (Glas mit einer Dicke von höchstens etwa 0,2 mm) ist in der Verarbeitung schwer handhabbar, außerdem ist das Anodenmaterial Indiumzinnoxid ein Hartstoff und daher spröde. Wiederholtes Ein- und Ausrollen um einen geringen Radius führt zum Brechen und schnellem Versagen (Widerstandsanstieg) der Anode. Stand der Technik Prototyp eines batteriebetriebenen flexiblen OLED-Flächenstrahlers. Rechts daneben eine warmweiße OLED-Leuchte. OLEDs könnten in vielen Anwendungen die heute gebräuchlichen LCDs sowie Plasmabildschirme ersetzen. Die Lebensdauer gibt noch einige Probleme auf, denn die roten, grünen und blauen Leuchtpunkte 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. OLED Technologie 6|9 Die Grundpatente für OLED-Strukturen stammen aus den 1980er Jahren. Dabei 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 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 Hintergrundbeleuchtung benötigt wird. Die Hauptanwendungen von OLED-Bildschirmen liegen momentan bei kleinen Anzeigen für Mobiltelefone und andere, insbesondere portable Kleingeräte. Große Bildschirme sind bisher noch nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar. Probleme stellen vor allem die Verkapselung der Bauelemente und die aufwendigere Ansteuerung der Pixel dar. Bei LCDs erfolgt die Ansteuerung mit geringer Leistung, da LCD-Pixel als elektrische Kapazitäten durch eine angelegte Spannung nur umgesteuert werden, die Lichtenergie wird von der Hintergrundbeleuchtung erzeugt. Im Gegensatz dazu müssen OLEDs selbst mit der für die Lichtabgabe erforderlichen Energie beaufschlagt werden, um Elektrolumineszenz zu erzeugen. Sie sind stromgesteuert, weshalb die bisher verwendete, ausgereifte Technologie aus dem LCD-Bereich nicht direkt übertragen werden kann. Bei kleinen OLED-Bildschirmen 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 Bildschirme ist diese Methode nicht ausreichend. Der Hauptgrund, warum eine Passivmatrix für große Bildschirme ungeeignet ist, liegt darin, dass die Bahnwiderstände stark zunehmen und damit die Treiberkraft nicht mehr ausreicht, um das jeweilige Pixel anzusteuern. Zur Steuerung des Bildschirms muss hier eine Aktivmatrix eingesetzt werden, bei der jeder Pixel einzeln über einen eigenen Transistor adressiert wird, was vier Leitungen nötig macht; Abgeleitet von Aktivmatrix-OLED (engl. active matrix organic light emitting diode) vertreibt Samsung diese Technik unter der Bezeichnung AMOLED bzw. der Weiterentwicklung Super-AMOLED. Die Bereitstellung von Schalt-(spannungssignalen) wie auch Versorgungsstrom ist (wie bei Plasmabildschirmen) aufwendig und damit sehr teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Bildschirme. Nahaufnahme eines Farbdisplays mit AMOLEDs in einer PenTile-Matrixanordnung. OLED Technologie 7|9 Die als am neuesten angesehene Technik ist Super AMOLED+,, ebenfalls von Samsung vertrieben; hier wurde die PenTile-Matrix PenTile Matrix entfernt, so dass nun jedes Pixel alle drei Grundfarben zur Verfügung hat. Demnach werden ohne Pentile-Matrix Pentile Matrix nicht mehr mehrere Pixel „zusammengeschlossen“, um alle Farben zu mischen. Aufgrund dieser Änderung wirkt die Auflösung solcher solcher Displays deutlich höher, und es stechen keine einzelnen Pixel hervor. Weitere Verbesserungen sind bessere Schwarzwerte, erhöhter Kontrast, mehr darzustellende Farben, geringerer Stromverbrauch und verringerte Dicke des Displays. Allerdings ist der PenTile-Effekt PenTi Effekt bei sehr hohen Pixeldichten von weit über 300 ppi (pixel pixel per inch) inch) nicht oder bei genauer Betrachtung kaum wahrzunehwahrzu men. Dies ist einer der Gründe, warum Samsung bei neueren Produkten zu Full HD noch SuperAMOLED-Bildschirme Bildschirme einsetzen kann, ohne eine verminderte Qualität fürchten zu müssen. Ebenso sind diese Art Bildschirme energiesparender, da ungefähr ein Drittel der Subpixel fehlen, die nicht mit Energie versorgt werden müssen. müss Die Hauptanbieter von OLED-Technik OLED sind die Firmen Osram, Philips, Philips Sony, LG, Samsung SDI, RiTdisplay, Univision, Univision Pioneer und TDK.. Philips und Osram stiegen 2004 beziehungsweise 2007 aus dem Display-Geschäft Display Geschäft aus und produzieren nur noch OLED-Leuchtmittel. Anwendung OLED wird nicht wie allgemein angenommen die LED ersetzen sondern als ergänzende Technologie sich etablieren. Dabei ist klar zu unterscheiden ob es sich um eine AnwenAnwen dung als Display zur Darstellung von hauptsächlich bewegten Bildern und interaktiven Nutzungen handelt oder ob eine Beleuchtungsanwendung im Vordergrund Vorder steht. Roadmap Anwendungen in der Beleuchtung Stand 2014 OLED Technologie 8|9 OLED Technologie Roadmap Effizienz in der Beleuchtung Stand 2014 9|9
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