Organische Leuchtdiode

Eine organische Leuchtdiode (englisch organic light emitting diode, OLED) ist ein leuchtendes Dünnfilmbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, das sich von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheidet, dass Stromdichte und Leuchtdichte geringer sind und keine einkristallinen Materialien erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen sich organische Leuchtdioden daher kostengünstiger herstellen, ihre Lebensdauer ist jedoch derzeit geringer als die herkömmlicher Leuchtdioden.

Eine OLED auf einer biegsamen Kunststofffolie

Die OLED-Technik ist vorrangig für Bildschirme (z. B. Fernseher, PC-Bildschirme, Monitore) und Displays geeignet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die großflächige Raumbeleuchtung. Aufgrund der Materialeigenschaften ist eine mögliche Verwendung der OLEDs als biegsamer Bildschirm und als elektronisches Papier interessant.

Aufbau und Funktionsweise

Schema einer OLED. 1. Kathode, 2. Emitterschicht, in grün dargestellt, 3. Rekombination der Ladungsträger mit Emission eines Photons, 4. Lochleitungsschicht, 5. Anode

OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. Dabei wird meist auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet, eine Lochleitungsschicht (engl. 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 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 (engl. emitter layer, EL). Auf diese wird optional noch eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport layer, ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie 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 E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Caesiumfluorid oder Silber aufgedampft.

Die Elektronen (= negative Ladung) werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher (= positive Ladung) bereitstellt. Loch und Elektron 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 angeregtem 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 (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 übrigens auch durch Licht angeregt werden, was zur Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Bildschirme herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen.

Vorteile

Ein Vorteil von OLED-Bildschirmen gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen ist der sehr hohe Kontrast, da sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen: Während LCDs nur als farbige Filter wirken, emittieren OLEDs farbiges Licht, was eine bessere Farbdarstellung verspricht. Dieses Verfahren ist deutlich effizienter, wodurch OLEDs weniger Energie benötigen. Aus diesem Grund werden OLED-TV-Geräte weniger warm als LC-Bildschirme, bei denen ein Großteil der für die Hintergrundbeleuchtung benötigten Energie in Wärme umgesetzt wird. 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.

Die Reaktionszeit (engl. response time) von OLED-Bildschirmen liegt bei einigen Geräten unter 0,001 Millisekunden (1 Mikrosekunde) und ist damit um ca. das 1.000-fache schneller als das aktuell schnellste LCD mit 1 Millisekunde.

Nachteile

Nahaufnahme eines gealterten OLED-Bildschirms

Das größte technische Problem stellt die vergleichsweise geringe Lebensdauer mancher aus organischen Materialien bestehenden Bauelemente dar. Bei OLEDs 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. Zurzeit (Stand 2011) werden für weiße Lichtquellen 5000 Stunden (bei 1000 cd/m²) und 12.000 Stunden (bei 100 cd/m²) angegeben.

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 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 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. Es ist daher wichtig, das Bauelement zu verkapseln und vor äußeren Einflüssen zu schützen. Die nötige starre, anorganische Verkapselung beeinträchtigt die Flexibilität. Die organischen Materialien sind jedoch mittlerweile deutlich resistenter gegen Wasser und Sauerstoff als frühe Versionen. Durch Korrosion ist daher vor allem die hochreaktive Injektionsschicht aus Calcium und Barium gefährdet. Typische Versagenserscheinungen sind hierbei 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 Anwendungen auf flexiblem Substrat werden noch einige Zeit auf sich warten lassen, da alle flexiblen Kunststoffsubstrate eine zu 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.

Geschichte

Bereits in den 1950er Jahren gab es die erste Entdeckung von Elektrolumineszenz in organischen Materialien von A. Bernanose an der Universität Nancy in Frankreich. Es wurden Stoffe wie Acridinorange in dünnen Filmen aus Cellulose oder Zellophan deponiert oder gelöst und einem Wechselstromfeld ausgesetzt. Dieser Mechanismus basiert auf der direkten Anregung von Farbstoffmolekülen oder Elektronen.

1960 entwickelten Martin Pope und Mitarbeiter von der New York University ohmsche Elektrodenkontakte zur Injektion von Ladungsträgern in organische Kristalle im unbeleuchteten Zustand. Im Weiteren beschrieben sie die nötigen energetischen Anforderungen (Austrittsarbeiten) für Elektrodenkontakte, die Elektronen bzw. Löcher (Defektelektronen) in einen organischen Halbleiter injizieren können. Solche Kontakte sind die Basis für die Ladungsinjizierung bei allen modernen OLED-Geräten.

1963 entdeckte auch Popes Gruppe die erste Gleichspannungs(DC)-Lumineszenz unter Vakuum an einem reinen Anthracen-Einkristall und an Tetracen-dotierten Antracen-Kristallen mit einer kleinen Silber-Elektrode bei 400 V. Dieser Mechanismus basiert auf feldbeschleunigter Elektronenanregung der molekularen Fluoreszenz.

1965 berichtete Popes Gruppe zum einen von Elektrolumineszenz in Anthracen-Kristallen, ausgelöst durch die Rekombination von thermalisierten Elektronen und Löchern ohne ein äußeres elektrisches Feld und zum anderen, dass bei Anthracen das Leit-Energieniveau höher als das Exziton-Energieniveau ist.

Ebenfalls 1965 produzierten Wolfgang Helfrich und W. G. Schneider vom National Research Council of Canada Elektrolumineszenz durch doppelt injizierte Rekombination zum ersten Mal in einem Anthracen-Einkristall unter der Verwendung von Löcher- und Elektronen-injizierenden Elektroden, den Vorläufern der modernen doppel-injizierenden Geräte.

Ebenfalls 1965 patentierten Forscher von Dow Chemical ein Verfahren zur Herstellung von Elektrolumineszenz-Zellen aus einem elektrisch isolierten, 1 mm dünnen Film aus geschmolzenem Phosphor mit eingearbeitetem Anthracenpulver, Tetracen und Graphitpulver, das mit Wechselspannung (100–3000 Hz, 500–1500 V) betrieben wurde. Dieser Mechanismus basiert auf elektronischer Anregung der Graphit- und Anthracen-Moleküle an den Kontakten.

Die Leistungsfähigkeit wurde durch die schlechte elektrische Leitfähigkeit der damaligen organischen Materialien begrenzt. Dies wurde durch die Entdeckung und Entwicklung von hoch leitfähigen Polymeren bewältigt. So beobachtete Roger Partridge vom britischen National Physical Laboratory 1975 erstmals die Elektrolumineszenz von Polymerfilmen. Der später patentierte und 1983 in einer Fachzeitschrift veröffentlichte Aufbau bestand aus einer bis zu 2,2 µm dünnen Folie aus Poly(N-Vinylcarbazol) zwischen zwei Ladungs-injizierenden Elektroden.

1987 berichteten erstmals Ching W. Tang und Steven Van Slyke bei der Eastman Kodak Company von einem Dioden-Aufbau. Dabei wurde eine neuartige Zwei-Schicht-Struktur mit getrennter Loch- und Elektronen-transportierender Schicht verwendet, so dass Rekombination und Lichtemission in der Mitte der organischen Schicht auftraten. Dies führte zu einer niedrigeren Betriebsspannung und höherer Effizienz und leitete die gegenwärtige Ära der OLED-Forschung und -Produktion ein.

1990 gipfelte die Entwicklung zu Polymer-Elektrolumineszenz mit dem Bericht von J. H. Burroughes und Mitarbeitern von der University of Cambridge über eine hocheffiziente, grünes Licht emittierende Anordnung unter der Verwendung von 100 nm dünnem Film aus Poly(p-phenylen-vinylen). 1996 wurde das erste Gerät mit einem leuchtenden Polymer von Cambridge Display Technology (CDT) vorgestellt.

2001 stellt Toshiba den weltweit ersten Prototyp eines Polymer-OLED-Displays mit 260.000 Farben vor und plant den Beginn der industriellen OLED-Produktion für 2002.

Neben mehrfarbigen Displays entwickelte sich ein anderer Anwendungsbereich für organisches Leuchtdioden, die Beleuchtungsmittel. Hierzu zählen unter anderem großflächige weiße OLDEs. General Electric Global Research zeigte 2004 eine voll funktionsfähige Leucht-Platte der Größe 61 cm × 61 cm, die weißes Licht mit 1200 lm bei einer Effizienz von 15 lm/W emittierte. Die Verbesserung der Effizienz solcher weißer OLEDs ging seit dem stetig voran. So wurde noch im selben Jahr (Oktober 2004) ein Laborprototyp der Universal Display Corporation in Zusammenarbeit mit der Princeton University und der University of Southern California vorgestellt, das mit einer weißen phosphoreszierenden OLED (PHOLED) eine Lichtausbeute von 20 lm/W erreichte. 2006 setzten Philips Lighting, Philips Research und die Novaled neue Maßstäbe bei Effizienz, Lebensdauer und Helligkeit bei weißen OLED. Sie erreichten in ihrer Zusammenarbeit 32 lm/W bei einer OLED mit den Farbkoordinaten 0,47/0,45 und einem CRI von 88 bei 1.000 cd/m² Leuchtdichte. Diese kontinuierliche Verbesserung der Lichtausbeute setzen verschiedene Firmen und Forschungsgruppen bis heute fort.

Im November 2006 kreierten Wissenschaftler am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) eine blaue OLED mit einer Quantenausbeute von 11 % bei 800 cd/m² und überboten damit ihren bisherigen Rekord (8 %).

Stand der Technik

Das derzeit (September 2010) mit 2,3 m × 3,84 m größte OLED-Display (Großbilddisplay) der Welt.

Nahaufnahme eines Farbdisplay mit AMOLEDs in einer PenTile-Matrixanordnung

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 Punkte 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-Bildschirmen liegen momentan bei kleinen und kleinsten Anzeigen für Mobiltelefone und andere, insbesondere portable Kleingeräte.

Große Bildschirme sind bisher noch nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar. 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-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 nicht geeignet 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 jedes Pixel einzeln über einen eigenen Transistor adressiert wird, was vier Leitungen nötig macht; Abgeleitet von Aktivmatrix-OLED (englisch: 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) aufwändig und damit sehr teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Bildschirme.

Die als neuste angesehene Technik ist Super AMOLED+, hierbei wurde die Pentile-Matrix entfernt, sodass nun jeder Pixel alle drei Grundfarben zur Verfügung hat. Demnach werden ohne Pentile-Matrix nicht mehr mehrere Pixel „zusammengeschlossen“ um alle Farben zu mischen, aufgrund dieser Änderung wirkt die Auflösung 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.

Kommerzielle Nutzung

Prototyp eines batteriebetriebenen flexiblen OLED-Flächenstrahlers. Rechts daneben eine warmweiße OLED-Leuchte.

Die Hauptanbieter von OLED-Technik sind die Firmen Osram (Siemens AG), Philips, Sony, LG, Samsung SDI, RiTdisplay, Univision, Pioneer und TDK. Philips und Osram stiegen 2004 beziehungsweise 2007 aus dem Display-Geschäft aus und produzieren nur noch OLED-Leuchtmittel. Als klassische Leuchtmittelhersteller treiben Osram und Philips die Entwicklung der OLED als Leuchtmittel voran.

2008 präsentierte Osram die erste kommerziell erhältliche OLED-Leuchte. Philips stellte seine OLEDs unter dem Markennamen Lumiblade im April 2009 vor und brachte sie im Juli 2010 auf den Markt.

Sony hat im Dezember 2007 zunächst in Japan einen OLED-TV mit einer Diagonale von 11 Zoll (28 cm) auf den Markt gebracht. Monatlich werden 2000 Stück produziert. Den bislang größten Fernseher mit 55 Zoll und OLED-Technologie bei einer Dicke von nur 4 mm präsentierte LG auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas im Januar 2012.

Mitte 2010 begann sich die OLED-Technik als Standard in hochpreisigen Smartphones durchzusetzen. Viele Neuerscheinungen in diesem Bereich setzen auf die OLED-Technik, allerdings mussten viele Hersteller aufgrund von Lieferengpässen bei OLED-Displays auf weiterentwickelte LCD-Technologie ausweichen, die zudem stromsparender und günstiger herzustellen ist.

Literatur

• 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.
• Ulrike Kuhlmann: Leuchtende Zukunft – Womit die OLED-Technik besticht und warum sie trotzdem nicht in die Puschen kommt. In. c't. Nr. 16, 2007, S. 82–87.
•  W. E. Howard: Better displays with organic films.. In: Scientific American. 290, Nr. 2, 2004, S. 76–81, PMID 14743735.

Weblinks

 Commons: OLED – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Organische Leuchtdioden – die Tapete als Lichtquelle?
• Interaktives OLED-Pixel (Flash-Anwendung)
• Sony: der XEL-1 OLED-TV
• Bilder von OLED-Leuchten Beispiele von OLEDs in der Beleuchtung mit technischen Daten