Organische Leuchtdiode

Eine organische Leuchtdiode (englisch organic light emitting diode, OLED) ist ein dünnfilmiges leuchtendes Bauelement 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-Technologie 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 ^[1][2]; 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.^[3]

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 ^[4].

Die Reaktionszeit (engl. response time) von OLED-Bildschirmen liegt bei einigen Geräten unter 0,001 Millisekunden (1 Mikrosekunde)^[5] und ist damit um ca. das 1.000-fache schneller als der 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)^[6] und 12.000 Stunden (bei 100 cd/m²)^[7] 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 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.

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. Der südkoreanische Konzern Samsung präsentierte 2005 auf einer Konferenz ^[8] in Boston ein 40-Zoll-OLED-Panel. 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 %. 2003 entwarf Kodak mit der Digitalkamera „EasyShare LS633“ auch das erste Gerät mit einem relativ leuchtstarken und vollfarbigen OLED-Bildschirm und entwickelte es bis zur Serienproduktion. Dieser Bildschirm hat eine Diagonale von 2,2 Zoll und war „[…] in jedem Fall beeindruckend und ein sichtbarer Fortschritt zu bisherigen LC-Bildschirmen in Digitalkameras.“^[9]

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. 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-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.

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.^[10][11] Als klassische Leuchtmittelhersteller treiben Osram und Philips die Entwicklung der OLED als Leuchtmittel voran. OSRAM brachte mit seinem Tochterunternehmen Osram OS im November 2009 die erste kommerziell verfügbare und qualifizierte OLED unter dem Kunstnamen Orbeos auf den Markt. ^[12][13] Bereits 2008 präsentierte Osram zusammen mit Ingo Maurer die erste kommerziell erhältliche OLED-Leuchte. ^[14] Philips stellte seine OLEDs unter dem Markennamen Lumiblade im April 2009 ^[15] vor und brachte sie im Juli 2010 auf den Markt. ^[16] Erste OLED-Leuchten mit Lumiblades sind seit Ende 2010 erhältlich, beispielsweise die von der britischen Architektin Amanda Levete entworfene Edge oder die vom Leuchtenhersteller Modular gefertigte O'Leaf. ^{[17] [18]}

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.^[19] In Korea ist seit Januar 2010 ein 15-Zoll-Gerät von LG erhältlich. ^[20]

Samsung plant eine Markteinführung von OLEDs für Fernseher und Notebooks nicht vor 2012.^[21] MP3-Player, Handys und Kameras mit OLED-Displays sind aber bereits erhältlich, so wurde das Samsung Galaxy S schon bei seiner Markteinführung im Juni 2010 mit einem OLED-Display ausgestattet; 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

Fußnoten und Einzelnachweise

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. In: Topics in Current Chemistry. 241, 2004, S. 1–26, doi:10.1007/b83770.
3. ↑ Leni Akcelrud: Electroluminescent polymers. In: Progress in Polymer Science. 28, Nr. 6, 2003, S. 875-962, doi:10.1016/S0079-6700(02)00140-5.
4. ↑ Jan Johannsen: 0,3 Millimeter: Hauchdünner Bildschirm von Sony. Auf: www.netzwelt.de 18. April 2008
5. ↑ Universal Display Corporation: OLED Marketplace. Abgerufen am 21. September 2007
6. ↑ [1] 1. Oktober 2010
7. ↑ [2] 11. April 2011
8. ↑ SID 2005
9. ↑ Leuchtende Zukunft. In: c't. Nr. 16, 2007
10. ↑ Osram zieht die Reißleine im lahmenden OLED-Display-Geschäft. Auf: www.golem.de, 31. Juli 2007
11. ↑ Pressemitteilung von Philips. Auf: www.philips.de, 16. Juli 2010
12. ↑ OSRAM OS: Orbeos Produktinformation mit Pressemitteilungen.
13. ↑ Osram OS: Orbeos Datenblatt
14. ↑ Pressemitteilung von OSRAM OS und Ingo Maurer
15. ↑ Lumiblade OLED Lights by Philips. Auf: www.oleddevices.com, 21. April 2009
16. ↑ [3] Lumiblade Modules für den Markt. Auf: www.on-light.de, 19. Juli 2010
17. ↑ [4]
18. ↑ [5]
19. ↑ Ulrike Kuhlmann: Sony setzt auf OLEDs. Auf: www.heise.de, 19. Februar 2008
20. ↑ LG's OLED TV spotted in a Korean store, 4. Januar 2010
21. ↑ Markteinführung von OLEDs lässt auf sich warten. Auf: www.heise.de. 4. September 2009