OLED Technologie - LED Know-how

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OLED Technologie
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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Roadmap Effizienz in der Beleuchtung Stand 2014
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