OLED

Aufbau der OLED

Die OLED-Zelle besteht aus einer Reihe dünner organischer Schichten, die sich zwischen einer transparenten Anode und einer, zurzeit noch, üblicherweise metallischen Kathode befinden. Die organischen Schichten sind eine hole-injection Lage, eine hole-transport Lage, eine Emissionslage und eine Elektronentransportschicht. Durch Anlegen einer bestimmten Spannung findet eine Rekombination der positiven und negativen Ladungsträger in der Emissionsschicht statt, wodurch Licht (Elektrolumineszenz) entsteht.

Prinzipieller Aufbau einer OLED-Einheit

Schon 1990 hat man es geschafft, erste Polymermaterialien zum Leuchten zu bringen. Von diesem Zeitpunkt an stieg das Interesse von Wissenschaft und Forschung an den viel versprechenden Vorteilen der OLED. Als organische Materialien kommen für OLED unterschiedliche Erscheinungsformen von Polymeren in Frage, woraus sich folgende beiden Grundtypen ergeben:

• SM-OLED
  Materialien aus kurzen Molekülen (small molecule) wurden insbesondere von Kodak entwickelt und vermarktet. Diese Methode ist in der Fertigung wesentlich aufwendiger, da die kleinen Moleküle in einer Vakuumkammer aufgedampft werden müssen und damit auch teurer als das Arbeiten mit konjugiertem Polysilizium. Zur Zeit ist das Ergebnis dieser Methode jedoch noch wesentlich besser und langzeitstabiler als bei der folgenden.
• PLED
  Polymere LEDs stammen aus den Entwicklungen von Cambridge Display Technology (CDT). Bei diesem Prinzip lässt sich die Leuchtschicht durch ein Tintenstrahl-ähnliches Verfahren auf nahezu beliebig großes basismaterial aufspritzen. Epson spielt hier eine führende Rolle und stellte ein erstes Labormuster, ein 40 Zoll großes Display, vor, das mögliche Entwicklungen dieser Technologie vorzeigte.

Die Geschichte der OLED-Forschung

Erste wissenschaftliche Berichte über die Elektrolumineszenz datieren aus dem Jahr 1953. Die Geschichte des Elektrolumineszenz-Displays begann aber mit Chin Tang, einem Mitarbeiter der Kodak Forschungsabteilung, der 1979 bei der Arbeit mit Solarzellen ein blaues Leuchten von organischem Material, das unter elektrischer Spannung stand, beobachtete. 1987 stellte er gemeinsam mit seinem Kollegen Van Slyke die ersten Leuchtdioden aus dünnen organischen Schichten vor. Kurz darauf stieg auch Pioneer in die Forschung um ein. Im Jahr 1990 wurde die Elektrolumineszenz bei Polymeren entdeckt, was eine synthetische Erzeugung der Leuchtschichten ermöglichte.

Die erwarteten Vorteile wie beispielsweise mechanische Festigkeit bei gleichzeitiger Biegsamkeit, vielfältige Verarbeitungsmöglichkeiten, geringe Kosten, chemisch einstellbare Eigenschaften und die Herstellung billiger, großflächiger Anzeigen oder leichter und möglicherweise sogar flexibler Farbbildschirme trieben die Entwicklung voran. Anfangs waren die Anzeigen noch monochrom, doch schon 1988 stellte Pioneer das erste vollfarbige Display vor.

OLED im Vergleich zu LCD

Der wesentliche Unterschied und große Vorteil gegenüber LCD ist, dass OLED eine selbstleuchtende Kunststoffschicht enthalten. Die Farbe des Lichts wird durch das Material des Polymers bestimmt. In der einfachsten Bauweise bestehen OLED aus einer organischen Schicht, die sich zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode) befindet. Wird an die Elektroden

OLED enthalten eine Kunststoffschicht, die selber leuchtet, ein großer Vorsprung gegenüber der LCD. Dabei bestimmt das Material des Polymers die Farbe des Lichts. Die einfachsten OLED bestehen aus einer organischen Schicht, die sich zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode) befindet. Wird an die Elektroden eine ausreichende Spannung angelegt, werden der organischen Schicht Löcher aus der Anode und Elektronen aus der Kathode injiziert. Innerhalb der Emissionszone relaxiert das Elektron-Lochpaar in einen gebundenen Zustand (Exziton) und emittiert Licht.

OLED sind leicht, haltbar, energiesparsam und ideal für tragbare Anwendungen. Damit sind sie fähig, die gegenwärtige Technologie in vielen Anwendungen zu ersetzen, denn sie haben gegenüber LCDs einige Vorteile:

• selbstleuchtend, das heißt Blickwinkel bis fast 180°
• schneller Bildaufbau (100 - 1000 Mal schnellerer Bildwechsel als bei LCDs)
• größere Helligkeit
• niedriges Gewicht
• bessere Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen (z.B. Erschütterungen)
• geringerer Stromverbrauch, v.a. gut für mobile Geräte
• breiterer Betriebstemperaturbereich
• geringere Produktionskosten

Die typische Struktur einer organischen Licht emittierenden Diode besteht aus drei Schichten, welche jeweils für Elektronentransport, Lochtransport und Lumineszenz optimiert sind. Indium-Tin-Oxid (ITO) Elektroden auf Glassubstraten werden für die Lochinjektion benutzt, indem eine Glasplatte oder Folie mit stromleitendem Indium-Zinn-Oxid als Elektrode beschichtet wird. Darauf wird eine Zehntausendstel Millimeter dicke Schicht aufgebracht, die anschließend von einer zweiten Elektrodenschicht aus Metall bedeckt wird. Über die Elektrodenschicht werden Ladungsträger wie Elektronen in die dünne Schicht des Kunststoffs eingebracht. Dadurch werden in den Molekülen des Kunststoffs Elektronen angeregt, also in einen energiereichen Zustand versetzt. Zerfällt dieser angeregte Zustand, wird unter bestimmten Voraussetzungen die zugeführte Energie wieder als Licht abgestrahlt und der Kunststoff leuchtet.

Die Lichtfarbe wird vom Material beeinflusst. Geeignete Materialien für OLED sind Kunststoffe wie z.B. Polyphenylenvinylene und Polyfluorene, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung hell aufleuchten. OLED-Pixel senden selbst Licht aus und brauchen daher keine stromintensive Hintergrundbeleuchtung wie LCDs.

Stand der Forschung

Die Marktchancen für OLED-Displays sind vielversprechend. In naher Zukunft werden sie die Displaytechnik anführen. Und selbst flexible Foliendisplays, die beliebig knickbar und einrollbar sind, können schon bald Realität sein.

Seit der Entdeckung der organischen Leuchtdioden haben diese eine rasante Entwicklung genommen. Schon die ersten Muster der neuen Displays bieten eine Helligkeit von 150 Candela pro Quadratmeter und Kontraste über 100:1. Damit beginnt die neue Technologie etwa da, wo heute hochwertige TFT-Monitore angelangt sind. Aus den anfänglich nur schwach leuchtenden Schichten in den Labors sind hell strahlende Bauteile geworden, die in Labor-Experimenten Leuchtstärken bis 200.000 Candela pro Quadratmeter erreichen - für diese Helligkeit braucht man eine Sonnenbrille.

Während starre organische Anzeigen langsam auf den Markt kommen, stellen flexible Displays die Wissenschaftler noch immer vor große Probleme: Weil die Licht erzeugenden Polymere empfindlich auf Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff reagieren, müssen sie sorgfältig verkapselt werden. Das führt bei flexiblen Baukonzepten zu Problemen, denn hier wird der Folienverbund mechanisch extrem belastet

Die Kombination von organischen LEDs mit elektronischen Schaltkreisen aus Kunststoff könnte vollständig flexible Displays ermöglichen, die fast beliebig zu knicken oder einzurollen sind. Bisher muss jedes Pixel mit herkömmlicher Technik verdrahtet und einzeln angesteuert werden. Ziel ist, die elektronische Schaltung direkt auf die Rückseite zu drucken. Damit werden Displays zu Trägersystemen - und selbst mit einem Foliencomputer dahinter nur Millimeter dick.

Spezialisten sagen voraus, dass sich für OLED-Displays bis 2007 weltweit ein 2 Milliarden Dollar-Markt entwickeln wird. Marktforscher sind davon überzeugt, dass die OLED-Technologie in Produkten wie Mobiltelefonen, Digitalkameras, PDAs und DVD-Player zukünftig eingesetzt wird. Erste Beispiele gibt es schon: die Digitalkamera von Kodak (LS663), das Mobiltelefon von Samsung (SGH-E700) und Autoradios von Pioneer.