Eine Organische Leuchtdiode, kurz OLED (Kurzform für engl. „organic light-emitting diode“), ist eine Leuchtdiode aus organischen, halbleitenden Polymeren oder kleinen Molekülen (small molecules). Diese Geräte können weitaus kostengünstiger hergestellt werden als anorganische LEDs. Durch Anordnung vieler kleiner OLEDs können grafische Bildschirme, zum Beispiel für Fernseher, PC-Bildschirme und viele weitere Anwendungen, hergestellt werden. In Zukunft sollen OLEDs auch als Beleuchtung eingesetzt werden. Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzüng PLED durchgesetzt. Als SOLED oder SMOLED werden oft die aus "small molecules" hergestellten OLED bezeichnet.

Einer der großen Vorteile der OLED-Bildschirme gegenüber den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen ist, dass sie ohne Hintergrundbeleuchtung auskommen. Dadurch benötigen sie deutlich weniger Energie und können auch gut in kleinen tragbaren Geräten eingesetzt werden, bzw. deren Laufzeiten verlängern. Das Display ist so dünn wie eine Plastikfolie und auch so biegsam. Es hat einen großen Blickwinkelbereich von bis zu 170° und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, wodurch es sich besonders gut zur Darstellung von bewegten Bildern eignet.

OLEDs werden als Nachfolger der heutigen LCDs gesehen. Der südkoreanische Konzern Samsung präsentierte auf der Konferenz SID 2005 in Boston ein 40-Zoll-OLED-Panel. Die Lebensdauer gibt noch einige Probleme auf, denn die roten, grünen und blauen Pixel altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmäßige Altern der Einzelfarben kommt es im Laufe der Zeit zu Farbverschiebungen beim Gesamtbild. Die blauen Pixel sind am kurzlebigsten; machbar ist damit momentan (Stand Anfang 2006) eine Lebensdauer (Abfall der Leuchtdichte auf die Hälfte) von 150.000 Stunden. Die Vorgängergeneration erreichte lediglich eine (inakzeptabel kurze) Lebensdauer von 30.000 Stunden.

Aufbau und Funktionsweise der organischen Leuchtdiode

OLED-Schema.png

Ein OLED-Aufbau besteht aus mehreren organischen Schichten (siehe Bild 1 bis 6). Dabei wird meist auf die Anode (5) (z. B. Indium-Zinn-Oxid, ITO vom englischen Indium-Tin-Oxide), die sich auf einer Glasscheibe (6) befindet, eine Lochleitungsschicht (4) (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 außerdem die Oberfläche glättet. Auf die HTL wird eine Schicht aufgebracht, die entweder den Farbstoff enthält (ca. 5-10 %) oder - selten - komplett aus dem Farbstoff (z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) = Alq3) besteht. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (3) (emitter layer = EL). Auf diese wird dann eine Elektronenleitungsschicht (2) (electron transport layer = ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode (1) (bestehend aus einem Metall oder Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit z. B. Calcium, Aluminium, Magnesium/Silber-Legierung) im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und ETL meistens eine sehr dünne Schicht an LiF oder CsF aufgedamft.

Die Elektronen werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher bereitstellt. Loch (= positive Ladung) und Elektron (= negative Ladung) triften aufeinander zu und treffen sich im Idealfall in EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Die 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 angeregten und Grundzustand ab und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden.

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. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsweise der OLEDs mit Triplett-Emittern findet sich zum Beispiel in den Referenzen 1 und 2 (siehe Quellen). (Der Farbstoff kann übrigens auch durch Licht angeregt werden, was zur Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Displays herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen.)

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, gefolgt von den USA und Europa registriert. Deutschland liegt mit etwa 4,5 % auf Platz drei hinter den USA mit etwa 22 %.

Da OLEDs bislang noch teuerer 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 des OLEDs ist oft niedriger. Daher liegen die Hauptanwendungen von OLED-Displays v. a. bei kleinen und kleinsten "Sub-Displays" für Mobiltelefone und andere, insbesondere portable Kleingeräte.

Große Bildschirme sind bisher noch nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar. Der Durchbruch im Fernseh- und Monitor-Bereich wird wohl noch viele Jahre auf sich warten lassen. Probleme stellen hierbei v. a. die Verkapselung der Bauelemente (es darf kein Wasser oder Sauerstoff in die aktiven Schichten eindringen) und die aufwändigere Ansteuerung der Pixel dar. Im Gegensatz zu spannungsgesteuerten LCDs müssen die OLEDs stromgesteuert werden (es muss ein Strom fließen, um Elektrolumineszenz zu erzeugen), d. h., die bekannte und ausgreifte Technologie aus dem LCD-Bereich kann nicht einfach übertragen werden. Bei kleinen OLED-Displays kann die Steuerung über eine sogenannte Passivmatrix (ein bestimmtes Pixel wird durch das Anlegen einer Spannung an eine Zeile und Spalte angesteuert). Für große Displays ist diese Methode nicht ausreichend und eine Steuerung muss über eine sogenannte Aktivmatrix (jedes Pixel wird einzeln über einen eigenen Transistor adressiert) erfolgen. Diese Technologie ist sehr teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Displays.

Die Hauptanbieter sind die Firmen Pioneer, Samsung und RiTdisplay.

Forschung

• Arbeitskreis von Prof. Yersin, Universität Regensburg
• Fraunhofer Institut für photonische Mikrosysteme (IPMS)
• Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)

Quellen

• Hartmut Yersin, Triplet emitters for OLEDs. Introduction to exciton formation, charge transfer states, and triplet harvesting.
• H. Yersin, Triplet emitters for OLED applications. Mechanisms of exciton trapping and control of emission properties. Top. Curr. Chem. 241, S. 1 (2004). ISSN: 0340-1022.
• Howard, Webster E., Better Displays with Organic Films. Scientific American, 290(2), S. 76 (2004).
• Shinar, Joseph (Ed.), Organic Light-Emitting Devices: A Survey. NY: Springer-Verlag (2004). ISBN 0-387-95343-4.

Hersteller

• Lite Array
• Samsung Electronics
• Merck OLED Materials (ehem. Covion)

Weblinks

• OLED.at - Informationsportal und Community über OLED
• OLED-Links zu Forschungsgruppen, Universität Regensburg
• Vernetztes Studium Chemie
• OLED Today.com - englischsprachiges Portal
• OLED-Info.com - weiteres englischsprachiges Portal

Es sei auch auf den sehr gut gestalteten und etwas umfangreicheren Eintrag im englischsprachigen Wikipedia verwiesen.

Halbleiterbauelement

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