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Wie funktionieren OLEDs?

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine HD-Fernseher mit einer Bildschirmdiagonale von 80 Zoll und einer Tiefe von nur 5 mm, der weniger Energie verbraucht, als die meisten Fernsehgeräte, die derzeit auf dem Markt sind und den Sie zusammenrollen können, wenn Sie ihn nicht benötigen. Denken Sie an Wände, die Licht abgeben oder auf denen Sie fernsehen können. Wie wäre es mit hauchdünnen Werbedisplays oder Messewänden, auf denen Sie Filme abspielen können? Oder was wäre, wenn die Anzeigen Ihres Armaturenbretts in der Windschutzscheibe Ihres Fahrzeugs erscheinen oder wenn Sie einen Monitor in Ihrer Kleidung hätten? Diese Geräte sind in naher Zukunft möglich, dank einer Technologie, die sich organic light-emitting diods (organische Licht emittierende Dioden) oder kurz OLED nennt.

OLEDs sind Geräte aus einem dünnem Film organischer Moleküle, die unter Einfluss elektrischer Spannung Licht abgeben. OLEDs erzeugen ein helleres, schärferes Bild auf elektronischen Geräten und benötigen dafür weniger Energie als herkömmliche Leuchtdioden (LEDs) oder Flüssigkristallmonitore (LCDs).

Die OLED-Komponenten

OLED-Komponenten bestehen aus Schichten organischer Moleküle oder Polymere. Quelle: http://electronics.howstuffworks.com

OLED-Komponenten bestehen aus Schichten organischer Moleküle oder Polymere. Quelle: http://electronics.howstuffworks.com

So, wie auch eine LED, ist eine OLED ein Festkörper-Halbleiter, der 100 bis 500 Nanometer dick oder ungefähr 200 Mal dünner als ein menschliches Haar ist. OLEDs können entweder aus zwei oder drei Schichten organischen Materials bestehen, wobei im letzteren Fall die dritte Schicht für den Transport der Elektronen von der Kathode zur Licht abgebenden Schicht sorgt. Dieser Beitrag wird sich auf Zwei-Schicht-OLEDs konzentrieren.

OLEDs bestehen aus folgenden Teilen:

  • Trägerschicht (Plastik, Glas oder Folie) – Die Trägerschicht stützt die OLED.
  • Anode (transparent) – Die Anode entzieht Elektronen (erzeugt „Elektronenlöcher“), wenn Strom durch das Gerät fliesst.
  • Organische Schichten – Diese Schichten bestehen aus organischen Molekülen oder Polymeren.
  • Leitende Schicht – Diese ist aus organisch-plastischen Molekülen aufgebaut, die die die „Elektronenlöcher“ von der Anode transportieren. Ein in OLEDs verwendetes Polymer ist Polyanilin.
  • Emittierende Schicht – Diese Schicht besteht aus organischen Kunststoffmolekülen (andere als die der leitenden Schicht), die die Elektronen von der Kathode transportiert; hier entsteht das Licht. Das Polymer in der emittierenden Schicht ist Polyflouren.
  • Kathode (entweder transparent oder nicht, je nach OLED-Typ) – Die Kathode gibt Elektronen ab, wenn Strom durch das Gerät fliesst.

Es gibt drei Möglichkeiten die organische Schicht auf das Trägermaterial aufzubringen:

  • Vakuum-Auftrag oder Vaccum Thermal Evaporation (VTE) – in einer Vakuumkammer werden die Moleküle langsam erhitzt (verdampft), so dass sie als Film auf dem gekühlten Trägermaterial kondensieren. Dieser Prozess ist teuer und ineffektiv.
  • Organic vapor phase deposition (OVPD) – In einem Unterdruck-Reaktor bringt ein Trägergas die verdampften organischen Moleküle auf der Trägerschicht auf, wo sie sich dann als dünner Film absetzen. Mit dem Trägergas erhöht sich die Effizienz und die Herstellungskosten der OLEDs verringern sich.
  • Tintenstrahldruck – Mit der Tintenstrahltechnologie, wie wir sie aus gewöhnlichen Druckern kennen, werden die OLED-Moleküle auf die Trägerschicht gesprüht. Mit dieser Technik werden große Kosteneinsparungen erreicht. Außerdem können OLEDs auf sehr großen Trägerflächen aufgebracht werden. So können große Fernsehbildschirme köstengünstig realisiert werden, ebenso wie riesige OLED-Werbedisplays, OLED-Plakate oder OLED-Messedisplays.

Wie erzeugen OLEDs Licht?

OLEDs erzeugen Licht in ähnlicher Weise wie LEDs, durch einen Prozess, der sich Elektrolumineszenz nennt.

Das funktioniert folgendermassen:

  1. Die Batterie oder das Netzteil versorgen die OLED mit Spannung.
  2. Der Strom fliesst von der Kathode zur Anode durch die organischen Schichten, d. h. die Kathode fügt der emittierenden Schicht Elektronen hinzu, während die Anode Elektronen aus der leitenden Schicht entfernt (dies entspricht dem bereits erwähnten Erzeugen von „Elektronenlöchern“).
  3. An der Grenze der beiden Schichten finden Elektronen diese „Elektronenlöcher“ und füllen sie, d. h. ein Elektron fällt in einen energetischen Zustand, in dem einem Atom ein Elektron fehlt. Wenn das passiert, gibt das Elektron Energie in Form eines Photons ab.
  4. Die OLED sendet Licht aus.
  5. Die Farbe dieses Lichts hängt von der Art des Moleküls in der emittierenden Schicht ab. Die Hersteller bringen daher mehrere Arten von Schichten organischer Folien übereinander auf und erhalten somit OLED-Farb-Displays.
  6. Intensität und Helligkeit des Lichts sind abhängig von der Stärke der elektrischen Spannung. Je höher die Spannung, desto heller das Licht.

Kleine oder große Moleküle?

Die Moleküle, die KODAK 1987 für die ersten OLEDs entwickelte, waren klein organische Moleküle. Obwohl diese Moleküle helles Licht erzeugten, mussten sie durch Vakuum auf das Trägermaterial aufgebracht werden in dem bereits erwähnten teuren VTE-Prozess.

Seit 1990 konzentrierte sich die Forschung auf langkettige Polymermoleküle. Polymere können kostengünstiger und großflächiger hergestellt werden. Das macht sie besser geeignet für große Bildschime.

Quelle: How Stuff Works – http://electronics.howstuffworks.com/oled.htm

Ein leicht verständlicher Video-Beitrag zum Thema OLEDs findet sich hier.