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Organische lichtemittierende Dioden (OLEDs)

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Bottom-Emitting PLED

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AMOLED Demonstrator

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AMOLED auf Stahlfolie

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Flexible Multi Color OLED auf Stahlfolie

Die Anfänge der organischen lichtemittierenden Dioden (eng: organic light emitting diodes, OLEDs) liegen im Jahr 1963 als Pope die Lichtemission bei Anthracen entdeckte. Tang beobachtete 1987 ein blaues Leuchten eines organischen Materials bei relativ niedrigen Spannungen. Seitdem sind OLEDs Gegenstand intensiver weltweiter Forschung. Am Institut für Großflächige Mikroelektronik (IGM) wurde 2005 mit der Installation von Inertgasboxen die Möglichkeit geschaffen auf diesem Forschungsgebiet aktiv zu werden.

Das Grundprinzip einer OLED ist sehr einfach. Zwischen zwei Elektroden wird das OLED-Material mit einer Schichtdicke im Bereich von einigen Nanometern aufgebracht. Eine der beiden Elektroden muss dabei transparent sein, damit das Licht, welches bei Anlegen einer Spannung erzeugt wird, aus dem Schichtstapel austreten kann. Zur Anpassung der Enegieniveaus der einzelnen Schichten untereinander werden häufig noch weitere Schichten zwischen Emittermaterial und Elektroden eingesetzt. Am IGM wurden sowohl durch das Trägersubstrat abstrahlende (engl. Bottom-Emitting OLEDs) als auch nach oben abstrahlende OLED-Stapel (engl. Top-Emitting OLEDs) entwickelt.

OLEDs sind vielseitig verwendbar. Am IGM werden sie als Anzeige in Passiv- und Aktiv-Matrix Bildschirmen eingesetzt. Erste Produkte wie Autoradios, Mobilfunktelefone sowie weitere Geräte mit kleineren OLED-Anzeigen sind bereits auf dem Markt. Sony stellte 2007 den ersten kommerziell erhältlichen OLED-Fernseher mit 11 Zoll Diagonale vor. Durch die extrem dünne Bauweise der OLEDs ist es auch möglich flexible OLED-Anzeigen auf Stahl- sowie Kunstofffolie herzustellen.

Im Vergleich zu bereits etablierten Technologien in der Displayindustrie wie Flüssigkristalle (LCs) bietet die OLED-Technologie einige Vorteile:

  • kompakte, dünne Bauweise da Rückbeleuchtung entfällt
  • hohe Effizienzen
  • höhere Kontrastwerte
  • keine Blickwinkelabhänigkeit
  • flexible Displays durch extrem dünne Bauweise
  • Vollfarbdisplays ohne Farbfilter

Dennoch gibt es auf dem Weg zum vollständigen Durchbruch noch ein paar Hürden zu überwinden. Noch wird an optimalen OLED-Materialien geforscht. Nicht alle Farben strahlen mit der gleichen Effizienz und die Lebensdauer der Materialien ist unterschiedlich. Auch die zur Funktionsfähigkeit der OLED notwendige Verkapselung gilt es noch zu verbessern, damit auch vor allem großflächige Displays zum Beispiel für die TV-Anwendung zuverlässig verkapselt werden können.

Materialklassen

Grundsätzlich kann man zwischen zwei Arten von Materialien für OLEDs unterscheiden. Zum einen gibt es die Klasse der langkettigen Polymere (engl. PLEDs) die am IGM aus der flüssigen Phase mittels Rotationsbeschichtung aufgeschleudert werden können. Ein Nachteil dieser einfachen und schnellen Abscheidungsmethode ist, dass die Schicht nicht zuverlässig strukturiert werden kann. Die zweite Klasse sind die kleinen Moleküle (engl. small molecules), die zumeist in einem viel zeitintensiveren Vakuumprozess aufgedampft werden. Hier hat man jedoch die Möglichkeit die Schicht mit Hilfe einer Schattenmaske zu strukturieren. Beide Materialklassen sind Gegenstand der Forschung am IGM.

Farberzeugung durch Interferenzschichten

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RGB-OLED mittels Interferenz aus weißem Emitter

Am Institut für Großflächige Mikroelektronik wurden auch schon erste erfolgreiche Versuche unternommen, aus dem Spektrum eines weiß emittierenden organischen Halbleiters mittels einer zusätzlichen Interferenzschicht im OLED-Stapel die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zu extrahieren. Damit können Vollfarbdisplays aus einem einzigen Emitter und ohne Farbfiltermaterialien hergestellt werden.

Verkapselung

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Calcium-Messplatz

Ein großer Nachteil der OLED-Technologie ist die Empfindlichkeit der organischen lichtemittierenden Materialien gegenüber Sauerstoff bzw. Wasserdampf. Die OLEDs müssen durch eine Verkapselung vor diesen Umwelteinflüssen geschützt werden. Am IGM gibt es bereits mehrere Ansätze für eine Verkapselung.

Einerseits werden sogenannte Klebeverkapselungen untersucht, wobei die Verkapselung hierbei aus einem Decksubstrat aus Glas besteht, das mit dem Grundsubstrat durch einen diffusionshemmenden Klebstoff versiegelt wird.

Andererseits laufen derzeit auch Untersuchungen zum Thema Dünnschichtverkapselung. Dabei werden alternierend Barriereschichten und Planarisierungsschichten auf dem OLED-Stapel abgeschieden. Damit ist es auch möglich flexible OLED-Anzeigen zu verkapseln.

Desweiteren sind auch noch weitere Ansätze für eine Verkapselung Gegenstand der derzeitigen Forschung am IGM.

Um die Güte der Verkapselungen überprüfen zu können, wurde am IGM eigens dafür ein sogenannter Calcium-Messplatz entwickelt, anhand dessen die Möglichkeit besteht die Verkapselungen optisch zu charakterisieren.