Flächenlichter OLEDs für die Beleuchtung

Ganz neue gestalterische Möglichkeiten erlauben organische Leuchtdioden. Ultraflach, flächig, biegsam und auf Wunsch auch transparent - aber mit ihnen sind keine Retrofit-Lösungen wie mit LEDs mehr möglich. Dafür entwickelt sich die Technik rasant weiter und es entstehen ungeahnte Anwendungsbereiche.

OLEDs haben das Potential, in Zukunft die erste Wahl für flächige Lichtquellen zu sein. Denn im Unterschied zu LEDs geben sie direkt flächiges Licht ab - Effizienzverluste durch die Umwandlung von »punktförmig« in »flächig« entfallen. Sie ermöglichen beispielsweise Raumteiler, die ausgeschaltet gläsern transparent sind und eingeschaltet undurchsichtig leuchten. Auch Mosaikfenster, die aus sich heraus - ohne Sonne im Hintergrund - erstrahlen, werden möglich. Ebenso könnte der leuchtende Autodachhimmel realisiert werden.

Generell setzt sich eine OLED aus einem dünnen Film organischer Materialien zusammen, die zwischen zwei Elektroden auf einem Substrat aufgebracht sind. Bei laufendem Betrieb werden Ladungsträger (Löcher und Elektronen) durch eine angelegte Spannung von der jeweiligen Elektrode injiziert. Der Austausch der Ladungsträger im organischen Film sorgt für die Lichtemission. Bei Mitsubishi Chemical Corporation wurden inzwischen Materialien und Fertigungsprozesse entwickelt, um (RGB)-OLED-Panels mit Farbabstimmung herstellen zu können.

Transparenz ist in

Das Tochterunternehmen Verbatim nennt diese Technik »VELVE«; neben der RGB-Farbabstimmung ist auch eine Weißlicht-Farbabstimmung von Warmweiß (2700 K) bis Kaltweiß (6500 K) möglich. Außerdem lassen sich die Panels bei konstantem Lichtstrom und gleichbleibender Lichtfarbe dimmen. Der Farbwiedergabeindex (siehe Kasten) R9 (gesättigtes Rot) liegt über 80.

Farbwiedergabeindex   
Der CRI oder Farbwiedergabeindex ist eine photometrische Größe, mit der sich die Qualität der Farbwiedergabe von Lichtquellen gleicher korrelierter Farbtemperatur beschreiben lässt. Zur Berechnung des Farbwiedergabeindex' sind 14 Testfarben mit einem genormten Remissionsverlauf definiert. Die Abweichung der Sekundärspektren zwischen Referenz- und Testspektrum dient als Maßzahl für die 14 speziellen  Farbwiedergabeindizes. Zur Berechnung des allgemeinen Farbwiedergabeindex' werden allerdings nur die ersten acht Testfarben herangezogen. Die 14 Testfarben sind durch DIN 6169 ausgewählt. Dabei kann der Farbwiedergabeindex Ri zur Farbe i ermittzelt werden. Ein rechnerischer Wert aus den Farben #1 bis #8 wird mit Ra bezeichnet. Bei den Testfarben handelt es sich um Altrosa (1), Senfgelb (2), Gelbgrün (3), Hellgrün (4), Türkisblau (5), Himmelblau (6), Asterviolett (7), Fliederviolett (8), Rot gesättigt (9), Gelb gesättigt (10), Grün gesättigt (11), Blau gesättigt (12), Rosa Hautfarben (13) und Blattgrün (14). Der spezielle Farbwiedergabeindex R9 kommt häufig dort zum Einsatz, wo der allgemeine CRI kein ausreichendes Beurteilungskriterium darstellt. Schließlich handelt es sich bei den ersten acht Normfarben umd Pastelltöne, was nur selten genügt.

Die aktuellen Module (Bild 1) erzeugen eine blendfreie Helligkeit von bis zu 2000 cd/m2 und sind damit doppelt so hell wie die Modelle der vorherigen Generation. Sie erzielen eine Lichtausbeute von 51,6 lm/W. Einen der Hauptvorzüge der Verwendung von Polymeren können OLEDs nun endlich ausspielen: Im Idealfall sind sie im ausgeschalteten Zustand nicht zu sehen.

Transparenz funktioniert natürlich nur unter bestimmten Umständen, nun ist die Forschung jedoch an diesem Ziel angekommen. Bei Osram etwa will man 2014 mit »leuchtenden Glasscheiben« in die Serienfertigung gehen. Als Vorgeschmack wurde gerade die Designerleuchte »Rollercoaster« (Bild 2) vorgeführt. Die Leuchte, die ausgeschaltet aussieht wie eine Skulptur aus Glas und Metall, wird eingeschaltet zu einem leuchtenden Designelement in Form eines Möbius-Bandes.

Entstanden sind die darin eingesetzten 30 Flächenlichtquellen im Rahmen des Forschungsprojektes »TOPAS2012«, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde. Sie haben jeweils eine Leuchtfläche von 18 cm x 6,5 cm. Dabei ließ sich eine Effizienz von 20 lm/W bei einer Transmission von 57% erreichen.

Die OLED enthalten keine sichtbaren Leiterbahnen und sind vollverkapselt. Neu ist auch die Möglichkeit, bei den nach zwei Seiten strahlenden transparenten OLEDs eine bevorzugte Abstrahlseite zu definieren: In der einen Richtung hat das Licht nur dekorative Funktion, weil es schwächer ist. In der anderen kann man es funktional, also zur Beleuchtung nutzen. So kann die hier verwendete OLED die lichttechnischen Vorzüge von direkter und indirekter Beleuchtung vereinen. Nach dem Projekt TOPAS2012 findet im laufenden BMBF-Folgeprojekt »GENESIS« eine Skalierung auf fertigungstaugliche Prozesse und Substratgrößen statt.

Dabei werden Glassubstrate von Saint-Gobain eingesetzt, die auf der neuartigen, so genannten Silverduct-Technik basieren. Einen anderen Ansatz verfolgen BASF und Philips, die ihre transparenten OLEDs (Bild 3) in Autodächer integrieren. Die OLEDs sind in ausgeschaltetem Zustand durchsichtig und ermöglichen dadurch einen freien Blick nach draußen.

Auf Knopfdruck beleuchten sie das Fahrzeuginnere. Dieses Beleuchtungskonzept für Autodächer ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit im Rahmen der »OLED 2015«-Initiative des BMBF. BASF entwickelt organisch-chemische Materialien wie Farbstoffe, die Philips wiederum zur Entwicklung und Herstellung von OLEDs nutzt. Diese Lichtlösung bietet nicht nur neue Designmöglichkeiten sondern eröffnet auch neue Wege im Fahrzeugbau. So lässt sich zum Beispiel ein Sandwichaufbau der transparenten OLEDs zusammen mit ebenfalls transparenten Solarzellen realisieren.

Robuste Leuchten

Bereits seit Längerem beschäftigen sich Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS mit OLED-Leuchten. So gelang es dort, organische Leuchtdioden preisgünstiger zu fertigen und gleichzeitig ihre Lebensdauer zu erhöhen. Das Fraunhofer IPMS und das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP haben zusammen in dem vom BMBF geförderten Projekt »ROLLEX« (Rolle-zu-Rolle-Fertigung hocheffizienter Leuchtdioden auf flexiblen Substraten) eine flexible OLED mit einer Dünnschichtverkapselung in einer Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage hergestellt (Bild 4).

Bei flexiblen OLEDs ist die homogene, möglichst großflächige Verkapselung der leuchtenden OLED-Schichten mit transparenten, defektfreien Barriereschichten wichtig, denn das Eindringen kleinster Mengen Feuchtigkeit oder Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer einer OLED stark. Andererseits müssen die Barriereschichten das ausstrahlende Licht passieren lassen und dürfen dessen Farbe nur minimal beeinträchtigen.

In ihrer Pilotanlage konnten die Forschergruppen OLED-Materialien auf eine preisgünstige Aluminiumfolie aufbringen und mit dem vom Fraunhofer FEP entwickelten Schichtsystem verkapseln, ohne die Leuchtfähigkeit der Folie zu beeinträchtigen. Die Beschichtungsprozesse erfolgen alle im Rolle-zu-Rolle-Modus mit einem kontinuierlich bewegten Substrat und bieten daher ein erhebliches Kostensenkungspotenzial.