OLED-Forschung »Der Kyoto-Preis ist eine große Ehre für mich«

Ende 2019 erhielt Prof. Dr. Ching W. Tang von der HKUST für seine Forschung zu OLEDs den Kyoto-Preis. Im Interview spricht er mit Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach von der Hochschule Pforzheim über die Auszeichnung, seine langjährige Forschung sowie aktuelle und zukünftige Entwicklungen bei OLEDs.

Dr. Karlheinz Blankenbach: Dr. Tang, wann und wie haben Sie von diesem renommierten Preis erfahren? Und was waren Ihre ersten Reaktionen?

Dr. Ching W. Tang: Nun, es war eine überraschende Geschichte: Ich erhielt im Juni 2019 eine E-Mail vom Geschäftsführer der Inamori Foundation, Herrn Himono. Darin stand, dass ich zum Kandidaten für den Kyoto-Preis gewählt worden bin. Er bat um ein zeitnahes persönliches Treffen in Hongkong. Wir sind dann für mehr als zwei Stunden zusammen gesessen, er hat mir die Geschichte des Kyoto-Preises beschrieben und mir offiziell mitgeteilt, dass ich der endgültige Kandidat für den Kyoto-Preis 2019 für technologische Innovationen sei. Herr Himono erklärte mir die Bedingungen für den Erhalt des Preises: Teilnahme an der Zeremonie in Kyoto im November und im folgenden Jahr auch an den Veranstaltungen der Inamori Foundation in Oxford und San Diego. Natürlich bekräftigte ich, dass ich mich sehr geehrt fühlen und selbstverständlich an all diesen Events teilnehmen würde. Das war also ein höchst interessanter und überraschender Anfang.

Blankenbach: Sie wurden für die Erfindung der OLED-Technologie für den Kyoto-Preis nominiert.

Tang: Ich wusste, dass der Kyoto-Preis sehr angesehen ist; und fühlte mich zutiefst geehrt, dass er mir für meine Arbeit an OLEDs verliehen wurde. Der Preis betrifft ja eine sehr große Bandbreite von Technologien und nicht nur Displays. Ich freue mich deshalb sehr, dass die OLED-Technologie ausgewählt wurde. Dies folgt auf die LCD-Technologie, für die George Heilmeier im Jahre 2005 ausgezeichnet wurde.

Blankenbach: Der Kyoto-Preis ist der aktuellste in einer langen Reihe von Preisen, die Sie gewonnen haben, und die bisher höchste Auszeichnung. Haben sich diese Ehrungen auf die Zeit ausgewirkt, die Sie im Labor oder mit Ihrer Familie verbracht haben?

Tang: Für mich ist es ein großes Glück, den Kyoto-Preis und andere Auszeichnungen verliehen bekommen zu haben. Aber dies hat sich nicht wirklich auf meine Tätigkeiten ausgewirkt. Ich arbeite weiterhin oft und gerne mit meinen Mitarbeitern und Studenten im Labor. Mein Antrieb war nie, große Ehrungen wie den Kyoto-Preis zu erhalten. Meine Familie freut sich natürlich auch über diesen Preis, und alle sind nach Kyoto gereist, auch meine beiden Enkelkinder. Der Gewinn des Kyoto-Preises sagt ebenfalls etwas über die Auswirkungen der OLED-Technologie aus. Ich habe mit OLEDs bei Kodak in den USA gestartet, mit Recherchen zu Materialien und deren Aufbau in Stacks für organische Solarzellen. Jahre später haben wir mit einem Team von Forschern und Ingenieuren begonnen, OLED-Displays herzustellen. Dann griffen die großen Display-Hersteller die Technologie auf und bauten Produktionsstätten. Damit OLEDs für die Massenproduktion tauglich wurden, waren Fachkräfte aus den Bereichen Chemie, Physik, Elektrotechnik, Maschinenbau und Materialwissenschaften gefragt. Wenn ich auf die Preise zurückblicke, die mir verschiedene Gesellschaften aus verschiedenen Ländern, auch aus Deutschland, verliehen haben, bin ich sehr dankbar für die Anerkennung, die mir persönlich zuteil wurde sowie die positiven Auswirkungen der OLED-Technologie auf die Menschen auf der ganzen Welt.

Blankenbach: Wie begannen Sie in den 1980er Jahren die Erforschung organischer Materialien und OLEDs?

Tang: Ich wurde 1975 Forschungsmitarbeiter der Eastman Kodak Company. Meine Forschungsarbeiten zu OLEDs fasste ich 1987 in einem Applied Physics Letter Paper zusammen. Meine erste Aufgabe bei Kodak war jedoch die Herstellung und Optimierung von organischen Solarzellen, die zu dieser Zeit sehr ineffizient waren. Mein Fokus lag auf der Steigerung der Effizienz um das 10- bis 100-fache. Nach drei oder vier Jahren harter Arbeit hatte ich das Ziel im Grunde nicht erreicht. Jedoch habe ich dabei etwas ganz Wichtiges entdeckt: die organische PN-Junction. Durch Stapeln einer Schicht vom p-Typ (Anm. d. Red.: Löcher-Transportmaterial) und einer Schicht vom n-Typ (Anm. d. Red.: Elektronen-Transportmaterial) entdeckte ich, dass der zwischen den beiden Schichten gebildete Übergang bei der Erzeugung von Ladungen bei der Absorption von Licht wirksam war. Die zweischichtigen organischen Dünnfilme absorbieren jedoch nicht genug Sonnenlicht, um eine nennenswerte Nutzleistung erzeugen zu können. Somit blieb der Wirkungsgrad niedrig. Folglich gab ich nach einigen Jahren auf. Zu diesem Zeitpunkt entdeckte ich, dass einige der von mir hergestellten organischen Solarzellen mit pn-Übergang Licht emittieren, wenn ich eine Bias-Spannung in Durchlassrichtung anlegte. Mir war klar, dass ich diesen pn-Übergang nutzen kann, um Licht zu erzeugen. Im Gegensatz zu organischen Solarzellen benötigte ich für die Lichtabsorption keinen dicken Film, sondern nur einen extrem dünnen pn-Übergang zur Lichterzeugung. Dies ist der Hauptunterschied zwischen der Anwendung von organischen pn-Übergängen in organischen Solarzellen und in OLEDs.

Blankenbach: Bitte erklären Sie das genauer!

Tang: Bei OLEDs wird der pn-Übergang verwendet, um die strahlungslose Rekombination entgegengesetzter Ladungen zu reduzieren. In gewisser Hinsicht ist es bei OLEDs viel einfacher, einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen als bei einer organischen Solarzelle. Die Entdeckung von OLED war zum Teil Glück und zum Teil logische Konsequenz eingehender Beobachtungen. Ich erkannte, dass der organische pn-Übergang bei organischen Solarzellen für die Ladungserzeugung wichtig ist. Als ich Solarzellen herstellte, die sichtbares Licht emittierten, war meine Neugier geweckt. Bei einer rasch durchgeführten Literatur-Recherche stellte sich heraus, dass die Phänomene der organischen Elektrolumineszenz zu dieser Zeit bereits bekannt waren. Der einzige Unterschied zwischen meiner Beobachtung und früheren Arbeiten ist die angelegte Spannung, die zum Betreiben der Licht emittierenden Materialien erforderlich ist. In meinem Fall beträgt die erforderliche Spannung nur wenige Volt im Vergleich zu vielen hunderten Volt, die in früheren Arbeiten angegeben wurden. Aufgrund der ultradünnen Filme und des von mir verwendeten pn-Übergangs konnte ich meine Muster mit sehr niedriger Spannung betreiben. Die Entdeckung von OLED war im Nachhinein der leichtere Teil. Die Entwicklung, Optimierung und Herstellung immer effizienterer und stabilerer OLEDs für praktische Anwendungen war dagegen der schwierige Teil. Es dauerte noch viele Jahre und benötigte noch viele weitere Forscher und Ingenieure, um OLEDs als Display-Technik zu realisieren und zum Durchbruch zu verhelfen.

Blankenbach: Ich habe meine ersten OLEDs 1994 in Wolfgang Kowalskys Labor in Deutschland gesehen. Diese zeigten eher ein Glimmen als ein Leuchten, was zudem auch innerhalb von Minuten verschwand. Wie war der Weg zu ausreichend hoher Leuchtdichte und Lebensdauer?

Tang: Es war schwierig, bei OLED-Mustern eine befriedigende Lebensdauer zu erreichen. In den späten 1970er Jahre konnte ich OLEDs nicht länger als ein paar Minuten bei Raumtemperatur betreiben. Ich erinnere mich, dass ich von meinem direkten Vorgesetzten gebeten wurde, kurz nach meiner Entdeckung dem oberen Management von Kodak hierüber zu berichten und ein funktionierendes OLED vorzuführen. Ich war mir ziemlich sicher, dass die Manager nicht viel über OLED wissen würden, aber sie natürlich wissen möchten, ob es hierfür Anwendungen gäbe. Ich zögerte, den Vortrag zu halten, da ich wusste, dass eine Demonstration mit einem kurzlebigen OLED nicht erfolgreich sein würde. Ich ging ins Labor, um einen geeigneten Demonstrator zu finden, und stellte fest, dass OLEDs bei einer niedrigeren Temperatur länger leuchten. Also baute ich ein Muster auf; und anstatt es bei Raumtemperatur an der Luft zu betreiben, tauchte ich es in flüssigen Stickstoff und schaltete es ein. Zu meiner Freude und Überraschung funktionierte der OLED-Prototyp viel besser als ich erwartet hatte. Er war viel stabiler und leuchtete viele Stunden bei sehr hoher Helligkeit mit verbessertem Wirkungsgrad, wenn auch mit höherer Spannung. Mit diesen Ergebnissen hielt ich meinen Vortrag und demonstrierte einer Gruppe von Kodak-Managern zum ersten Mal ein OLED. Natürlich wurden Fragen nach der Lebensdauer bei Raumtemperatur und den praktische Anwendungen gestellt. Aber ich habe sie mit einem einfachen Statement beantwortet: Es werden weitere Arbeiten erforderlich sein!

» Ich weiß nicht, ob ein mit Tintenstrahldruck hergestelltes OLED jemals mit einem aufgedampften konkurrieren kann. «

Blankenbach: Sie haben Ihre Erfindung von OLEDs auf Verdampfungsbasis gemacht. Ihr Miterfinder und Kollege Steven Van Slyke ist jetzt CTO von Kateeva und arbeitet am Inkjet-Druck von OLEDs. Wo sehen Sie den Unterschied und die Zukunft beider Techniken?

Tang: Als Steve als CTO zu Kateeva kam, um an inkjet-gedruckten OLEDs zu arbeiten, erinnere ich mich, dass ich scherzhaft zu ihm gesagt habe: »Steve, kennst du Star Wars, den Film? Du gehst also auf die dunkle Seite.« Das war vor über zehn Jahren.

Blankenbach: Wie beurteilen Sie die beiden Produktionstechniken von organischen LEDs?

Tang: Die Motivation für den Tintenstrahldruck sind die potenziell niedrigeren Kosten für die Variantenbildung von OLED-Produkten im Vergleich zur Vakuum-basierten Verdampfung. Wie wir wissen, hängen die Kosten von organischen Displays von vielen Faktoren ab: zum Beispiel von den Kapital- und Materialkosten oder den Prozess-Ausbeuten. Tintenstrahldruck- oder lösungsbasierte OLEDs wurden über viele Jahre hinweg entwickelt, praktisch so lange wie aufgedampfte OLED-Displays. Ich weiß nicht, ob ein mit Tintenstrahldruck hergestelltes OLED jemals mit einem aufgedampften konkurrieren kann. Letztere sind mit einer Vielzahl von Produkten bereits in Massenproduktion, die mit der Zeit immer noch besser und billiger wird. Es ist möglich, dass sich OLED-Produkte mit Tintenstrahldruck aufgrund drastischer Kostenreduzierung oder Leistungssteigerung in Zukunft durchsetzen werden. Ich kann den Erfolg der Inkjet-OLED-Technik nicht ausschließen, und ich sage nicht, dass Steven völlig im Dunkeln ist. Vielleicht ist er im Moment mehr auf der grauen Seite.

Blankenbach: Ich hatte mit einigen Partnern in Deutschland ein Forschungsprojekt zu OLED-Signs. Ein Partner-Institut druckte OLEDs, sie hatten aber mit vielen Herausforderungen und Schwierigkeiten zu kämpfen. Das Drucken scheint also möglich zu sein. Die Vorteile gegenüber der Evaporation sind vielfältig, aber gedruckte OLEDs können im Vergleich zu LCDs möglicherweise nicht kostengünstiger hergestellt werden. Wie ist Ihre Meinung?

Tang: Ein weiteres Problem der Inkjet-Drucktechnik besteht darin, dass sie möglicherweise nicht für die Herstellung von hochauflösenden OLED-Displays geeignet ist. Es ist schwierig, OLEDs für Smartphones mit einer Auflösung von mehr als 500 ppi zu drucken, was dort eine übliche Anforderung ist.

Blankenbach: Ich habe in einem Artikel über Sie gelesen, dass es Sie glücklich macht, wenn Sie mit Ihren Enkeln skypen und sich gegenseitig auf einem OLED-Bildschirm beobachten.

Tang: Nun, ich bin sehr glücklich, die OLEDs erfunden zu haben. Unsere Welt basiert auf vielen Erfindungen, die wir täglich gebrauchen und als quasi selbstverständlich betrachten. Es gibt jedoch nur wenige Erfindungen, die Sie in Händen halten und gleichzeitig mit den Augen sehen können wie ein Smartphone mit einem OLED-Bildschirm. Natürlich gibt es viele andere Erfindungen bei Smartphones, die nichts mit dem Bildschirm zu tun haben. Aber jedes Mal, wenn ich meine Enkelkinder auf dem Telefonbildschirm sehen kann, nehme ich nicht nur ihre Gesichter wahr, sondern auch die Moleküle, aus denen der Bildschirm besteht; und ich kann sogar ihre Molekülstrukturen erraten. Ich freue mich, dass ich mit meiner Forschung zu etwas beigetragen habe, das die Menschen in ihrem täglichen Leben nutzen.

Blankenbach: Worin besteht Ihrer Meinung nach die nächste große Innovation in der organischen Elektronik?

Tang: Es ist immer schwierig, wenn nicht unmöglich, die Zukunft vorherzusagen. Unter den organischen Anwendungen in der Elektronik sind OLEDs einzigartig, da sie die Vorteile organischer Materialien voll ausnutzen: Lumineszierende Materialien können Licht verschiedener Farben mit nahezu hundertprozentiger Effizienz erzeugen. OLEDs sind im Vergleich zu anorganischen LEDs für Displayanwendungen kostengünstiger. Wie stehen die Chancen für organische Transistoren? Sie konkurrieren mit Transistoren auf Silizium-Basis oder anderen anorganischen Halbleitern. Die Herausforderungen für organische Transistoren bestehen in der relativ geringen Ladungsträgermobilität und Prozessproblemen. Ja, organische Transistoren können auf einem flexiblen Substrat hergestellt werden und sind möglicherweise sogar billiger herzustellen, aber letztendlich ist die Leistung entscheidend. Gleiches gilt für organische Solarzellen, die letztlich mit den effizienteren anorganischen Solarzellen konkurrieren müssen. Es gibt jedoch andere Anwendungsgebiete wie Molekularelektronik und Bioelektronik. Wir sehen hier heutzutage zahlreiche Ideen und Ansätze jedoch noch keine aussagekräftigen Demonstratoren. Es werden noch viele Technologiesprünge notwendig sein, was dementsprechend noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird.

Blankenbach: Das bringt mich zu meiner letzten Frage. Ermöglicht Ihnen der Kyoto-Preis etwas, was Sie sonst nicht hätten tun können?

Tang: Der Kyoto-Preis ist für mich eine sehr große Ehre und hoch dotiert. Ich bin sicher, dass ich Wege finden werde, das Preisgeld mit Bedacht einzusetzen. Er gibt mir die Möglichkeit, andere Leute zur Forschung zu inspirieren. Ferner möchte ich Studenten überzeugen, kritischer und analytischer zu denken in Bezug auf Forschung und Politik. Wenn ich Studenten hierzu motivieren kann und diese dann sagen ‚Professor Tang muss es wissen, er hat ja den Kyoto-Preis gewonnen‘ – das würde mich glücklich machen.

Blankenbach: Vielen Dank für das interessante Gespräch, Dr. Tang.
 
DETAILS ZUM KYOTO-PREIS

Der Kyoto-Preis gilt neben dem Nobelpreis als eine der weltweit wichtigsten Auszeichnungen für das Lebenswerk herausragender Persönlichkeiten in Kultur und Wissenschaft. Die 1984 von Dr. Kazuo Inamori gegründete Inamori-Stiftung vergibt diesen Preis, um »zum Fortschritt der Zukunft der Menschheit beizutragen und gleichzeitig ein Gleichgewicht zwischen der Entwicklung von Wissenschaft und Kultur sowie der Bereicherung des menschlichen Geistes zu wahren«. Jährlich werden drei Preisträger in den Kategorien »Advanced Technology«, »Basic Sciences« und »Arts and Philosophy« ausgezeichnet. Im vergangenen Jahr fand die Verleihung am 10. November in Kyoto statt. Jeder der Preisträger erhielt eine Urkunde, die Kyoto-Preis-Medaille aus 20-karätigem Gold sowie ein Preisgeld von 100 Millionen Yen (aktuell mehr als 800.000 Euro).