Herstellung von OLEDs Displays aus dem Drucker

Die Herstellung von OLEDs ist komplex. Das MPI in Mainz geht neue Wege.
Die Herstellung von OLEDs ist komplex. Das MPI in Mainz geht neue Wege.

Vom Smartphone bis zum Flachbildfernseher – organische Leuchtdioden finden Einsatz in immer mehr Anwendungen. Die Herstellung ist jedoch noch teuer und recht aufwendig. Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz wollen das jetzt ändern.

Organische lichtemittierende Dioden (OLEDs – organic light emitting diodes) sind eine neue Lichtquelle, die momentan hauptsächlich für Displays eingesetzt wird (Bild 1). OLEDs eröffnen viele neue Möglichkeiten, zum Beispiel sehr hohe Kontrastverhältnisse. Aktuelle OLEDs sind jedoch aufgrund der komplexen Produktionsmethoden noch recht teuer. Ein neues physikalisches Konzept könnte aber die Produktionskosten erheblich senken. Darüber hinaus könnte es das Drucken von Displays mit einem tintenstrahlähnlichen Verfahren ermöglichen.

Funktionsweise einer OLED

Organische Leuchtdioden sind LEDs (light emitting diodes) auf Basis von organischen Molekülen oder auch von Polymeren, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen. Während die physikalischen Grundprinzipien der Lichterzeugung in OLEDs die gleichen sind wie bei herkömmlichen LEDs, gibt es doch einige wichtige Unterschiede. So sind anorganische LEDs beispielsweise Punktlichtquellen, während die Oberfläche von OLEDs gleichmäßig Licht emittiert. Die OLEDs sind somit anwendungsspezifisch in unterschiedlichen Größen und Formen herstellbar (Bild 2).

OLED-Displays sind heute bereits in kommerziellen Produkten wie Smartphones und Fernsehern verbaut. In solchen Displays bilden drei Subpixel in den Grundfarben rot, grün und blau ein Pixel, das mit Farbmischung unterschiedliche Farben anzeigen kann. Jedes der Subpixel ist eine individuelle OLED. OLED-Displays haben daher einen großen Vorteil gegenüber LC (Liquid Crystal)-Displays: Da jedes Subpixel vollständig abschaltbar ist, können die Displays »echtes« Schwarz und somit ein unendlich hohes Kontrastverhältnis darstellen. Bei den herkömmlichen LC-Displays ist das nicht leicht zu erreichen, da eine weiße Hintergrundbeleuchtung – zum Beispiel mit weißen LEDs – durch Farbfilter geleitet wird, um rote, grüne und blaue Pixel zu erhalten. In solchen Displays eingesetzte Polarisatoren zur Helligkeitsregulierung können das weiße Hintergrundlicht nicht vollständig blockieren. Deshalb sind die Schwarzwerte nicht so gut wie bei den OLED-Bildschirmen.

Grundsätzlich besteht eine OLED aus mehreren hauchdünnen Schichten, wobei jede Schicht eine Dicke von einigen zehn bis hundert Nanometern aufweist. In Bild 3 ist das Grundkonzept einer OLED dargestellt. Als Trägermaterial wird ein Glas-Substrat verwendet, die Stromversorgung erfolgt über eine transparente leitfähige Schicht, beispielsweise aus dem Material Indium-Zinn-Oxid (Indium-Tin-Oxide, ITO). Aus organischen Materialien besteht hingegen die lichterzeugende Schicht. Die Gegenelektrode oder Kathode, die nicht transparent sein muss, wird aus Metall hergestellt, beispielsweise Aluminium oder Silber. In Richtung der beiden transparenten Schichten (Glas und ITO) kann das Licht emittieren, in Richtung des Metalls wird das Licht jedoch aufgrund des Aufbaus geblockt. Mit einer solchen Schichtanordnung auf Folien sind extrem dünne und auch biegsame Displays möglich. So wurde ein Display unter 0,3 mm Dicke präsentiert [1].

Steigende Effizienz – steigende Kosten?

Bei den allerersten in Forschungslabors hergestellten OLEDs wurde eine recht einfache Struktur aus zwei Schichten organischer Materialien zwischen zwei Elektroden verwendet. Während die Entdeckung der OLED bahnbrechend war, war die Effizienz für eine sofortige Anwendung immer noch viel zu gering.
Seit ihrer Erfindung wurde die Anzahl der organischen Schichten stetig erhöht, um die Injektion von Elektronen in die lichtemittierende Schicht zu erleichtern. Das resultierte in einer immer größeren Effizienz der Leuchtdioden. Eine heutige OLED besteht leicht aus fünf bis sieben Schichten, was sie zwar sehr effizient macht, gleichzeitig aber auch teuer in der Herstellung.

Zur Vereinfachung der Produktion ist ein weiterer Vorteil der Verwendung von organischen Molekülen als Ausgangsmaterial für das lichtemittierende Material nutzbar. Sie sind in bestimmten Flüssigkeiten, sogenannten organischen Lösungsmitteln, auflösbar. Das ermöglicht die Herstellung einer Art »Tinte«, die mit Hilfe eines Tintenstrahldruckers auf Materialien aufgebracht wird. Beim Trocknen der Druckfarbe bildet sich eine Schicht aus organischem Material, die schließlich den lichtemittierenden Pixel bildet. Ein solches Display ist, ähnlich einer Zeitung, einfach zu drucken. Ein großes Problem eines solchen Produktionsprozesses ist jedoch, dass ein Übereinanderdrucken verschiedener organischer Schichten sehr komplex ist, da eine nachfolgende Schicht die darunterliegende Schicht wieder auflöst. Hocheffiziente Displays, die viele Schichten organischen Materials erfordern, sind aus diesem Grunde derzeit drucktechnisch nicht realisierbar.

Interne und externe Quanteneffizienz
Phosphoreszenz erlaubt in aktuellen OLEDs derzeit eine sogenannte »innere Quanteneffizienz« von nahezu 100 Prozent. Das bedeutet, dass jedes Elektron, welches in die lichtemittierende Schicht eingebracht wird, in ein Lichtteilchen (Photon) umzuwandeln ist. Bei fluoreszenten OLEDs – wie sie derzeit noch bei den blauen Subpixeln von Displays zum Einsatz kommen – wird nur eine Quanteneffizienz von 25 Prozent erreicht.
Trotzdem haben heutige OLEDs auf Datenblättern oftmals »nur« eine Effizienz von etwa 20 Prozent. Der Grund hierfür ist, dass hier meist die sogenannte »externe Quanteneffizienz« (EQE) angegeben wird. Auch wenn innerhalb der OLED 100 Prozent der Elektronen in Photonen umwandelbar sind, können sie die OLED nicht alle verlassen. Manche emittieren in die entgegengesetzte Raumrichtung – also nicht in Richtung der Displayfront. Wieder andere bleiben aufgrund optischer Effekte, wie Totalreflexion, in der OLED gefangen. Eine verbleibende Herausforderung bei OLEDs ist es somit, noch mehr Licht aus der Struktur in Richtung des Beobachters zu emittieren, so dass zukünftig externe Quanteneffizienzen von 40 bis 50 Prozent möglich sind.