Der blaue Durchbruch
Wie beeOLED das letzte Problem der OLEDs lösen will
Das Dresdener Start-up beeOLED arbeitet an dem lange als unlösbar geltenden Engpass der OLED-Technologie: einem sowohl effizienten als auch langlebigen blauen Emitter. Ein neues metallorganisches Material ebnet den Weg für große OLED-Displays – und könnte einen Milliardenmarkt erschließen.
Das letzte große verbliebene Problem der OLEDs zu lösen – mit diesem Ziel gründeten Dr. Carsten Rothe, heute CTO, und Dr. Volodymyr Senkovsky, heute COO, im Jahr 2020 beeOLED. An sich haben die OLEDs über die vergangenen Jahre erstaunliche Fortschritte gemacht. Hatten sie anfangs mit vielen Problemen zu kämpfen, vor allem mit der Langzeitstabilität, so konnten sie im Laufe der Zeit alle zufriedenstellend gelöst werden. So schnell haben sich die OLEDs verbessert, dass alternative Technologien, allen voran die MicroLEDs, immer wieder das Nachsehen hatten – besonders als einer ihrer über lange Jahre wichtigster Fürsprecher, Apple, ausgestiegen ist.
Denn bisher konnte niemand die Hauptschwierigkeit der MicroLEDs – die komplizierte und damit kostenintensive Fertigungstechnik – in den Griff bekommen. Weil die OLEDs so schnell besser wurden, schrumpfte der technische Vorsprung der MicroLEDs immer mehr zusammen, sodass sich ihr hoher Preis in den Endprodukten am Markt nicht rechtfertigen ließ. Deshalb hatte Apple im Jahr 2024 entnervt die Reißleine gezogen – und setzte weiter auf OLEDs für die Smartwatch. Heute liegt der Marktanteil der OLEDs allein in Smartphones bei 50 Prozent – Tendenz steigend.
Doch trotz aller Fortschritte – ein Problem bleibt bestehen: Es gibt keinen effizienten und langlebigen organischen blauen Emitter. Das ist der Grund dafür, dass die OLEDs in größeren Bildschirmen – von Tablets über Laptops und PC-Bildschirmen bis zu Fernsehern, kurz »von IT bis TV« – bisher nicht Fuß fassen konnten. Ihr Marktanteil wird dort auf magere 5 Prozent geschätzt.
Das zu ändern, war das Ziel der Gründer von beeOLED, die auf reichhaltige Erfahrung auf dem Gebiet der OLEDs zurückblicken konnten, waren sie doch auch wichtige Mitarbeiter von Novaled, die 2013 für 240 Mio. Dollar an Samsung verkauft wurde, einer der größten Deep-Tech-Start-up-Exits in Deutschland. Mitgründer und CTO der Novaled war damals Dr. Jan Blochwitz-Nimoth. Nach dem Verkauf hatte sich Blochwitz-Nimoth einige Jahre in einer anderen Branche bewegt: Er war mit von der Partie, als 2019 aus dem Fraunhofer IPMS die MEMS-Lautsprecher-Entwicklung als eigenständiges Unternehmen unter dem Namen Arioso-Systems ausgegliedert wurde, und übernahm dort die finanzielle Seite der Geschäftsführung. Schon im April 2022 kaufte Bosch Sensortec das Unternehmen und entwickelt die Technologie intern weiter.
Doch die alten Bekannten aus der Novaled-Zeit verloren sich nicht aus den Augen: »beeOLED kam auf mich zu und ich stieg als CEO und Investor mit ein«, sagt Dr. Jan Blochwitz-Nimoth, der nach wie vor von der OLED-Technik fasziniert und überzeugt ist: »OLED ist einfach die beste Displaytechnik, die es zurzeit gibt.«
Die grundlegende Idee, die hinter beeOLED steht, geht schon aus dem Namen des Unternehmens hervor. Denn »bee« hat nichts mit der Biene zu tun – auch wenn sich die Assoziation zur Biene gut fürs Marketing nutzen lässt –, sondern steht für »Blue Elementary Emission«.
Um zu verstehen, was daran so neu ist, zunächst ein Blick darauf, wie die Fernseher heute aufgebaut sind. Zumeist werden als Hintergrundbeleuchtung LEDs eingesetzt. Daher werden sie auch als LED-TVs bezeichnet. Davor befindet sich dann eine in Pixel ansteuerbare Filterschicht aus Flüssigkristallen, daher der eigentlich korrektere Name LCD (Liquid Crystal Display). Die allermeisten heutigen Fernseher müssten also ganz exakt als »LED-hinterleuchtetes LC-Display« bezeichnet werden.
Nun gibt es heute auch schon OLED-Fernseher, aber deren Effizienz ist eher schlechter als die der LED-LCD-Fernseher, und das aus zwei Gründen: LGD fertigt zum Beispiel großflächige, aber natürlich pixelgenau ansteuerbare weiße OLEDs, über die dann außen Farbfilter gelegt werden, der »RGB durch W«-Ansatz. Dabei wird ein Großteil des erzeugten weißen OLED-Lichtes in den Filtern wieder absorbiert, die Effizienz ist eher niedrig. Nebenbei: OLED-Displays benötigen keine zusätzliche ansteuerbare Filterschicht mehr, da sie selber einzeln angesteuert werden und Licht aussenden, anders als LCDs.
Besser wäre es, mit einer blauen pixelierten OLED-Fläche zu beginnen und über Farbkonversion die grünen und roten Pixel zu erzeugen. Dies wäre der fertigungsseitig beste (weil kostengünstigste) Weg, große Vollfarb-OLED-Displays zu produzieren. Wenn man dabei aber mit einem ineffizienten Blau beginnt, dann kommen eben auch wieder ineffiziente OLED-Displays heraus. »Dieser Weg, den ein großer Hersteller schon ausprobiert, kann meiner Meinung nach nur zum Erfolg führen, wenn ein effizientes und langzeitstabiles Blau zur Verfügung steht«, so Jan Blochwitz-Nimoth.
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Wie TV-OLEDs hergestellt werden – und wie es besser geht |
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Heute werden kleine OLEDs, wie sie in Smartphones Einsatz finden, über ein Verfahren produziert, das sich »Evaporation Through Shadow Mask« nennt. Hier werden die emittierenden roten, grünen und blauen Schichten über Verdampfen auf dem Glassubstrat abgeschieden. An welchen Stellen genau, bestimmt eine Maske, die sogenannte Fine Metal Mask (FFM). Doch bei hohen Temperaturen dehnt sich die FFM aus und bei großen Substraten oberhalb einer Fläche von 1500 x 900 mm (Gen 5.5) wird der daraus entstehende Versatz zu groß – das Verfahren funktioniert nicht mehr. Deshalb können OLED-Fernseh-Displays auf diese Weise nicht hergestellt werden. Wenn man sich fragt, wie man die Millionen von Pixeln einzeln ansteuern kann: Unter jedem OLED-Pixel befindet sich ein metallischer Kontaktpad, der an den Ausgang eines Treibertransistors angeschlossen ist. Wie weit dieser öffnet (also wie viel Strom er durchlässt), hängt von einer Haltekapazität ab, die an der Basis des Transistors angeschlossen wird. Und diese Kapazität wird je einmal pro Bildwiederholrate über eine Matrix-Struktur (Zeilen und Spalten) erneut beschrieben oder programmiert. Im einfachsten Fall benötigt man dafür insgesamt zwei Transistoren und eine Kapazität. Deswegen werden solche Displays auch Aktiv-Matrix-Displays genannt. Die Elektronikfläche, auf der das geschieht, heißt Backplane und kann aus amorphem Silizium, Polysilizium oder Oxid-Halbleitern bestehen. Nun hatte Kodak in den USA eine Technologie entwickelt, die LG Display später gekauft hat. Damit lassen sich große OLEDs für Fernseher doch herstellen: Im ersten Schritt werden weiße OLEDs auf eine strukturierte Backplane aufgebracht. Spektralfilter, die außen auf dem Display sitzen (was in der Herstellung einfacher ist), filtern aus dem weißen Licht Rot, Grün und Blau aus. Allerdings hat das Verfahren einen gravierenden Nachteil: 65 Prozent der Energie frisst die Filterung auf! Auch Samsung Displays hat ein besonderes Verfahren entwickelt, um große OLEDs produzieren zu können: Es kommen die besten heute erhältlichen blauen Emitter zum Einsatz – die allerdings immer noch sehr ineffizient sind: Sie erreichen einen Wirkungsgrad von nur 30 Prozent. 65 Prozent der Energie verwandelt sich in Wärme und ist verschwendet. An den Stellen, wo das Display grün oder rot abstrahlen soll, kommen Farbkonverter zum Einsatz (ebenso außen aufgebracht, daher fast so einfach wie der LGD-Ansatz). Wegen der niedrigen Starteffizienz des Blaus schneiden die OLED-Displays von Samsung in Fernsehern schlussendlich nicht besser ab als die von LG Displays. Das Material von beeOLED, das die Formierung stabiler und hocheffizienter blauer OLEDs ermöglicht, ändert das komplett. Das OLED-Display à la Samsung basiert jetzt auf einem nahezu 100 Prozent effizienten blauen OLED als Startpunkt und die Farbkonversion von Blau zu Rot oder Grün gelingt sowieso schon ohne große Verluste. Damit kombiniert man die beiden notwendigen Eigenschaften: hohe Energieeffizienz und kostengünstige und skalierbare Herstellung. Denn es wird nur ein Typ von OLED-Emitter benötigt: Blau. Eine Strukturierung durch Fine Metal Masks ist nicht erforderlich. »Mit unserem neuen Material auf Basis von Lanthanid-Ionen können große OLEDs gefertigt werden, die nicht teurer als LCD-Displays sind – aber weit bessere Eigenschaften aufweisen.« Doch es gibt noch eine weitere Möglichkeit, effiziente und langlebige Displays herzustellen: MicroLEDs, an denen sehr große Unternehmen wie auch Start-ups über die vergangenen Jahre mit Hochdruck gearbeitet haben. Sie galten lange als die vielversprechendste Technik für künftige Displays mit dem Potenzial, die OLEDs abzulösen. Auch heute noch – nachdem die erste Anfangseuphorie einer Ernüchterung gewichen ist – bemühen sich zahlreiche Firmen, Institute und Wissenschaftler darum, der Technik zum Durchbruch zu verhelfen. Laut Dr. Jan Blochwitz-Nimoth momentan noch vergeblich: »Meiner Meinung nach bleiben sie in der Fertigung einfach viel zu teuer, die kommen nicht bzw. nicht schnell genug!« |
OLEDs könnten die Stromaufnahme von großen Displays um 20 Prozent reduzieren, wenn es eine gute blaue OLED gäbe, also eine, die sowohl stabil als auch effizient ist. Die gibt es aber nicht – oder besser: gab es bis jetzt nicht.
Es gibt bereits organische Emitter, die blaues Licht abstrahlen. »Das funktioniert sogar mit hoher Effizienz, die organischen blauen Emitter müssen aber aus sehr komplexen Molekülen bestehen, was wiederum die Lebensdauer stark einschränkt. Schuld sind die schwachen Kohlenstoffbindungen in organischen Molekülen. Beides, Langlebigkeit und hohe Effizienz, sind schwer unter einen Hut zu bringen.«
Die Entwicklung schien also in eine Sackgasse geraten zu sein. »Deshalb haben wir einen komplett neuen Ansatz gewählt: Im Zentrum standen zu Beginn die Ionenkerne einiger Lanthanide, insbesondere Europium und Cer«, sagt Jan Blochwitz-Nimoth. beeOLED hat dann metall-organische Moleküle entwickelt, deren zentrales Metallion von einer speziellen organischen Hülle umschlossen ist. Solche organischen Moleküle mit Metallzentrum sind an sich auch nicht neu. »Allerdings ist es noch nie zuvor gelungen, nach der Hüllen-Integration die blaue Farbe der Lanthanid-Ionen zu erhalten.«
Inzwischen hat sich Cer als das am besten geeignete Element herausgestellt. Es gehört zu den Seltenen Erden, von denen bekanntermaßen viele aus China bezogen werden müssen. Das trifft aber auf Cer nicht zu. Cer ist laut Jan Blochwitz-Nimoth in Europa gut erhältlich. Es findet sich beispielsweise in den Slurrys, die in der Halbleiterfertigung zum Polieren verwendet werden. »Zudem benötigen wir nur winzige Mengen davon, das ist kein Flaschenhals.«
Doch führen auch diese Verbindungen nur zu langlebigen und stabilen Emittern, wenn die Ionenkerne mit der richtigen organischen »Hülle« umgeben sind, die zusammen das metallorganische Molekül bilden. Sie muss den Ionenkern einerseits schützen, andererseits sollte sie aber auch durchlässig sein. Zudem muss die Verbindung geeignet sein, um sie in die OLEDs zu integrieren. Dazu werden die Moleküle im Vakuum thermisch verdampft, wobei die Temperaturen, bei denen das geschieht, nicht zu hoch, aber auch nicht zu niedrig liegen dürfen. Je nach Molekül beträgt die Temperatur zwischen 150 und 300 °C.
In dieser Hülle liegt ein Großteil des Geheimnisses des neuen Materials verborgen, das beeOLED entwickelt hat. Deshalb schweigt sich Jan Blochwitz-Nimoth über Details aus, das ist top secret.
Nicht jedoch über das Ergebnis: »Unser Molekül lebt in den OLEDs, und zwar jetzt schon recht lange, und ist zudem hocheffizient – nach längerer Zeit mal wieder ein echter Durchbruch für OLEDs. Wenn wir das noch ein wenig verbessern können, haben wir den heiligen Gral der OLEDs gefunden! Dann steht ihnen der Weg in die großen Bildschirme offen, sie werden die Effizienz deutlich steigern, die Stromkosten senken.«
Dass es auch Unternehmen gibt, die an Alternativen arbeiten, wie Fluoreszenz-, Phosphoreszenz- und TADF-Materialien, bringt ihn nicht aus der Ruhe: »Sie weisen alle gravierende Nachteile auf. Alle Versuche, diese Technologien für blau zu kommerzialisieren, sind bislang gescheitert.«
Das Geschäftsmodell von beeOLED besteht darin, das neue Material – ein nach außen unscheinbar aussehendes Pulver – an die Hersteller von OLED-Displays zu verkaufen. Solche unscheinbaren Pulver haben es im OLED-Bereich allerdings in sich: Sie werden für 100 bis über 1000 Dollar gehandelt. Das verspricht hohe Margen und deshalb konzentriert sich beeOLED auf nichts anderes.
»Wir entwickeln weder die Bildschirme noch die Prozesse, mit deren Hilfe die OLED-Displays produziert werden. Das ist die Aufgabe der OLED-Panel-Hersteller, da wollen wir uns nicht einmischen. Wir verstehen uns als reiner Material-Entwickler«, sagt Jan Blochwitz-Nimoth. Die Materialien entstehen in den eigenen Laboren, die Fertigung in größeren Mengen übernehmen dann externe Partner. beeOLED prüft die Materialien anschließend und verkauft sie. Natürlich wird jeder Schritt dahin, die Materialien, die Synthese und auch deren Anwendung in OLED-Aufbauten patentrechtlich so breit wie möglich geschützt.
Grundsätzlich werden die OLEDs verschiedener Hersteller auf ähnliche Art und Weise produziert. Doch im Detail unterscheiden sich die Prozesse und OLED-Aufbauten der Hersteller dennoch. »Unsere Aufgabe besteht nun darin, unsere Chemie so flexibel auszulegen, dass sie mit den verschiedenen OLEDs und Prozessen der OLED-Hersteller harmoniert.«
Noch befindet sich beeOLED in der Vor-Umsatzphase. Hier kommt die große Erfahrung des beeOLED-Teams zum Tragen. Die ehemaligen Gründer und Mitarbeiter von Novaled sind bei den potenziellen Kunden gut bekannt und genießen ihr Vertrauen, wie Blochwitz-Nimoth erklärt: »Sonst würden sie nicht mit einem Start-up mit gerade mal 30 Mitarbeitern zusammenarbeiten und uns unterstützen.«
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Die Magie der Lanthanide – nicht nur für OLEDs! |
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Über die vergangenen Jahre haben auch Nichtchemiker den Begriff »Seltene Erden« gelernt, die in einem weiten Bereich unter anderem in der Optik und der Elektronik zum Einsatz kommen. Dazu zählen insbesondere die 14 Elemente, die mit der Ordnungszahl 57 bei Lanthan starten und deshalb als Lanthanide bezeichnet werden. Aufgrund ihrer besonderen Orbitalstruktur verhalten sie sich untereinander chemisch sehr ähnlich. Ein Grund dafür, warum es so schwierig ist, sie zu trennen, und warum ihre Entdeckungsgeschichte relativ lange gedauert hat. Daher dachte man auch, sie seien selten auf der Erde, was aber überhaupt nicht stimmt. In ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden sie sich allerdings deutlich. Das möchte sich beeOLED in Zukunft zunutze machen: Wenn sich nur ein einziges Element der Lanthanide als Zentrum eines organischen Moleküls bewährt, dann ließen sich ähnliche Moleküle eventuell zu vielen unterschiedlichen Zwecken nutzen. Weil beeLED ein solches Molekül auf Basis von Cer – in Hinblick auf den Einsatz für die Erzeugung von blauem Licht – entwickelt hat, das sich sehr stabil verhält, könnte das Unternehmen jetzt ganz neue Märkte angehen. Das Team von beeOLED hat auch schon einen solchen neuen Markt im Blick: Kontrastmittel für MRT-Aufnahmen. Wer sich einer Untersuchung im MRT unterziehen muss, bekommt häufig ein Kontrastmittel verabreicht, weil nur so beispielsweise Tumore erkannt werden können: Gadolinium, das ein Element der Lanthanide ist. Allerdings hat Gadolinium, wenn es im Körper freikommt, einen großen Nachteil: Es führt zu Metallvergiftungen. Die Hülle der Moleküle von beeOLED schützt das Gadolinium nun aber besser als es momentane Moleküle tun – so jedenfalls der Ansatz. »Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass trotz besser abschirmender Hülle dieselbe Kontrastwirkung erreicht werden kann«, freut sich Dr. Jan Blochwitz-Nimoth. Besonders freut ihn, dass die Größe des adressierbaren Marktes beträchtlich ist: 4 Mrd. Dollar. Es sieht so aus, als ob sich beeLED von diesem Kuchen ein ansehnliches Stück abschneiden könnte. »Hier wollen wir auf jeden Fall weiter investieren«, sagt Dr. Jan Blochwitz-Nimoth. |
Genau das tun sie aber: Derzeit liefert beeOLED Proben an die Hauptkunden, die sie jetzt in ihren R&D-Anlagen testen. Im zweiten Schritt werden sie in die Pilotlinien überführt, um dann im dritten Schritt in der Serienfertigung Einsatz zu finden. »Das ist noch viel Arbeit«, sagt Blochwitz-Nimoth. Aber er ist sehr zuversichtlich, dass alles nach Plan verläuft: »2028 werden wir „ready for production“ sein, 2029 nehmen die OLED-Hersteller die Fertigung mit unseren Materialien auf und sie werden am Markt erhältlich sein.« Dann soll auch der Break-even erreicht werden.
Das dürfte nicht unrealistisch sein, denn als Kunden kommen alle OLED-Hersteller infrage, darunter die weltweiten größten Hersteller von OLED-Displays, allen voran Samsung Display, LG Display und BOE, die zusammen einen Anteil von rund zwei Dritteln am weltweiten OLED-Display-Markt halten.
Insgesamt lockt ein für beeOLED adressierbarer Markt in Höhe von 1 Mrd. Dollar mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 10 bis 15 Prozent. »Wir streben einen Marktanteil von 50 Prozent an. Und das sollte gelingen, denn der Markt nimmt das, was die höchste Leistungsfähigkeit bringt. Genau das tun wir«, sagt Blochwitz-Nimoth.
Das begeistert auch die Investoren. Bisher sind rund 20 Mio. Euro VC-Kapital und staatliche Hilfen in das Dresdener Start-up geflossen. Weitere Finanzierungsrunden in Höhe von 25 Mio. sollen in den nächsten Jahren folgen. »Und wir werden auch großzügig von staatlichen Fördergebern unterstützt«, ergänzt Blochwitz-Nimoth. »Zum Beispiel aus Sachsen, Deutschland und der EU. Das ist extrem viel wert, nach innen, was die finanzielle Reichweite und nach außen, was die Signalwirkung betrifft.«
Die Zeichen stehen also weiter auf Expansion: Bis 2029 will beeOLED rund 55 Mitarbeiter beschäftigen, davon 30 Chemiker. Die Eröffnung eines Büros in Korea ist geplant, das Labor wird erweitert und neue Maschinen werden angeschafft, um die Produktions- und Testkapazitäten zu erweitern und die Entwicklungen noch besser an die Anforderungen der Kunden anpassen zu können.
Hat er keinerlei Bedenken, dass die MicroLEDs nicht doch noch zu einem ernsthaften Wettbewerber aufsteigen könnten? »Meiner Meinung nach bleiben sie in der Fertigung einfach viel zu teuer«, antwortet Blochwitz-Nimoth. »Die kommen nicht bzw. nicht schnell genug in die breite Masse!«
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