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OLED in Displays effizienter machen

Mehr Licht mittels orientierter Farbstoffmoleküle

30. Mai 2016, 9:12 Uhr | Tobias D. Schmidt, Thomas Lampe, Wolfgang Brütting

Organische Leuchtdioden (OLED) sind als Displaybestandteile etabliert. Damit sie am Leuchtmittelmarkt richtig Fuß fassen, muss ihre Effizienz weiter steigen. Orientierte Farbstoffmoleküle helfen dabei.

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Für Raumbeleuchtungen und Automobile wird intensiv an OLEDs geforscht. Neben Kosten und Lebensdauer ist v. a. die Effizienz von OLEDs entscheidend. Wie kann die Umwandlung von elektrischer Energie in sichtbares Licht gesteigert werden? Insbesondere die Auskopplung des Lichts aus dem Bauelement ist ein limitierender Faktor. Als Maß für die Effizienz eines Bauelements dienen zwei Größen:

Die abgestrahlte Lichtleistung pro zugeführter elektrischer Leistung in Lumen pro Watt

Die externe Quantenausbeute (EQE), das heißt die Zahl der emittierten Photonen geteilt durch die Zahl injizierter Ladungsträger, in Prozent. Diese Größe ist unabhängig von den spektralen Eigenschaften des emittierten Lichts.

Strahlende Dipole

OLEDs sind Dünnschichtstrukturen (Bild 1) aus organischen Funktionsschichten; sie können großflächig auf verschiedene Substrate aufgebracht werden. V. a. Glassubstrate, die mit einem transparenten leitfähigen Oxid, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Elektrode beschichtet sind, aber auch flexible Substrate aus Kunststoff oder Metallfolien werden verwendet.

Eine hochreflektierende Metallschicht bildet üblicherweise die zweite Elektrode.

Das Licht in der OLED entsteht durch strahlende Rekombination injizierter Ladungsträger, die innerhalb der Emissionsschicht gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) bilden. Die Lichtabstrahlung lässt sich dabei in guter Näherung als klassische Strahlung eines schwingenden elektrischen Dipols auf dem entsprechenden Farbstoffmolekül beschreiben (Bild 1). Quantenmechanisch betrachtet, handelt es sich dabei um das Übergangsdipolmoment zwischen Grundzustand und elektronisch- angeregten Zustand des Moleküls.

Um Lumineszenzlöschung zu reduzieren, die durch Aggregate mit anderen Farbstoffmolekülen entsteht, werden die Farbstoffmoleküle in der Regel auf 1 bis 10 Prozent verdünnt in ein Matrixmaterial eingebracht. Dieses ist dann hauptsächlich verantwortlich für den Transport der Ladungsträger, nicht aber für die

Lichtemission. Das Aufmacherbild zeigt Beispiele für Farbstoffe und Matrixmaterialien als Wirt-Gast-Systeme in OLEDs. Bei Fluoreszenzfarbstoffen können nur Anregungszustände mit dem Gesamtspin 0 – also Singulett-Zustände – strahlend zerfallen. Bei Phosphoreszenzfarbstoffen erzeugen sowohl Singulett- als auch Triplett-Zustände mit Gesamtspin 1 Licht.

Alternativ werden rein organische Donor-Akzeptor-Systeme eingesetzt, bei denen die Austauschaufspaltung zwischen angeregten Singulett- und Triplett-Zuständen so gering ist, dass eine Aufkonversion von Tripletts zu Singuletts – mit verzögerter Fluoreszenz – thermisch möglich ist.

In weißen OLEDs wird Licht aus Molekülen mit unterschiedlichen optischen Energielücken erzeugt. Hierbei wirken neben Ladungsträgerrekombinations- auch Energietransferprozesse zwischen unterschiedlichen Farbstoffen und nichtstrahlende Deaktivierungskanälen. Außerdem sind mehrere, räumlich getrennte Emissionsschichten innerhalb des OLED-Schichtstapels möglich.