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OLED olé

Organische Leuchtdioden (OLED) sollen in den nächsten Jahren den Beleuchtungsmarkt revolutionieren. Deutsche Forscher sind bei der Entwicklung der neuen Technologie ganz vorne mit dabei.

Sie sind nicht nur superdünn und leicht, sondern auch flexibel, hell und energiesparend: Die Eigenschaften organischer Leuchtdioden, der so genannten OLEDs, sind bemerkenswert. Bislang waren sie vor allem ein Hoffnungsträger für die Display-Industrie, die mit den neuartigen Leuchtdioden nach Vorhersagen der Marktforscher von Stanford Resources schon 2006 Umsätze von über einer Milliarde US-Dollar erwarten kann. Doch auch für hochwertige Beleuchtungselemente stellen OLEDs eine Alternative zu konventionellen Produkten wie Glühbirnen und Leuchtstoffröhren dar, die bisher den Beleuchtungsmarkt beherrschen. Als eine der ersten Firmen hat das Mainzer Technologieunternehmen Schott das Potenzial dieses Anwendungsgebiets erkannt und die Forschung daran konsequent angepackt: „Für uns sind OLEDs für Beleuchtungszwecke eines der wichtigsten Innovationsprojekte“, betont Dr. Udo Ungeheuer, Vorstand für Forschung und Technologieentwicklung bei Schott.

2002 hat das Unternehmen in Mainz ein Forschungslabor eingeweiht, in dem rund 20 Wissenschaftler die Grundlagen zur Herstellung großflächiger Bauteile auf Basis der leuchtenden Kunststoffe erarbeiten sollen. Die Aktivitäten werden vom Bundesforschungsministerium und dem rheinland-pfälzischen Wirtschaftsministerium gefördert und sind zunächst auf drei Jahre angelegt. „In dieser Zeitspanne wollen wir die Voraussetzungen für eine künftige Pilotfertigung schaffen“, erklärt Dr. Klaus Bange, Projektleiter bei Schott, die Zielsetzung.

Anorganische Leuchtdioden (LEDs) sind seit langem bekannt. Sie finden sich als farbige Lichtquellen in fast jedem elektronischen Gerät, auf Werbeflächen und in Verkehrsampeln. Trotz ihrer technischen Reife haben sie einen gravierenden Nachteil: Ihre Herstellung ist relativ teuer. Daher blieb ihre Anwendung bisher auf Spezialgebiete für punktförmige Lichtquellen beschränkt. Im Gegensatz dazu ist der Aufbau selbst von größeren, qualitativ hochwertigen Leuchtkörpern mit den organischen Pendants prinzipiell einfach und kostengünstig. Vor diesem Hintergrund hat Schott damit begonnen, die Grundlagen für eine Fertigung großflächiger, dünner Strahlungsquellen aus OLEDs zu entwickeln – gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung: der Frankfurter Firma Covion Organic Semiconductors, dem Leverkusener Chemiekonzern Bayer, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz sowie den Universitäten Köln, Potsdam und Braunschweig.

Die Geschichte der OLEDs beginnt im Jahr 1979. Damals entdeckte der Kodak-Wissenschaftler Dr. Ching Tang während seiner Arbeiten mit Solarzellen, dass das verwendete organische Material blaues Licht abstrahlte. Acht Jahre später konnte er zusammen mit seinem Kollegen Steve van Slyke erstmals so genannte Elektrolumineszenz – das Aussenden von Licht nach Anlegen einer elektrischen Spannung – an sehr dünnen organischen Mehrfachschichten belegen. Daraufhin setzte weltweit eine intensive Forschung ein, die 1990 zur Entdeckung der Elektrolumineszenz in Polymeren und in den Jahren danach zu ersten Anwendungen führte. Inzwischen sind weltweit mehr als 100 Unternehmen – vor allem Hersteller von Displays – auf dem Gebiet der OLEDs aktiv.

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Eine OLED besteht aus einem Substrat, einer transparenten Elektrode, einer oder mehreren sehr dünnen organischen Schichten von nur etwa 100 Nanometer (tausendstel Millimeter) Stärke sowie einer Gegenelektrode, die wie in einem Sandwich übereinander liegen. Dieser Aufbau muss durch eine Verkapselung geschützt werden, weil sowohl die organischen Lagen als auch einige Elektrodenmaterialien sehr empfindlich auf Oxidation durch Sauerstoff oder Feuchtigkeit reagieren. Der Träger ist in der Regel Glas, aber es sind auch Kunststoff-Folien oder ein Glas-Plastik-Laminat denkbar. Für die Herstellung der transparenten Anode werden Indium-Zinn-Oxid oder ähnliche Oxide verwendet.

Für die innovative Beleuchtungstechnologie müssen organische Schichten wenige Nanometer dick großflächig auf Substrate aufgetragen werden. Beschichtungsverfahren nehmen deshalb eine Schlüsselrolle bei der Einführung der Technologie ein. Um sie anwenden zu können, sind weitreichende Kenntnisse über Substrate, ihre Strukturierung und Reinigung erforderlich. Zudem werden Verfahren zur Verkapselung der Flächen, Analyse- und Testprozesse benötigt. Schott besitzt hierbei eine gute Ausgangsposition, weil im Unternehmen bereits die geforderten Techniken etabliert sind: Tauchprozesse, Spincoating und Siebdruck, ferner verschiedene PVD- und CVD-Verfahren (Physical/Chemical Vapour Deposition = physikalische/chemische Abscheidung aus der Gasphase). Auch Reinraumlabors mit Schutzgas-Arbeitsplätzen, wie sie für die OLED-Produktion notwendig sind, werden bei den Mainzern schon länger auf anderen Arbeitsgebieten genutzt.

Das Funktionsprinzip einer OLED beruht, ähnlich wie das einer anorganischen LED, auf der so genannten Injektions-Elektrolumineszenz: Bei ausreichender Spannung zwischen den Elektroden (zwei bis zehn Volt) werden in die organische Schicht Ladungsträger injiziert, die sich durch das angelegte elektrische Feld zur Gegenelektrode bewegen. Treffen dabei freie Elektronen und Löcher (fehlende Elektronen) aufeinander, bildet sich unter bestimmten Umständen ein Paar aus diesen beiden Ladungsträgern – das „Exziton“ –, das unter Aussendung von Licht zerfallen kann. Das Emissionsspektrum, das heißt die Farbe des ausgesandten Lichts, hängt von der Energie des Exzitons und damit vom verwendeten organischen Material ab. Für hocheffiziente OLEDs müssen alle diese Vorgänge optimal aufeinander abgestimmt sein.

Die derzeit anstehenden Forschungsarbeiten basieren auf Polymeren der Hersteller H.C. Starck, Covion und Dow Chemicals. Die Ziele des Schott-Teams sind insbesondere eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer der hergestellten Bauteile. Angestrebt werden weiterhin eine gute Materialausbeute und eine möglichst durchgängige Rezyklierbarkeit. „Wir wollen darüber hinaus den Wirkungsgrad weiter optimieren, obwohl für einige Farben schon jetzt die Effizienz von Glühbirnen deutlich übertroffen wird“, betont Dr. Roland Langfeld, Leiter der Forschungs- und Technologieentwicklung bei Schott. Energieeinsparungen von rund zwei Dritteln gegenüber den klassischen Beleuchtungen scheinen realistisch zu sein.

Genaue Untersuchungen über das Potenzial des OLED-Beleuchtungsmarktes liegen noch nicht vor. Immerhin hat das USDC, das United States Display Consortium in San Jose, Kalifornien, bereits Anfang 2001 dieses Thema als wichtig erkannt und in seine Planungen für die künftige Entwicklung von Displays und Beleuchtungselementen aufgenommen. Mögliche Anwendungen gibt es zuhauf: Beleuchtungs- und Designkomponenten im Auto, Leuchtreklamen in der Werbung, Displays für Consumer-Produkte wie Herde und Kühlschränke im Haushalt sowie Infoanzeigen und Signale im Verkehrssektor.

„Man muss kein Design-Visionär sein, um sich superflache Leuchten vorzustellen. Bis zum Ende des Projekts wollen wir Formate bis DIN A4 herstellen können“, kündigt Schott-Vorstand Ungeheuer an. Bei steigender Akzeptanz am Markt durch höhere Effizienz, geringere Materialkosten, optimierte Beschichtungsverfahren und ein erweitertes Farbspektrum erwarten Fachleute von OLED-Beleuchtungselementen in wenigen Jahren Umsätze von einigen hundert Millionen Euro – von diesem Kuchen möchte Schott ein großes Stück abhaben.

Klaus Jopp

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