Der erste Prototyp der in Mainz entwickelten OLED beleuchtet das Logo des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P).

Bild: Udo Bertram, MPI-P

Bald druckbare Leuchtdioden? Einschichtige OLED leuchtet 100-mal heller als Displays

16.07.2019

Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) ist ein OLED-Prototyp entwickelt worden, der nur aus einer einzigen, druckbaren Schicht besteht. In Sachen Effizienz und Lebensdauer kann er mit den marktüblichen, mehrschichtigen Varianten mithalten. Kommen Leuchtdioden also bald aus dem Tintenstrahldrucker?

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind heute in vielen elektronischen Geräten in Form von Displays verbaut, angefangen bei Smartphones bis hin zu Fernsehgeräten. Sie sind Bauelemente, die nicht mehr aus dem halbleitenden Material Gallium bestehen, sondern aus sogenannten organischen Verbindungen, bei denen Kohlenstoff ein Hauptbestandteil ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtdioden sind ihre Leuchtkraft und Lebensdauer jedoch noch geringer, weshalb sie ein aktuelles Forschungsgebiet darstellen.

Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) ist es nun gelungen, ein neues Design dieser Leuchtdioden zu entwickeln. Sie konnten hierbei die Anzahl der verschiedenen Schichten, aus denen eine OLED besteht, auf eine einzige reduzieren. Dies könnte in Zukunft Leuchtdioden erlauben, die mit einem Tintenstrahldrucker druckbar sind.

Werte wie bei mehrschichtigen OLEDs

OLEDs bestehen aus verschiedenen, hauchdünnen Schichten. Manche Schichten werden zum Transport von Ladungen verwendet, während andere von ihnen Elektronen in die aktive Schicht einbringen, in der das Licht erzeugt wird. So können aktuelle OLEDs leicht aus fünf bis sieben Schichten bestehen. Unter der Leitung von Gert-Jan Wetzelaer haben die Forscher nun eine OLED entwickelt, die nur aus einer einzigen Schicht besteht, welche über zwei Elektroden mit Strom versorgt wird. Dies vereinfacht die Herstellung von OLEDs und ebnet den Weg für druckbare Displays.

Mit diesem ersten Prototyp zeigten die Mainzer Wissenschaftler, dass sie mit einer Spannung von nur 2,9 V eine Helligkeit des emittierten Lichts von 10.000 cd/m2 erzeugen können – das entspricht etwa dem 100-fachen der Helligkeit moderner Bildschirme. Das Erreichen einer derartigen Leuchtkraft bei dieser niedrigen Spannung ist ein Rekord für aktuelle OLEDs.

Außerdem konnten die Forscher einen externen Wirkungsgrad von 19 Prozent messen, was bedeutet, dass 19 Prozent der zugeführten elektrischen Energie in Licht umgewandelt werden, das in Richtung des Betrachters austritt. Auch mit diesem Wert kann der OLED-Prototyp mit aktuellen OLEDs konkurrieren, die aus fünf oder noch mehr Schichten bestehen.

Im Dauerbetrieb konnten die Forscher bei einer Helligkeit, die dem Zehnfachen moderner Displays entspricht, eine sogenannte LT50-Lebensdauer von fast 2.000 h messen. Innerhalb dieser Zeit ist die Anfangshelligkeit auf 50 Prozent ihres Wertes gesunken.

Abnehmender Helligkeit auf den Grund gehen

„Für die Zukunft hoffen wir, das Konzept noch weiter verbessern zu können und damit noch längere Lebensdauern zu erreichen“, sagt Gruppenleiter Wetzelaer. Damit könnte die Entwicklung auch für industrielle Zwecke genutzt werden. Mit ihrem Einschichtkonzept wollen die Forscher außerdem dazu beitragen, die Prozesse zu identifizieren und zu verbessern, die für die Reduzierung der Helligkeit verantwortlich sind.

Verwendet wird eine lichtemittierende Schicht auf Basis der sogenannten Thermally Activated Delayed Fluorescence (TADF). Dieses physikalische Prinzip ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt, wurde aber vor etwa zehn Jahren in den Fokus der OLED-Forschung gerückt, als in Japan eine effiziente Umwandlung von elektrischer Energie in Licht demonstriert wurde. Seitdem arbeiten die Forscher an der Herstellung von TADF-basierten OLEDs, da diese keine teuren Molekülkomplexe benötigen, die Seltenerdmetalle enthalten, wie sie in heutigen OLEDs genutzt werden.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

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