Die Flaschen mit einem farbig leuchtenden Inhalt beinhalten eine neue Generation farbiger Emittermoleküle, die in Zukunf vielleicht in OLEDs eingesetzt werden können.

Organische Leuchtdioden

Organische Leuchtdioden oder kurz OLEDs werden bereits seit einiger Zeit als das Licht der Zukunft gehandelt. Und obwohl diese Lichtquellen bereits in den Bildschirmen von Smartphones verbaut werden, gibt es immer noch einige Schwachstellen, die es zu beheben gilt. In unserem Podcast sprach Hartmut Yersin von der Universität Regensburg zum Thema. Hier finden den Beitrag zum Nachlesen.

Licht ist nicht gleich Licht: Jenseits des Sonnenlichts benötigen wir künstlich erzeugtes Licht, um unsere Zimmer, Computerbildschirme oder Handydisplays zu beleuchten. Dafür gibt es verschiedene Methoden.

Hartmut Yersin: „Um Licht zu erzeugen, kann man Glühbirnen nehmen. Das sind Metallfäden, die stark erhitzt werden und daraufhin leuchten. Allerdings sind Glühbirnen nicht sehr effektiv. Dann gibt es noch Gasentladungslampen oder Energiesparlampen, die Quecksilber enthalten. Bei denen führt eine Gasentladung zur Lichtemission. Quecksilberdampf erzeugt, wenn er angeregt wird, ultraviolettes Licht, das an den Wandungen in sichtbares Licht umgesetzt wird.“

Während zur Raumbeleuchtung vor allem Glühbirnen und Energiesparlampen eingesetzt werden, sind in Flachbildschirmen heutzutage vor allem LCD-Displays verbaut. LCD-Bildschirme basieren beispielsweise auf einer Flüssigkristalltechnik: Eine Hintergrundbeleuchtung erzeugt Licht, das anschließend durch Ausrichtung von Flüssigkristallen unterschiedlich gefiltert wird – und so verschiedene Farben erzeugt. Als Alternative zur LCD-Technik könnte sich in Zukunft eine Methode durchsetzen, die ohne ständige Hintergrundbeleuchtung auskommt und daher energieeffizienter ist und weniger Wärme erzeugt. Die sogenannten OLEDs – kurz für die englische Bezeichnung Organic Light Emitting Diode – erforscht Hartmut Yersin mit seiner Gruppe für theoretische und physikalische Chemie.

Die Grafik zeigt den schematischen Aufbau einer OLED. Zwischen Kathode und Anode liegt eine relativ kleine Spannung an, die dazu führt, dass sich Elektronen und positive Ladungsträger in der Emitterschicht treffen. Beim Aufeinandertreffen der beiden Ladungsträger werden die darin enthaltenen Farbstoffmoleküle zum Leuchten angeregt. Das Licht durchdring anschließend das Glassubstrat und das OLED leuchtet.
Aufbau einer organischen Leuchtdiode

„Bei den OLEDs gibt es eine Reihe von dünnen Schichten, an die eine kleine Spannung von vielleicht fünf Volt angelegt wird. Und diese Schichtenaufbauten sind relativ kompliziert, aber man kann es einfach darstellen. Wir haben eine Anode und eine Kathode und in der Mitte einige Funktionsschichten. Und von der Kathode werden Elektronen in Richtung Anode transportiert und von der Anode werden Löcher – das sind positive Ladungsträger – in Richtung Kathode transportiert. In der Mitte treffen sich Loch und Elektron und können zur Anregung von Molekülen führen. Und diese Moleküle können leuchten.“

Das Wort „Organic“, also organisch, im Namen der OLEDs bezeichnet die Verwendung von Kohlenstoffverbindungen – im Gegensatz zur anorganischen Chemie, die sich beispielsweise mit Metallen beschäftigt.
OLEDs ermöglichen prinzipiell eine flächige und energieeffiziente Beleuchtung. Ihre Farbe hängt dabei von den angeregten Farbstoffmolekülen ab, den sogenannten Emittermolekülen: Ihre Mischung auf einem Raum von wenigen Millionstel Metern erlaubt die Erzeugung weiterer Farben.

„Die Größe eines OLED-Pünktchens, also eines Pixels, beträgt nur einige Mikrometer. Sie sind also sehr klein und wenn man in so einem Pixel drei Farben erzeugt, kann das Auge diese nicht unbedingt auflösen. Dann würde man Weiß sehen können.“

Vor allem dieses weiße Licht der OLEDs – zusammengesetzt aus rot, blau und grün leuchtenden Farbstoffmolekülen – empfinden wir als warm und angenehm, da es in seiner Farbmischung dem Sonnenlicht ähnelt. Hingegen werden Leuchtstoffröhren als kalt wahrgenommen: Ihr Licht enthält einen höheren Blauanteil. Eine weitere positive Eigenschaft der OLEDs ist ihre geringe Dicke, die im Bereich von Nanometern, also Milliardstel Metern, liegt.

„Die OLED-Schichtenaufbauten sind extrem dünn. Zum Beispiel beträgt die Dicke der Emitterschicht nur vierzig Nanometer. Das heißt, dass das ganze OLED ohne die Trägerschicht rund dreihundert Nanometer dick ist. Die Trägerschicht ist auch sehr dünn und besteht entweder aus Glas oder es handelt sich um eine Polymerfolie. Es handelt sich also einfach um eine Folie, die mit den OLEDs beschichtet wird und daher immer flexibel ist.“

Der Raum mit vielen Fenstern zeigt ein mögliches Einsatzgebiet von OLEDs. Da die OLED-Folien prinzipiell durchsichtig sind, ist es möglich, sie auf Fenster anzubringen, sodass sie tagsüber das Sonnenlicht wie ein normales Fenster durchlassen. Nachts kann man sie dann anschalten und erhält eine flächige Beleuchtung des Raumes.
Mögliche Beleuchtung der Zukunft: OLED-Fenster

OLED-Folien könnten somit zusammengerollt oder sogar gefaltet werden. Auch auf Fenster könnte man sie kleben. Denn Anode und Kathode einer OLED sind durchsichtig, solange keine Spannung anliegt. Ist die OLED-Folie aus, ist das Fenster transparent. Schaltet man das OLED an, wird das Fenster zu einer undurchsichtigen, beleuchteten Fläche. Bei der praktischen Umsetzung dieser Beleuchtungsfantasien müssen die Entwickler allerdings einige Hürden überwinden. Als Trägerschicht für die OLEDs lässt sich beispielsweise nicht einfach eine gewöhnliche Kunststofffolie verwenden.

„Sobald Sauerstoff oder Wasser an die OLEDs gelangen, führt das zu chemischen Reaktionen, oder das Licht würde gelöscht werden. Dann funktioniert das OLED also nicht mehr. Deshalb muss man die dünnen Schichten sehr gut verkapseln. Normale flexible Polymere oder Folien sind dafür nicht dicht genug.“

Als OLED-Folien sind also nur spezielle Kunststoff- oder Glasfolien geeignet. Dieses Problem bekommen Forscher und Hersteller aber schon ganz gut in den Griff. Eine viele größere Hürde sind derzeit die Moleküle in den OLEDs, die letztendlich das Licht aussenden. Ursprünglich wurden in den OLEDs rein organische Moleküle als Emittermoleküle verwendet. Ein Emittermolekül wird durch die Kombination von Elektron und Loch angeregt – nimmt also Energie auf. Dadurch geht es kurzzeitig in einen höheren Energiezustand über, bevor es wieder in den Grundzustand zurückfällt und dabei ein Photon aussendet. Das Problem liegt nun darin, dass die Moleküle in zwei unterschiedliche Zustände angeregt werden können, wobei nur der sogenannte Singulettzustand zur Lichtumwandlung führt – beim Triplettzustand hingegen geht die Energie in Form von Wärme verloren.

In der ersten Generation von OLEDs wurden die Triplettzustände zu 75 Prozent angeregt, die lichterzeugenden Singulettzustände aber nur zu 25 Prozent, das heißt: Drei Viertel der Energie gingen verloren. Der Wirkungsgrad dieser OLEDs war also relativ gering. Für die zweite Generation der OLEDs wichen Wissenschaftler daher auf metallorganische Moleküle aus, in denen das Problem der ungenutzten Triplettzustände nicht besteht. Metallorganische Verbindungen weisen neben Kohlenstoff auch Metallatome auf. Vor allem Edelmetalle wie Platin oder Iridium sind als Bausteine in den metallorganischen Molekülen geeignet. Mit Iridium lässt sich beispielsweise ein Grünton erzeugen. Aber auch diese Art von OLED hat einen großen Nachteil.

„Iridiumtrisphenylpyridin ist ein bekannter Emitter, der in OLEDs verwendet wird. Aber für Beleuchtungssysteme würde man sehr große Flächen damit ausstatten wollen und daher sehr viel Material verbrauchen. Allerdings ist Iridium selten und daher auch teuer. Es werden nur fünf Tonnen davon pro Jahr auf der Erde gefördert. Daher lautet die Frage: Kann man diese Iridiumverbindungen durch preiswertere Materialien ersetzen?“

Ein OLED wird mit einer Batterie als Spannungsquelle zum Leuchten angeregt. Die OLED-Schichten können prinzipiell auch in einem modifizierten Tintenstrahldruckverfahren oder auch im Offsetdruck hergestellt werden. Das verspricht ein zukünftiges kostengünstiges Herstellungsverfahren, da andere Beleuchtungstechniken oft nur unter teuren Reinraum-Bedingungen hergestellt werden können.
Drucktechniken für OLEDs

Auch Hartmut Yersin und seine Kollegen versuchen, solche preiswerteren Materialien zu entwickeln. Mithilfe quantenmechanischer Berechnungen entwerfen sie zunächst ein ideales Molekül für die OLEDs. Dabei wollen sie die positiven Eigenschaften der metallorganischen Moleküle verbinden mit dem niedrigen Preis und der breiten Verfügbarkeit von organischen Molekülen – anschließend können die Farbstoffmoleküle im Labor synthetisiert werden. Diese neueste Generation der OLEDs wird derzeit vor allem noch im Labor erforscht. Obwohl die Forschung an OLEDs noch längst nicht abgeschlossen ist und sie auch noch relativ teuer sind, halten sie bereits Einzug in den Alltag. So verbaut einer der Marktführer für Mobiltelefone OLED-Bildschirme bereits in seinen Smartphones – davon werden rund fünf bis acht Millionen Stück pro Monat gefertigt.

„Dann kommen die ersten OLED-Fernseher mit sehr brillanten Bildschirmen auf den Markt, die sind noch sehr teuer und kosten derzeit rund 8000 Euro. Aber der Preis wird wahrscheinlich in Kürze ganz erheblich runtergehen. In der Displaytechnik setzen sie sich schon jetzt durch. Und in der Beleuchtungstechnik sind wir auf dem besten Wege, dass wir das machen können.“

Eine technische Herausforderung stellt momentan noch die begrenzte Lebensdauer der OLEDs im Vergleich zu anderen Bildschirmen oder Beleuchtungstechniken dar: Das organische Material nimmt nach einigen Tausend Stunden Schaden aufgrund der Anregungen durch die Rekombination von Elektron und Loch. Darunter leidet vor allem die Darstellung von Blautönen, da die entsprechende elektromagnetische Strahlung besonders energiereich ist. Bis dieses Problem gelöst ist, werden OLEDs wahrscheinlich vor allem in kleineren Bildschirmen verwendet, die nicht ständig beleuchtet sind: Smartphones sind dafür ein gutes Beispiel. Auf lange Sicht sind OLEDs aber für die Industrie vor allem deshalb interessant, weil sie niedrigere Produktionskosten als LCD- oder Plasmabildschirme versprechen, energieeffizienter sind – und aufgrund ihrer Flexibilität auf Folien ganz neue Einsatzgebiete versprechen.