Organische Leuchtdioden

Millimeterdünne organische Leuchtdioden könnten künftig den Beleuchtungsmarkt revolutionieren. SCHOTT hat ein Entwicklungsprojekt gestartet, dass deren Potential beleuchten soll.
Christine Fuhr, Mainz

Effizienz mit Elektrolumineszenz

Dünn, flexibel, langlebig und energiesparend – diese Eigenschaften bieten hochwertige Beleuchtungs-
elemente auf Basis organischer Leuchtdioden. SCHOTT betreibt ein Forschungslabor, das die technologischen Grundlagen für großflächige Bauteile erarbeitet.


OLED – „Organic Light Emitting Diodes“ – heißt das Zauberwort einer relativ jungen Technologie, die im Displaybereich bereits seit Jahren erforscht wird, jedoch im Bereich Beleuchtung bisher nur wenig Beachtung gefunden hat. Zur Zeit wird dieser Markt größtenteils von konventionellen Produkten wie Glühlampen und Leuchtstoffröhren dominiert. Halogenlampen setzt man für besonders helle Ausleuchtung und Neonröhren für Spezial- und Effektbeleuchtung ein. Insbesondere für farbige Beleuchtungen kommen anorganische Leuchtdioden zum Einsatz (LEDs). Diese bieten eine sehr hohe Effizienz und eine extrem lange Lebensdauer, sie sind jedoch in ihren Herstellungskosten noch teuer. Ihre Anwendbarkeit ist deshalb auf Spezialgebiete beschränkt, beispielsweise in Verkehrsampeln, wo deren Zuverlässigkeit entscheidendes Kriterium ist. Neuste Technologien zur Herstellung flächiger Beleuchtungselemente mit dünnen organischen lichtemittierenden Schichten bieten einen interessanten Ansatz für neue Produkte. Bisher ist kein Unternehmen in diesem Marktsegment kommerziell tätig.

Vielversprechende Technologie

Eines der ersten marktreifen Produkte mit OLED-Display: ein Autoradio von Pioneer.
1979 entdeckte der Kodak-Wissenschaftler Chin Tang während seiner Arbeiten mit Solarzellen ein blaues Abstrahlen des verwendeten organischen Materials. Acht Jahre später konnte er mit seinem Kollegen van Slyke erstmals Elektrolumineszenz an sehr dünnen organischen Multischichten bei niedrigen Einsatzspannungen von unter 10 Volt aufzeigen. Dies forcierte eine weltweite intensive Forschung, die 1990 zur Entdeckung der Elektrolumineszenz in Polymeren und innerhalb von zehn Jahren zu ersten Anwendungen führte. Insbesondere die Displayindustrie zeigt starkes Interesse an OLED, zumal bei dieser Technologie keine Reflexionen und Farbverfälschungen entstehen. OLED könnten laut Expertenmeinung künftig fast alle Anforderungen erfüllen, die an ein Display gestellt werden. Inzwischen arbeiten mehr als 100 Firmen intensiv an der Weiterentwicklung, von Giganten wie Sony und DuPont bis hin zu 35-Mann-Firmen wie Universal Display. „Was einem nicht mehr loslässt bei OLED ist das Gefühl, dass ein Display nicht nur funktional, sondern auch schön sein kann“, meint Les Polgar, Präsident von Eastman Kodak Co., Walnut Creek, California.

Projekt beleuchtet Potenzial

Anlage zur Erforschung und Nutzung der neuen Technologie. Die Prozesse werden unter Reinraumbedingungen und in Inertgasatmosphäre durchgeführt.
Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die für den Display-Bereich relevanten Schwerpunkte hochauflösend, schnell schaltend und vielfarbig, erscheinen jedoch grundsätzlich auch für großflächige Anzeigen einsetzbar. Die attraktiven Eigenschaften der OLED-Technologie, wie sehr dünn und großflächig, leicht, flexibel, hohe Helligkeit bei relativ niedrigem Energieverbrauch, weiter Blickwinkel, potenziell geringe Herstellkosten und Langlebigkeit versprechen eine innovative Produktpalette.

SCHOTT hat gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft ein Projekt gestartet, das – mit staatlicher Förderung – die Grundlagen zur Herstellung flächiger dünner Strahlungsquellen auf der Basis von leitfähigen organischen lichtemittierenden Schichten mit Dicken im Nanometer-Bereich erforschen soll. Dabei werden unter anderem auch Materialien und Materialkombinationen mit dem Ziel hoher Effizienz und hoher Lebensdauer untersucht sowie eine Bewertung der Technologiebasis bezüglich der Umsetzbarkeit durchgeführt.

Durch die konsequente Umsetzung der in diesem Projekt erarbeiteten Forschungsergebnisse könnte die Technologie auch für traditionelle Beleuchtungsprodukte eingesetzt werden und neue Anwendungen ermöglichen. Das Marktvolumen kann somit durch OLED-Produkte nachhaltig erweitert werden. Dazu sind die einzelnen Prozessschritte allerdings noch intensiv zu erforschen, um diese wesentlich zu verbessern und völlig neue Ansätze bereitzustellen. Mit den bisherigen technischen Lösungen ist das attraktive Marktpotenzial nicht zu erschließen. Das SCHOTT Verbundprojekt ist auf drei Jahre ausgelegt und bildet die Basis für einen Businessplan und für die Entscheidung einer späteren Pilotfertigung.

Beschichtungstechnologie entscheidend

Die eindimensionale Kompaktheit der zu erforschenden Beleuchtungstechnologie stellt einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil gegenüber konventionellen Lösungen dar. Hierfür werden organische Schichten (Polymere) mit Dicken im Nanometer-Bereich großflächig auf Substrate aufgetragen. Beschichtungsverfahren mit denen dies möglich ist, nehmen deshalb eine Schlüsselposition ein. In diesem Prozessschritt sollen außerdem eine möglichst hohe Materialausbeute angestrebt und möglichst nur recycelbare Materialien verwendet werden.

Eine weitere Attraktivität der Anwendung von OLED-Materialien für Flächenbeleuchtungen ist die Möglichkeit, Bauteile mit hoher Leistungsfähigkeit herzustellen. Obwohl schon jetzt Effizienzen erreicht werden, die diejenigen von Glühlampen übersteigen, sind Materialien mit verbessertem Wirkungsgrad noch intensiver zu erforschen. Bei Nutzung der OLED-Technologie erscheinen Energieeinsparungen von einem Faktor 3 gegenüber klassischen Beleuchtungselementen möglich.
Für die Bauteil- herstellung werden die Lösungen (oben) durch Spincoaten auf Glassubstrate aufgebracht (rechts).
Die so abgeschiedenen Filme haben Dicken im Nanometer-Bereich.
Bei der Herstellung der organischen Materialien nehmen die deutschen Materialhersteller Covion und Bayer im internationalen Wettbewerb eine gute Position ein. Das bei SCHOTT vorhandene Know-how und die für das Verbundprojekt relevanten Qualifikationen leiten sich aus breit gefächerten Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten ab. Es liegen umfangreiche Kenntnisse zu Substraten, Strukturierung und Reinigung sowie zu großflächigen Beschichtungsverfahren vor. Derzeit werden bei SCHOTT anorganische Beschichtungen mit verschiedensten Techniken wie Tauchverfahren, Spincoating, Siebdruck, unterschiedlichsten PVD- und CVD-Verfahren aufgebracht. Basierend auf diesem Wissen wurden zahlreiche Produktentwicklungen auf den Gebieten Beleuchtung und Photonics durchgeführt, was sich in steigenden Marktanteilen in diesen Bereichen niederschlägt. Umfangreiche Kenntnisse existieren ebenso zur Verkapselung und zu Test- und Analyseverfahren. Zur Verbreiterung der Technologie-Basis wurden in jüngster Zeit Mitarbeiter mit OLED-Know-how eingestellt, das Team soll weiter aufgestockt werden. Zur Durchführung der Entwicklung nutzt SCHOTT ein Reinraumlabor auf dem Gelände der IBM in Hechtsheim, das die Herstellung großflächiger organischer Schichten unter Inertgasbedingungen erlaubt.

Verheißungsvolle Zukunft

Die Prognosen für den OLED-Displaybereich sind sehr vielversprechend, obwohl nur wenige Produkte auf dem Markt sind. Pioneer hat ein Kleindisplay für Autoradios versuchsweise auf dem Markt eingeführt und Motorola bietet in den USA Mobiltelefone mit OLED-Displays an, die von Pioneer hergestellt sind. Für das Jahr 2003 ist von Sony ein 15“-Display angekündigt. Trotzdem werden für den auf OLED-basierenden „new display“-Bereich für das Jahr 2005 schon Umsatzzahlen von 5 Milliarden Dollar vorausgesagt (Quelle: Stanford Resources und Handelsblatt, 27.02.01).

Detaillierte Untersuchungen zum potenziellen OLED-Beleuchtungsmarkt liegen nicht vor. Das United States Display Consortium, San Jose/Kalifornien (USDC), hat Anfang 2001 das Thema Beleuchtung mit OLED erkannt und in deren OLED Road Map aufgenommen. Gespräche mit möglichen Kunden haben gezeigt, dass für den innovativen Ansatz ein großes Interesse vorhanden ist. Eine Erhöhung der Marktakzeptanz, so Projektleiter Dr. Klaus Bange (SCHOTT), sei durch die weitere Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Materialkosten für die organischen Substanzen und der Entwicklung materialsparender Beschichtungsverfahren absehbar. Unter diesen Annahmen wird das Marktvolumen für den Sektor Beleuchtung mit OLEDs für das Jahr 2005 mit einigen 100 Millionen Euro abgeschätzt.