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Auf dem Weg zu druckbaren organischen Leuchtdioden

12.07.2019

© MPI-P, Lizenz CC-BY-SA

Der erste Prototyp der in Mainz entwickelten OLED beleuchtet das Logo des MPI-P

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind heute in vielen elektronischen Geräten, angefangen von Smartphones bis hin zu Fernsehgeräten, in Form von Displays verbaut. 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 nur eine Schicht reduzieren. Dies könnte in Zukunft Leuchtdioden erlauben, die mit einem Tintenstrahldrucker druckbar sind. Der erste Prototyp der entwickelten Diode kann bereits in punkto Effizienz und Leuchtkraft mit aktuellen, marktüblichen OLEDs konkurrieren.

Organische Leuchtdioden sind Bauelemente, die nicht mehr aus Verbindungen bestehen, die das Material Gallium beinhalten, sondern aus sogenannten organischen Verbindungen, bei denen Kohlenstoff ein Hauptbestandteil ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtdioden sind die Leuchtkraft und Lebensdauer von OLEDs jedoch derzeit noch geringer, weshalb sie ein aktuelles Forschungsgebiet darstellen.

Wissenschaftler des MPI-P unter der Leitung von Gruppenleiter Dr. Gert-Jan Wetzelaer (Abteilung Prof. Paul Blom) haben nun ein neues OLED-Konzept entwickelt. OLEDs bestehen heute aus verschiedenen, hauchdünnen Schichten. Manche Schichten werden zum Transport von Ladungen verwendet, während andere verwendet werden, um Elektronen effizient in die aktive Schicht einzubringen, in der Licht erzeugt wird. So können aktuelle OLEDs leicht aus fünf bis sieben Schichten bestehen. Die Forscher haben nun eine OLED entwickelt, die nur aus einer einzigen Schicht besteht, die über zwei Elektroden mit Strom versorgt wird. Dies vereinfacht die Herstellung von OLEDs und ebnet den Weg für druckbare Displays.

Mit ihrem ersten Prototyp konnten die Mainzer Wissenschaftler zeigen, dass sie mit einer Spannung von nur 2,9 Volt eine Helligkeit des emittierten Lichts von 10.000 Candela / Quadratmeter erzeugen können - das entspricht etwa dem 100-fachen der Helligkeit moderner Bildschirme. Das Erreichen einer so hohen Leuchtkraft bei dieser niedrigen Spannung ist ein Rekord für aktuelle OLEDs. Außerdem konnten die Forscher einen externen Wirkungsgrad von 19% messen, was bedeutet, dass 19% 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 2000 Stunden messen. Innerhalb dieser Zeit ist die Anfangshelligkeit auf 50% ihres Wertes gesunken.

"Für die Zukunft hoffen wir, das Konzept noch weiter verbessern zu können und damit noch längere Lebensdauern zu erreichen. Damit könnte das Konzept für industrielle Zwecke genutzt werden", sagt Wetzelaer. Mit ihrem neu entwickelten Einschichtkonzept - also der reduzierten Komplexität von OLEDs - wollen die Wissenschaftler dazu beitragen, die Prozesse zu identifizieren und zu verbessern, die für die Reduzierung der Helligkeit verantwortlich sind.

Die Wissenschaftler verwenden eine lichtemittierende Schicht auf Basis der sogenannten "Thermally Activated Delayed Fluorescence" (TADF). Dieses physikalische Prinzip ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt, wurde aber vor etwa 10 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 Seltenerd-Metalle enthalten, wie sie in heutigen OLEDs genutzt werden.

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