07.05.2021 - European Patent Office (EPO) / Europäisches Patentamt (EPA)

Er bringt organische Halbleiter zum Leuchten

Karl Leo als Finalist für den Europäischen Erfinderpreis 2021 nominiert

Das Europäische Patentamt (EPA) gibt die Nominierung des deutschen Wissenschaftlers, Ingenieurs, Professors und Unternehmers Karl Leo für den Europäischen Erfinderpreis 2021 in der Kategorie „Lebenswerk" bekannt. Leos bahnbrechende Arbeit auf dem Gebiet der organischen Halbleiter ermöglichte die Entwicklung der hocheffizienten OLED-Technologie (organische Leuchtdiode), die in der gesamten Elektronikindustrie zum Einsatz kommt. OLED-Displays sorgen heute in den neuesten Smartphone-Modellen und anderen elektronischen Geräten für eine verbesserte Bildhelligkeit, hohe Farbauflösung und größere Energieeffizienz.

Leo ist nicht nur ein international renommierter Physiker, sondern auch Unternehmer, der im Laufe seiner Karriere zahlreiche Start-ups in der Dresdner Technologieregion „Silicon Saxony" mitbegründet und seine Forschungsarbeit in kommerziell erfolgreiche Elektronik- und Photovoltaikunternehmen umgesetzt hat. Dank seiner Leistungen auf dem Gebiet der organischen Halbleiter gilt er auch als „Organikelektronik-Papst".

„Im Laufe seiner erfolgreichen Karriere hat Karl Leo mit seinem Einfallsreichtum und Geschäftssinn leistungsstarke Technologien entwickelt, die heute von Millionen von Menschen weltweit genutzt werden", sagt EPA-Präsident António Campinos bei der Bekanntgabe der Finalisten des Europäischen Erfinderpreises 2021. „Sein effektiver Umgang mit geistigen Eigentumsrechten hat ihm dabei geholfen und es ihm ermöglicht, Unternehmen zu gründen und seine Erfindungen in verschiedenen Branchen zu kommerzialisieren."

Die Gewinner des jährlichen Innovationspreises des EPA werden am 17. Juni 2021 ab 19 Uhr im Rahmen einer Galaveranstaltung bekannt gegeben, die in diesem Jahr als digitales Event für ein internationales Publikum neu konzipiert wurde.

Der organische Funke

Leo ist bekennender Grundlagenforscher, dessen Arbeit auf einer in der Praxis verankerten Neugierde gründet. Seine Leidenschaft begann schon in jungen Jahren, als ihm seine Vorliebe für das Reparieren von Elektronikgeräten im Familienkreis den Spitznamen „der Techniker" einbrachte. Die frühe Faszination für Haushaltselektronik weckte später sein Interesse an Halbleitern, das 1985 zu seiner Diplomarbeit über Solarzellen am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) führte. Nach dieser ersten inhaltlichen Auseinandersetzung mit Halbleitern folgten Überlegungen, wie elektronische Geräte durch die einzigartigen Eigenschaften von Halbleitern - wie die Fähigkeit von Dioden, Strom leichter in eine Richtung zu leiten - verbessert werden könnten.

Leos Doktorarbeit und seine Arbeit in den Anfangsjahren seiner Karriere konzentrierten sich auf anorganische Halbleiter, die aus nicht-kohlenstoffbasierten Materialien wie Silizium oder Gallium-Arsenid bestehen. Seine Tätigkeit als ordentlicher Professor für Optoelektronik an der Technischen Universität Dresden (TU Dresden) war letztlich ausschlaggebend für seinen Einfluss auf dem Gebiet der organischen Halbleiter. Zu diesem Zeitpunkt forschten seine Kollegen an organischen Halbleitern aus kohlenstoffbasierten Materialien als mögliche Alternative zu den teureren, anorganischen Komponenten in elektronischen Geräten. Trotz ihrer Kostenvorteile, Biegsamkeit und Wiederverwertbarkeit galten sie aufgrund ihrer schlechten elektrischen Leitfähigkeit und kurzen Lebensdauer jedoch als wenig praxistauglich.

Leo fiel auf, dass nur wenige Wissenschaftler in Betracht gezogen hatten, organische Halbleiter zu dotieren - d.h. winzige Mengen von Substanzen hinzuzufügen, die frei bewegliche Elektronen erzeugen - um die Leitfähigkeit eines Materials zu erhöhen. Dotieren war zu diesem Zeitpunkt bereits eine gängige Technik, um die Leitfähigkeit von anorganischen Halbleitern zu verbessern, zum Beispiel durch die Zugabe von Spuren von Bor, Arsen, Phosphor oder Gallium zu Silizium-Wafern. Leo und seine Forschungsgruppe wollten herausfinden, ob diese Technik auch für organische Halbleiter funktioniert. Sie arbeiteten dafür mit organischen Grundhalbleitermaterialien wie Verbindungen, die Lithiumphthalocyanine enthalten (und auch für die blaue Farbe auf deutschen Autobahnschildern genutzt werden). Sie fügten kleine organische Moleküle wie Bathophenanthrolin hinzu, die elektronenziehende Eigenschaften besitzen, und erhitzten dann mit Hilfe eines Vakuumverdampfungsverfahrens die in Pulverform vorliegenden Grundmaterialien, bis kondensierte Halbleiterfilme entstanden.

1998 gelang der Durchbruch, als sein Team mit den hochtalentierten Doktoranden Martin Pfeiffer und Jan Blochwitz eine organische Halbleiter-LED entwickelten, die mit nur einem Fünftel der zuvor benötigten Spannung auskam. Ihre hohe Effizienz, lange Lebensdauer, der energiesparende Produktionsprozess und die Möglichkeit des Recyclings machten Leos organische Halbleiter zu einer nachhaltigeren Alternative zu anorganischen Halbleitern. Auf der Basis dieser ersten Ergebnisse arbeitete Leos Team daran, den Prozess noch weiter zu verfeinern. „Wir stellten fest, dass es möglich war, die Leitfähigkeit von organischen Halbleitern um einen Faktor von einer Million oder in einigen Fällen sogar mehr zu erhöhen. Wir sahen auch, dass der Prozess für Geräte, organische Leuchtdioden, Solarzellen, Transistoren und mehr verwendet werden kann", erläutert Leo.

Über Grundlagenforschung zu erfolgreichen Unternehmen

Die Arbeit des Physikers Leo wurde stets von seiner Leidenschaft für die Forschung und der angeborenen Neugierde geprägt. Seine Erfolge beruhen aber auch auf seinem Unternehmergeist. Im Laufe seiner Karriere hat er zahlreiche Start-ups in „Silicon Saxony" mitbegründet. Er weiß, wie wichtig dabei der Schutz von geistigem Eigentum ist, denn „kein Investor wird in ein Technologieunternehmen investieren, das nicht auf solidem geistigem Eigentum basiert."

2001 war Leo beispielsweise Mitbegründer des deutschen Start-ups Novaled AG® zur Kommerzialisierung von OLED-Technologien und Materialien. Leo wurde in einer von Novaled eingereichten Patentanmeldung auf eine transparente, thermisch stabile und einfach herzustellende OLED mit einer einzigartigen Leistungseffizienz als Erfinder genannt; das europäische Patent wurde 2006 erteilt. Es legte den Grundstein für Novaleds PIN OLED® Technologie, die heute in Flachbildschirmen und OLED-Beleuchtung genutzt wird und doppelt so effizient ist wie die Angebote aller Mitbewerber auf dem Markt. Auch Samsung wurde auf die PIN-OLEDs von Leo aufmerksam, und erwarb Novaled 2013 für 260 Millionen Euro.

2004 begannen Leo, sein Forscherteam und die Universität Ulm damit, die Halbleiter an organische Solarzellen anzupassen, in der Hoffnung, auch auf diesem Gebiet ähnliche Erfolge zu erzielen. 2006 meldeten sie im Namen der Heliatek GmbH® ein Patent an. Leo ist Mitbegründer dieses Solartechnik-Spin-Offs, das die weltweit erste industrietaugliche, ultraleichte, nachhaltige und biegsame organische Solarfolie entwickelt hat, die auf Gebäuden angebracht werden kann, die nicht für herkömmliche Solarmodule geeignet sind.

Die organischen Halbleiter-Feldform-Transistoren, deren Markteinführung Leo als Nächstes plant, könnten viele praktische Anwendungen für elektronische Schaltungen in Displays, der Solarenergie und sogar der Bioelektronik haben. Als Professor und Unternehmensmitbegründer versucht der 60-Jährige, die Entwicklungen auf dem Gebiet der organischen Halbleiter ständig voranzutreiben: „Ich sehe noch weitere Möglichkeiten, die über das hinausgehen, was bisher erreicht wurde."

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