Eine organische Leuchtdiode (englisch organic light-emitting diode, OLED) ist ein leuchtendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, das sich von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheidet, dass die elektrische Stromdichte und Leuchtdichte geringer und keine einkristallinen Materialien erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen sich organische Leuchtdioden daher in Dünnschichttechnik kostengünstiger herstellen, ihre Lebensdauer und Lichtausbeute sind jedoch noch geringer als die herkömmlicher Leuchtdioden.
Die OLED-Technik wird für Bildschirme in Smartphones, Tablet-Computern wie auch in größerflächigen Fernsehern und Computermonitoren eingesetzt. Dabei kommen hier ausschließlich AMOLED-Displays (Active Matrix OLED) zum Einsatz, da PMOLED-Displays (Passive Matrix OLED) aufgrund ihrer Bauweise auf kleine Bildschirmgrößen beschränkt sind (< 3 Zoll).[1][2] Ein weiteres Einsatzgebiet ist die großflächige Raumbeleuchtung. Aufgrund der Materialeigenschaften ist auch eine Verwendung der OLEDs als biegsamer Bildschirm möglich.
OLEDs sind aus mehreren Schichten aufgebaut. Dabei wird meist auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet, eine Lochleitungsschicht (englisch hole transport layer, HTL) aufgebracht. Zwischen ITO und HTL wird – abhängig von der Herstellungsmethode – oft noch eine Schicht aus PEDOT/PSS aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere für Löcher dient und die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert. Auf die HTL wird eine Schicht aufgebracht, die entweder den organischen Farbstoff enthält (5 bis 10 Prozent) oder – eher selten – vollständig aus dem Farbstoff besteht, z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin), Alq3. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (engl. emitter layer, EL). Auf diese wird optional noch eine Elektronenleitungsschicht (engl. electron transport layer, ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium, Aluminium, Barium, Ruthenium, Magnesium-Silber-Legierung, im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Caesiumfluorid oder Silber aufgedampft.
Die Elektronen (d. h. die negativen Ladungsträger) werden nun von der Kathode injiziert, während die Anode die Löcher (d. h. die positiven Ladungsträger) bereitstellt. Elektronen und Löcher driften aufeinander zu und treffen sich im Idealfall in der EL, weshalb diese Schicht auch Rekombinationsschicht genannt wird. Elektronen und Löcher bilden einen gebundenen Zustand, den man als Exziton bezeichnet. Abhängig vom Mechanismus stellt das Exziton bereits den angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar, oder der Zerfall des Exzitons stellt die Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Dieser Farbstoff hat verschiedene Anregungszustände. Der angeregte Zustand kann in den Grundzustand übergehen und dabei ein Photon (Lichtteilchen) aussenden. Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt vom Energieabstand zwischen angeregtem und Grundzustand ab und kann durch Variation der Farbstoffmoleküle gezielt verändert werden. Ein Problem stellen nichtstrahlende Triplett-Zustände dar. Diese können durch Zugabe von sogenannten „Exzitoren“ wieder gelöst werden.[3][4]
Für die aus Polymeren gefertigten organischen LEDs hat sich die Abkürzung PLED (engl. polymer light emitting diode) durchgesetzt. Als SOLED oder SMOLED werden seltener die aus „small molecules“ (kleinen Molekülen) hergestellten OLEDs bezeichnet. In PLEDs werden als Farbstoffe häufig Derivate von Poly(p-phenylen-vinylen) (PPV) verwendet. In jüngster Zeit werden Farbstoffmoleküle eingesetzt, die eine vierfach höhere Effizienz als mit den oben beschriebenen fluoreszierenden Molekülen erwarten lassen. Bei diesen effizienteren OLEDs werden metall-organische Komplexe verwendet, bei denen die Lichtaussendung aus Triplett-Zuständen erfolgt (Phosphoreszenz).[5]
Diese Moleküle werden auch Triplett-Emitter genannt;[6][7] der Farbstoff kann auch durch das Umgebungslicht angeregt werden, was zu Lumineszenz führen kann. Ziel ist es allerdings, selbstleuchtende Bildschirme herzustellen, die die organische Elektrolumineszenz nutzen.[8]
In den letzten Jahren sind Simulationstechniken entwickelt worden, die inzwischen ausgehend von der chemischen Zusammensetzung wichtige Eigenschaften von OLEDs komplett am Computer berechnen können.[9][10] Diese Methoden erlauben eine kostengünstige Vorauswahl von Molekülen, ohne aufwändige Synthese und experimentelle Charakterisierung.
Bei AMOLED-(Aktivmatrix-OLED-)Bildschirmen gibt es drei bedeutende Herstellungsverfahren, die die Produktionskosten, die technischen Eigenschaften und damit das Anwendungsfeld bestimmen.[11] Zum einen gibt es RGB-Side-by-Side-AMOLED-Bildschirme (SBS), unter anderem basierend auf einer fine metal mask (FMM)-Technologie, weiße OLEDs mit einem Farbfilter (W-OLED)[12], und seit dem Jahre 2022 blaue OLEDs mit Quantenpunkten (QD-LED):
RGB-OLED-Bildschirme (engl. red green blue organic light emitting diode) sind so aufgebaut, dass jeder Subpixel eine der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau emittiert.[12] Die Vorteile liegen in einem großen Farbraum (>100 % NTSC)[13] und einer geringen Leistungsaufnahme verglichen mit W-OLED-Bildschirmen.[13] Nachteilig wirken sich jedoch das Herstellungsverfahren und die verschieden schnelle Alterung der Subpixel aus. Bei der Herstellung der SBS-AMOLEDs werden die Pixel durch eine fine metal mask (FMM) platziert bzw. auf das Substrat aufgetragen. Problematisch ist hierbei die hohe Genauigkeit, mit der die Maske ausgerichtet werden muss (±1 μm).[14] Besonders bei hohen Auflösungen und großen Bildschirmen führt dies oft zu Fabrikationsfehlern, damit zu einem hohen Ausschuss und hohen Kosten.[14] Diese Technik wird deshalb bei kleinen Bildschirmen wie Smartphones eingesetzt. Samsung ist hier ein großer Hersteller.[15]
Bei der W-OLED-Technologie (engl. white organic light emitting diode) werden keine verschiedenfarbigen Subpixel hergestellt. Der Einsatz einer FMM findet nicht statt. Bei dieser Technik trifft für jedes Subpixel weiß emittiertes Licht auf einen Farbfilter, der die Grundfarben pro Pixel selektiert.[16] Durch die fehlende FMM ist eine Produktion auch bei großen Bildschirmen in großen Stückzahlen möglich. Farbverschiebungen infolge der unterschiedlich schnell alternden Emitterfarbschichten wie bei SBS-AMOLED-Subpixeln treten hier nicht auf.[17] Einbrenneffekte sind jedoch auch bei W-OLEDs wie bei SBS-AMOLEDs durch verschieden starke Abnutzung der Subpixel bei beispielsweise gleichen Bildinhalten möglich.[18] Die Leistungsaufnahme ist bei W-OLEDs wegen des lichtabsorbierenden Farbfilters höher und der Farbraum kann geringer ausfallen als bei SBS-AMOLEDs.[16] LG beispielsweise setzt die W-OLED Technik bei Fernsehgeräten ein.[19]
Durch 4 anstatt der üblichen 3 Subpixel, d. h. mit den Subpixeln Rot, Grün, Blau und Weiß, kann die Spitzenleuchtdichte Weiß erhöht werden. Diese Technik wird von einigen Herstellern bei W-OLED-Bildschirmen verwendet. Dies führt jedoch zu unerwünschten Fehlern in der Bilddarstellung, z. B. in der Form von glühenden Linien.[20]
Bei QD-OLED (engl. quantum dot organic light emitting diode) werden wie bei der W-OLED-Technologie keine verschiedenfarbigen Subpixel hergestellt. Man verwendet für die Lichtumwandlung in die RGB-Grundfarben anstatt der Farbfilter Quantenpunkte, und anstatt der weiß leuchtenden organischen Subpixel verwendet man blaue. Bei dieser Technik trifft für die RGB-Grundfarben Rot und Grün blau emittiertes Licht auf Quantumpunkte. Da die organischen Subpixel alle blau sind, werden für die RGB-Grundfarbe Blau keine Quantenpunkte benötigt.[21]
Samsung gab bei der CES 2022 folgende Hauptvorteile gegenüber den herkömmlichen W-OLED an:[22]
Samsung sieht die QD-OLED-Technologie nur als einen Zwischenschritt an und plant in einer nächsten Entwicklungsphase, die Quantenpunkte beizubehalten, aber hierbei die darunter liegende blau leuchtende organischen Subpixel-Leuchtschichten durch sogenannte blau leuchtende GaN-Nanostäbchen (engl. GaN nanorod) Subpixel-Leuchtschichten zu ersetzen. Samsung nennt diese Technologie QNED (engl. quantum dot nanorod emitting diode). Da die GaN-Nanostäbchen nicht organisch sind, entstehen dadurch folgende Vorteile: Höhere Helligkeiten, höhere Lebensdauer und keine Burn-In-Effekte. Sehr ähnlich wie bei der Produktion von OLED können Nanorod in eine Lösung gegeben und aufgedruckt werden. Geplant war die erste Pilotserie für 2023, jedoch wurde diese im Mai 2022 auf unbestimmte Zeit verschoben.[23] Samsungs QNED-Bildschirme sind jedoch keine OLED-Bildschirme, sondern MicroLED.
MicroLED-Fernseher gelten als die Nachfolger der OLED-, LED-LCD- und Plasmafernseher. Sie vereinen alle Vorteile dieser bestehenden Bildschirmtechnologien.
OLEDs könnten bei vielen Anwendungen die heute gebräuchlichen LCDs sowie Plasmabildschirme ersetzen. Die Lebensdauer wirft noch einige Probleme auf, denn die roten, grünen und blauen Leuchtpunkte altern unterschiedlich schnell. Durch dieses unregelmäßige Altern der Einzelfarben kommt es beim Gesamtbild im Laufe der Zeit zu Farbverschiebungen, die sich nur begrenzt durch eine – idealerweise automatische – Nachregelung (vor allem über die Verstärkung der Blauemission) ausgleichen lassen.
Da selbstleuchtende OLED-Displays noch teurer als hintergrundbeleuchtete LC-Displays sind, werden sie bisher nur in speziellen Anwendungen verwendet. Wegen der geringeren Abmessungen bieten sie größere Gestaltungsfreiräume für den Gerätehersteller. Auch der Stromverbrauch der OLEDs ist oft niedriger, da sie keine Hintergrundbeleuchtung benötigen.
Große OLED-Bildschirme sind bisher teurer als entsprechend große LCD-Bildschirme. Probleme stellen vor allem die Kapselung der Bauelemente und die aufwendigere Ansteuerung der Pixel dar. Bei LCDs erfolgt die Ansteuerung mit geringer Leistung, da LCD-Pixel als elektrische Kapazitäten durch eine angelegte Spannung nur umgesteuert werden, die Lichtenergie wird von der Hintergrundbeleuchtung erzeugt. Im Gegensatz dazu müssen OLEDs selbst mit der für die Lichtabgabe erforderlichen Energie beaufschlagt werden, um Elektrolumineszenz zu erzeugen. Sie sind stromgesteuert, weshalb die bisher verwendete ausgereifte Technik aus dem LCD-Bereich nicht direkt übertragen werden kann.
Bei kleinen OLED-Bildschirmen kann die Steuerung über eine sogenannte Passivmatrix erfolgen: Ein bestimmtes Pixel wird durch das Anlegen einer Spannung an eine Zeile und Spalte angesteuert, wofür zwei Leitungen notwendig sind. Für große Bildschirme ist diese Methode nicht ausreichend, weil die Bahnwiderstände linear mit der Größe zunehmen und damit die Treiberkraft nicht mehr ausreicht, um das jeweilige Pixel anzusteuern. Zur Steuerung des Bildschirms muss hier eine Aktivmatrix eingesetzt werden, bei der jedes Pixel einzeln über einen eigenen Transistor adressiert wird, was vier Leitungen nötig macht; abgeleitet von Aktivmatrix-OLED (engl. active matrix organic light emitting diode) wird die Technik unter den Begriffen AMOLED und SuperAMOLED vertrieben. Die Bereitstellung von Schalt-(Spannungssignalen) wie auch Versorgungsstrom ist (wie bei Plasmabildschirmen) aufwendig und damit teuer und einer der Hauptgründe für die hohen Kosten großer Bildschirme.
Als neueste Technik gilt Super AMOLED+. Hier wird die PenTile-Matrix nicht mehr verwendet, wodurch jedes Pixel alle drei Grundfarben zur Verfügung hat; außerdem benötigt man nicht mehr die extrem hohen Pixeldichten, die für die Kaschierung der Pentile-Matrix notwendig waren. Entsprechend bieten derartige Bildschirme wieder die Auflösung, wie sie vor Einführung der PenTile-Matrix üblich war. Weitere Verbesserungen von AMOLED+ sollen bessere Schwarzwerte, erhöhter Kontrast, mehr darstellbare Farben, geringerer Stromverbrauch und verringerte Dicke der Anzeigeeinheit sein.
Seit 2022 werden die ersten QD-OLED Bildschirme von Samsung, Sony und Dell auf den Markt gebracht.[67][68]
Bedeutende Hersteller von Leuchtmitteln mittels OLED-Technik sind Konica-Minolta, OLEDWorks und Novaled GmbH, während LG, Samsung SDI und AU Optronics wichtige Hersteller von OLED-Informationsanzeigen sind. Daneben gibt es eine Vielzahl weiterer Hersteller.[69] Philips und Osram stiegen 2004 bzw. 2007 aus dem Display-Geschäft aus und produzieren nur noch OLED-Leuchtmittel.[70][71] Mitte 2015 zog sich Philips ganz aus der OLED-Produktion zurück und verkaufte die Produktionsanlage an OLED Works in Rochester, NY, USA.[72]
Im Juni 2015 legte der Pharma- und Spezialchemiehersteller Merck KGaA an seinem Stammsitz in Darmstadt den Grundstein für ein neues Werk, das für die internationalen OLED-Elektronikhersteller die nötigen chemischen Basiselemente für die OLED-Technik produzieren soll. Die Kosten für die neue Fabrikanlage betrugen 30 Mio. Euro. Die Anlage ging im September 2016 in Betrieb.[73]
Im November 2015 verkündete die LG Group, in Südkorea ein Werk für OLEDs zu errichten, das im ersten Halbjahr 2018 die Produktion aufnehmen soll. Die Investitionskosten betragen angeblich 8,2 Mrd. Euro.[74]
Während des Jahres 2016 hat Samsung Electronics als bedeutender Hersteller und Nutzer von AMOLEDs angekündigt, dass in Zukunft großflächige Fernsehbildschirme nicht mehr in OLED-Technik gefertigt werden. Neben beschränkter Lebensdauer werden Bildeinbrennerscheinungen und verhältnismäßig hohe Herstellungskosten als Gründe genannt.[75][76]
Im April 2021 kündigte Samsung OLEDs auf Basis der Quantum Dot-Technologie an.[77]
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