Eine organische Leuchtdiode (OLED oder organische LED), auch als organische Elektrolumineszenzdiode (organische EL-Diode) bekannt, ist eine Leuchtdiode (LED), bei der die emittierende Elektrolumineszenzschicht ein Film aus einer organischen Verbindung ist, der als Reaktion auf einen elektrischen Strom Licht emittiert. Diese organische Schicht befindet sich zwischen zwei Elektroden; typischerweise ist mindestens eine dieser Elektroden transparent. OLEDs werden zur Herstellung digitaler Anzeigen in Geräten wie Fernsehbildschirmen, Computermonitoren, tragbaren Systemen wie Smartphones, tragbaren Spielkonsolen und PDAs verwendet.
Ein Hauptforschungsgebiet ist die Entwicklung von weißen OLED-Bauteilen für den Einsatz in Festkörper-Beleuchtungsanwendungen. Es gibt zwei Hauptfamilien von OLED: solche, die auf kleinen Molekülen basieren, und solche, die Polymere verwenden. Durch Hinzufügen mobiler Ionen zu einer OLED entsteht eine lichtemittierende elektrochemische Zelle (LEC), die eine etwas andere Funktionsweise hat. Eine OLED-Anzeige kann mit einem Passivmatrix- (PMOLED) oder Aktivmatrix- (AMOLED) Steuerschema angesteuert werden. Beim PMOLED-Schema wird jede Zeile (und Zeile) der Anzeige sequentiell, eine nach der anderen, angesteuert, während die AMOLED-Steuerung eine Dünnfilmtransistor-Rückwandplatine verwendet, um direkt auf jedes einzelne Pixel zuzugreifen und es ein- oder auszuschalten, wodurch eine höhere Auflösung und größere Anzeigegrößen ermöglicht werden.
Ein OLED-Display funktioniert ohne Hintergrundbeleuchtung, da es sichtbares Licht ausstrahlt. Daher kann es tiefschwarze Werte anzeigen und kann dünner und leichter als eine Flüssigkristallanzeige (LCD) sein. Bei schwachem Umgebungslicht (z. B. in einem dunklen Raum) kann ein OLED-Bildschirm ein höheres Kontrastverhältnis als ein LCD erreichen, unabhängig davon, ob der LCD-Bildschirm Kaltkathoden-Leuchtstofflampen oder eine LED-Hintergrundbeleuchtung verwendet. OLED-Displays werden auf die gleiche Weise wie LCDs hergestellt, aber nach der Bildung von TFT (für Aktivmatrix-Displays), adressierbarem Gitter (für Passivmatrix-Displays) oder ITO-Segment (für Segmentanzeigen) wird das Display mit Lochinjektions-, Transport- und Sperrschichten sowie nach den beiden ersten Schichten mit elektrolumineszierendem Material beschichtet, wonach ITO oder Metall wieder als Kathode aufgebracht werden kann und später der gesamte Materialstapel verkapselt wird. Die TFT-Schicht, das adressierbare Gitter oder die ITO-Segmente dienen als Anode oder sind mit der Anode verbunden, die aus ITO oder Metall bestehen kann.
OLEDs können flexibel und transparent gemacht werden, wobei transparente Displays in Smartphones mit optischen Fingerabdruck-Scannern und flexible Displays in faltbaren Smartphones eingesetzt werden können.
Geschichte
André Bernanose und Mitarbeiter an der Universität Nancy in Frankreich machten die ersten Beobachtungen der Elektrolumineszenz in organischen Materialien in den frühen 1950er Jahren. Sie legten hohe Wechselspannungen in Luft an Materialien wie Acridinorange an, die entweder auf dünnen Zellulose- oder Zellophanfilmen abgelagert oder darin gelöst waren. Der vorgeschlagene Mechanismus war entweder die direkte Anregung der Farbstoffmoleküle oder die Anregung von Elektronen. 1960 entwickelten Martin Pope und einige seiner Mitarbeiter an der New York University ohmsche dunkelinjizierende Elektrodenkontakte zu organischen Kristallen. Sie beschrieben weiter die notwendigen energetischen Anforderungen (Arbeitsfunktionen) für loch- und elektroneninjizierende Elektrodenkontakte. Diese Kontakte sind die Grundlage der Ladungsinjektion in allen modernen OLED-Bauelementen. Popes Gruppe beobachtete auch zum ersten Mal Gleichstrom (DC)-Elektrolumineszenz unter Vakuum an einem reinen Anthracen-Einkristall und an Anthracen-Kristallen, die mit Tetracen dotiert waren, im Jahre 1963 unter Verwendung einer kleinflächigen Silberelektrode bei 400 Volt. Der vorgeschlagene Mechanismus war die feldbeschleunigte Elektronenanregung der molekularen Fluoreszenz.
Die Gruppe von Pope berichtete 1965, dass in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes die Elektrolumineszenz in Anthracen-Kristallen durch die Rekombination eines thermalisierten Elektrons und eines Lochs verursacht wird und dass das leitende Niveau von Anthracen energetisch höher ist als das Exzitonen-Energieniveau. Ebenfalls 1965 erzeugten Wolfgang Helfrich und W. G. Schneider vom National Research Council in Kanada zum ersten Mal Doppelinjektionsrekombinationselektrolumineszenz in einem Anthracen-Einkristall unter Verwendung von loch- und elektroneninjizierenden Elektroden, dem Vorläufer moderner Doppelinjektionsgeräte. Im selben Jahr patentierten Forscher von Dow Chemical eine Methode zur Herstellung von Elektrolumineszenz-Zellen unter Verwendung von Hochspannung (500-1500 V), die mit Wechselstrom (100-3000 Hz) betrieben wird und elektrisch isolierte, einen Millimeter dünne Schichten eines geschmolzenen Leuchtstoffs verwendet, der aus gemahlenem Anthracen-Pulver, Tetracen und Graphitpulver besteht. Der von ihnen vorgeschlagene Mechanismus beinhaltet eine elektronische Anregung an den Kontakten zwischen den Graphitteilchen und den Anthracen-Molekülen.
Roger Partridge machte die erste Beobachtung der Elektrolumineszenz von Polymerfilmen am National Physical Laboratory in Grossbritannien. Das Gerät bestand aus einer bis zu 2,2 Mikrometer dicken Folie aus Poly(N-Vinylcarbazol), die sich zwischen zwei ladungsinjizierenden Elektroden befand. Die Ergebnisse des Projekts wurden 1975 patentiert und 1983 veröffentlicht.
Praktische OLEDs
Die Chemiker Ching Wan Tang und Steven Van Slyke von Eastman Kodak bauten 1987 das erste praktische OLED-Gerät. Dieses Bauelement verwendete eine Zweischichtstruktur mit getrennten lochtransportierenden und elektronenleitenden Schichten, so dass die Rekombination und Lichtemission in der Mitte der organischen Schicht stattfand; dies führte zu einer Verringerung der Betriebsspannung und einer Verbesserung der Effizienz.
Die Forschung auf dem Gebiet der Polymer-Elektrolumineszenz fand 1990 ihren Höhepunkt, als J. H. Burroughes et al. am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge, UK, über ein hocheffizientes, grünes Licht emittierendes Gerät auf Polymerbasis berichteten, das 100 nm dicke Filme aus Poly(p-phenylenvinylen) verwendet. Der Wechsel von molekularen zu makromolekularen Materialien löste die zuvor aufgetretenen Probleme mit der Langzeitstabilität der organischen Filme und ermöglichte die einfache Herstellung qualitativ hochwertiger Filme. In der anschließenden Forschung wurden Mehrschichtpolymere entwickelt, und der neue Bereich der Kunststoffelektronik und OLED-Forschung und -Geräteproduktion wuchs rasch. Weiße OLEDs, die 1995 von J. Kido et al. an der Yamagata-Universität in Japan entwickelt wurden, erreichten die Kommerzialisierung von OLED-Displays mit Hintergrundbeleuchtung und Beleuchtung. 1999 waren Kodak und Sanyo eine Partnerschaft zur gemeinsamen Forschung, Entwicklung und Produktion von OLED-Displays eingegangen. Im September desselben Jahres kündigten sie die weltweit erste 2,4-Zoll-Aktivmatrix-Vollfarb-OLED-Anzeige an. Im September 2002 stellten sie auf der CEATEC Japan einen Prototyp eines 15-Zoll-Displays im HDTV-Format vor, das auf weißen OLEDs mit Farbfiltern basiert. 1997 begann die Pioneer Corporation mit der Herstellung von OLEDs mit kleinen Molekülen, 2001 folgten TDK und 2002 Samsung-NEC Mobile Display (SNMD), das später zu einem der weltweit größten Hersteller von OLED-Displays wurde – Samsung Display. 2007 kam der Sony XEL-1 auf den Markt, der erste OLED-Fernseher. Universal Display Corporation, eines der Unternehmen für OLED-Materialien, hält eine Reihe von Patenten für die Kommerzialisierung von OLEDs, die von großen OLED-Herstellern auf der ganzen Welt verwendet werden. Am 5. Dezember 2017 begann JOLED, der Nachfolger der druckbaren OLED-Geschäftsbereiche von Sony und Panasonic, mit der weltweit ersten kommerziellen Auslieferung von tintenstrahlbedruckten OLED-Panels.
Arbeitsprinzip
Eine typische OLED besteht aus einer Schicht organischer Materialien zwischen zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, die alle auf einem Substrat abgeschieden sind. Die organischen Moleküle sind elektrisch leitfähig als Ergebnis der Delokalisierung von pi-Elektronen, die durch Konjugation über einen Teil oder das gesamte Molekül verursacht wird. Diese Materialien haben Leitfähigkeitsgrade, die von Isolatoren bis zu Leitern reichen, und werden daher als organische Halbleiter betrachtet. Die höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbitale (HOMO und LUMO) organischer Halbleiter sind analog zu den Valenz- und Leitungsbändern anorganischer Halbleiter. Ursprünglich bestanden die einfachsten Polymer-OLEDs aus einer einzigen organischen Schicht. Ein Beispiel war das erste von J. H. Burroughes et al. synthetisierte lichtemittierende Bauelement, das aus einer einzigen Schicht aus Poly(p-phenylenvinylen) bestand. Mehrschicht-OLEDs können jedoch mit zwei oder mehr Schichten hergestellt werden, um die Effizienz des Bauelements zu verbessern. Neben den leitfähigen Eigenschaften können verschiedene Materialien gewählt werden, um die Ladungsinjektion an den Elektroden durch ein allmählicheres elektronisches Profil zu unterstützen oder um zu verhindern, dass eine Ladung die gegenüberliegende Elektrode erreicht und verschwendet wird. Viele moderne OLEDs weisen eine einfache Doppelschichtstruktur auf, die aus einer leitfähigen Schicht und einer emittierenden Schicht besteht. Neuere Entwicklungen in der OLED-Architektur verbessern die Quanteneffizienz (bis zu 19%) durch die Verwendung eines abgestuften Heteroübergangs. Bei der Architektur mit abgestuftem Heteroübergang variiert die Zusammensetzung der Loch- und Elektronentransportmaterialien innerhalb der emittierenden Schicht mit einem Dotierstoff-Emitter kontinuierlich. Die Architektur mit abgestuftem Heteroübergang kombiniert die Vorteile beider konventioneller Architekturen, indem sie die Ladungsinjektion verbessert und gleichzeitig den Ladungstransport innerhalb des Emissionsbereichs ausgleicht. Während des Betriebs wird eine Spannung über die OLED angelegt, so dass die Anode gegenüber der Kathode positiv ist. Die Anoden werden auf der Grundlage der Qualität ihrer optischen Transparenz, elektrischen Leitfähigkeit und chemischen Stabilität ausgewählt. Ein Elektronenstrom fließt durch das Bauelement von der Kathode zur Anode, während Elektronen in das LUMO der organischen Schicht an der Kathode injiziert und aus dem HOMO an der Anode abgezogen werden. Dieser letztere Prozess kann auch als Injektion von Elektronenlöchern in das HOMO beschrieben werden. Durch elektrostatische Kräfte werden die Elektronen und die Löcher einander angenähert und rekombinieren zu einem Exziton, einem gebundenen Zustand von Elektron und Loch. Dies geschieht näher an dem Teil der Elektronen-Transportschicht der Emissionsschicht, da in organischen Halbleitern Löcher im Allgemeinen beweglicher sind als Elektronen. Der Zerfall dieses angeregten Zustands führt zu einer Entspannung der Energieniveaus des Elektrons, begleitet von der Emission von Strahlung, deren Frequenz im sichtbaren Bereich liegt. Die Frequenz dieser Strahlung hängt von der Bandlücke des Materials ab, in diesem Fall von der Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO.
Da Elektronen und Löcher Fermionen mit halbganzzahligem Spin sind, kann sich ein Exziton entweder in einem Singulett- oder in einem Triplett-Zustand befinden, je nachdem, wie die Spins von Elektron und Loch kombiniert wurden. Statistisch gesehen werden für jedes Singulett-Exziton drei Triplett-Exzitonen gebildet. Der Zerfall aus Triplett-Zuständen (Phosphoreszenz) ist Spin verboten, wodurch die Zeitskala des Übergangs verlängert und die interne Effizienz von Fluoreszenzvorrichtungen begrenzt wird. Phosphoreszierende organische Leuchtdioden nutzen Spin-Bahn-Wechselwirkungen, um den Übergang zwischen Singulett- und Triplett-Zuständen zwischen den Systemen zu erleichtern, so dass sowohl Singulett- als auch Triplett-Zustände emittiert werden und die interne Effizienz verbessert wird.
Als Anodenmaterial wird üblicherweise Indiumzinnoxid (ITO) verwendet. Es ist transparent für sichtbares Licht und hat eine hohe Arbeitsfunktion, die die Injektion von Löchern in das HOMO-Niveau der organischen Schicht fördert. In der Regel wird eine zweite leitende (Injektions-)Schicht hinzugefügt, die aus PEDOT:PSS bestehen kann, da das HOMO-Niveau dieses Materials im Allgemeinen zwischen der Arbeitsfunktion von ITO und dem HOMO-Niveau anderer häufig verwendeter Polymere liegt, wodurch die Energiebarrieren für die Lochinjektion verringert werden. Metalle wie Barium und Kalzium werden oft für die Kathode verwendet, da sie niedrige Arbeitsfunktionen haben, die die Injektion von Elektronen in das LUMO der organischen Schicht fördern. Solche Metalle sind reaktiv, so dass sie eine Deckschicht aus Aluminium benötigen, um eine Degradation zu vermeiden. Zwei sekundäre Vorteile der Aluminium-Deckschicht sind die Robustheit gegenüber elektrischen Kontakten und die Rückreflexion des emittierten Lichts zur transparenten ITO-Schicht.
Experimentelle Forschung hat bewiesen, dass die Eigenschaften der Anode, insbesondere die Grenzflächen-Topographie der Anoden/Lochtransportschicht (HTL), eine wichtige Rolle für die Effizienz, Leistung und Lebensdauer von organischen Leuchtdioden spielt. Unvollkommenheiten in der Oberfläche der Anode verringern die Haftung der Grenzfläche zwischen der Anode und der organischen Schicht, erhöhen den elektrischen Widerstand und ermöglichen eine häufigere Bildung von nicht emittierenden dunklen Flecken im OLED-Material, die sich negativ auf die Lebensdauer auswirken. Zu den Mechanismen zur Verringerung der Anodenrauheit bei ITO/Glas-Substraten gehört die Verwendung von dünnen Filmen und selbstorganisierten Monolagen. Außerdem werden alternative Substrate und Anodenmaterialien in Erwägung gezogen, um die Leistung und Lebensdauer von OLEDs zu erhöhen. Mögliche Beispiele sind mit Gold (Au)-Schichtanoden behandelte Saphir-Einkristallsubstrate, die geringere Arbeitsfunktionen, Betriebsspannungen, elektrische Widerstandswerte und eine längere Lebensdauer von OLEDs ermöglichen. Einträgerbauelemente werden üblicherweise zur Untersuchung der Kinetik und der Ladungstransportmechanismen eines organischen Materials verwendet und können bei der Untersuchung von Energieübertragungsprozessen nützlich sein. Da der Strom durch das Bauelement nur aus einem Ladungsträgertyp besteht, entweder Elektronen oder Löcher, findet keine Rekombination statt und es wird kein Licht emittiert. Beispielsweise können Bauelemente, die nur aus Elektronen bestehen, durch Ersetzen von ITO durch ein Metall mit einer niedrigeren Austrittsarbeitsfunktion erhalten werden, wodurch die Energiebarriere der Lochinjektion erhöht wird. In ähnlicher Weise können auch Nur-Loch-Geräte durch Verwendung einer Kathode aus reinem Aluminium hergestellt werden, was zu einer Energiebarriere führt, die für eine effiziente Elektroneninjektion zu groß ist.
Quelle: Wiki