Schon wieder etwas Neues auf dem Leuchtmittelmarkt? Die Evolution des elektrischen Lichts schreitet unaufhaltsam voran. Wer (sich) nicht weiterentwickelt, bleibt auf der Strecke. Stillstand wird schnell zum Rückstand, denn die Technik von heute ist morgen schon von gestern. Glühbirnen sind quasi obsolet und Energiesparlampen eigentlich schon überholt. Während LEDs gerade ihren Siegeszug durch die Welt moderner Beleuchtungstechnologie angetreten haben, um – langsam, aber sicher – herkömmliche Leuchtmittel zu verdrängen, tüfteln Forscher und Wissenschaftler immer weiter am Licht der Zukunft.

“Gleichmäßiger Lichttransport” durch organische Leuchtdioden

Leuchtende Fenster, Decken oder Tapeten sind eine Zukunftsvision, die bald Wirklichkeit werden könnte, weil mit OLEDs zum ersten Mal gleichmäßiges Licht direkt auf einer Fläche erzeugt werden kann. Bis heute gebräuchliche Lichtquellen produzierten ihre Helligkeit entweder in der Form eines Strichs (Glühfaden), einer Röhre (Gasentladung) oder eines Punktes (LED). Flächiges Licht musste mittels optischer Systeme künstlich hergestellt werden. Organische Licht–emittierende Dioden erzeugen dieses flächige Licht ohne spürbare Hitzeentwicklung und sind zudem sehr energieeffizient und umweltfreundlich. Die ultraflachen Leuchtmodule öffnen durch ihre neuartige Konstruktion zudem ungeahnte Möglichkeiten für Lichtgestaltung und Design. Während der Fachmann zufrieden nickt fragt sich der staunende Laie, was bei OLED wohl organisch sein könnte. Des Rätsels Lösung hat natürlich weder mit Anatomie noch mit Ackerbau zu tun. Dies beruht vielmehr auf chemischen Ursprungs. Die fortschrittlichen Leuchtdioden sind aus organischen Halbleitern aufgebaut, d.h. sie bestehen vor allem aus Kohlenstoff. Man kann allgemein verständlicher auch Kunststoff sagen. Wie jeder weiß, isoliert Kunststoff ausgesprochen gut, für eine Leuchtdiode benötigt man jedoch einen Halbleiter. Die hierfür bahnbrechende Entdeckung, dass Kunststoffe unter bestimmten Voraussetzungen elektrische Ladung transportieren können, ist noch gar nicht so lange her. Erste erfolgreiche Versuche in amerikanischen und japanischen Laboren erfolgten zwar schon in den 70er Jahren, aber der Durchbruch gelang erst den Wissenschaftlern lan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa, die dafür im Jahre 2000 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Das Gewerbemuseum in Winterthur (Schweiz) eröffnete Mitte Mai dieses Jahres 2015 eine eigene Ausstellung über organische Leuchtdioden mit der titelgebendene Frage: «OLED – Licht der Zukunft?» Grund genug, die neuen Lichtquellen einmal gründlich zu beleuchten und eingehender zu betrachten.

Konstruktion und Funktionsweise

OLED steht für „organic light emitting diode“, was die englische Bezeichnung für den im Deutschen verwendeten Begriff “organische Leuchtdiode” ist. Der signifikante Unterschied zu allen anderen bekannten Lichtquellen besteht darin, dass OLEDs in Folge ihres Konstruktionsprinzips Flächenlichtquellen sind. Auf einer weniger als einen Millimeter dünnen Glasplatte wird in extrem feinen Schichten (200 bis 400 Nanometer, also etwa einhundert mal dünner als ein Menschenhaar) organischer Kunststoff aufgedampft. Der organische Kunststoff ist das Ergebnis chemischer Prozesse (Polymerisation), was ihn dazu befähigt, selbst Licht auszusenden. Die organischen Schichten werden von einer Anoden- und einer Kathodenschicht umgeben, die als elektrische Kontakte auf beiden Seiten fungieren. Bei Durchfluß elektrischer Energie erzeugen die Moleküle in der organischen Schicht ein warmes und homogones Licht, das über die gesamte Oberfläche diffus abgegeben wird. Durch unterschiedliche Molekülstrukturen ist es möglich, das komplette Spektrum von Lichtfarben zu erzeugen. Um eine dauerhaft fehlerfreie Funktion zu gewährleisten, werden sämtliche OLED–Komponenten zum Schutz vor schädlicher Außenwirkung (z.B. Oxidation durch Feuchtigkeit) sorgfältig vergossen (im Sinne von ummantelt).

Für den gegenwärtigen Einsatz und für zukünftige Weiterentwicklungen weisen organische Leuchtdioden beachtenswerte Vorteile auf: OLEDs können in beliebigen Strukturen und Mustern gefertigt werden sowie zu großen Leuchtflächen zusammengeschlossen werden. Die grössten Module kommen bereits auf eine Diagonale im Bereich von 45 Zentimetern. OLEDs liefern einen besseren Kontrast als TFT–LCDs ohne Einschränkungen bezüglich des Blickwinkels. Sie lassen sich außerdem vollständig und stufenlos dimmen. Und sie funktionieren zuverlässig innerhalb eines weit gesteckten Temperaturbereichs, also auch bei Hitze und Minusgraden. Organische Leuchtdioden sind übrigens (technisch gesehen) enge Verwandte der Kunststoff-Solarzellen. Sie unterscheiden sich zwar in Details ihres Innenaufbaus, bedienen sich allerdings desselben physikalischen Effekts, nur in umgekehrter Richtung: Licht erzeugt Strom. Schon vor ca. zwei Jahren erzielte eine solche Zelle zur Überraschung vieler Fachleute erstmals einen Wirkungsgrad von mehr als zwölf Prozent und es ist bestimmt noch mehr möglich.

Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit

Derzeit ist die Energieeffizienz von organischen Leuchdioden in etwa mit der einer Leuchtstoffröhre vergleichbar. Also schon nicht schlecht, aber auch hier verbleibt noch Luft nach oben. Gegenüber LCD–Displays sehen OLEDs  beim Stromverbrauch schon besser aus, weil sie keine Energie für Hintergrundbeleuchtung benötigen. Umweltfreundlichkeit tritt bei OLEDs schon im Produktionsprozess zutage. Anders als beispielsweise Energiesparlampen enthalten organische Leuchtdioden nämlich keine giftigen Stoffe, bestehen sie doch zu 99% aus recyclingfähigem Glas sowie aus organischen Halbleitern. Der Begriff organisch kommt treffend zur Anwendung, weil die verwendeten Molekülschichten im Wesentlichen Kohlen-, Wasser- und Sauerstoff enthalten.

Die Lebensdauer von organischen Leuchtdioden konnte mit 40.000 Stunden bereits fast auf das Niveau von LEDs mit 50.000 Stunden erweitert werden. Dagegen wirkt das Dasein herkömmlicher Leuchtmittel wie das Leben einer Eintagsfliege.

Einsatzbereiche und Marktpotential

OLED-Technik ist derzeit für den Einsatz in Bildschirmen und Displays geeignet. Man findet sie bereits in Mobiltelefonen, Digitalkameras und Tablet-Computern. Die Apple Watch verfügt beispielsweise schon heute über einen kleinen OLED-Bildschirm. An der Vergrößerung der Bildschirmdiagonale für die Verwendung in Fernsehern und Monitoren wird jedoch noch fieberhaft gearbeitet. Große Aufmerksamkeit auf die mögliche Verwendung organischer Leuchdioden spendet aktuell die Autoindustrie. Das betrifft vor allem den platzsparenden Einsatz im Innenraum oder auch in Rücklichtern. Designer von Lampen und Möbeln warten ebenfalls schon gespannt. Ermöglichen doch dünne und leichte Leuchtkörper völlig neue Möglichkeiten bei Formgebung und Gestaltung.

OLED–Fernseher werden in Zukunft eine große Rolle spielen, aber bis zum Durchbruch am Markt werden noch einige Jahre ins Land ziehen. Ihre kontraststarken Bildschirme sind gebogen oder plan, haben Full-HD-Auflösung oder das vierfache Ultra HD. Eines ist ihnen – Stand der Dinge – allen gemeinsam: Sie kommen von LG. Der koreanische Elektronikkonzern ist zur Zeit das einzige Unternehmen, das große OLEDs in Serie produzieren kann. Allenfalls Samsung verfügt zwar über die Fertigungskapazitäten für OLEDs mit Diagonalen ab 55 Zoll, hat sich aber vorerst aus dem Geschäft mit großen OLEDs zurückgezogen. Panasonic und Sony fertigen schon OLED-TVs, doch handelt es sich dabei um reine Forschungsanlagen. Ähnlich steht es bei AUO aus Taiwan oder beim japanischen Joint Venture Japan Display Inc.: Die Forschung läuft, aber es fehlt die Produktionsmöglichkeit für große Stückzahlen.

Das große Ding bei den Visonen auf einen zukünftigen Einsatz von OLEDs ist die Möglichkeit, sie statt auf Glas auf Folien zu fertigen. Flexible und/oder gebogene Oberflächen, geringes Gewicht und Unzerbrechlichkeit lassen die Augen von Ingenieuren und Designern leuchten.  Bei der Herstellung solcher Leuchtfolien müssen allerdings noch einige Probleme überwunden werden, die bei normalen glasbasierten OLEDs schon gelöst sind. Dies betrifft vor allem eine flexible Verkapselung, die Materialwahl beim Substrat und die Beschaffenheit der transparenten Elektroden.

Es ist ebenso nicht mehr unvorstellbar, dass OLED–Panels ganze Fensterverglasung ersetzen werden. Im ausgeschalteten Zustand wären diese Art Fenster ganz gewohnt durchsichtig. Werden sie eingeschaltet, verbreiten sie Licht in der gewünschten Farbe und verhindern Einsicht von außen nach innen. Auch Spiegel könnten auf gleiche Art und Weise zukünftig als Lichtquelle dienen. Mit transparenten OLEDs lassen sich zudem durchsichtige Bildschirme produzieren, zum Beispiel für den Einbau in Windschutzscheiben von Autos oder Schaufenstern von Geschäften.

Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam haben mit leuchtenden Polymeren transparente OLED-Anzeigen  gebaut, die ausreichend hell und haltbar sein sollen, um an erste kommerzielle Anwendungen zu denken. Forscher der Technischen Universität Braunschweig brachten auf einer transparenten Schicht einen ebenfalls durchsichtigen Bildpunkt zum Leuchten. Das Verfahren soll den Weg zu einer neuen Generation von durchscheinenden Bildschirmen ebnen, denn auf klaren Fensterscheiben oder flexiblen, durchsichtigen Folien können dadurch in Zukunft farbige Bilder und elektronische Informationen erscheinen.

Durchsichtige Displays

Die Universal Display Corporation hat jetzt vom US-Energieministerium den Auftrag erhalten, zusammen mit der Princeton-Universität eine neue Art intelligenter Fenster zu erproben. Diese sollen ausgestattet mit OLED-Technik Räume nachts hell erleuchten, tagsüber aber transparent geschaltet werden können, um Sonnenlicht durchzulassen wie ein gewöhnliches Fenster.

Weshalb ist OLED noch nicht das Licht der Gegenwart? Die Kosten der OLED sind nach wie vor die Hauptursache, warum sich eine überzeugende Technik bislang noch nicht flächendeckend hat durchsetzen können. Neben der aufwändigern Herstellung sind es vor allem exotische Werkstoffe, die den Preis in die Höhe treiben. So kommt in den transparenten Kontakten das seltene und teure Indium zum Einsatz. Man forscht zwar fleißig an einem Ersatz durch Nano-Silberdrähte, das Iridium der lichtemittierenden Schicht ist dagegen auf längere Sicht unersetzbar.

Ob es gelingt, die klassische Leuchtdiode zumindest in einigen Anwendungen zu verdrängen, wird daran liegen, inwieweit sich die Lichtausbeute verbessern lässt. Heutzutage kitzelt man aus einem Watt etwa 50 Lumen. Das ist zwar fünfmal besser als die klassische Glühlampe, aber immer noch nur halb so gut wie eine LED. Experten halten 100 Lumen pro Watt aber für erreichbar und das ist deutlich besser als bei Energiesparlampen. Organische Leuchtdioden machen schönes Licht, lassen sich großflächig auf Wände oder Decken aufbringen und verbrauchen wenig Strom. Mit neuen Materialien und Produktionsverfahren werden sie hoffentlich auch bald bezahlbar werden. Während OLEDs als atmosphärische Lichtspender eine Bereicherung bringen, sind sie für das Licht einer Leselampe denkbar ungeeignet. Nicht eine einzige Lichttechnik scheint das «Licht der Zukunft» zu liefern, sondern die jeweils am besten geeignete Kombination.

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