Organic Light Emitting Diodes (OLEDs): Ergänzende Lichtquelle im Innenberich

Organische Leuchtdioden (Englisch: Organic Light Emitting Diodes, kurz OLEDs) werden heute schon in einer Reihe elektronischer Geräte – z.B. in den Radiodisplays von Oberklassewagen, in Tablet-PCs, Mobiltelefonen und anderen Verbrauchergeräten verbaut. Der zugrunde liegende Vorgang ist uns seit über einem halben Jahrhundert bekannt: Bereits in den 1950er-Jahren beobachteten Forscher an der französischen Universität Nancy erstmals Elektrolumineszenz in organischen Materialien. Der Effekt ließ sich jedoch nur dann erzielen, wenn das organische Material relativ hoher Spannung ausgesetzt wurde.
Die heute genutzte Technologie geht auf W. Tan und A. VanSlyke zurück, die sie während ihrer Tätigkeit bei Kodak entwickelten. Den Durchbruch brachte die Entwicklung einer Technologie, die mit niedriger Spannung auskam und deren Herstellung verhältnismäßig kostengünstig war. Die moderne OLED-Konstruktion basiert auf einem Kodak-Patent. Im November 1997 startete Touhoku-Pioneer mit Anzeigen für PKW-Armaturenbretter die erste OLED-Massenproduktion. Die ersten OLED-Displays in PDAs kamen 2004 auf den Markt und ab 2008 präsentierten Elektronikkonzerne die ersten hochauflösenden großen Fernsehbildschirme mit hohem Kontrastverhältnis und einer maximalen Leuchtstärke von 600cd/m². Entscheidend für die Weiterentwicklung der OLEDs für diese Geräte war das Bestreben, Kosten, Gewicht und Energieverbrauch zu senken sowie das Verbrauchererlebnis durch einen stärkeren Kontrast und die Unabhängigkeit vom Betrachtungswinkel zu maximieren. Doch eignen sich OLEDs auch zur Beleuchtung von Räumen? Um zu verstehen, welches Potenzial OLEDs für die Raumbeleuchtung bereithalten, beschäftigen wir uns zunächst ein wenig mit dem technischen Hintergrund.

Funktionsweise von OLEDs

In OLEDs wird eine Schicht organischen Materials zwischen zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – eingeschlossen und anschließend auf ein Substrat aufgebracht, üblicherweise Glas oder Kunststoff. Wird nun an den Elektroden niedrige Gleichspannung angelegt (positiv an der Anode, negativ an der Kathode), treffen in der organischen Schicht elektrisch geladene Teilchen (Löcher und Elektronen) aufeinander und es entsteht Licht. Charakteristik und Intensität des Lichts sowie die Art der Auskopplung aus der OLED-Anordnung entscheiden über die Eignung der OLEDs für die Beleuchtung. Als Herausforderung erwies sich für die Entwickler die Herstellung großer Panels. Generell gilt: Je größer das in einem Arbeitsgang bedruckte Panel, desto geringer die Kosten für die OLED, weil keine Notwendigkeit besteht, viele Einzelpanels zusammenzuschalten, um eine ausreichende Leuchtstärke zu erhalten. Prozess- und Materialbeschränkungen entscheiden über die maximale Größe der gefertigten Panels. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Betriebsdauer der OLEDs: Je höher die Lichtstärke, desto kürzer die Lebensdauer. Die Gewichtung dieser beiden Komponenten ist für jeden Einsatzbereich individuell abzuwägen.

Herstellung: Drei Möglichkeiten

OLEDs können auf dreierlei Art hergestellt werden: Einige führende Hersteller ziehen die Mehrschicht-Anordnung vor. Dies ist der einfachste Prozess. Die Tandem-Anordnung ist ein wenig komplexer, bietet aber auch eine größere Lichtstärke und ermöglicht die Erstellung größerer Panels. Gelegentlich wird die Tandem-Anordnung mit der Mehrschicht-Anordnung kombiniert. Der von der Mitsu-
bishi Chemical Corporation gewählte Ansatz für die von dem Tochterunternehmen Verbatim unter dem Markennamen Velve vertriebenen OLEDs ist folgender: Rote, grüne und blaue Leuchtstoffe werden nebeneinander in schmalen Streifen angeordnet. Diese Produktionsmethode ist aufwändiger, bietet aber zwei Vorteile. Jede Schicht innerhalb einer OLED hat einen anderen Brechungsindex. Die daraus entstehenden internen Reflektionen reduzieren die Auskopplung, also den Anteil des entstehenden Lichts, der aus der Anordnung in die Umgebung gelangt. RGB-Streifen (RGB: rot, grün, blau) bieten die effektivste Anordnung, um die Lichtleistung für einen bestimmten Energieverbrauch zu maximieren. Zudem sind die so konstruierten OLEDs nicht nur wie andere Konstruktionstypen dimmbar, sondern es ist auch eine Anpassung des Farb- bzw. Weißtons möglich. Der Farbton wird durch das Dimmen nicht beeinflusst. Zielsetzung bei der Herstellung von OLEDs ist es, ihre Lichtstärke zu maximieren und Pixel-Defekte zu minimieren. Deshalb verwendet Mitsubishi Chemical bei der Herstellung statt eines Trockenprozesses zum Aufdampfen der einzelnen Schichten der OLEDs ein Nassverfahren. So werden Defekte in der OLED-Struktur vermieden, die durch mikroskopisch kleine Fremdpartikel entstehen. Diese Partikel werden von der Flüssigkeit einfach umschlossen, ein weniger raues Substrat entsteht.

Wünschenswerte Merkmale der OLED-Beleuchtung

Wie bereits vorstehend angeführt, ist eine große Emissionsoberfläche nötig, damit OLEDs genügend Licht ausstrahlen, um als Leuchtmittel verwendbar zu sein. Die Lichtqualität, üblicherweise als Farbwiedergabeindex (CRI) angegeben, gibt darüber Auskunft, wie genau das Licht eines Leuchtkörpers Farben wiedergibt. Auch kommt in einer Welt, in der die Senkung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen im Fokus der Aufmerksamkeit stehen, einem geringen Energiebedarf größte Bedeutung zu, das heißt einer größtmöglichen Effizienz bei der Umwandlung elektrischen Stroms in Licht. Außerdem sollten OLED-Leuchtkörper wie OLED-Displays keine gefährlichen Substanzen enthalten, einfach in der Anwendung sein und schnell auf An- und Abschalten reagieren. Um den CRI einer Lichtquelle zu bestimmen, wird diese auf acht unterschiedliche Testfarben (R1 bis R8) gerichtet und das Spektrum des von ihnen reflektierten Lichts analysiert. Eine perfekte Farbwiedergabe entspricht einem CRI von 100 für alle Farben. Üblicherweise wird der CRI als Durchschnittswert für alle Testfarben als CRI Ra angegeben. R9, die Farbe Rot, wird bei der Berechnung des allgemeinen Farbwiedergabeindexwerts Ra nicht berücksichtigt. Für das menschliche Auge ist sie aber besonders wichtig, deshalb ist ein hoher R9-Wert von OLEDs wünschenswert. Die Wellenlänge von Licht oberhalb von R9 (etwa 650nm) beeinflusst das menschliche Sehvermögen kaum. Moderne OLED-Panels weisen für R9 einen CRI von 84 und einen CRI Ra von über 80 auf.

Was wird heute angeboten?

Die neuesten dimmbaren OLEDs bieten eine Lichtstärke von etwa 1.000cd/m² bei einer Farbtemperatur von 3.000K (im ‚Warmweiß‘-Bereich). Verstärkt werden sie durch eine Lichtauskopplungsfolie auf der Leuchtfläche. Ihr Energieverbrauch liegt bei rund 2W. Die Panels sind üblicherweise zwischen 3,6 und 8,65mm stark, ihre Betriebsdauer liegt bei mehr als 8.000 Stunden. Das entspricht einer Betriebszeit von vier Stunden pro Tag über fünf Jahre, bevor die Lichtstärke auf 70% des Ursprungswertes fällt.

Individuelle Anpassung an die Umgebung möglich

Das Weißlicht lässt sich von 2.700K, einem typischen ‚Warmweiß‘-Ton, bis etwa 6.500K, der Entsprechung hellen Sonnenlichts, steuern. Mit einer einfachen elektronischen 3-Kanal-Steuerung auf der Rückseite der einzelnen Panels lässt sich die Farbe praktisch sofort ändern. Kombiniert mit einem Dimmer lässt sich die emotionale Wirkung eines OLED-basierten Beleuchtungssystems stets an seine Umgebung anpassen. So kann beispielsweise morgens helles, weißes Licht gewünscht sein, während gegen Ende des Tages eine weniger grelle, entspannende Lichtstimmung in gedeckten Farbtönen bevorzugt wird. Die Steuerungsprotokolle DMX & Dali für die RGB-Farbanpassung und das Dimmen sind seit langem bewährt und auch kostengünstige Steuerungen sind in großer Vielzahl erhältlich. Über die Steuerung lassen sich einzelne Panels einfach kalibrieren und aufeinander abstimmen, um durch Variationen im Fertigungsprozess hervorgerufene Unterschiede zwischen einzelnen Elementen auszugleichen. Es ist davon auszugehen, dass das Dali-Protokoll in naher Zukunft ausgebaut wird und dann alle Aspekte der Farbsteuerung und Dimmung abdecken wird.

Interessante Ergänzung für Raum- und Platzbeleuchtung

Die Möglichkeiten für kreative Beleuchtungssysteme im privaten und gewerblichen Bereich sind nahezu unbegrenzt. Entgegen der Meinung von einigen Optimisten sind wir noch nicht so weit, dass die gesamte Beleuchtung von Innenräumen vollständig durch den Einsatz von OLEDs geleistet werden könnte. Doch ist ihre Entwicklung mittlerweile auf einem Stand, auf dem sie eine interessante Ergänzung für die stimmungsvolle Raum- und Platzbeleuchtung darstellen und zu wunderbaren Beleuchtungsarrangements an Arbeitsplätzen und in Privathaushalten beitragen können. Ihr Potenzial für Einzelhandelsumgebungen und andere öffentliche Orte ist groß und ihr geringer Energiebedarf entspricht auch den Anforderungen der glühendsten Umweltschützer.

Kasten: CRI oder CQS?

Der CRI wurde ursprünglich zur Bewertung der Lichtqualität von Glühlampen entwickelt. Bei der Bewertung von LEDs und OLEDs kommt manchmal eine Alternativmethode zum Einsatz. Das sogenannte CQS-System basiert auf insgesamt 15 statt der acht im CRI-System verwendeten Testfarben.

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