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Lichtquelle der Zukunft

OLED revolutionieren den Beleuchtungsmarkt

Auf einen Blick

Auf den Messen Light+Building 2012 und der Euroluce 2013 wurde die OLED in Beleuchtungsanwendungen groß gefeiert. Seitdem wird fleißig an der Technologie weitergeforscht, um künftig transparente, flexible und farbveränderliche OLEDs in allen Größen herzustellen. Auch Lichtausbeute, Leuchtdichte und Lebensdauer sollen bald deutlich höhere Werte erzielen.

Der Londoner Installationskünstler Jason Bruges hat für den Verkaufsraum des britischen Sportwagenherstellers Aston Martin eine OLED-Installation mit rund 750 »Lumiblade«-OLEDs kreiert, die den exklusiven Sportwagen One-77 dramatisch inszenieren.

Eine neue Fertigungslinie für die Massenproduktion

Wenn künftig Tapeten, Zimmerdecken oder Fenster nachts anfangen zu leuchten, dann könnten OLEDs im Spiel sein. Zwar ist dies noch Zukunftsmusik, dennoch sind die Hersteller und Anbieter zuversichtlich, dass die neue Lichttechnologie das Wohnen und Design, den Lifestyle und die Mode verändern wird. In Smartphones und Displays ist die OLED längst ein wichtiger Bestandteil. Im Leuchtendesign beschränkt sich die OLED-Technologie derzeit auf einzelne Lichtinstallationen für repräsentative Orte oder Designerleuchten, denn eine qualitativ hochwertige OLED-Leuchte fängt bei einem Verkaufspreis ab ca. 1000 € an. Doch auch hier sind sich die OLED-Hersteller sicher, dass sich die Preisspirale, ähnlich wie bei der LED, nach unten bewegt.

Wenn von OLEDs die Rede ist, dann kennt die Begeisterung von Dietmar Thomas keine Grenzen. Denn der OLED-Marketing-Manager im Lumiblade Lichtlabor ist sich sicher, dass die neue Lichttechnologie Planern, Designern und Verbrauchern komplett neue Möglichkeiten des Gestaltens, Wohnens und Lebens eröffnen wird.

Philips forscht, entwickelt und fertigt seine OLEDs in Aachen und unterhält seit 2007 eine Pilot-Produktionslinie. Nun ist eine neue Produktionsstrecke entstanden, die die jüngsten technischen Erkenntnisse aus der Forschung zum ersten Mal in eine für die OLED-Massenproduktion ausgelegte Fertigung umsetzen wird. Kostenpunkt des neuen Maschinenparks: rund 40 Mio. €. Die Herstellung der neuen Lichtquelle stellt besonders hohe Ansprüche an die Reinheit des Umfelds. Staub oder andere in der Luft schwebende Teilchen können die Qualität der OLEDs erheblich beeinträchtigen. Daher ist die komplette Produktionslinie in einem rund 2.000 m2 großen Reinraum der Klasse 10.000 untergebracht.

Dietmar Thomas, OLED-Marketing-Manager im Lumiblade Lichtlabor.

Aufbau und Funktionsweise der OLED

Wie LEDs basieren auch die organischen lichtemittierenden Dioden – kurz OLEDs – auf der Halbleitertechnologie. Jedoch sind die Ausgangsstoffe organische Materialien und kleinere Farbmoleküle, die leuchten, sobald Spannung anliegt. Das »organisch« im Namen hat übrigens nichts mit Tieren oder Pflanzen zu tun. Während LEDs aus anorganischen Stoffen gefertigt werden (Verbindungen und Elemente wie beispielsweise Metalle, Halbmetalle oder auch Salze), kommen bei der Produktion von OLEDs Stoffe aus dem Bereich der organischen Chemie, also Kohlenstoffverbindungen, zum Einsatz.

Schichtaufbau einer OLED

Zu Beginn der Produktion einer OLED wird eine extrem dünne, transparente und elektrisch leitende Oxidschicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf ein Glassubstrat aufgebracht. Diese Schicht bildet die Anode. Zwischen dieser Anode und der Kathode, die aus verdampftem Aluminium besteht, liegen die lichtemittierenden, leitfähigen, organischen Schichten (etwa 400 nm dünn – das entspricht einem menschlichen Haar, welches 400-fach der Länge nach geteilt wird). Für eine OLED dampft man mehrere Schichten auf, die aus unterschiedlichen organischen Materialien bestehen. Um diese Schichten vor Sauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen, versehen die Ingenieure die OLED am Ende mit einer Glaskappe. Hinzu kommt auf der Rückseite der OLED eine Art »Hochleistungschwamm«, der sogenannte Getter. Seine Funktion ist es, die wenigen Sauerstoff- und Wassermoleküle zu binden, die trotz Spezialkleber in die OLED hinein diffundieren und sonst mit den Schichten reagieren könnten. Die OLED würde dadurch ihre Leuchtkraft verlieren. Der Getter führt daher zu einer aktiven Verlängerung der Lebensdauer. Die OLED selbst leuchtet durch den Austausch von negativen und positiven Ladungen. Die Betriebsspannung liegt zwischen den beiden Elektroden – an der Kathode die negative Spannung, an der Anode die positive. Treffen nun beide Ladungen in der organischen Schicht aufeinander, entsteht ein Zustand, den Fachleute Exziton nennen: ein gebundener Zustand von Elektron und Loch in einem Halbleiter. Je nachdem, wie groß die Energiedifferenz zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand ist, besitzt das Licht eine andere Wellenlänge und damit eine andere Farbe. Die eigentliche Lichtfarbe lässt sich durch Variation von Farbstoffmolekülen gezielt verändern.

Staub oder andere in der Luft schwebende Teilchen können die Qualität der OLEDs erheblich beeinträchtigen. Die Produktion erfolgt daher unter Reinraumbedingungen.

Eigenschaften und Charakter der OLED

OLEDs sind im Gegensatz zur LED reine Flächenlichtquellen und strahlen homogenes, blendfreies Licht aus. Das von der OLED erzeugte Licht hat eine sanfte und diffuse Charakteristik. OLED-Module sind extrem flach (zwischen 0,7 und 1,8 mm, inkl. Gehäuse ca. 3 mm dick), besitzen ein geringes Gewicht und sind theoretisch in jeder beliebigen Form herstellbar. Aktuell lassen sich OLEDs bis zu einer Größe von 210 cm2 produzieren. OLEDs sind dimmbar und starten verzögerungsfrei. Dabei werden sie handwarm und sind daher gut geeignet zur Verwendung mit wärmesensitiven Materialien wie beispielsweise Stoffen oder Papier. Die niedrige Spannung macht sie für die sichere Anwendung, z.B. im Kinderzimmer, interessant. Außerdem beinhalten OLEDs keine schädlichen Substanzen, wie Quecksilber und sie erzeugen weder UV- noch IR-Strahlung. Der Farbwiedergabeindex Ra liegt bei über 85, die Leuchtdichte beträgt bis zu 6.400 cd/m2 und die Lichtausbeute bis zu 45 lm/W in unterschiedlichen Abstufungen von Weißtönen und RGB. Die Lebensdauer wird mit bis zu 30.000 h angegeben (bei 70% der anfänglichen Leuchtdichte).

Die Geburtsstunde der OLED

Die Geschichte der organischen Leuchtdiode beginnt mit dem chinesisch-amerikanischen Chemiker Ching W. Tang, der ab 1975 in der Forschungsabteilung bei Eastman Kodak arbeitete. 1979 entdeckte er bei der Arbeit mit Solarzellen ein blaues Leuchten von organischem Material, das unter elektrischer Spannung stand. Zusammen mit seinem Kollegen Steven Van Slyke präsentierte der »Vater der organischen Leuchtdioden«, wie Tang genannt wird, im Jahr 1987 die ersten Leuchtdioden aus dünnen organischen Schichten. Die ersten OLEDs waren organische Leuchtdioden, die aus im Vakuum aufdampfbaren kleinen Molekülen (small molecule oder SM-OLED) bestanden. Im Jahr 1990, dem Entdeckungsjahr der Elektrolumineszenz von Polymeren, entwickelte die Cambridge Display Technology unter Leitung von Richard Friend schließlich das Polymer-OLED- oder PLED-Verfahren. Bei diesem Vorgang ließ sich die Leuchtschicht durch einen tintenstrahlähnlichen Vorgang auf eine nahezu beliebig große Elektrode aufdrucken.

Bei Philips begann die Forschung an organischen Leuchtdioden im Jahr 1991 im Rahmen der Entwicklung von OLED-Bildschirmen. 2004 stieg das Unternehmen aus Strategiegründen aus der Displayproduktion aus und verstärkte stattdessen seine Forschungen im Bereich OLED-Beleuchtungsanwendungen. Bereits drei Jahre später entstand am Standort Aachen die erste automatisierte Pilot-Produktionslinie für OLED-Lichtmodule. Philips machte 2009 die firmeneigenen »Lumiblades« im Handel verfügbar und führte leicht zu integrierende OLEDs ein, die aus einem Licht-Panel und einem Anschluss-/Basissystem bestehen, dem Philips »Lumiblade«-Modul. Im September 2010 gelang Wissenschaftlern von Philips Research in Zusammenarbeit mit Diplom-Physiker Holger Spahr vom Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig ein bahnbrechender und zukunftsweisender Coup. Im Rahmen des Projekts TOPAS 2012 entwickelten sie das erste OLED-Modul, das mit 230-V-Netzspannung betrieben werden kann. Der Prototyp machte den Weg frei für OLED-Systeme, die direkt an die im Haushalt üblichen Steckdosen angeschlossen werden können.

Bei der Entwicklung der OLED-Technologie für Beleuchtungsanwendungen arbeitet Philips schon seit Jahren mit Fachleuten führender industrieller und akademischer Organisationen in Projekten wie Aeviom, Fast2light, OLLA, OLED100.eu, TOPAS 2012, OLED3D oder KOBALT zusammen. Gemeinsam mit Experten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen wird an einem Verfahren geforscht, mit dessen Hilfe OLEDs künftig deutlich größer, günstiger und damit auch tauglich für den Massenmarkt werden. Bereits in zwei bis drei Jahren soll dieses neue Verfahren praxisreif sein.

Anfang 2012 präsentierte Philips das  OLED-Panel »Lumiblade GL350«. Die OLED ist mit Außenmaßen von 12x12cm nicht nur besonders groß, sie rückt auch zum ersten Mal die OLED in den Bereich des funktionellen Lichts. »GL350« liefert 120 lm Lichtstrom, ein Wert, der bisher nicht mit der neuen Lichttechnologie zu erreichen war. Somit können OLEDs beispielsweise auch als Tischleuchte zum Einsatz kommen. Wie so etwas aussehen kann, belegt der Entwurf von Rogier van der Heide, Vize-Präsident und Chief Design Officer von Philips Lighting. Er nutzte 20 der neuen OLED-Module für einen ganz besonderen Leuchter, der in seiner Form an eine Doppelhelix erinnert.

Um die Entwicklung der OLED-Technologie voranzutreiben, hat Philips in den Räumen der ehemaligen Bildröhrenfabrik in Aachen das Lumiblade Creative Lab eingerichtet. Neben Ausstellungsbereichen, in denen die bisherigen Entwicklungen zu sehen sind, stehen Werkstätten, eine kuratierte Materialbibliothek und ein Loungebereich für Forumsgespräche zur Verfügung.

Kreative OLED-Projekte

Im Juli 2010 eröffnete Philips nur wenige Meter von seiner OLED-Produktion entfernt das Lumiblade Creative Lab. Ziel des insgesamt 350 m2 umfassenden Kreativlabors ist es, Fachleute und Experten aus dem Bereich Licht, Materialien und Elektronik mit Designern und Künstlern zusammenzubringen, um die Lichttechnologie in neue, innovative Entwürfe und Projekte zu integrieren. Wie schnell solch eine Zusammenarbeit auf fruchtbaren Boden stößt, zeigt sich in der jüngsten Designkooperation: Der deutsche Designer Daniel Lorch hatte nach dem Besuch des Creative Lab die Idee zu einer OLED-Leuchte, die er »Moorea« nennt. Sie nutzt zwei »GL350«-OLED-Panels und ist damit die erste OLED-Tischleuchte, die mit einer Leistung von 240 lm den Ambientlight-Bereich verlässt.

Der Londoner Installationskünstler Jason Bruges, der bereits die Lichtinstallation »Mimosa« kreierte, entwickelte nun für den britischen Sportwagenhersteller Aston Martin eine OLED-Installation mit rund 750 »Lumiblade«-OLEDs, die im Verkaufsraum des exklusiven Sportwagens One-77 zum Einsatz kommen. Die Bezeichnung des Luxus-Sportwagens weist auf die limitierte Auflage von 77 Exemplaren hin. Das rund 1,5 Mio. € teure Fahrzeug wurde komplett in Handarbeit im Aston-Martin-Werk im englischen Gaydon gebaut und erstrahlt bei Übergabe an seinen neuen Besitzer im Lichte dieser OLED-Installation.

In Berlin hängt die zurzeit weltgrößte OLED-Leuchte in einem exklusiven Bürogebäude. Entworfen von Kardorff Ingenieure Lichtplanung, misst die Installation in der Höhe rund 7 m. Über 380 »Lumiblade«-OLEDs, verteilt auf 24 quadratische Rahmen, hängen an feinen Stahlseilen und sind gleichmäßig über die gesamte Länge des Leuchters verteilt.

2013 brachte der belgische Leuchtenhersteller Etap Lighting die »K4«-Notbeleuchtung auf den Markt, die erstmals die OLED-Technologie von Philips benutzt. Das Besondere ist die homogene Ausleuchtung des Piktogramms. Das liegt an der verwendeten OLED-Technologie, bei der die organischen, lichtemittierenden Teilchen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Piktogrammplatte verteilt sind. Das Piktogramm wird nicht mehr von einer separaten Lichtquelle beleuchtet, sondern ist selbst die Lichtquelle. Die Piktogrammscheibe ist nur 4 mm dick.

Die Paneele dieser OLED-Pendelleuchte des Berliner Lichtplanungsbüros Kardorff sind in 24 Rahmen montiert, in denen eine dichroitische Scheibe schwebt. Je nachdem, aus welchem Blickwinkel der Betrachter schaut, erscheinen verschiedene Farben und Spiegelungen.

OLED im Automobilbereich

Auch im automotiven Segment werden organische Leuchtdioden künftig eine große Rolle spielen. Sie lassen sich problemlos ins Fahrzeuginnere integrieren, so zum Beispiel in den Dachhimmel oder in das Armaturenbrett. Der große Vorteil von OLEDs im Automobileinsatz liegt in der geringen Einbautiefe und der niedrigen Betriebsspannung. »OLEDs sind nicht nur wegen ihrer Dünne und dem niedrigen Energieverbrauch für Autohersteller interessant«, meint Dietmar Thomas. »Es ist vor allem die Designfreiheit der neuen Flächenlichtquelle, die in der nahen Zukunft Science-Fiction-ähnliche Rückleuchten ermöglicht.«

Ein erstes Beispiel, wie das aussehen könnte, zeigen die Ergebnisse des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 5,7 Mio. € geförderten »OLED-3D«-Projektes. Das Konsortium unter der Leitung von Philips bestand ferner aus Audi, Automotive Lighting, Merck und der Universität Köln. Den Partnern gelang es während des gut dreieinhalb Jahre laufenden Projektes, erstmals großflächige, dreidimensional geformte organische Leuchtdioden herzustellen und diese als Heckleuchte in ein Automobil einzubauen.

Ein Ergebnis des BMBF-geförderten Projektes »OLED-3D« ist diese großflächige, dreidimensional geformte OLED für eine Kfz-Heckleuchte.

Der Designer und Lichtplaner Michael Hammers hat einen repräsentativen Konferenzraum in der Audi-Firmenzentrale in Ingolstadt mit OLEDs beleuchtet.

Nicht nur bei der Ausstattung von Autos setzt Audi auf moderne Lichttechnologie. Auch bei der Beleuchtung repräsentativer Räume am Firmensitz in Ingolstadt geht der Autohersteller neue Wege. Für die Neugestaltung eines Konferenzraums, der auch für Aufsichtsratssitzungen genutzt wird, hat der Designer und Lichtplaner Michael Hammers in Zusammenarbeit mit Audi und Philips neuartige OLED-Leuchten entworfen und damit den gesamten Raum ausgeleuchtet. Die Leuchten sind durch die verwendeten OLED so dünn, dass sie in der Seitenansicht fast nicht zu erkennen sind. Jede der 15 Leuchten hat eine Rahmenkonstruktion aus Aluminium, deren Frontseite aus Edelstahl besteht. Jeder dieser Rahmen enthält jeweils 36 Exemplare des dimmbaren OLED-Hochleistungsmoduls »Lumiblade GL350«. Wie effizient die organischen Leuchtdioden inzwischen sind, ist daran abzulesen, dass den Verantwortlichen bei Audi die potenzielle volle Lichtleistung der neuen OLED-Leuchten von insgesamt 64.000 lm als zu hell erschien. Sie entschieden sich dafür, die Leistung auf 58.000 lm herunterregeln zu lassen, was den positiven Nebeneffekt mit sich bringt, dass sich die Lebensdauer der OLED verlängert.

Wie herabfallende Schneeflocken: Die Lichtskulptur »SnowFlakes« setzt sich aus 220 OLED-Modulen zusammen. Entwurf: Sandra Marserou und Thomas Düster unter der Leitung von Rogier van der Heide.

Welche Wege geht die OLED künftig?

Dietmar Thomas vom Lumiblade Lichtlabor in Aachen blickt optimistisch in die Zukunft, wenn es um die Weiterentwicklung der organische Leuchtdioden geht. Ähnlich wie die LED es derzeit vormacht, könnte auch die OLED-Technologie die Lichtwelt revolutionieren. Doch viele irren sich, wenn sie denken, die OLED würde die LED ablösen. Dazu sind die beiden Lichtquellen zu verschieden – vielmehr ergänzen sie sich auf ideale Weise in der Kombination von Punkt- und Flächenlicht.

Wie wird sich die OLED künftig weiterentwickeln? OLEDs sind zwar in allen Farben erhältlich, lassen im Moment aber noch keine Farbwechsel zu. Hier ist sich Dietmar Thomas sicher, dass dies in einigen Jahren der Fall sein wird. Ein anderer Bereich derzeitiger Forschung beschäftigt sich mit der Entwicklung von vollständig durchsichtigen OLEDs, denn diese haben üblicherweise eine spiegelnde oder matte Oberfläche, wenn sie nicht eingeschaltet sind. Durchsichtige OLED-Panels ließen sich am Tag wie eine Fensterscheibe nutzen, während sie bei Dunkelheit entweder natürliches Licht imitieren oder eine ansprechende Innenbeleuchtung bieten. Durchsichtige OLEDs sind bereits Realität und werden für Projekte zum Kauf angeboten.

Bisher ist Glas das einzige durchsichtige Substrat, das die innenliegenden, sehr dünnen Schichten der OLED ausreichend vor Feuchtigkeit und Luft schützen kann. Aktuell werden Möglichkeiten erforscht, weiche Kunststoffsubstrate herzustellen, die den notwendigen Schutz bieten können. Damit würde der Weg frei für flexible und formbare OLED-Panels, so dass jede Oberfläche – ob eben oder gewölbt – eine Lichtquelle werden könnte. Es wird noch einige Jahre dauern, bis flexible Lösungen für Beleuchtungsanwendungen zur Verfügung stehen. Bei der Lichtausbeute erwartet Dietmar Thomas bis zum Jahr 2018 eine Effizienz von 130 lm/W und eine Lebensdauer L70 von über 40.000 h. Bei der Leuchtdichte erwartet man einen Wert von über 10.000 cd/m2 und beim Farbwiedergabeindex Ra rechnet man mit Werten über 95. Die Größe eines OLED-Panels wird dann mindestens 400 x 400 mm betragen können. Es bleibt abzuwarten, ob die OLED-Technologie den Lichtbereich genauso revolutionieren wird, wie die LED es derzeit tut.

Weitere Informationen:

Fotos: Philips Lighting GmbH, Hamburg, www.lighting.philips.de/prof/betriebsgeraete/led-treiber/lumiblade
Organic Semiconductor World, Prof. Dr. Karl Leo, Dresden, www.orgworld.de
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden, www.fep.fraunhofer.de
Cambridge Display Technology Limited, Godmanchester (UK), www.cdtltd.co.uk
Novaled GmbH, Dresden, www.novaled.com


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