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06. Februar 2014

OLEDs auf dem Prüfstand

Lesezeit: ca. 8 Minuten

Kapitel 1

Die neue Lichtquelle OLED bietet mannigfaltige Anwendungspotentiale in den verschiedensten Industriezweigen. Für die erste Flächenlichtquelle mit einem extrem dünnen Aufbau ergeben sich völlig neue Design- und Einsatzmöglichkeiten. Um die Chancen der OLED, zum Beispiel in der Allgemeinbeleuchtung oder in der Automobilindustrie, gewinnbringend auszuschöpfen, ist allerdings spezielles Know-how erforderlich. So müssen das Material und seine Eigenschaften dem Anwender durchweg bekannt sein. Für die umfassende lichttechnische Charakterisierung von OLEDs sind grundlegende Langzeitmessungen notwendig. Gerade die Automobilindustrie stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Werkstoffe. Die lichttechnischen Eigenschaften und die Lebensdauer sowie die UV- und Temperaturbeständigkeit von eingesetzten Lichtquellen sind streng reglementiert.

Das Projekt So-Light

Das Projekt So-Light

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte im Rahmen des Projektes »So-Light: Spezialbeleuchtungs- und Signageanwendungen basierend auf OLED-Lichttechnologie« von Juli 2009 bis Dezember 2012 elf Unternehmen und Universitäten, die sich mit der Erforschung und Weiterentwicklung von organischen Leuchtdioden befassen. Als Forschungsinstitut für automobile Lichttechnik war das L-LAB als Projektpartner mit dem Aufbau eines Versuchsstandes, sowie der Erhebung lichttechnischer Kennwerte in Langzeitversuchen betraut. OLEDs unterschiedlicher Ausführungen wurden insbesondere im Hinblick auf ihre Lebensdauer und ihr Degradationsverhalten in Abhängigkeit von Umgebungsparametern untersucht.

Organische Leuchtdioden

Den Kern einer OLED bildet ein Stapel von wenigen 100 Nanometer dünnen organischen Halbleiterschichten. Sie bestehen aus Polymeren oder »kleinsten Molekülen« (Small Molecule). Liegt der Stapel (stack) zwischen einer Anode und einer Kathode, so kann durch die Schichten ein Strom fließen, der zu einer Lichtemission führt. Die Struktur der verwendeten Moleküle entscheidet über die Wellenlänge des ausgesandten Lichts. Um das Licht auszukoppeln, muss mindestens eine der Elektroden aus einem transparenten Material bestehen. In der Regel wird für die Anode das transparente Mischoxid Indiumzinnoxid eingesetzt.

Sauerstoff und Feuchtigkeit würden zu einer Schädigung und damit vorzeitigen Alterung der OLED führen. Es ist daher unabdingbar, die Schichten vor diesen Einflüssen durch eine geeignete Verkapselung zu schützen. Hierzu werden Glassubstrate verwendet, die die Elektroden sowie organischen Schichten hermetisch verschließen.

Schematische Darstellung des Aufbaus einer OLED (Quelle: Osram/ Einführung in die OLED-Technologie)

Messaufbau für lichttechnische Kennwerte

Organische Leuchtdioden stellen durch ihre flächige Ausdehnung hohe Anforderungen an die verwendete Messtechnik. Neben der Leuchtdichte und dem Farbort ist auch deren Homogenität über die gesamte lichtemittierende Fläche von essentieller Bedeutung. Besonders wichtig für die industrielle Anwendung ist die Erforschung der Abhängigkeit dieser Größen von der elektrischen Ansteuerung, der Betriebstemperatur sowie der Sonnenbestrahlung.

Um diese Aufgabenstellungen bearbeiten zu können, ist ein Versuchsstand notwendig, der es ermöglicht, eine große Anzahl von OLEDs unter geregelten Bedingungen über einen längeren Zeitraum zu betreiben und zu charakterisieren. Zur Vermessung werden die OLEDs in einer Messeinrichtung fixiert. Sie ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme des Spektrums mittels eines CCD-Array-Spektroradiometers, der ortsaufgelösten Leuchtdichte sowie des Farbortes mittels einer Leuchtdichtekamera. Durch die drehbar gelagerte Fixierung der OLEDs können winkelabhängige Messungen durchgeführt werden. Der Versuchsstand ist jederzeit um zusätzliche Messgeräte erweiterbar. Außerhalb der Messzeit befinden sich die OLEDs in einem Magazin, das den kontrollierten Dauerbetrieb gewährleistet. Es lassen sich unterschiedliche elektrische Ansteuerungskonzepte realisieren. Über Heiz- bzw. Kühlelemente kann zudem die Betriebstemperatur variiert werden. Zur Vermessung können die OLEDs aus dem Magazin einzeln bei laufendem Betrieb entnommen werden.

Methoden für die Variation der Betriebstemperatur

Zur Untersuchung der lichttechnischen Parameter in Abhängigkeit der Betriebstemperatur ist ein Aufbau notwendig, der es erlaubt, die Temperatur mit geringer Toleranz zu regeln. Hierzu sind zwei Methoden denkbar: Die organischen Leuchtdioden können während des Betriebes entweder in einem Klimaschrank gelagert werden oder die Regelung der Temperatur auf der OLED-Rückseite erfolgt durch Heiz- bzw. Kühlelemente. Bei letzterer Methode wird die OLED mittels Wärmeleitkleber auf eine Aluminiumplatte aufgebracht, in der sich ein Temperatursensor der Heiz- bzw. Kühlschaltung befindet. KaskadiertePeltierelemente dienen der Temperierung.

Beide Methoden werden zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer eingesetzt. Das L-LAB führt derzeit einen Methodenvergleich durch, um Vor- und Nachteile beider Verfahren zu evaluieren.

OLED-Testaufbau zur variablen Ansteuerung verschiedener OLEDs (hier rot) innerhalb eines Klimaraums

Aus dem Klimaraum entnommene und auf einen Goniometertisch justierte weiße OLED zur lichttechnischen Vermessung (Winkel, Leuchtdichte, spektrale Verteilung)

Lebensdauer und Betriebstemperatur

Neben den Auswirkungen der elektrischen Betriebsparameter bewirkt vor allem auch der Einfluss der in das System eingetragenen thermischen Energie eine Veränderung der Lebensdauer. In speziellen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei Rückleuchten in Kraftfahrzeugen, beträgt die Temperatur unter Sonneneinstrahlung im Betrieb bis zu 80°C. Unter solch extremen Umgebungsbedingungen kommt es zu einer starken Reduzierung der Lebensdauer der OLED und im speziellen einzelner Emitterschichten. Mit dem Einfluss einzelner Variablen, wie beispielsweise der Temperatur, verändert sich die molekulare Struktur der Emitterschichten und es können Defektstellen entstehen, die dem Prinzip der Elektrolumineszenz entgegenwirken.

Derzeit werden Lebensdauerangaben auf Basis umfangreicher Labortests und anschließender Extrapolation der ermittelten Daten angegeben. Die Hochrechnung bedeutet eine Unsicherheit in der Datenvalidität.

Mittels der im L-LAB gewonnenen Labordaten wird derzeit versucht, ein Kriterium zu testen und zu etablieren, das den Veränderungsvorgang der chemischen Struktur und den Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit des Degradationsprozesses und somit auf das Merkmal Lebensdauer realistisch abbildet. Ausgehend von der Hypothese, dass die Abnahme der Leuchtdichte auf Veränderungen der chemischen Struktur des emittierenden Materials zurückgeht, wird zur Vorhersage der Lebensdauer bei variablen Temperaturen das Arrhenius-Modell herangezogen.

Der angenommene Zusammenhang zwischen abnehmender Leuchtdichte und Veränderungen im emittierenden Material wird derzeit mittels der experimentell erfassten Daten überprüft und genauer untersucht.

Hierbei soll folgender Zusammenhang die Basis weiterer Forschungsarbeit zum Thema »Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von OLEDs« bilden:

Die Konzentration von Reaktionszentren cA bringt den Grundzusammenhang zwischen lichttechnischer und anregender, elektrischer Größe zum Ausdruck. Der Parameter cA. beschreibt den proportionalen Anteil der zur Lichtemission beitragenden Elektronen, d.h. er entspricht dem Quotienten aus Leuchtdichte L und der Stromdichte J (Gleichung 1).
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Mit dem lichttechnischen Zusammenhang der mittleren Leuchtdichte als Quotient der Lichtstärke Iv und der lichtemittierenden Fläche A1 sowie der mittleren Stromdichte (Quotient aus Nennstrom und Fläche A1) lässt sich bei konstanter Bestromung die Proportionalität der Konzentration von Reaktionszentren cA zur Lichtstärke Iv darstellen Gleichung 2).

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Da es sich bei dem Zerfallsprozess um eine Reaktion erster Ordnung handelt, stellt sich auch die Abnahme der Konzentration und somit die Reaktionsrate als proportional zu cA heraus (Gleichung 3):

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Mittels dieses Zusammenhangs und des derzeit betrachteten Ansatzes zur Implementierung der Geschwindigkeitskonstante k der Arrhenius-Funktion soll eine Modellierung und Validierung der genannten Hypothese stattfinden.

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Prinzipdarstellung (links) und Realisierung (rechts) eines thermovariablen Elements zur Untersuchung
des Zusammenhangs zwischen Lebensdauer und Temperatur

Lebensdauer und elektrische Ansteuerung

Die angegebene Lebensdauer einer weißen OLED, das heißt die Betriebsdauer bis das Bauteil einen Leuchtdichteverlust von 30% aufweist, bezieht sich auf den Betrieb mit konstantem Strom. Angaben zur Lebensdauer bei einem gepulsten Betrieb finden sich hingegen nicht. Soll die Leuchtdichte einer OLED durch die Regelung des Konstantstroms variiert werden, kann es allerdings zu einer Farbortverschiebung kommen. Die Regelung durch Anpassung des Tastverhältnisses im gepulsten Betrieb könnte diese Problematik verhindern. In einer Langzeituntersuchung über 2800h wurden 35 OLEDs des Typs »Philips Lumiblade« untersucht. Verwendet wurden die Ansteuerungsvarianten gemäß Tabelle 1.

Tabelle 1: Ansteuerungsvarianten bei der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen elektrischer Ansteuerung und Lebensdauer.

Neben der Erfassung der lichttechnischen Daten wurde zusätzlich die Temperatur auf der Rückseite der OLED abgegriffen. Ein höherer Konstantstrom hat eine Temperaturerhöhung zur Folge, woraus sich ein deutlich stärkerer Leuchtdichteabfall bei den mit 240mA und 360mA betriebenen OLEDs ergibt. Die Ansteuerung mit pulsweitenmodulierten Stromquellen zeigte dagegen bei einem mittleren Strom von 120mA keinen Einfluss auf die Abnahme der Leuchtdichte und damit die Lebensdauer (siehe Bild 7).

<strong>Bild 7:</strong> Darstellung der Leuchtdichteabnahme in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Ansteuerungsparameter (Die Diagrammlinien mit der Tastfrequenz von 40% sind jeweils deckungsgleich.)

Blick in die Zukunft

Das Interesse der Beleuchtungsindustrie an organischen Leuchtdioden als flächige und extrem flache Lichtquelle wird, insbesondere in ambienten Anwendungen, stetig wachsen. Besondere Aufmerksamkeit richten OLED-Forschung und -Entwicklung derzeit auf Themen wie Emitterstrukturierung, transparente Gestaltung der Elektroden bzw. des Emittermaterials und dreidimensionale Formbarkeit der OLEDs. Aber auch die Performance der OLEDs spielt hinsichtlich Nutzerakzeptanz und Qualitätssicherung eine gravierende Rolle. Ein besonders wichtiger Aspekt sind zuverlässige Lebensdauerangaben. Um diese vorzunehmen, wird in Zukunft eine ortsaufgelöste Größe, beispielsweise die Gleichförmigkeit der Leuchtdichte oder die Homogenität als wahrnehmungsangepasstes Maß, entscheidend sein. Während bei bisherigen Lichtquellen mit ihren geringen Flächenausdehnungen die integrale Größe als lichttechnisches Maß für die Lebensdauer angenommen wurde, ist dies bei potentiell ausgleichenden, räumlich dezentralisierten Lichtemissionsflächen nur begrenzt anwendbar. Gerade der steigende Qualitätsanspruch in allen Bereichen der Interieur- oder Designbeleuchtung erfordert eine Gleichverteilung der Leuchtdichte. OLED-Module, die zum Beispiel einen Gradienten von außen – nach innen – nach außen von 80% – 140% – 80% aufweisen, werden zwar das integrale Lebensdauerkriterium erfüllen, jedoch beim potentiellen Kunden auf wenig positive Resonanz stoßen.

Im Rahmen des "So-Light"-Projektes entwickelte das Unternehmen HELLA Designstudien für eine Automobil-Innenbeleuchtung und eine Heckleuchte mit OLEDs. (Quelle: HELLA, Lippstadt | "So-Light"-Projekt)

Auch diese OLED-Pendelleuchte der Firma Siteco entstand im Rahmen des Verbundprojektes "So-Light".<br />(Quelle: Siteco Beleuchtungstechnik GmbH, Traunreut)

Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschreibt verschiedene praxisrelevante Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit von OLEDs und konkretisiert diese anhand exemplarischer Untersuchungsergebnisse. Dabei spielen weniger die Einzelwerte eine Rolle bei der Bewertung von Leistungsparametern im Feld, sondern vielmehr deren Wechselwirkung.

Hinsichtlich des Temperatureinflusses wurde eine Methode vorgestellt, um mit geringem Aufwand die Lebensdauer auf Basis chemisch-physikalischer Wirkzusammenhänge abzuschätzen. Hier sind weitere Forschungsarbeiten nötig, um die Einwirkung der Streuung innerhalb einer OLED-Testzusammenstellung näher zu bewerten. Außerdem müssen verschiedene Emittermaterialzusammensetzungen untersucht werden, um die Spezifika einzelner Materialen zu erfassen und als Variable in die Berechnung einfließen lassen zu können.

Neben den hier vorgestellten Zusammenhängen wurden im Rahmen des »So-Light«-Projektes auch andere Einflussparameter untersucht. Dazu gehörten zum Beispiel spektrale Banden (UV, Sonnenspektrum etc.), um Aussagen über den Einsatz von OLEDs im Außenbereich treffen zu können.

Für den breiten Einsatz der OLED-Technologie sind weitere Forschungsarbeiten über die Einflüsse von Einzelfaktoren, aber auch deren Konglomerat nötig. Die Rückführung auf Prozesse innerhalb der Emitterschichten stellt eine enorme Herausforderung dar, welche jedoch iterativ zu einer Material- und damit lichttechnischen Verbesserung führen. Insbesondere der Ansatz einer Beschreibung der Lebensdauer über den im L-LAB verfolgten Arrhenius-Ansatz wird es dem künftigen Anwender erleichtern, über eine durchgeführte Referenzmessreihe das besagte Kriterium für alle temperaturvariablen Einsatzgebiete sehr genau zu prognostizieren.

Weiterführende Infos

Quellen:

Osram AG, (4/2012). Einführung in die OLED-Technologie. www.osram.de/media/resource/HIRES/331487/1988526/einfhrung-in-die-oled-technologie-(d).pdf
Siteco Beleuchtungstechnik GmbH, (2013). »So-Light«-Projektbericht

Autor: Dr. Sören Schäfer, Dipl.-Ing. Verena Kraft, L-LAB – Institut für automobile Lichttechnik & Mechatronik, Lippstadt, www.L-LAB.de