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Organische Leuchtdioden : So leuchtet das Licht der Zukunft

  • -Aktualisiert am

Leuchtdioden in der Darstellung des Fraunhofer-Instituts für angewandte Festkörperphysik Bild: dpa

Leuchtdioden erobern Autoscheinwerfer und Wohnzimmer, nun steht mit den OLEDs die nächste Technik am Start, die sogar Flächen beleuchten kann. Bis jetzt ist das aber noch sehr teuer.

          Fensterglas, Decken oder Tapeten, die in der Nacht das Zimmer beleuchten. Eine Vision, die im kommenden Jahrzehnt Wirklichkeit werden könnte, wenn sich organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, durchsetzen. Denn zum ersten Mal kann mit Hilfe der neuen Dioden gleichmäßiges Licht direkt auf einer Fläche erzeugt werden - bisherige Lichtquellen hatten die Form eines Strichs (Glühfaden), einer Röhre (Gasentladung) oder eines Punktes (LED). Flächiges Licht muss bislang über optische Systeme erst künstlich hergestellt werden.

          Wie der Begriff „organisch“ verrät, enthält die OLED tatsächlich Kohlenstoff, man darf auch sagen, sie besteht aus Kunststoff. Nun isoliert Kunststoff prächtig, für eine Leuchtdiode benötigt man jedoch einen Halbleiter. Die Erkenntnis, dass Kunststoffe unter bestimmten Voraussetzungen überhaupt elektrische Ladung transportieren können, ist relativ jung. Die ersten erfolgreichen Versuche wurden in den 70er Jahren in amerikanischen und japanischen Laboren durchgeführt - und im Jahr 2000 mit dem Chemie-Nobelpreis für lan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa geehrt.

          Im Kern benötigt ein Kunststoff zwei Eigenschaften, um als Halbleiter zu taugen: Zum einen muss die Molekülstruktur aus Bindungen mit unterschiedlicher Festigkeit bestehen. Und zum anderen kann man die Leitfähigkeit dadurch erhöhen, dass man gezielt Fremdsubstanzen zugibt und so die Anzahl der verfügbaren Elektronen und der Löcher (freie Plätze für Elektronen) erhöht. Dieses Verfahren nennen die Amerikaner sehr anschaulich „dopen“.

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          Wenn der Materialmix stimmt, weist ein solcher Halbleiter die gleiche Eigenschaft auf wie anorganische Leuchtdioden: Eine anliegende elektrische Spannung regt einige der Elektronen im Halbleiter an, sie begeben sich auf ein höheres Energieniveau. Nach kurzer Zeit verlassen sie dieses wieder, sie fallen ins energetische Tal. Die dabei freiwerdende Energie strahlen sie als Photonen ab - Licht entsteht.

          Der Charme organischer Leuchtdioden besteht darin, dass man für ihre Produktion, anders als für andere elektronische Bausteine, keine hochreinen Kristalle züchten muss. Die Schichten, die für Lichterzeugung, Umwandlung in die richtige Farbe und den Abtransport der Photonen zuständig sind, werden in einer Vakuumatmosphäre auf ein Trägersubstrat aus Glas aufgedampft. Das Glas schützt die empfindlichen Arbeitsschichten zudem vor Luftsauerstoff und Wasserdampf, die ansonsten die chemische Zusammensetzung der OLED rasch verändern würden.

          Allerdings ist Glas nicht beliebig verformbar, daher arbeiten Wissenschaftler in aller Welt daran, Kunststofffolien als Trägermaterial einzusetzen. Diese müssten allerdings eine Million Mal luftdichter sein als die Haushaltsfolie im Küchenschrank. Die Folien-OLED hätte zudem den Vorteil, dass man sie in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren herstellen könnte. Eine solche Massenproduktion könnte den Preis dramatisch senken.

          Derzeit ist die Größe noch auf einen Handteller beschränkt

          Denn die Kosten der OLED sind derzeit der wichtigste Grund, warum eine an sich faszinierende Technik sich bislang nicht durchsetzen konnte. Neben der Herstellung sind es vor allem exotische Materialien, die den Preis in die Höhe treiben. So kommt in den transparenten Kontakten das seltene Indium zum Einsatz, an dessen Ersatz durch Nano-Silberdrähten gearbeitet wird. In der lichtemittierenden Schicht ist Iridium hingegen vorerst unersetzbar.

          Ob es gelingt, die klassische Leuchtdiode zumindest in einigen Anwendungen zu verdrängen, dürfte auch daran liegen, wie sich die Lichtausbeute entwickelt. Je eingesetztem Watt liegt man heute bei etwa 50 Lumen, fünfmal besser als die klassische Glühlampe, aber nur halb so gut wie eine Serien-LED. Experten halten 100 Lumen pro Watt aber für erreichbar, deutlich mehr als Energiesparlampen.

          Die Größe der OLED-Leuchten, die in den beiden deutschen Pilotwerken von Osram und Philips derzeit gefertigt werden, ist derzeit noch auf die Fläche eines Handtellers beschränkt. Größere Leuchten werden aus diesen Kacheln zusammengesetzt. Bis Ende des Jahrzehnts könne man Kacheln mit den Abmessungen 50×50 Zentimeter fertigen, schätzt Karl Leo, TU Dresden, der für seine Forschung mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet wurde.

          Ob der enorme technische Aufwand jemals zu OLED-Preisen führt, die einen Einsatz als Wohnzimmerlampe ermöglichen, ist eine offene Frage. Interessiert sind derzeit vor allem die Automobildesigner bei Audi und BMW, die das Flächenlicht als Differenzierungsmerkmal nutzen wollen. Bewährt haben sich OLEDs jedoch schon 300 Millionen Mal in den Mobiltelefonen von Samsung. Dort können sie zwei entscheidende Vorteile ausspielen: Zum einen sind sie superflach.

          Zum anderen erzeugen sie für jeden Bildpunkt nur die genau richtige Farbe, während bei konventionellen Leuchtkristall-Matrixdisplays weißes Licht erzeugt wird, aus dem dann die richtige Farbe herausgefiltert wird - der Rest geht verloren. Auf Fachmessen haben Samsung und einige Wettbewerber auch bereits Prototypen von OLED-Fernsehern vorgestellt. Ein flacherer Flachbildschirm wurde nie zuvor gesichtet. Allein: Im einschlägigen Fachhandel ist so ein Fernseher bislang nicht zu kaufen - und wenn, dann würde er mehr als 10.000 Euro kosten.

          Organische Leuchtdioden sind übrigens eng mit den Kunststoff-Solarzellen verwandt, die in letzter Zeit immer häufiger von sich reden machen. Zwar unterscheiden sie sich in den Details ihres Innenlebens, nutzen aber die gleichen physikalischen Effekte in umgekehrter Richung: Aus Licht machen sie Strom. Im Januar 2013 erreichte eine solche Zelle zur Überraschung vieler Fachleute erstmals einen Wirkungsgrad von mehr als zwölf Prozent.

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