OLED mit Buckeln leuchtet heller

Japanische Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie die Auskopplung des Lichts aus weißen organischen Leuchtdioden wesentlich verbessern können.

Aus organischen Leuchtdioden oder OLEDs lassen sich brillante Displays und helle, großflächige Lichtquellen für farbiges und weißes Licht herstellen. Eine OLED besteht im Wesentlichen aus einer dünnen Leuchtschicht aus organischem Material, die zwischen einer Metallkathode und einer durchsichtigen Anode aus Indiumzinnoxid (ITO) eingeschlossen ist. Aus der Kathode werden Elektronen und aus der Anode positive Löcher in die Leuchtschicht gepumpt, wo die Ladungsträger Exzitonen bilden, die schließlich unter Lichtemission zerfallen. Für diesen Prozess lässt sich eine Ausbeute von 100 % erreichen. Da das Licht auf seinem Weg aus der OLED jedoch mehrere Materialgrenzflächen überwinden muss, ist die Effizienz für die Lichtauskopplung nur sehr gering und liegt bei etwa 20 %. Jetzt haben japanische Forscher weiße OLEDs mit buckeligen Schichten hergestellt, die zwei- bis dreimal so viel Licht abstrahlen wie glatte OLEDs.

Abb. 1: Die buckelige Oberflächenstruktur, die auf die OLED übertragen wurde. Links oben die Fourier-Transformierte. (Bild: Won Hoe Koo et al, Nature Photonics)

Hideo Takezoe vom Tokyo Institute of Technology und seine Kollegen haben bei der Herstellung der ungewöhnlich hellen OLEDs zwei bekannte Techniken auf neuartige Weise miteinander verbunden. Zum einen hatte man schon früher die Lichtauskopplung aus den OLEDs dadurch verbessert, dass man den Grenzflächen im Innern der Leuchtdiode sowie ihrer Glasoberfläche Wellenform gab. Dies machte die Grenzflächen zu einem Bragg-Gitter, sodass sie das Licht für passende Wellenlängen in bestimmte Richtungen beugten und so aus der OLED heraus lenkten statt es in ihr Inneres zu reflektieren. Für einfarbige OLEDs ließ sich die Gitterwellenlänge auf die Lichtwellenlänge abstimmen. Doch bei weißen OLEDs mit einem großen Wellenlängenbereich warf die Abhängigkeit der Beugung von der Lichtwellenlänge Probleme auf. Darüber hinaus ist die Anfertigung ausgedehnter Beugungsgitter für großflächige OLEDs kompliziert und kostspielig.

Hier kommt nun die zweite bekannte Technik ins Spiel, mit der japanischen Forscher ihren OLEDs eine besondere Oberflächenstruktur gaben. Sie bedampften eine etwa 100°C heiße Kunststoffschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einer 10 nm dicken Aluminiumschicht und ließen sie abkühlen, wobei sich beide Schichten zusammenzogen. Da die Kunststoffschicht beim Abkühlen stärker schrumpfte als die Aluminiumschicht, gab es Spannungen an der Grenzfläche beider Schichten, sodass die Schichten buckelig wurden. Um die Oberflächenmodulation noch zu verstärken, benutzten die Forscher die buckelige Oberfläche als Matrize für eine zweite PDMS-Schicht, die wiederum erhitzt, mit Aluminium bedampft und abgekühlt wurde. Mit dieser „zweifach buckeligen“ Schicht stellten sie schließlich auf demselben Wege noch eine „dreifach buckelige“ Schicht her.

Abb. 2: Die zwei- und dreifach buckeligen OLEDs (rot bzw. blau) haben deutlich höhere Strom- und Leistungseffizienz als die glatten OLEDs (schwarz). (Bild: Won Hoe Koo et al, Nature Photonics) 

Es zeigte sich, dass die zwei- und dreifach buckeligen Schichten ein ungeordnetes Wellenmuster mit einer breiten Wellenlängenverteilung um 410 nm hatten, wobei die Wellenamplituden zwischen 40 nm und 70 nm lagen. Die zwei- und dreifach buckeligen PDMS-Schichten wurden anschließend als Matrizen für die Herstellung der OLEDs benutzt, deren Grenzflächen die entsprechende Oberflächenstrukturierung erbten. In ihren elektrischen und optischen Eigenschaften erwiesen sich die buckeligen OLEDs den glatten Leuchtdioden als deutlich überlegen. Bei vorgegebener Spannung zwischen den OLED-Elektroden hatten die buckeligen Leuchtdioden deutlich höhere Strom- und Leuchtdichten. Die Stromeffizienz (cd/A) und die Leistungseffizienz (lm/W) waren um mehr als das Doppelte erhöht. Dabei erwiesen sich die dreifach buckeligen OLEDs den zweifach buckeligen überlegen.

Die buckeligen Grenz- und Oberflächen erleichterten den OLEDs die Lichtabstrahlung in ähnlicher Weise wie die Bragg-Gitter, allerdings nicht nur für bestimmte Beugungsrichtungen und auch nicht nur für eine Lichtwellenlänge sondern für einen großen Wellenlängenbereich. Die Richtungsabhängigkeit des von den buckeligen OLEDs abgestrahlten Lichtes war sehr günstig und entsprach der von glatten OLEDs: Die Abstrahlung konzentrierte sich in einem engen Winkel um die Oberflächennormale. Die Forscher weisen darauf hin, dass die buckelige Oberflächenstruktur der Leuchtdioden ihnen zusätzlich Flexibilität verleiht.

RAINER SCHARF

 AL