Dresdner Forschern gelingt Durchbruch bei der Effizienz von Organischen Leuchtdioden

Organische Leuchtdioden

Dresden - Weder Glühbirnen noch Energiesparlampen werden in einigen Jahren Häuser und Wohnungen beleuchten. Organische Leuchtdioden gelten als Lichtquelle der Zukunft, jetzt ebneten Dresdner Forscher ihnen mit einem neuen Weltrekord in der Disziplin Leuchteffizienz den weiteren Weg. Die kurz OLED genannten Leuchten sind sowohl extrem sparsam und senden zugleich ein angenehmes warmweißes Licht aus. Flach wie eine Glasscheibe eröffnen sie Designern Wege zu völlig neuen Lampen und Beleuchtungskonzepten. In der Zeitschrift "Nature" berichten die Wissenschaftler, wie sie mit einer geschickten Auskopplung des OLED-Lichts den neuen Helligkeitsrekord von 90 Lumen pro Watt erzielen konnten. Herkömmliche Glühlampen erreichen einen Wert von maximal 15 Lumen pro Watt, Halogenleuchten liegen bei 30 Lumen pro Watt.

"Dieses Ergebnis wird die weitere Entwicklung von OLED stark beschleunigen", ist Sebastian Reineke vom Institut für Angewandte Photophysik und Erstautor der Studie überzeugt. Denn bisher erreichten die besten OLED-Leuchten deutliche niedrigere Werte von maximal 60 Lumen pro Watt. Für ihre Rekord-Leuchte hatten Reinicke und Kollegen drei lichtaktive, organische Substanzen auf einem Trägermaterial deponiert. Mit Spannungen von etwa drei Volt versorgt senden diese blaues, rotes und grünes Licht aus, das sich zusammen zu einem warmweißen Leuchten überlagert. Durch die geschickte Anordnung der lichtaktiven Schichten - das Blau-Areal wird von den Bereichen für Rot und Grün quasi umzingelt – konnte die Betriebsspannung gering und die Lichtausbeute hoch gehalten werden.

Ein zweiter Grund für die hohe Leuchtstärke liegt in der ausgeklügelten Auskopplung des erzeugten Lichts mit einer durchsichtigen und hochbrechenden Schicht, die die OLED abdeckt. Einmal erzeugte Lichtteilchen gingen so deutlich weniger als bei anderen Prototypen innerhalb der Schichtstruktur verloren. "Bei bisherigen OLEDs verlässt 80 Prozent des Lichts das Bauteil gar nicht", erklärt Reneke. Doch in ihr hochbrechendes Glas konnten die Lichtteilchen nahezu verlustfrei eingekoppelt werden. Der Übergang des Lichts vom Glas in die Luft zeigte sich weiterhin schwierig, konnte aber durch eine fein strukturierte Oberfläche den Rekord nicht verhindern.

"Diese Leuchteffizienz ist ein beeindruckender Rekord für Organische Leuchtdioden", beurteilt Frank Jaiser, OLED-Experte von der Universität Potsdam, das Ergebnis der Dresdner Arbeitsgruppe. Und als "verdammt gut" bezeichnet Hans-Herrmann Johannes, Leiter der Forschungsgruppe Applied Organic Materials an der Technischen Universität Braunschweig die erzielten Leuchtwerte. Letztes Jahr hatte allerdings die Universal Display Corporation in New Jersey berichtet, eine OLED mit 102 Lumen pro Watt erfolgreich getestet zu haben; allerdings mit einem recht voluminösen Auskopplungskörper für das erzeugte Licht. "Wenn wir so wie die Kollegen messen, kommen wir auf 124 Lumen pro Watt", sagt Karl Leo, Leiter der Dresdner Arbeitsgruppe. "Wir haben ganz klar den besten Wert erreicht."

Obwohl Organische Leuchtdioden nun erstmals die gleiche Helligkeit erreichen wie die sehr effizienten Leuchtstoffröhren, haben die Dresdner Prototypen noch einen gravierenden Nachteil. "Was unseren Teststrukturen fehlt, ist die Langzeitstabilität", sagt Reineke. So war nach wenigen Stunden mit dem hellen, warmweißen Leuchten der OLEDs schon Schluss. "Aber eine hohe Lebensdauer war auch nicht unser Ziel", sagt Karl Leo. Doch die Industrie, die weltweit hart auf dem Gebiet der OLEDs forscht, verfügt über bessere und stabilere Materialien als die Universitäten. Da man die globale Konkurrenz auf diesem Feld zunehmend fürchtet, werden diese schon verfügbaren organischen Substanzen so geheim wie möglich gehalten.

So werden die Industrieunternehmen wie Philips oder Osram wahrscheinlich gerne auf das nun veröffentlichte Wissen der Dresdner zurückgreifen und in ihre eigene Entwicklung mit den stabileren Substanzen einfließen lassen. "Solche Ergebnisse sind sehr wichtig und zeigen, dass sich die in OLED gesetzten Erwartungen tatsächlich erfüllen", sagt Dietrich Bertram, Leiter der OLED-Aktivitäten bei Philips im Forschungslabor Aachen. Erst vor wenigen Wochen hat der Elektronikkonzern damit begonnen, erste OLED-Leuchtmodule aus ihrem Hause an Interessenten auszuliefern. "Wir wollen, dass neue Ideen für eine OLED-Beleuchtung entwickelt werden", sagt Bertram. Wichtigster Anwendungsbereich wird wohl die Innenraumbeleuchtung mit den flachen und in Zukunft womöglich auch flexiblen Leuchten sein. Die Zielgruppe für ihre "Lumiblade"-Module sieht Bertram in den Bereichen Dekoration, Architektur und Projekten wie Hotelbars.

So groß wie ein halbes Blatt Schreibpapier erreichen die Philips-Leuchten mit etwa 15 Lumen pro Watt allerdings nur den Bruchteil der Helligkeit der Dresdner Labormuster. Dafür sind sie mit einer Betriebsdauer von über 10.000 Stunden deutlich stabiler und reif für erste Anwendungen. Wenn OLED-Module mit der Rekordhelligkeit von 90 Lumen pro Watt so lange durchhalten werden, steht dem Markterfolg der OLED nicht mehr viel im Wege. Aber einen Verdrängungswettbewerb mit der schon ausgereiften Technik der klassischen Leuchtdioden sieht Bertram nicht. "OLED und klassischen Leuchtdiode werden beide ihre Märkte finden. Das eine als Flächen-, das andere als Punktleuchte."

Für die Verbraucher sind das gute Nachrichten. Denn mit dem kommenden Verbot der Glühlampen beobachtet der Handel bereits erste Hamsterkäufe dieser stromfressenden Leuchten. Auf das warmweiße, angenehme Licht möchten offensichtlich trotz höherer Stromrechnung viele nicht verzichten. Doch während das Licht der Energiesparlampen häufig als kalt und abstoßend empfunden wird, weist die Lichtfarbe der OLED diesen Nachteil nicht auf. Um möglichst rasch im kommenden Jahrzehnt massentaugliche OLED-Leuchten auf den Markt bringen zu können, unterstützt auch das Bundesforschungsministerium seit 2006 die OLED-Entwicklung im Rahmen der OLED 2015 Initiative mit 100 Millionen Euro. Die fünffache Geldmenge sagten die beteiligten Industrieunternehmen zu.

Auch die EU hat das Potenzial der OLED erkannt und fördert die Entwicklung mit mehreren Projekten. Nach Abschluss des OLLA-Projekts unterstützt Brüssel nun die Folgeinitiative OLED100 mit 12,5 Millionen Euro. Die Ziele sind klar definiert: Lebenszeiten von 100.000 Stunden, große Leuchtflächen von bis zu einem Quadratmeter Größe für einen Preis von 100 Euro und eine Leuchteffizienz von 100 Lumen pro Watt. Zumindest das letzte Ziel liegt mit dem Dresdner Prototyp zum Greifen nah. "OLED sind die sparsamsten Lichtquelle und in Sachen Helligkeit ist auch noch Luft nach oben", sagt Sebastian Reineke.