Leistungsstärkere weiße OLEDs: Dresdner Physiker befreien Photonen mittels Nanostrukturen

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Organische Leuchtdioden (OLEDs) haben dank intensiver Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten den Elektronikmarkt immer weiter erobert – von OLED-Handydisplays bis zu herausrollbaren Fernsehbildschirmen, die Liste der Anwendungsfelder ist lang.

Im Fokus der aktuellen OLED-Forschung steht derzeit insbesondere die Effizienzsteigerung von weißen OLEDs für Beleuchtungselemente, wie zum Beispiel in Decken- oder Autoinnenbeleuchtung. Für diese Bauteile gelten wesentlich strengere Voraussetzungen in Bezug auf Stabilität, Winkelabstrahlung und Effizienz.

Da Leuchtdioden grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, benutzen die Hersteller für die Erzeugung von weißem Licht verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung.

Seit der ersten Entwicklung von weißen OLEDs in den 1990er Jahren gab es zahlreiche Bemühungen, ein ausgeglichenes Weißspektrum und hohe Leuchtkraft bei einer praktikablen Leuchtdichte zu erreichen. Jedoch liegt die externe Quanteneffizienz (EQE, external quantum efficiency) für weiße OLED-Bauelemente ohne zusätzliche Auskopplungstechniken heute immer noch bei nur 20 bis 40 Prozent. Ungefähr 20 Prozent der erzeugten Lichtteilchen (Photonen) bleiben in der Glasschicht des Bauelementes gefangen. Schuld daran ist die interne Totalreflektion der Teilchen an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Weitere Photonen werden in den organischen Schichten – ähnlich wie in Glasfaserkabeln – geleitet, wieder andere gehen an der Grenzfläche zur oberen Metallschicht verloren. 

In zahlreichen Forschungsvorhaben versuchen Experten, die gefangenen Lichtteilchen aus den OLEDs zu befreien. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Simone Lenk und Prof. Sebastian Reineke von der TU Dresden hat nun eine neue Methode zur Befreiung der Photonen im renommierten Fachjournal Nature Communications vorgestellt.

Die Physiker stellen darin ein einfaches, skalierbares und insbesondere lithographiefreies Verfahren zur Erzeugung gezielt regelbarer Nanostrukturen mit gerichteter Zufälligkeit und räumlicher Ordnung vor, das die Effizienz und die winkelabhängige Abstrahlcharakteristik von weißen OLEDs deutlich verbessert. Die Nanostrukturen werden mittels reaktivem Ionenätzen erzeugt. Das bietet den Vorteil, die Topographie der Nanostrukturen über die Einstellung der Prozessparameter gezielt zu kontrollieren. 

Um die erzielten Ergebnisse zu verstehen, haben die Wissenschaftler ein optisches Modell entwickelt, mit welchem sich die Effizienzsteigerung der OLEDs erklären lässt. Durch die Integration dieser Nanostrukturen in weiße OLEDs kann eine externe Quanteneffizienz von bis zu 76,3 Prozent erreicht werden. 

Für Dr. Simone Lenk eröffnet die neue Methode zahlreiche neue Wege: „Wir hatten bereits lange nach einer Möglichkeit gesucht, Nanostrukturen gezielt zu manipulieren. Mit dem reaktiven Ionenätzen haben wir einen kostengünstigen und für große Flächen nutzbaren Prozess gefunden, welcher sich auch für die industrielle Nutzung eignet. Der Vorteil liegt darin, dass sich Periodizität und Höhe der Nanostrukturen komplett über die Prozessparameter einstellen lassen und dass somit eine optimale Auskopplungsstruktur für weiße OLEDs gefunden werden konnte. Diese quasi-periodischen Nanostrukturen eignen sich nicht nur als Auskoppelstrukturen für OLEDs, sondern besitzen auch das Potential für weitere Anwendungen in der Optik, Biologie und Mechanik.“

Originalveröffentlichung:

Yungui Li, Milan Kovačič, Jasper Westphalen, Steffen Oswald, Zaifei Ma, Christian Hänisch, Paul-Anton Will, Lihui Jiang, Manuela Junghaehnel, Reinhard Scholz, Simone Lenk & Sebastian Reineke: “Tailor-made nanostructures bridging chaos and order for highly efficient white organic light-emitting diodes”  Nature Communications 10, 

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-11032-z

Quelle: https://tu-dresden.de