2.5.1 Architektur von Weißlicht-OLEDs
Zu Beleuchtungszwecken werden Lichtquellen benötigt, die weißes Licht emittieren.
Für Weißlicht-OLEDs (white organic light-emitting diode, WOLED) wird weißes Licht durch die Kombination von mehreren Emittern erzeugt. Am häufigsten werden die drei Farben rot, grün und blau kombiniert, seltener ist die Kombination aus zwei Farben wie blau und orange, da die möglichen Weißtöne und der Farbwiedergabeindex eingeschränkt sind. Des Weiteren kann weißes Licht durch Down-conversion erreicht werden. Hierfür wird eine blaue OLED mit einem Leuchtstoff beschichtet, der bei einer höheren Wellenlänge emittiert. Ein Teil der in der OLED elektronisch erzeugten Photonen regen die Leuchtstoffschicht optisch an und ergänzen dadurch das Gesamtspektrum um einen längerwelligen Anteil, um weißes Licht zu generieren.[70,71]
Eine seltene Möglichkeit weißes Licht aus einem Einkomponenten-Komplex zu erhalten, wird von Law et al. beschrieben. Diese nutzen die zweifache Emission von blau-grün aus dem Liganden und rot von Europium in einem Europium-Komplex aus, um eine weiße Emission zu erlangen.[72]
Die unterschiedlichen Architekturen für WOLEDs aus der Kombination der drei Farben rot, grün und blau sind in Abbildung 2.9 gezeigt. Die verschiedenen Farbsysteme können entweder horizontal als einzelne Farbpixel oder vertikal angeordnet sein. Der Vorteil des horizontalen Aufbaus liegt darin, dass jede Farbe einzeln angesteuert und somit die Farbe des Gesamtdevices einfacher justiert werden kann. Jedoch ist die Fabrikation wesentlich aufwendiger als beim vertikalen Aufbau. In einer vertikalen OLED werden die drei Primärfarben entweder in einem geschichteten oder in einem gestapelten Aufbau, mit einzelnen Stacks für jede Farbe generiert. Bei dem gestapelten Aufbau erfolgt die Trennung der einzelnen Stacks durch die Einführung von transparenten Elektroden zwischen den Schichten, was einer Reihenschaltung von einzelnen monochromaten Devices entspricht. Der geschichtete Aufbau ist weniger komplex, allerdings können Farbveränderungen aufgrund der unterschiedlichen Alterung der einzelnen Farben im Gegensatz zum gestapelten und horizontalen Aufbau nicht kompensiert werden. Besonders das blaue Emissionssystem tendiert zur
schnelleren Degradation im Vergleich zu den anderen Komponenten.[73] Die Herausforderung des geschichteten Aufbaus liegt darin, die Emissionen der einzelnen Schichten so auszubalancieren, dass von jeder Farbe der richtige Anteil für die weiße Emission beigetragen wird.
Abbildung 2.9: Architekturen von Weißlicht-OLEDs (WOLEDs) aus den drei Primärfarben rot, grün und blau: a) Vertikal geschichtet; b) Vertikal gestapelt; c) Horizontale Anordnung der Subpixel.
(Bedeutung der Schichtfarben: weiß: Substrat; grau: transparente Elektrode; rot, grün, blau:
Emissionsschichten; schwarz: reflektierende Elektrode)
Ein Beispiel für eine sehr effiziente WOLED mit geschichtetem Aufbau wurde 2009 von Leo und Mitarbeitern vorgestellt (Abbildung 2.10). In diesem hochkomplexen Aufbau erhält man weißes Licht aus der Kombination von drei Phosphoreszenzemittern:
Ir(MDQ)2(acac) für rot, Ir(ppy)3 für grün und FIrpic für blau. Die Emitter sind in TCTA bzw. TPBI als Matrixmaterialien eingebettet. Die blaue Teilschicht liegt in der Mitte der Emissionsschicht und ist von der roten und grünen Teilschicht umgeben. An der Grenzfläche zwischen TCTA und TPBI liegt die Rekombinationszone, in der die Exzitonen gebildet werden. Förster-Energietransfer wird durch eine je 2 nm dicke Trennschicht aus reinen Matrixmaterial TCTA bzw. TPBI zwischen den Emitter-Matrix-Schichten unterbunden. Zusätzlich wird aufgrund der hohen Triplettenergie von TCTA die Diffusion von Exzitonen aus der blauen Emissionsschicht in die rote Region verhindert. Im Gegensatz dazu können nicht genutzte Exzitonen aus der blauen Region in der grünen Emissionsschicht durch Diffusion genutzt werden. Mit diesem Schichtaufbau und einer verbesserten Lichtauskopplung durch Verwendung von hochbrechenden Glassubstraten konnte eine Leistungseffizienz von 90 lm/W erzielt werden, was einer Effizienz von Leuchtstoffröhren entspricht.[69]
a) b) c)
Abbildung 2.10: Energiediagramm der Multiemissionsschicht einer komplexen Weißlicht-OLED von K. Leo.[69]
2.5.2 Charakterisierung von Weißlichtquellen
Das emittierte Licht von OLEDs kann durch verschiedene Kenngrößen charakterisiert werden. Der Farbwert einer jeden Farbe kann nach der von der Internationalen Beleuchtungskommission CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) 1931 fest-gelegten Normvalenzsystems mit Rücksicht auf die Wahrnehmung des menschlichen Auges einem x- und y-Wert zugeordnet werden (Abbildung 2.11). Auf der parabel-förmigen Begrenzung (Spektralfarbenzug) liegen alle reinen monochromatischen Spektralfarben mit 100% Sättigung. Um weißes Licht zu erhalten, wird am häufigsten die additive Mischung der drei Farben rot, grün und blau (RGB) verwendet. Die drei Grundfarben spannen im CIE-Diagramm ein Dreieck auf, innerhalb dessen jede Farbe im Display dargestellt werden kann (Gamut) und den Weißpunkt (x = 0,33; y = 0,33) notwendigerweise enthalten sollte. Des Weiteren ist die Emissionsfarbe der temperaturabhängigen Strahlung eines schwarzen Körpers, die sog. Planckkurve, zu sehen, die eine Korrelation zwischen der Farbe und einer bestimmten Farbtemperatur
NPD
TCTA TPBI Ir(MDQ)2(acac) FIrpic Ir(ppy)3
herstellt. Für Beleuchtungszwecke sollte die Emissionsfarbe des weißen Lichts möglichst nahe an der Strahlung des schwarzen Körpers bei Farbtemperaturen zwischen 3000 und 10000 K liegen. Bei Temperaturen unter 5000 K wird das weiße Licht dabei als warm empfunden und über 5000 K als Kaltweiß.[74] Eine weitere Größe für die Beschreibung weißen Lichts ist der Farbwiedergabeindex CRI (color rendering index). Dieses Maß beschreibt die Farbänderung eines beleuchteten Objektes durch die Lichtquelle im Vergleich zu einem schwarzen Strahler als Referenzquelle bei der gleichen Farbtemperatur und nimmt Werte zwischen 0 und 100 an. Hohe Werte werden erreicht, wenn die Lichtquelle ein kontinuierliches Wellenlängenspektrum aufweist und damit die Farben der beleuchteten Objekte möglichst farbgetreu wiedergeben kann. Um die herkömmlichen Glühbirnen (CRI 100) für die Beleuchtung in Innenräumen zu ersetzen, müssen CRI-Werte von mindestens 80 erzielt werden. Mit weißen OLEDs konnten bereits CRI-Werte von bis zu 97 erreicht werden.[75]
Abbildung 2.11: 1931 CIE-Normvalenzsystem mit Planck-Kurve, Spektralfarbenzug und NTSC-Farbraum.
X
Y
Planck-Kurve Spektralfarbenzug
(0,21; 0,71)
(0,14; 0,08)
(0,67; 0,33)