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Kristall und Polymer

Wie LEDs ihr Licht erzeugen

Das Licht entsteht in den Leuchtdioden durch Halbleiter aus anorganischen oder organischen Materialien. Anorganische LEDs enthalten einen Kristall, der unter anderem aus Kombinationen der Elemente Gallium, Indium, Stickstoff und Phosphor besteht, aber auch Seltene Erden spielen eine Rolle. Die Lebensdauer der Bauteile ist bei diesen Leuchtmitteln generell hoch.

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Nachteilig ist jedoch, dass anorganische LEDs in der Regel nur als kleinflächige Lichtquellen einsetzbar sind – zu sehen beispielsweise an modernen Automobilen, deren ausgedehnte Tagfahrlichter sich aus reihenförmig angeordneten Leuchtpunkten zusammensetzen. Diese erhebliche Einschränkung entfällt, wenn man von anorganischen zu organischen LEDs (OLEDs) übergeht, die sich als Flächenlichtquellen gestalten lassen.

Elektronen im Halbleiter-Sandwich

Im Unterschied zu anorganischen LEDs wird das Licht bei OLEDs nicht mehr in einem einzelnen Halbleiterkristall erzeugt, sondern in einer hauchdünnen Schicht aus organischen Molekülen oder Polymeren. Mehrere dünne Halbleiterschichten sind dabei zwischen zwei Elektroden eingebettet. Die Anode ist immer aus durchsichtigem Material gefertigt; ist auch die Kathode durchsichtig, erhält man ein transparentes Display.

Beim Anlegen einer Spannung (3 bis 4 Volt) werden von der Kathode Elektronen und von der Anode Elektronenlöcher in die Struktur injiziert. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes wandern die beiden unterschiedlichen Ladungsträger aufeinander zu. In der mittleren Schicht, welche die Emittermoleküle enthält, rekombinieren Elektronen und Löcher. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von Licht abgestrahlt.

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Das Funktionsprinzip einer OLED: Fließt Strom, kommt es in der Emissionsschicht des Halbleiters zur Rekombination von Elektronen und Löchern im Material. Dabei wird Energie in Form von Licht frei. © Dagmar Jung-Zulauf

Leuchtfolie aus dem Tintenstrahldrucker

Grundsätzlich kann der OLED-Film eine beliebige Ausdehnung haben und in vielfältigen Strukturen und Mustern gefertigt werden. Die Methoden zur Herstellung homogener Filme haben sich zudem in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert und vereinfacht. Heute ist es sogar möglich, mithilfe eines speziellen Tintenstrahldruckers OLEDs für Fernsehgeräte mit bis zu 100 Zentimetern Bildschirmdiagonale zu produzieren.

Und es gibt noch einen weiteren Vorteil: Als Trägermaterial für OLEDs eignet sich nicht nur starres Glas, sondern auch elektrisch leitfähige Kunststofffolien. Somit wird es erstmals möglich, hochgradig biegsame Lichtquellen und Displays herzustellen, die darüber hinaus ein beispiellos geringes Gewicht besitzen.

Buntere Farben, tieferes Schwarz

Zudem strahlt in einem OLED-Bildschirm jedes Pixel unmittelbar in der momentan gewünschten Farbe. Im Gegensatz dazu benötigen gängige LCD-Flachbildschirme eine kontinuierliche Hintergrundbeleuchtung, aus deren weißem Licht durch davor angeordnete Flüssigkristallzellen und Farbfilter der Eindruck eines selbstleuchtenden Bildes erzeugt wird. Konstruktionsbedingt ist die Energieeffizienz eines LCD-Flachbildschirms ähnlich gering wie die einer Glühlampe.

OLED-Displays verbrauchen demgegenüber nicht nur weniger Strom, sondern ermöglichen auch ein tieferes Schwarz, höhere Farbkontraste und stellen das Bild selbst aus ungünstigen Blickwinkeln scharf dar. Schon heute werden OLED-Displays daher in Smartphones, Digitalkameras und einigen Fernsehern des Luxussegments eingesetzt.

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Matthias Wagner und Valentin Hertz / Forschung Frankfurt
Stand: 04.03.2016

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

OLEDs: Die Tapete als Heimkino
Chemiker verhelfen organischen Leuchtdioden zu besseren Farben

Licht aus dem Halbleiter
Von der Glühlampe zur LED

Kristall und Polymer
Wie LEDs ihr Licht erzeugen

Problemfarbe Blau
Warum OLEDs noch nicht für alles taugen

Das Blau der Zukunft
Borhaltige Nanographene als Leuchtstoffe von morgen

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