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Neues Blau für organische Leuchtdioden

OLED erzeugt reinblaues Licht mit hoher Effizienz und vielversprechender Lebensdauer

OLEDs
Neuartige organische Leuchtdioden erzeugen reines blaues Licht mit hoher Effizienz und längerer Lebensdauer. © Masaki Tanaka/ Kyushu University

Blaues Leuchten der Zukunft: Forscher könnten eines der großen Probleme organischer Leuchtdioden gelöst haben – die Herstellung blauer OLEDs. Bisher sind die dafür verwendeten Moleküle wenig effektiv und degradieren schnell. Doch dank der Kombination zweier Fluoreszenz-Stoffe gelang es den Wissenschaftlern nun, eine LED mit rein blauem Licht und einer längeren Lebensdauer zu produzieren, wie sie im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.

Organische Leuchtdioden (OLED) stecken heute schon in vielen Displays vom Handy bis zum Fernseher. Bei ihnen senden kohlenstoffhaltige Moleküle direkt Licht bestimmter Wellenlängen aus, wenn sie durch elektrischen Strom angeregt werden. Dadurch kommen OLED-Displays ohne zusätzliche Hintergrundbeleuchtung aus und sind daher stromsparender. Zudem funktioniert die dünne Emitterschicht auch auf flexiblen Trägermaterialien – das ermöglicht biegsame Displays.

Hyperfluoreszenz-OLED
Die neue blaue OLED beruht auf einer Kombination der beiden organischen Moleküle HDT-1 und v-DABNA.© Burke et al. /PNAS

Blau macht Probleme

Doch bisher gibt es bei den OLEDs einen großen Haken: Blaues Licht lässt sich mit ihnen nur schwer erzeugen, weil es an geeigneten Farbstoffen fehlt. Die bisher verwendeten sind oft wenig effizient und damit nicht hell genug. Zudem entstehen in ihnen bei Anregung energiereiche Quasiteilchen, die das Material degradieren und so die Lebensdauer stark verkürzen. Will man dies abmildern, müssen teure Metalle wie Iridium und Platin zugesetzt werden.

Blaue OLEDS hinken deshalb in puncto Qualität und Leistung bislang deutlich hinter roten oder grünen OLEDs hinterher. „Inzwischen existiert eine wachsende Zahl an leistungsstarken Optionen für rote und grüne OLEDs, aber Geräte mit energiereichem blauen Licht sind eine größere Herausforderung“, erklärt Erstautor Chin-Yiu Chan von der Kyushu Universität. „Bei ihnen muss man fast immer Abstriche in Effizienz, Farbreinheit, Kosten oder Lebensdauer machen.“

Lösung durch zwei Komponenten

Jetzt könnten Chan und seine Kollegen eine Möglichkeit gefunden haben, das Blau-Problem der organischen Leuchtdioden zu lösen. Sie haben eine blaue OLED entwickelt, bei der zwei verschiedene Emitter-Farbstoffe zusammenwirken, um rein blaues Licht mit geringer Streuung und hoher Effizienz zu erzeugen.

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Die erste Komponente der neuen Leuchtdiode ist ein organisches Molekül (HDT-1), das sein Licht auf Basis der thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz abgibt (TADF). Durch Erwärmung lässt sich das HDT-1-Molekül in den angeregten Zustand bringen und gibt dann bei Rückkehr in den Grundzustand himmelblaues Licht ab. Der Vorteil: Solche TADF-Farbstoffe strahlen hell und kommen ohne teure Metalle aus.

Zweiter Farbstoff engt das Spektrum ein

Allerdings hat das Licht von HDT-1 ein breites Farbspektrum und eignet sich daher nur bedingt für LEDs mit reinen Farben. „Wenn eine blaue Emission kein enges Spektrum hat, müssen Filter eingesetzt werden, um die Farbreinheit zu erhöhen“, erklärt Chans Kollege Chihaya Adachi. Das mindert die Effizienz, weil viel Energie verloren geht.

Um dieses Problem zu umgehen, haben Chan und sein Team das HDT-1-Molekül mit einem weiteren Molekül kombiniert. Dieser zweite, ν-DABNA getaufte TADF-Farbstoff ist bereits dafür bekannt, dass er reinblaues Licht erzeugen kann, er degradiert allerdings beim Einsatz als OLED extrem schnell. Doch wie die Forscher herausfanden, lässt sich dies vermeiden, wenn man diesen Farbstoff mit dem HDT-1-Molekül koppelt.

Hohe Lichtstärke und reines Blau

Die Wechselwirkungen zwischen den beiden Farbstoffen führen dann dazu, dass die zerstörerischen Energiezustände sehr schnell in lichterzeugende Anregungszustände umgewandelt werden. Dadurch bleibt v-DABNA länger stabil, zudem geht dadurch weniger Energie verloren. In ersten Tests ermittelten die Wissenschaftler eine Lebensdauer von 84 Stunden bei einer hohen Lichtstärke von 1.000 Candela pro Quadratmeter.

Gleichzeitig verengt diese zweite Komponente das Lichtspektrum der LED auf ein fast reines, nur wenige Nanometer in der Wellenlänge streuendes Blau. „Wir haben eine enge blaue Emission beobachtet, die eine hohe Quantenausbeute in der Photolumineszenz von 97 Prozent aufwies“, berichten die Forscher.

Neue Möglichkeiten durch Hyperfluoreszenz-OLEDs

Nach Ansicht von Chan und seinem Team eröffnet diese Technologie einen Weg zu effizienten, reinblauen organischen Leuchtdioden, die ohne teure Metalle auskommen, aber trotzdem länger halten. „Ich hoffe, dass solche blauen Hyperfluoreszenz-OLEDs schon in naher Zukunft die in hochauflösenden Displays gängigen blauen OLEDS ersetzen werden“, sagt Chan.

Noch sei die im Experiment gemessenen Lebensdauer zwar nicht ausreichend für einen solchen praktischen Einsatz. „Aber diese anfängliche Ergebnisse deuten auf eine vielversprechende Zukunft hin“, so Adachi. Denn vor allem durch optimierte Herstellungsbedingungen dieser OLEDs lasse sich die Lebensdauer noch steigern. (Nature Photonics, 2021; doi: 10.1038/s41566-020-00745-z)

Quelle: Kyushu University

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