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Organische Leuchtdioden: Licht aus hauchdünnen Schichten

Organische Leuchtdioden sind hauchdünn und besitzen eine erstaunlich hohe Leuchtkraft. Künftig könnten sich die leuchtenden Bauelemente zur harten Konkurrenz für Glühlampen und LED im Fahrzeug entwickeln.

Light Emitting Diodes (LEDs) in Nutzfahrzeugen haben Konjunktur. Ihre Vorteile bestehen in der Art und Weise, wie sie ihr Licht erzeugen. Für ihren Betrieb ist eine relativ niedrige Stromspannung notwendig. Im Gegensatz zu Glühwendeln, die sich bei Vibration entweder verhaken und wegen des reduzierten Widerstands dann überhitzen oder sofort brechen, sind Leuchtdioden unempfindlich. Zudem umgibt sie kein Hohlkörper, der bei Einwirkung von außen implodieren kann.


Charakteristisches Lichtgesicht


In der Fahrzeuggestaltung werden Beleuchtungseinrichtungen zunehmend zur bestimmenden Größe. Noch vor Jahren legten die Hersteller vor allem Wert auf eigenständig geformte Kabinen und Karosserien; mittlerweile sollen Fahrzeuge auch ein charakteristisches „Lichtgesicht“ zeigen. Dabei haben Leucht¬dioden den Gestaltungsspielraum der Designer enorm vergrößert. Waren es in den ersten Anwendungen vor mehr als vier Jahrzehnten Halbleitermaterialien aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems, wie Galliumphosphid, Aluminiumgalliumarsenid oder Indiumgalliumnitrid, gelingt es mittlerweile, Elektrolumineszenz auch in einer Reihe weiterer Verbindungen auf organischer Basis mit hoher Leuchtdichte zu nutzen.


Günstige Herstellung


Vom Einzug der Organic Light Emitting Diode (OLED) neben der Punktlichtquelle LED erwarten Designer weitere Möglichkeiten der Individualisierung. Inzwischen steht die LED-Schwestertechnologie auch mit Dioden zur Verfügung, die blau leuchten. Mit einer internen Leuchtschicht, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt, lässt sich durch additive Farbmischung weißes Licht erzeugen. Da bei ihrer Herstellung keine einkristallinen Materialien zum Einsatz kommen, sind OLED deutlich günstiger zu produzieren. Ihre Lebensdauer ist derzeit allerdings noch  wesentlich geringer als die von LED.


Organisches halbleitendes Material


Eine organische Leuchtdiode ist ein dünnschichtiges Bauelement. Die Licht-emittierende Komponente besteht aus einem organischen, halbleitenden Material, das eine ¬hohe Leuchtdichte bei geringer Stromdichte zeigt. Organische Leuchtdioden bauen sich in hauchdünnen Lagen auf eine durchsichtige Trägersubstanz auf. Die Anode besteht aus einer Schicht, die sich aus Indiumzinnoxid zusammensetzt. Daran schließt sich eine Lochleitungsschicht, der sogenannte Hole Transport Layer (HTL). Je nach Produktionsverfahren sind die beiden Schichten durch einen auf einer Polystyrolsulfonat-Verbindung basierenden Film voneinander getrennt. Damit soll das Diffundieren von Indium verhindert werden.


Reine Molekülstrukturen


Auf der Lochleitungsschicht liegt die Komponente, die das Licht letztendlich ausstrahlt, die Emitterschicht. Als Farbstoffmoleküle sind Metall-organische Verbindungen aufgebracht, deren Lichtaussendung auf sogenannten Triplettzuständen basiert. Die physikalische Chemie bezeichnet diesen Effekt als Phosphoreszenz. Die Kathode zum Abschluss besteht entweder aus einer Legierung, beispielsweise aus Magnesium und Silber, oder einem Metall wie Aluminium, Barium oder Calcium, das im Hochvakuum aufgedampft wird. Durch die Herstellung im Vakuum entstehen absolut reine Molekülstrukturen, Voraussetzung für eine akzeptable Lebensdauer.


Einsatz als Flächenstrahler


Interessant sind OLED im Fahrzeug vor allem als Flächenstrahler, also in Anwendungen, bei denen es um das „Gesehenwerden“ geht. Beispiele dafür sind Blinker, Brems- und Rücklicht. Ein weiteres Einsatzgebiet des OLED-Flächenlichts stellt die Innenbeleuchtung der Kabine dar. Denkbar ist unter anderem eine transparente OLED-Lösung, die Front- und Seitenscheiben der Kabine bedeckt und bei Dämmerung  mit einer Handbewegung ein- und ausgeschaltet werden kann. Ein ähnliches System hat Philips auf der diesjährigen Light-and-Building-Messe in Frankfurt am Main gezeigt. Begrenzende Faktoren der  organischen Leuchtdioden sind Kühlung und Temperaturfestigkeit. Beide bereiteten nach wie vor noch Schwierigkeiten, bestimmen aber entscheidend die Lebensdauer. Der Leuchtmittelhersteller Osram hat jüngst eine OLED entwickelt, die im Labor-Langzeitversuch Temperaturspitzen von bis zu 85 Grad Celsius über einen Zeitraum von mehreren hundert Stunden standhielt.


Temperaturbeständigkeit als größte Herausforderung


Osram interpretiert dieses Ergebnis als wichtigen Schritt in Richtung einer automobiltauglichen Anwendung. „Nach diesem Forschungserfolg werden wir nun den zukünftigen Einsatz in Serienfahrzeugen in Angriff nehmen“, sagt Ulrich Eisele, verantwortlich für das Segment „Organische Leuchtdioden“ bei Osram  über die Temperaturbeständigkeit als größte Herausforderung der neuartigen Lichtquelle im Fahrzeug.

Infos zu Lichtstrom, Beleuchtungs- und Lichtstärke


Unter dem Lichtstrom versteht man die Strahlungsleistung einer Lichtquelle. Sie wird in Lumen (lm) angegeben. Das Verhältnis aus Lichtstrom zur beleuchteten Fläche ergibt die Beleuchtungsstärke (Lumen/Quadratmeter). Die entsprechende Einheit ist in Lux (lx) angegeben. Die Lichtstärke definiert das Verhältnis des Lichtstroms zum durchstrahlten Raumwinkel. Je größer der Lichtstrom in einem bestimmten Winkelbereich, desto größer dort die Stärke. Gemessen wird sie in Candela (cd). Die Leuchtdichte wiederum definiert das Verhältnis der Lichtstärke zur Fläche der Lichtquelle (Candela/Quadratmeter). Bei gleicher Lichtstärke hat eine kleine Lichtquelle also eine höhere Leuchtdichte als eine große.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Datum

9. August 2012
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