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News: Mit maßgeschneiderten Polymeren zu besseren Plastikbildschirmen

Eine neue Methode, um den Stromverbrauch, die Helligkeit und die Effizienz von organischen Leuchtdioden (OLEDs) zu verbessern, haben Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München in Zusammenarbeit mit Forschergruppen der Universität Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung entwickelt. Bei den organischen Leuchtdioden handelt es sich um eine neue, leistungsfähige Technologie zur Herstellung von Flachbildschirmen. Die Entdeckung vereinfacht die Herstellung monochromer Displays mit verschiedenen Helligkeitsstufen. In naher Zukunft könnte die neue Methode auch eine Rolle bei der Realisierung eines elektrisch gepumpten 'Plastik-Lasers' spielen.
Organische Leuchtdioden (Organic Light-Emitting Diodes – OLED), bestehen aus einer oder mehreren halbleitenden organischen Schichten, die von zwei Elektroden eingeschlossen werden. Sie enthalten neuartige, licht-aussendende Materialien, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung hell aufleuchten. Die Herstellung von OLEDs ist im Grunde sehr einfach: Auf Glas oder durchsichtige, biegsame Trägerfolie wird zunächst ein transparenter elektrischer Leiter aufgebracht. Diese Anode wird mit der Leuchtschicht hauchdünn überzogen. Abschließend wird noch eine Kathode aufgedampft. Insgesamt ist dieses Bauteil nicht dicker als 200 Nanometer (0,2 tausendstel Millimeter).

Das Ganze funktioniert nun so: Bei Anlegen einer elektrischen Spannung – zwischen 3 und 5 Volt – wandern Elektronen aus der Kathode in den organischen Film, während auf der Gegenseite – der Anode – Elektronen aus dem organischen Material entfernt werden, sodass negativ und positiv geladene Ladungsträger entstehen. Die Ladungen wandern in entgegengesetzte Richtungen, die Elektronen zur Anode, die positiven Ladungsträger zur Kathode. Treffen zwei ungleiche Ladungsträger aufeinander, so gleichen sich ihre Ladungen aus, und die Energie wird als emittiertes Licht frei (Elektrolumineszenz). Über chemische Modifikationen lassen sich unterschiedliche Farben und durch Mischen auch die verschiedensten Zwischentöne erzeugen: z.B. leuchtet Polythiophen rot (R), Polyphenylenvinylen grün (G) und Polyfluoren blau (B). Aus den drei Grundfarben lassen sich Farbdisplays (RGB) herstellen.

Das Licht tritt durch die transparente Anode aus, die meist aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) besteht. Doch seit einiger Zeit werden alternativ auch leitfähige Kunststoffe, wie zum Beispiel oxidierte (beziehungsweise "dotierte") Derivate des Polyanilins oder Polythiophens, als Anodenmaterial eingesetzt. Sie verbessern zum einen die Injektion positiver Ladungsträger und zum anderen die Lebensdauer der Leuchtdioden.

Je nach Herstellungsbedingungen sind die Eigenschaften von OLEDs mit Kunststoff-Anoden jedoch sehr unterschiedlich. Klaus Meerholz, Leiter der Münchner Forschungsgruppe, erklärte: "Wir vermuteten schon lange, dass die Eigenschaften der OLEDs unmittelbar mit dem Oxidationszustand der polymeren Anode zusammenhängen. In bisherigen Forschungsarbeiten war der Dotierungsgrad nicht berücksichtigt worden, obwohl lange bekannt war, dass dieser mit dem elektrochemischen Gleichgewichtspotential des Polymers und somit auch mit der sogenannten "Austrittsarbeit", der Energie, die zum Herausreißen eines Elektrons erforderlich ist, korreliert ist. Deshalb hofften wir, die Austrittsarbeit solcher Anoden durch Verändern des Dotierungsgrades des Polymers aktiv einstellen zu können und damit die Dichte positiver Ladungsträger in organischen Halbleitersystemen gezielt zu beeinflussen."

Die Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Universität Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung konnten jetzt zeigen, dass zwischen dem Oxidationsgrad der Kunststoff-Anoden und der Austrittsarbeit tatsächlich ein unmittelbarer Zusammenhang besteht. Sie fanden heraus, dass bei Verwendung von Anoden aus hochdotierten Polymeren es wesentlich effizienter gelingt, positive Ladungsträger in einen organischen Halbleiter zu katapultieren (Nature vom 8. Juni 2000).

Um die Vorteile des neuen Prinzips voll auszuschöpfen, wurden blau emittierende OLEDs, basierend auf Polyfluoren, welches am MPI-P in Mainz synthetisiert wurde, untersucht. War die Kunststoff-Anode stark oxidiert, konnte nicht nur die Betriebsspannung verringert, sondern gleichzeitig auch die Effizienz der Leuchtdiode gesteigert werden. Meerholz erklärte das so: "Mit einem höheren Oxidationszustand der Polymere erreichen wir ein ausgewogeneres Verhältnis zwischen positiven und negativen Ladungsträgern. Ideal wäre sogar ein Verhältnis von 1:1."

Um Zeit bei der Suche nach dem optimalen Oxidationszustand ihres Polymers zu sparen, verwendeten die Wissenschaftler sogenannte "Matrixbauteile". Bei jedem Pixel dieser Matrix kann der Oxidationszustand individuell eingestellt werden (siehe Abbildung). Durch diesen "kombinatorischen" Ansatz gelingt es wesentlich schneller als bisher, die optimalen Parameter für die verschiedensten Leuchtdioden-Systeme zu finden.

Organische Leuchtdioden sind neue, extrem dünne und sehr vielseitige Lichtquellen. Damit werden Flachbildschirme der nächsten Generation möglich. Brillante Farben und hohe Leuchtkraft, dünnste Bauweise und ein Betrachtungswinkel von nahezu 180 Grad sind entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Flüssigkristall-Monitoren (LCD). Seit einigen Monaten sind organische Leuchtdioden bereits als einfarbige Grafikdisplays am Markt, so zum Beispiel für Radios und andere Anwendungen im Auto. Doch wegen der niedrigen Spannung (unter 5 Volt) ist eine Anwendung auch für Mobiltelefone, als Pager oder in anderen batteriebetriebenen Geräten möglich. Für den Einsatz organischer Leuchtdioden als voll farbtaugliche und grafikfähige Monitore besteht jedoch noch ein erheblicher Optimierungsbedarf.

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