OLED-Technologie für hocheffiziente Beleuchtungsanwendungen

Slawinski, Maximilian; Vescan, Andrei

doi:5159

OLED-Technologie für hocheffiziente Beleuchtungsanwendungen = OLED-technology for high-efficient lighting applications

Slawinski, Maximilian (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Hans Christian Andreas Slawinski

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangX, 170 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vescan, Andrei (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51592
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/445006/files/5159.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet GaN-Bauelementtechnologie (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
OLED (Genormte SW) ; Festkörperphysik (Genormte SW) ; Beleuchtung (Genormte SW) ; Halbleitertechnologie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; OLED-Beleuchtung (frei) ; solid-state-lighting (frei) ; OLED-lighting (frei) ; semiconductor technology (frei) ; general lighting (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: UP 3050

Kurzfassung
Organische Leuchtdioden (OLED), als neue SSL-Technologie, ermöglichen es, Lichtquellen zu entwickeln, die die elektrische Lichterzeugung revolutionieren. Mit der OLED-Technologie könnten in Zukunft beispielsweise leuchtende Fenster oder Tapeten entwickelt werden, die Räume homogen mit hochqualitativem Weißlich ausleuchten, ohne die Nutzer dabei zu blenden. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung hocheffizienter, großflächiger OLED für Beleuchtungsanwendungen. Dabei werden technologische Barrieren analysiert, die die Einsatzfähigkeit von OLED als Lichtquellen gegenwärtig limitieren, und anschließend Lösungsansätze entwickelt, die diese Barrieren überwinden. Um einen Lichtstrom von 25 lm/OLED für Beleuchtungsanwendungen zu erzeugen, werden 25 cm² große OLED bei hohen Leuchtdichten (3000 cd/m²) elektrisch, thermisch und optisch charakterisiert. Dabei zeigt sich, dass die Bauelemente bei diesem Betriebspunkt aufgrund der elektrischen Verlustleistung derart erwärmt werden, dass sowohl das Einschaltverhalten der thermisch empfindlichen OLED verlangsamt als auch die Bauelementdegradation massiv beschleunigt wird. Als Lösung dieser Probleme werden Bauelemente mit größeren Leuchtflächen demonstriert, die bei niedrigeren Leuchtdichten aufgrund ihrer größeren Fläche ebenfalls ausreichend hohe Lichtströme emittieren können. Mittels Simulationen wird gezeigt, dass diese Bauelemente nur eine geringe Erwärmung bei entsprechend niedrigeren Leuchtdichten erfahren. Es werden OLED mit 144 cm² Leuchtfläche entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Um den experimentellen Aufwand zu reduzieren und eine systematische Bauelemententwicklung zu ermöglichen, werden im ersten Entwicklungsschritt verschiedene Bauelementstrukturen mittels Simulationen untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass bei der Verwendung von Indiumzinnoxid (ITO) als transparente Anode der Einsatz von metallischen Hilfselektroden (Grid-lines) notwendig ist, um ausreichend homogen leuchtende 144 cm²-OLED zu realisieren. Mit Hilfe von Simulationen wird das Design der Gridlines optimiert und anschließend ein nass-chemischer Lithografieprozess zur Strukturierung des OLED-Substrats (Glasträger, ITO-Anode und Gridlines) entwickelt. Die strukturierten Substrate werden mittels Organischer Gasphasendeposition (OVPD) mit Organik und im Ultrahochvakuum mit Aluminium (Kathode) beschichtet. Die anschließenden elektro-optischen Messungen der 144 cm²-OLED belegen die Tauglichkeit der OVPD als effiziente Depositionsmethode für großflächige OLED und bestätigen die von den Simulationen vorhergesagten hohen Leuchthomogenitäten der entwickelten OLED-Strukturen, die für den Einsatz als Beleuchtungsmittel gut geeignet sind und sogar industriell erzielte Homogenitätswerte übertreffen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Dissertation befasst sich mit den Nachteilen von ITO-Elektroden im Hinblick auf die Auskopplungseffizienz von OLED. Mittels elektromagnetischer Simulationen wird gezeigt, dass die 120–150 nm dicken ITO-Elektroden, die standardmäßig in OLED verwendet werden, etwa ein Drittel des generierten Lichtes als lateral geführte Moden „fangen“ und so die externe Quanteneffizienz (EQE) von OLED senken. Als alternative transparente Elektroden werden daher sehr dünne Goldschichten untersucht. Wegen ihrer hohen spezifischen Leitfähigkeit eignen sich Goldschichten grundsätzlich als Elektrode für großflächige OLED. Darüber hinaus ist Gold als Edelmetall chemisch äußerst stabil und ein hervorragendes Anodenmaterial für organische Halbleiterbauelemente. Die Simulationen sagen eine deutliche Reduktion der geführten optischen Moden für extrem dünne (<10 nm) Goldschichten voraus. Mittels einer Titanhaftschicht werden geschlossene 8 nm dicke Goldschichten auf Borosilicatglas realisiert, die eine optische Transparenz von bis zu 67% (@600 nm) zeigen. Diese Goldschichten werden als Anoden für OLED verwendet und mit 150 nm ITO-Anoden verglichen (bei sonst identischem OLED-Aufbau). Die Charakterisierung beider Bauelemente ergibt eine Steigerung der EQE um 18% durch den Ersatz von 150 nm dicken ITO durch 8 nm Gold. Grund dafür ist die beschriebene Reduktion der lateral geführten Moden, die die zusätzliche Absorption der Goldschicht überkompensiert. Neben der Steigerung durch die Modenreduktion konnten die OVPD-Abscheideparameter so optimiert werden, dass die Emitterdipole der OLED elektromagnetisch optimal ausgerichtet werden (in-Plane). Die Emitterdipolorientierung ist ein neuer Aspekt der OLED-Entwicklung, der in dieser Arbeit erstmals für OVPD-Technologie überprüft wurde. Mit einer EQE von über 12% konnten unter Laborbedingungen OLED entwickelt werden, die den industriellen Stand der Technik teilweise sogar übertreffen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Herstellung von OLED mit dünnen Goldanoden die Herstellungskosten von OLED-Lichtquellen massiv senken und so den Marktdurchbruch beschleunigen könnten.

This work deals with the development of high-efficient, large-area OLED for lighting applications. Technological barriers, which limit the use of OLED for lighting applications, are analyzed and in a following step solved. 25 cm² OLED are driven at higher electrical power to increase the OLED luminance. It turns out that the generation of heat, caused by dissipation losses, accelerates the OLED degradation. As a first solution of this problem OLED area has been increased to achieve higher luminance at lower electrical power densities. This solution is very expensive caused by lower yield and process output. A second solution is the increase of external quantum efficiency by the use of new transperent contact materials, which is presented in this work. This promising approach could be the next step to increase the efficiency and lower the price for OLED lighting.

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