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Organische Leuchtdioden (OLED)

Organische Leuchtdioden (OLED) als neue Beleuchtungskomponente in der Bildverarbeitung

Einführung

Organische Leuchtdioden sind flache, homogene und energieeffiziente flächenhafte Beleuchtungselemente, die für die industrielle Bildverarbeitung interessante Optionen bieten.

Abb. 1: Schematischer Querschnitt eines bare level OLED-Moduls (Quelle: Philips Lighting)

Die herausragende Eigenschaft der OLED stellt ihre extrem dünne Bauweise (siehe Abb. 1) und die flächige Abstrahlcharakteristik dar, die sie von bisherigen Lichtquellen grundlegend unterscheidet. Inzwischen wird statt der unteren Abdeckung aus Glas auch eine Dünnschichtverkapselung verwendet. Dadurch kann man die Gesamtdicke sogar auf unter einen Millimeter reduzieren.

Details des Grundaufbaus des OLED-Bauelementes, unterschiedliche Bauelemente-Architekturen und internen Wirkmechanismen, Herstellungsverfahren sowie der Marktprognose werden hier nicht erläutert. (siehe „Die OLED für Beleuchtung – ein Technologieüberblick“ - Sonderheft vom September 2013 der Elektronikpraxis zur LED-Beleuchtung des Verlages Vogel Business Media GmbH bzw. www.elektronikpraxis.vogel.de/opto/articles/416574/.

Die OLED-Beleuchtung hat für energieeffiziente Allgemeinbeleuchtungsanwendungen im Innenraum ein enormes Potential für den Massenmarkt. Hierauf fokussieren sich alle Anstrengungen bei der Entwicklung und Fertigung der OLED-Bauelemente. Daraus ergibt sich allerdings, dass fast ausschließlich quadratische oder rechteckige Bauformen mit weißem Licht angeboten werden. Kundenspezifische Formen können zwar entwickelt werden, solche Bauelemente sind jedoch wesentlich teurer und bedürfen einer engen kooperativen Zusammenarbeit mit den OLED-Herstellern. Im Weiteren wird auf Aspekte eingegangen, die für die Bildverarbeitung von spezifischem Interesse sind.

Optische Lichtauskopplung – Strahlformung

Eine OLED stellt durch ihren Aufbau aus sehr dünnen, großflächigen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Schichtdicken einen asymmetrischen Schichtwellenleiter dar. Deshalb kann der größte Teil des in der Emitterschicht erzeugten Lichts die OLED normalerweise nicht verlassen. Durch einen optimierten und modifizierten Schichtaufbau der OLED für die interne Lichtauskopplung und durch Verbesserung der externen Lichtauskopplung durch spezifische Auskoppelfolien kann erreicht werden, dass zukünftig bis zu 60 Prozent des in der OLED erzeugten Lichts extern nutzbar gemacht werden kann.

Die interne Lichtauskopplung kann nur durch den OLED-Hersteller beeinflusst werden. Zur Verbesserung der externen Auskopplung werden OLEDs oft bereits mit Auskoppelfolien angeboten, welche mikrooptische Elemente (Linsen- bzw. Pyramidenarrays) beinhalten. Hier besteht auch für den Anwender die Möglichkeit, eigene Lösungen zu realisieren.

Das könnte in folgenden Fällen notwendig und sinnvoll sein:

  • Verbesserung der Homogenität: Durch Unterschiede in der Stromverteilung kann es zu Helligkeitsunterschieden kommen. Dies tritt meist in der Mitte der OLED auf.

  • Verwendung mehrerer OLEDs: Zum Schließen der Lücken zwischen den OLEDs zur Vergrößerung der Leuchtfläche oder bei Sonderbaubauformen mit nichtparallelen Grenzflächen, wie Sie bei 3D-Beleuchtungskomenponenten auftreten, kann es Lösungen in Verbindung mit dem Gesamtaufbau des OLED-Moduls geben.

  • Gerichtete Abstrahlung: Diffuse Abstrahlcharakteristiken können in eine applikationsabhängige, gerichtete Lichtabstrahlung durch die Verwendung einer Primäroptik (Standardauskoppeloptik) und Sekundäroptik zur Strahlformung entsprechend den Erfordernissen der Applikation verändert werden. Es ist zu beachten, dass das Lichtbündel immer noch breit aufgefächert ist. Für Anwendungen mit sehr gerichtetem, fokussiertem Licht sind jedoch LEDs als Punktlichtquelle besser geeignet.

Vergleich OLED – LED

Ideale Flächenleute

Inzwischen werden zwar schon, flächenhafte LED-Beleuchtungskomponenten in sehr flachen Geometrien angeboten, zu denen zukünftige OLED-Beleuchtungen potentiell in Wettbewerb stehen. Allerdings ist für homogene Leuchtflächen bei LEDs immer die Umwandlung einer leuchtstarken Punktlichtquelle in eine flächenhafte Leuchte erforderlich.

Der Begriff „Application Efficiency” wird verwendet, um die OLEDs und LEDs auf dem Systemlevel für flächenhafte Lichtanwendungen zu vergleichen. Dabei sind sowohl die (licht-)technischen Paramenter als auch die Herstellungskosten der Leuchtquellen bis hin zur Leuchte gegenüberzustellen.

Abb. 2: Aufbau eines herkömmlichen LED-Backlights (Quelle: Handbuch der Bildverarbeitung, STEMMER IMAGING GmbH)

Bei der Herstellung flacher LED-Lichtquellen zu Flächenleuchten entstehen durch zusätzliche Komponenten (siehe Abb. 2), den dafür erforderlichen Montageaufwand, das notwendige Wärmemanagement sowie Effizienzverlust der Lichtausbeute erhebliche Kosten. Die OLED dagegen ist à priori eine Flächenlichtquelle. Für die OLED ist das Wärmemanagement eine deutlich geringere Problematik, da die Wärme über eine große Fläche durch Konvektion abgeführt wird.

Momentan sind trotz dieser Mehraufwände noch Kostenvorteile für die LED-Flächenleuchte vorhanden. Wie bereits in der Einführung aufgezeigt wird eine Ver-besserung der Fertigung (Taktzeit, Ausbeute) der bare level OLEDs die noch hohen Preise erheblich reduzieren. Unabhängig davon sind die Bauhöhen im 1-mm-Bereich, die flexible Bauform und die Transparenz mit LED-Flächenleuchten nicht erreichbar.

Ansteuerung

Der Strom-/Spannungsverlauf einer OLED entspricht einer typischen Diodenkennlinie (siehe Abb. 3). Eine Charakteristik von OLEDs ist, dass ihre Durchlassspannung deutlich niedriger ist als bei vergleichbaren LED-Lichtquellen. Dies stellt einen Vorteil z.B. beim Überblitzen von OLEDs dar, da für den gleichen Strom weniger Spannung benötigt wird.

Abb. 3: Typische Strom-Spannungs-Kennlinien eines OLED- und zweier LED-Module (Quelle: STEMMER IMAGING GmbH)

Allerdings gibt es bei der Ansteuerung von OLEDs einige Besonderheiten zur beachten. Im Vergleich zu LEDs sind OLEDs riesige Flächendioden, die als elektrische Kapazitäten wirken und dadurch Blindströmen verursachen können.

Zudem kann es bei OLEDs - anders als bei LEDs - zu Kurzschlussdefekten kommen. Die dabei entstehenden hohen Ströme führen lokal zu großen Erwärmungen, die eine Brandentwicklung zur Folge haben können. Eine Kurzschlusssicherung ist in einem OLED-Treiber deshalb unabdingbar.

Innovative Möglichkeiten für intelligente Treiberentwicklungen ergeben sich durch die flache Bauform der OLED-Leuchte. In den Aufbau einer Leuchte kann eine geeignete Sensorik integriert werden, um eine interne Helligkeits- und Farbortregelung und damit eine reproduzierbare Beleuchtungseinstellung zu ermöglichen. Um die Vorteile der OLED-Leuchte voll nutzen zu können, ist deshalb ein abgestimmtes Gesamtkonzept für die Treiber-Elektronik sinnvoll.

Blitzbetrieb

OLEDs sind wie LED-Beleuchtungen auch für den Blitzbetrieb geeignet. Trotz der hohen Kapazität ihrer flächigen Dioden reagieren sie innerhalb weniger µs auf einen Strompuls (siehe Abb.4). Lediglich das Abklingen der Spannung unterhalb der Durchlassspannung nach einem Strompuls dauert länger als bei LEDs. Dies ist aber für die Anwendung im Blitzbetrieb unerheblich, da der Strom praktisch sofort auf Null abfällt.

Abb. 4: Strom- und Spannungsverlauf beim siebenfachen Überblitzen einer OLED (Quelle: STEMMER IMAGING GmbH)

Überblitzströme bis zum Siebenfachen des Nominalstroms wurden bisher getestet. Die Intensität nimmt linear mit der Höhe des Strompulses zu (siehe Abb. 5), wobei es bei hohen Strömen zu einer Sättigung der Intensitätsantwort kommt. In wieweit sich hohe Pulsströme auf die Lebensdauer auswirken, ist noch nicht bekannt. Grundsätzlich kann derzeit im für die Bildverarbeitung wichtigen OLED-Blitzbetrieb für die Applikation kein wesentlicher Unterschied zu LED-Beleuchtungen festgestellt werden.

Abb. 5: Zusammenhang zwischen Strompuls und Helligkeit einer OLED beim Überblitzen (Quelle: STEMMER IMAGING GmbH)

Spektrale Helligkeitsverteilung

Typisch für weiße LED-Beleuchtungen ist der Helligkeitseinbruch im blaugrünen Bereich (ca. 480 nm; siehe Abb. 6). Auf Grund der breiteren Emissionskennlinien und des Aufbaus in mehreren Schichten mit verschiedenfarbigen Emittern zeichnen sich weiße OLEDs generell durch ihre hohe Farbtreue (CRI > 90) aus. Dies ist insbesondere bei Farbanwendungen mit detailtreuer Wiedergabe der Farbnuancen vorteilhaft (Medizin- und Biotechnologie, Kunstmarkt, Wertpapierdruck).

Abb. 6: Spektrale Helligkeitsverteilung einer weißen OLED und einer herkömmlichen weißen LED-Beleuchtung (Quelle: STEMMER IMAGING GmbH)

Lebensdauer

Die Lebensdauer und Helligkeiten von OLEDs sind - entgegen früheren Annahmen - inzwischen ausreichend für die Anwendung mit flächenhaften Beleuchtungsanforderungen. Man erreicht Werte, wie man sie von LED-Beleuchtungen kennt. Für weißes OLED-Licht ist beispielsweise eine Lebensdauer von 20.000 h (bei 2.000 cd/m² und LT70) möglich. Monochrome Beleuchtungen im grünen und roten Farbspektrum sind noch deutlich langlebiger. Durch die Verwendung von OLED-Reihenschaltungen innerhalb des Bauelementes (stacked OLEDs) sind bereits Leuchtdichten von bis zu 5.000 cd/m² verfügbar.

Anwendernetzwerk OLAB - erste Produkte

Es ist für zukünftige Anwendungen von OLEDs für Beleuchtungen wesentlich, dass das mögliche Innovationspotential intensiver durch den Mittelstand genutzt wird. Ein Beispiel für eine erfolgreiche mittelständische Vernetzung ist das Netzwerk OLAB (www.oled-olab.net), das entlang einer kompletten Wertschöpfungskette gebildet wurde und den Verbund von Partnern aus mittelständischer Wirtschaft und der angewandten Forschung in enger Partnerschaft mit Philips Lighting in Aachen darstellt. Projekte zur Prototypenentwicklung für Nischenmärkte auf der Basis von OLED-Rohbauelementen und zum Aufbau einer Customized-Fertigung von Beleuchtungskomponenten und -systemen werden derzeit realisiert. So werden in einem Projekt namens OLIB seit gut einem Jahr (siehe Abb. 7) Beleuchtungskomponenten für die Bildverarbeitung entwickelt.

Abb. 7: Entwicklungspartner in OLIB für Bildverarbeitungsbeleuchtung

Das OLAB-Netzwerk wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms des Mittelstandes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert und ist ein ZIM-NEMO Erfolgsbeispiel.

Als erstes Produkt wird in diesem Jahr die Backlight-Serie seelectorLUX OLED von der Firma hema electronic GmbH auf den Markt kommen, die über die Stemmer Imaging GmbH vertrieben wird.

Abb. 8: Funktionsmuster Backlight seelectorLUX OLED

Diese Backlights zeichnen sich durch eine sehr hohe Homogenität und Farbtreue aus (vgl. Abb. 6). Dazu wird eine intelligente Controllerbox mit Netzteil bereitgestellt. Weitere Beleuchtungskomponenten (Tunnelbeleuchtung, Koaxiallicht) sind in Vorbereitung.

Roadmap und Entwicklungstrends

Eine Roadmap für die weitere Entwicklung bei OLED-Modulen unter Einbeziehung unterschiedlicher Quellen ist in Abb. 9. dargestellt.

Abb. 9: Roadmap für OLED-Beleuchtungsbauelemente (Quelle: Zusammenstellung aus Informationen von Philips, LG Chem, Panasonic und Lumiotec)

In Zukunft wird es ähnlich wie bei den LEDs auch nicht die OLED geben. Die Hersteller werden neben den genannten Parametern weitere spezifische Vorteile anbieten.

Die Massenfertigung von organischen Leuchtdioden für Beleuchtungsanwendungen wird in diesem Jahr beginnen. Vorreiter sind Philips Lighting und LG Chem, die neue Fertigungsanlagen auf Basis der Gen 2.5 (Substratgröße ca. 40 x 50 cm²) in Betrieb nehmen werden. OSRAM, Panasonic und weitere neue Firmen im Beleuchtungsmarkt werden folgen.

Die positive Nachricht für die Bildverarbeitung ist, dass sich dadurch der Preis für die Grundbauelemente (bare level OLEDs) weiter reduzieren wird und OLEDs für die Bildverarbeitung das Preisniveau von LED-Flächenleuchten erreichen werden.

Erste flexible OLEDs sind bereits verfügbar und ermöglichen neue Produkteigen-schaften. Die Entwicklung und Herstellung von 3D-Formen mit flächenhafter Beleuchtung wird dadurch vereinfacht.

Transparente OLEDs, die im eingeschalteten Zustand in eine Richtung leuchten, sind geeignet, Entwicklungen von kompakten, integrierten Gesamtsystemen, die aus Kamera, Optik und Beleuchtung bestehen, umzusetzen.

In der Farbtemperatur durchstimmbare OLEDs können zukünftig in der Bildverarbeitung besser auf die Farbe des Objekts (insbesondere bei biologischen oder medizinischen Anwendungen) und falls erforderlich auch auf die spektrale Empfindlichkeit CCD- bzw. CMOS-Kameras angepasst werden.

Die Verbindung von organischer Sensorelektronik mit CMOS-Auswerteelektronik befindet sich noch in der Grundlagenforschung. Hier werden sich innovative Lösungen für extrem kompakte, intelligente Sensorik ergeben.

Fazit

Nach einer intensiven Forschungs- und Entwicklungsphase stehen industrietaugliche OLED-Bauelemente zur Verfügung. Als Beleuchtungskomponente für die Bildverarbeitung ergeben sich zukünftig vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten für die Verwendung als Backlight, Ringlicht und für Sonderbauformen (3D, kompakt).


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