Mehr Licht aus OLEDs

Organische Leuchtdioden gelten als flexible und günstige Alternative zu normalen LEDs. Bisher allerdings ist die Lichtausbeute noch eher gering, denn die chaotische Anordnung der organischen Moleküle mindert die Leuchtkraft der OLEDs. Das könnte sich nun ändern: In „Nature Chemistry“ berichten Forscher über organische Moleküle, die die Strahlkraft der OLEDS verdoppeln könnten – dank ihrer Wagenrad-ähnlichen Form.

Erst steckten sie nur in den Bildschirmen von Handys, MP3-Playern und Digitalkameras. Nun gibt es bereits erste Fernseher mit organischen Leuchtdioden, kurz OLED. Im Gegensatz zu Displays mit Flüssigkristallen (LCD) benötigen diese Bildschirme keinerlei Hintergrundbeleuchtung. Die organischen Moleküle in ihrem Inneren strahlen selbst farbiges Licht ab. Das verleiht der Technik allerlei ansprechende Eigenschaften: Sie ist energieeffizient, sorgt für strahlende Farben und ermöglicht sogar die Herstellung flexibler Bildschirme. Die Beleuchtungsindustrie träumt gar von strahlenden Tapeten, die je nach Tageszeit ihre Farbe verändern.

Spaghettiform schluckt Licht

OLEDs sind in Schichten aufgebaut. Wird eine Spannung angelegt, wandern von Seiten der Kathode negative Ladungen – Elektronen – in die Diode. Auf Seiten der Anode entstehen positive Ladungen, Löcher genannt. Treffen sich die entgegen gesetzten Ladungen in der Mitte, wird Energie frei, die wiederum Elektronen in den organischen Molekülen der Emitter-Schicht anregt. Fallen diese auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück, senden sie ein Photon aus – sie leuchten.

Leider gehen bis zu 80 Prozent dieses Lichtes verloren. Grund dafür ist, dass die organischen Moleküle aufgrund ihrer spaghettiähnlichen Form polarisiertes Licht abgeben. „Da diese Lichtwellen nur in eine Richtung schwingen, kann das Licht im Inneren der OLED gefangen bleiben, die sich ein bisschen wie eine Glasfaser verhält“, sagt John Lupton von der University of Utah. Er ist Mitglied einer Gruppe um den Bonner Chemiker Vikas Aggarwal, die nun speziell geformte Moleküle entwickelt hat, um dieses Problem zu überwinden.

Bisherige Struktur der organischen Polymere in OLEDs (oben) und die neuen, Wagenrad-ähnlichen Moleküle - die Nudeln verdeutlichen die Struktur © Stefan Jester, Universität Bonn

Doppelte Lichtmenge durch Wagenrad-Form

Die von den Forschern entwickelten Moleküle sind mit einem Durchmesser von sechs Nanometern wahre Riesen ihrer Welt. Sie bestehen nicht aus einem langen Strang aneinander gereihter Bausteine, sondern ähneln Rotelle, Nudeln in Form eines kleinen Wagenrades. Ihre Fähigkeit, Licht abzustrahlen, verdanken sie sogenannten konjugierten Pi-Elektronensystemen. In einer solchen Konstellation verschmelzen die Orbitale mehrerer Atome zu einer Wolke, in der die negative Ladung sich frei bewegen kann. Bereits heute enthalten viele organische Leuchtdioden Moleküle mit Pi-Elektronensystemen.

Die Forscher bestrahlten ihre winzigen Wagenräder mit ultraviolettem Licht und regten so die konjugierten Elektronen in den Felgen an. Wie sich herausstellte, schwang das abgestrahlte Licht in alle Richtungen. „Wir haben ein Molekül geschaffen, das vollkommen symmetrisch ist. Deswegen ist die Schwingungsebene des ausgestrahlten Lichtes vollkommen zufällig“, sagt Lupton. „Theoretisch sollten wir damit in der Lage sein, die Menge des Lichtes zu verdoppeln, das die Diode verlassen kann.“ Bis zur Anwendung, so räumt er ein, sei es allerdings noch ein weiter Weg.

So oder so erfordert die perfekte organische Leuchtdiode noch einiges an Entwicklungsarbeit. Es gibt nämlich ein zweites Problem, das die Lichtausbeute begrenzt. Bis zu drei Viertel der zugeführten Energie wird nicht in Licht, sondern in unerwünschte Wärmestrahlung umgewandelt. Auch an diesem Problem forschen Lupton und sein Team nach eigenem Bekunden. Hoffen wir, dass die Forscher Erfolg haben – unser Smartphone-Akku würde es ihnen danken. (Nature Chemistry, 2013; doi: 10.1038/nchem.1758)

(Nature, 30.09.2013 – NSC)