Zukunftstechnik mit kleinem Pferdefuß

Lichtemittierende Dioden (LEDs) und Organische Leucht-Dioden (OLEDs) gelten als technologische „Verwandte“. Doch während LEDs nach Darstellung des Retourlogistikers Lightcycle mit verschiedenen bewährten Verfahren recycelt werden kann, ist die Entsorgung der zukunftsträchtigen OLEDs zurzeit kein Thema.

Aus technischer Sicht sind LEDs gegenüber OLEDs zweifach im Vorteil: Sie schneiden mit 90 bis 100 Lumen pro Watt Lichtausbeute deutlich besser als die anderen Leuchtdioden mit 20 bis 50 Lumen pro Watt ab. Ähnlich sieht es bei der Lebensdauer aus, bei der LEDs auf über 50.000 Stunden kommen, während es OLEDs nicht über 15.000 Stunden schaffen. Allerdings sollen die „Lumiblade“-OLEDs von Philips bereits 30.000 Stunden funktionsfähig sein, bevor sie 30 Prozent ihrer Leuchtkraft verloren haben und ausgetauscht werden sollten – immerhin erreichen sie damit das dreißigfache Alter einer herkömmlichen Glühbirne. Und auch gegenüber anderen bisherigen Technologien wie Kathodenstrahlenröhren, Flüssigkristall-Displays oder Plasma-Displays punkten OLEDs, beispielsweise durch geringe Betriebsspannung, eine dünne Struktur von wenigen hundert Nanometern und etlichen optischen Vorteilen.

Zwischen Anode und Kathode

OLEDs bestehen aus mehreren Schichten. Hinter einer Glas- oder Kunststoffscheibe befindet sich eine Anodenebene, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (englisch: indium tin oxide, ITO). An sie schließt sich eine Loch-Leitungsschicht (englisch: hole transport layer, HTL) an, wobei Loch, Defektelektron oder Elektronenfehlstelle den gedachten beweglichen positiven Ladungsträger bezeichnet. Auf die HTL folgt die  Emitterschicht (englisch: emitter layer, EL), die Farbstoff enthält oder aus Farbstoff besteht. Ihr schließt sich optional eine Elektronenleitungsschicht (englisch: electron transport layer, ETL) an. Darauf ist eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Caesiumfluorid oder Silber als Schutzschicht aufgedampft. Den Abschluss bildet eine Kathodenebene, bestehend aus Calcium, Aluminium, Barium oder Ruthenium oder Magnesium-Silber-Legierung.Die Leuchteinheit besteht aus zwei elektrisch leitenden Schichten. Wird von außen Spannung angelegt, werden von der Anode positive Löcher und von der Kathode negative Elektronen injiziert.  Sie gelangen – über verschiedene Blockierebenen – in die Emitterschicht, treffen zusammen und rekombinieren. Dadurch entstehen elektrische Anregungszustände, bei denen die Überschussenergie auf die elektrolumineszierende Verbindung übertragen wird. Die Energie wird in Licht umgesetzt, das aus der elektrolumineszierenden Schicht emittiert wird. Das Lichtelement wird dabei nicht nennenswert erwärmt.

Größen im Nanobereich

All das spielt sich auf kleinstem Raum ab: In der Patentbeschreibung zum Singulett-Harvesting-Verfahren werden Schichtstärken von 100 nm für Anode und Kathode, 50 nm für die  Loch-Leitungsschicht, 40 nm für die Emitterschicht, 20 nm für die ETL und 1 nm für die Isolierschicht zwischen E(T)L und Kathode angegeben. Die angelegte Spannung beträgt zwischen 3 und 10 Volt. Die Metallschicht der Kathode wird mit 100 nm Stärke angegeben. Bei aktell 50 Millionen hergestellten Smartphones pro Quartal ergibt das pro Jahr eine Dicke von 20 Metern, die sich mit der ungefähren Displayfläche eines iPhone6 von 12 x 6 Zentimeter zu 0,144 Kubikmetern multiplizieren. Ob Aluminium, Magnesium oder Silber-Legierung: Hier entsteht ein Materialverlust, der sich bei Nicht-Wiedergewinnung in einer vernachlässigbaren Größenordnung bewegt. Anders sieht es beim Indium-Zinn-Oxid aus. Es besteht zu zehn Prozent aus Zinn-Oxid (SnO2) und zu 90 Prozent aus Indium-Oxid (In2O3). Indium ist aufgrund seiner mineralischen Seltenheit und der großen Nachfrage in der Hightech-Industrie von strategischer Bedeutung und sein Preis in den letzten Jahren enorm gestiegen.

Foto: ALBA Group

Foto: ALBA Group

Seltene Erden und Edelmetalle

In der Binderschicht sind andere Elemente wie Kupfer oder Mangan dotiert. Die Emitterschicht enthält neben Polymeren auch teilweise Seltene Erden wie Europium und Edelmetalle wie Platin und Iridium, die zu den kritischen Rohstoffen zählen. Das Umweltbundesamt (UBA) zählt darüber hinaus Verbindungen Seltener Erden wie Lanthan, Cer und Yttrium, Edelmetalle wie Silber und (Halb-)Metalle wie Indium, Magnesium und Aluminium sowie Hochleistungskunststoffe zu den eingesetzten Materialien.

Hinsichtlich Umweltbelastung gab die Dessau-Roßlauer Behörde schon 2013 grünes Licht für OLEDs. Die in den organischen Halbleitern eingesetzten Polymere gelten wie andere Kunststoffe auch als öko-toxikologisch unkritisch, da sie relativ inert sind. Über das Gefährdungspotenzial von gegebenenfalls eingesetzten Zusatzstoffen lägen keine Befunde vor. Und die Freisetzung möglicherweise verwendeter gefährlicher Stoffe sei eher unwahrscheinlich, da sie zum Schutz vor Feuchtigkeit und Sauerstoff verkapselt seien, so das Urteil des UBA.

6.000 bis 7.000 Euro Quadratmeterpreis

Daran dürfte sich auch in nächster Zeit quantitativ wenig ändern. Denn wie Dr. Norman Bardsley von Bardsley Consulting und Dr. Khasha Ghaffarzadeh von IDTechEx in einer Studie kalkulierten, wird sich im Jahr 2023 der Markt für OLEDs auf rund 1,2 Milliarden Euro belaufen – das entspricht 1,3 Prozent der zukünftigen Marktgröße der LED-Leuchten. Schuld daran sind die hohen Kosten. Sie liegen laut IDTechEx-Studie pro Platte bei 300 bis 500 US-Dollar je Kilolumen, die Kosten für Einbau, Verkauf, Installation und Handelsspanne nicht mitgerechnet. Experten sprechen von einem Quadratmeterpreis von derzeit 6.000 bis 7.000 Euro, der zukünftig einmal auf bis zu 1.000 Euro gesenkt werden soll.

Zum Patent angemeldet: Singulett-Harvesting

An Änderungen am Aufbau von OLEDs wird schon seit einiger Zeit getüftelt. So entwickelte die Novaled AG, ein ehemaliges Fraunhofer Venture, zusammen mit der amerikanischen Cambrios Technologies Corporation eine OLED-Anode, die statt aus Indium-Zinn-Oxid aus Silberdrähten zwischen 50 nm und 250 nm Stärke bestehen. Sicherlich wird auch die Emitterschichte Modifikationen hinsichtlich Farbgebung erfahren: Bislang werden hier Zinksulfid-Nanopartikel in den mit Kupfer oder Mangan dotierten Layer eingebettet, die lediglich grünes und blaugrünes Licht erzeugen. Abhilfe ist nötig, da bei den sogenannten Triplett-Emittern in der Regel Komplexverbindungen mit vorwiegend teuren Edelmetalle wie Iridium, Platin oder auch Gold zum Einsatz kommen sollen. Und schließlich sollte für vollflexible Displays ein geeignetes Material zur Abdeckung gefunden werden: Kunststoff als Glasersatz ist zwar biegsam und anpassungsfähig, jedoch wasser- und luftdurchlässig, was die Lebensdauer der OLEDs vermindert.

Eine wesentliche materielle Verbesserung wird ohne Zweifel das neueste Verfahren – das zum Patent angemeldete Singulett-Harvesting – beitragen. Es verbessert den  Übergang vom angeregten Triplett-Zustand zum Singulett-Zustand und schafft Emitter-Moleküle mit möglichst kurzer Emissionslebensdauer, aber dennoch hoher Emissionsquantenausbeute. Bei ihm werden Kupfer(I)-Komplexe verwendet, die wesentlich preiswerter sind und – wie der OLED-Experte Erich Strasser meint – „keine giftigen Metalle enthalten“. Damit lassen sich mit diesem Verfahren OLEDs mit einem hohen Wirkungsgrad bei Verwendung wesentlich preiswerterer Materialien als bislang herstellen.

Unausweichliche dissipative Verluste

OLED-Lampen werden LED-Leuchten nicht verdrängen, da die Lampen als Flächenbeleuchtung für die letzteren als Punkt-Lichtquellen keine Konkurrenz darstellten. Die Hauptanwendungen von OLED-Bildschirmen liegen momentan bei kleinen Displays für Mobiltelefone und portable Kleingeräte. So bleiben den Herstellern von OLED-Beleuchtungen lediglich Nischen-Märkte wie das Hotel- und Gaststättengewerbe, Einkaufszentren oder spezielle architektonische Projekte. Bei fortgeschrittener Technik und damit sinkenden Stückpreisen werden OLED-Beleuchtungselemente ihren Markt finden, den OLED-Displays schon jetzt gefunden haben.

Die Menge an recycelbaren Elementen, so selten und teuer sie auch sein mögen, fällt beim heutigen Marktaufkommen an OLEDs kaum ins Gewicht. Der volkswirtschaftliche Schaden durch mangelndes Recycling, über das heute noch nicht einmal nachgedacht wird, dürfte sich auch zukünftig in Grenzen halten. Zumindest auf dem jetzigen Stand der Technik verschwinden jedoch solche Materialen einschließlich der in ihre Gewinnung investierten Energie unwiederbringlich: Verfahren, um die Nanomillimeter großen Partikel rückzugewinnen, gibt es noch nicht und erscheinen auch kaum wirtschaftlich. Damit gehen Wertstoffe  „unausweichlich dissipativ verloren“, wie es das Bundesumweltamt formulierte.

Foto: LG Electronics

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