Aus Pulver wird Licht
8. Juni 2011
Die Zukunft des Lichts leuchtet bei Prof. Karl Leo bereits als viereckige Scheibe in seinem Dresdner Labor. Vor dem Leiter des Fraunhofer-Instituts für photonische Mikrosysteme (IPMS) liegt eine organische Leuchtdiode (OLED) auf dem Tisch. OLED, das steht für nur wenige Nanometer dünne Schichten von organischen Halbleitern, die auf ein Glas, eine Metall- oder Plastikfolie aufgetragen, Licht flächig abstrahlen können.
Damit revolutionieren OLEDs den Leuchtmittelmarkt, denn ihre Vorgänger Glühbirne, Energiesparlampe und LED-Licht können nur sehr punktgenau beleuchten oder verschwenden dabei viel Energie in Abwärme. OLEDs dagegen sind äußerst energieeffizient, übertreffen vielfach bei der Lichtausbeute sogar bisher am Markt führende Leuchtstoffröhren. Und ihre Eigenschaft, auf biegsame und flexible Materialien aufgebracht werden zu können, macht sie besonders für Designer und Architekten attraktiv.
Bislang für verrückt gehaltene Visionen werden durch die OLEDs aus Dresden möglich. Eine leuchtende Tapete könnte das Wohnzimmer der Zukunft ebenso erhellen wie ein mit transparenten OLEDs bestücktes Fenster, das tags durchsichtig ist und nachts strahlt. Ein biegsamer Computerbildschirm scheint ebenso möglich wie elektronisches Papier.
Fenster leuchten und erzeugen Strom
Eine Arbeitsgruppe hat sich darauf spezialisiert, das OLED-Prinzip umzukehren, also mit einer organischen Solarzelle aus Licht einfach Strom zu gewinnen. Dazu wird die Licht abstrahlende Schicht der OLED durch eine Licht absorbierende Schicht ersetzt. Das beinahe transparente Fenster der Zukunft könnte also zusätzlich zur Stromversorgung beitragen.
Visionen und konkrete Arbeit haben in Dresden seit 2008 einen festen Platz. Da wurde Europas modernstes Forschungszentrum für organische Halbleiterforschung unter dem Dach des "Center for Organic Materials and Electronic Devices Dresden" (COMEDD) gebündelt. Erste Arbeiten zu OLEDs begannen in Dresden bereits im Jahr 2000. Herzkammer des Instituts ist ein 900 Quadratmeter großer Reinraum, in dem Pilotanlagen für die Fertigung aufgebaut sind.
Aus Pulver wird Licht
Die organischen, Licht emittierenden Schichten werden in einem aufwändigen Verfahren nach und nach auf Glas, Metall oder Folie aufgedampft. Ausgangstoff sind pulverförmige organische Materalien – kurzkettige Kohlenstoff-Moleküle. Die werden in einzelnen Schichten wie ein Sandwich übereinandergestapelt. Elektronen wandern durch diesen Halbleiter, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Energie der Elektronen wird als Licht abgegeben. Um das flächige Licht vor Wasser, Luft und Staub zu schützen, wird alles mit einem Deckel verschlossen. Dieser Prozess wird Verkapselung genannt.
Auch wenn zahllose Rekorde bei Lebensdauer und Lichtausbeute der OLEDs auf das Konto der Dresdner Forscher gehen und internationale Preise das belegen - die Forscher sind längst nicht am Ziel. Noch sind große OLED-Flächenleuchten und Bildschirme zu teuer, weshalb Karl Leo seine Mitarbeiter vor allem anspornt, die Herstellungsverfahren zu optimieren.
"Eine kleine OLED-Kachel kostet derzeit etwa 100 Euro. Längerfristig wollen wir einen Preis von 50 Euro pro Quadratmeter erzielen", gibt Karl Leo das Ziel vor. Dazu müssen aus den Pilotanlagen stabile Massenproduktionsanlagen werden. Das ist für die Forscher in Dresden der nächste Schritt.
Der Standort Dresden hat sich in den letzten Jahren einen internationalen Ruf erarbeitet. Dazu beigetragen haben Erfolge wie die Erfindung und Patentierung einer Methode, Dotierung genannt, die zu einer deutlich höheren Lichtausbeute bei OLEDs geführt hat. Dabei wird die innere Kristallstruktur der organischen Halbleitermaterialien gezielt gestört, was zu einer höheren Leitfähigkeit und damit Lichtausbeute beiträgt. Bereits sieben Mal wurden marktreife Ideen in Start-Up-Unternehmen ausgelagert. Seit 2003 arbeitet die so entstandene Novaled AG daran, die Beleuchtungsindustrie weltweit mit Know-how und Produktionstechnik für OLEDs zu versorgen.
Die 2006 gegründete Schwesterfirma Heliatek baut gerade eine Produktionsanlage für organische Solarzellen auf. Der Motor und eine der treibenden Kräfte hinter beiden Ausgründungen ist Institutsleiter Professor Karl Leo. Der will nämlich am Ende seiner Karriere nicht nur den technischen, sondern auch den wirtschaftlichen Erfolg von OLEDs in den Händen halten.
Autor: Richard Fuchs
Redaktion: Fabian Schmidt