Verdrehte Lichtemission: Effizienz von zukünftigen Elektronikgeräten steigern

Glühbirnen wurden erfunden, um eine konstante Beleuchtung zu bieten und sie der Allgemeinheit zugänglich zu machen. Kontinuierliche Forschung und Experimente, um sie kostengünstiger zu machen, führten zur Entwicklung von Lichtemittierenden Dioden, oder LEDs.

LED-Technologie wurde vor über einem halben Jahrzehnt von dem Wissenschaftler Nick Holonyak Jr. erfunden, während er bei General Electric arbeitete, das sie als “die magische” bezeichnete.

Da LEDs im Laufe der Zeit immer besser werden, werden sie heller, kostengünstiger und zuverlässiger, was zu ihrer weiten Verbreitung in Ampeln, wo sie Glühbirnen ersetzen, führt.

Heute sind die traditionellen “gelben” Birnen auf bestimmte Anwendungen beschränkt, während LEDs in allgemeinen Beleuchtungsanwendungen führen, dank ihrer überlegenen Energieeffizienz, längeren Lebensdauer und Vielseitigkeit.

Natürlich hört die Innovation nie auf. Tatsächlich ebnete die Erfindung von LEDs den Weg für OLEDs – organische Lichtemittierenden Dioden, auch bekannt als organische Elektrolumineszenz-Dioden.

Dies war das Ergebnis von Forschern, die die Möglichkeit erforschten, anstelle von anorganischen Materialien organische Verbindungen zu verwenden, um die gleiche Wirkung wie LEDs zu erzielen, die Licht erzeugen, indem sie Elektrizität durch ein Halbleitermaterial leiten.

Das erste OLED-Gerät wurde 1987 von den Wissenschaftlern Steven Van Slyke und Ching Tang bei der Eastman Kodak Company gebaut.

Während sowohl LEDs als auch OLEDs Elektrizität verwenden, um Licht zu erzeugen, emittieren OLEDs Licht mithilfe organischer Materialien. Diese organischen LEDs verwenden kohlenstoffbasierte Materialien, was ihnen ermöglicht, dünnere Anzeigen, bessere Farbwiedergabe und schnellere Reaktionszeiten als traditionelle LEDs zu bieten.

Infolgedessen hat sich OLED-Technologie in Smartphones, Fernsehern und anderen High-End-Elektronikgeräten durchgesetzt. Allerdings hat sich OLED-Technologie trotz ihrer schnellen Entwicklung noch nicht weit verbreitet.

Blick auf OLED-Technologie

Lassen Sie uns nun einen genaueren Blick auf OLEDs werfen. Organische Lichtemittierende Dioden sind im Gegensatz zu LEDs diffuse Lichtquellen, da sie in Schichten hergestellt werden. Im Gegensatz dazu sind LEDs konzentrierte, kleine Lichtquellen.

Das diffuse Licht von OLEDs ermöglicht es, sie sehr nahe an die Arbeitsfläche zu bringen und erzeugt keine Blendung für den Benutzer. Dies bedeutet, dass man die gewünschte Beleuchtungsstärke mit weniger Licht erreichen kann, was sie sehr effizient macht.

Die Flexibilität von OLEDs ermöglicht es außerdem, sie in fast jeder Form herzustellen, was die Designmöglichkeiten erweitert und ein neues Beleuchtungserlebnis ermöglicht.

Wenn es um die Struktur von OLEDs geht, enthält dieses Festkörpergerät eine Reihe dünner, kohlenstoffbasierter Halbleiterschichten zwischen zwei leitfähigen Elektroden, einer Anode und einer Kathode.

Das Gerät emittiert Licht, wenn angrenzende Elektroden einen elektrischen Strom anwenden. Damit das Licht aus dem Gerät entweichen kann, muss mindestens eine der Elektroden transparent sein.

Indem die Menge des angelegten elektrischen Stroms gesteuert wird, kann die Intensität des emittierten Lichts angepasst werden.

Was die Farbe des Lichts betrifft, wird sie durch die Art des emittierenden Materials bestimmt. Zum Beispiel wird weißes Licht durch die Verwendung von roten, grünen und blauen Emittierern erzeugt, die in mehreren Konfigurationen angeordnet werden können.

Andere Arten von OLEDs umfassen weiße, transparente, aktive Matrix-, passive Matrix-, faltbare und oberflächenemittierende OLEDs.

Heute sind OLEDs die dominierende Smartphone-Display-Technologie. Dies liegt daran, dass OLED-Displays nicht nur dünn und effizient sind, sondern auch transparent, flexibel und faltbar und bieten die beste Bildqualität. Weite Blickwinkel und ein hoher Kontrast sind weitere Vorteile von OLED-Technologie im Vergleich zu traditionellen Display-Technologien.

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Die wachsende Akzeptanz von OLED-Technologie

Der globale OLED-Markt ist in den letzten Jahren erheblich gewachsen und wird in den kommenden Jahren weiter wachsen.

Der Markt wird tatsächlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 13,20% zwischen 2022 und 2029 auf 104,4 Milliarden Dollar anwachsen.

Der Haupttreiber dieses Wachstums ist die steigende Nachfrage im Verbraucherelektroniksektor. Zusätzlich bieten die wachsende Nachfrage nach tragbaren Geräten und die Integration von OLED-Displays in AR- und VR-Geräten neue Wachstumsmöglichkeiten.

Dann gibt es die Entstehung von flexiblen und faltbaren OLED-Displays, was ein spannender neuer Trend ist, der die Bequemlichkeit eines größeren Bildschirms in einem kompakten Format verspricht. Diese Displays ermöglichen innovative Produktentwürfe und Anwendungen für einzigartige Erfahrungen.

OLED-Displays finden auch zunehmend Anwendung in Infotainmentsystemen, Armaturenbrettern und Rückbanksitz-Unterhaltungssystemen. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und die Integration von erweiterten Fahrerassistenzsystemen (ADAS) werden zu ihrem Wachstum im Automotive-Sektor beitragen.

Abgesehen von Displays hat OLED-Technologie auch Potenzial in der Beleuchtungsindustrie, da sie hervorragende Farbwiedergabe, gleichmäßige Beleuchtung und die Fähigkeit bietet, einzigartige Beleuchtungsdesigns zu erstellen. Die zunehmende Konzentration auf energieeffiziente Beleuchtungslösungen in Kombination mit der Entwicklung größerer OLED-Panel bietet Wachstumsmöglichkeiten in kommerzieller Beleuchtung, Architekturbeleuchtung und dekorativer Beleuchtung.

Ein weiterer Faktor, der das Wachstum des OLED-Marktes antreibt, sind kontinuierliche technologische Fortschritte, die effektivere Materialien, Verkapselungsmethoden und Fertigungsprozesse umfassen, die verbesserte Leistung, Kostenreduzierung und längere Lebensdauer bieten.

Allerdings steht OLED trotz signifikanter Leistungsverbesserungen und weiten Verbreitung in Smartphone-Displays noch immer vielen Herausforderungen gegenüber.

Kosten sind eine der Hauptherausforderungen im OLED-Markt. Die hohen Produktionskosten sind darauf zurückzuführen, dass OLED-Displays teure organische Materialien und komplexe Fertigungsprozesse erfordern, was sie teurer macht als traditionelle Technologien wie LCD.

Ein weiteres Problem, das während des Fertigungsprozesses auftritt, ist der Ertrag, da bereits ein kleiner Defekt zu einer großen Anzahl nicht funktionierender OLED-Displays führen kann. Auch die Abhängigkeit von bestimmten organischen Materialien schafft ein Lieferkettenproblem.

Dann gibt es die Frage der begrenzten Lebensdauer von OLED-Displays sowie der Energieeffizienz, die entscheidend ist, um den Energieverbrauch zu minimieren und die Batterielebensdauer in tragbaren Geräten zu verbessern.

Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Unfähigkeit, effiziente blaue Emittierer zu stabilisieren. OLED-Technologie steht auch im Wettbewerb mit anderen Display-Technologien wie LCD (Liquid Crystal Display), die den Markt noch immer dominieren, und Micro-LED, die zwar noch in den Anfängen der Kommerzialisierung stehen, aber potenziell längere Lebensdauern bieten.

Zusätzlich müssen technische Einschränkungen wie das Potenzial für Bildverbrennung und Gleichmäßigkeit über große Anzeigen durch Verbesserungen in Display-Materialien, Architekturen und Fertigungsprozessen überwunden werden.

Forscher arbeiten aktiv an der Überwindung dieser Einschränkungen, wobei eine bestimmte jüngste Entwicklung das enorme Potenzial für die Verbesserung der Effizienz von OLED-Displays auf Fernsehern und Smartphones zeigt.

Verbesserung der OLED-Effizienz mit chiralen Halbleitern

Forscher der Universität Cambridge und der Technischen Universität Eindhoven haben einen organischen Halbleiter entwickelt, der durch die Induktion von Elektronen in einem spiralförmigen Muster zirkular polarisiertes Licht emittiert.

Dies wurde durch die Überwindung einer seit Jahrzehnten bestehenden Herausforderung im Bereich der organischen Halbleiter erreicht, die nicht nur die Effizienz von OLED-Displays verbessern, sondern auch den Weg für nächste Generationen von Technologien wie Spintronik und Quantencomputing ebnen könnte.

Die Forschung veröffentlicht im Journal Science¹wies auf das erhebliche Interesse an der Einführung von Chiralität in Halbleitermaterialien hin, um starke zirkular polarisierte Lumineszenz (CPL) zu erzielen, die in bestehenden OLEDs niedrig ist.

Die aktuellen effizienten OLED-Systeme verwenden lichtemittierende Moleküle, die räumlich in einem Wirt isoliert sind, was eine schwache CPL produziert.

Während Versuche unternommen wurden, um hohe CPL zu erzielen, waren sie nicht mit optimierten OLED-Gerätearchitekturen kompatibel. Die neuesten Forscher haben jedoch erfolgreich einen organischen Halbleiter entwickelt, der Elektronen in einem spiralförmigen Muster induziert.

Dies wurde durch eine neue Methode ermöglicht, um dünne, gleichmäßige Filme mit chiralen supramolekularen Nanostrukturen auf Basis von Triazatruxen-Molekülen zu erstellen. Diese Methode ist absolut geeignet für die Fertigung von OLEDs und zeigt eine hohe grüne CPL.

“Dies ist ein echter Durchbruch bei der Herstellung eines chiralen Halbleiters. Durch die sorgfältige Gestaltung der molekularen Struktur haben wir die Chiralität der Struktur mit der Bewegung der Elektronen gekoppelt, und das ist noch nie zuvor auf diesem Niveau gelungen.”

– Professor Bert Meijer von der Technischen Universität Eindhoven.

Der entwickelte chirale Halbleiter emittiert zirkular polarisiertes Licht, was bedeutet, dass das Licht Informationen über die “Handedness” der Elektronen enthält.

Die Sache ist, dass die meisten anorganischen Halbleiter eine symmetrische interne Struktur haben, so dass Elektronen in keine bevorzugte Richtung bewegen.

In der Natur haben Moleküle normalerweise eine chirale, entweder linkshändige oder rechtshändige Struktur. Chirale Moleküle (wie DNA) sind Spiegelbilder voneinander, und Chiralität spielt eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen. Es ist jedoch schwierig, sie zu nutzen und zu kontrollieren.

Um also einen chiralen Halbleiter zu erstellen, nahmen die Forscher die Natur als Vorbild. Sie schoben Stapel von halbleitenden Molekülen, um geordnete rechtshändige oder linkshändige spiralförmige Säulen zu bilden.

Diese chiralen Halbleiter zeigen vielversprechendes Potenzial in der Display-Technologie, wo aktuelle Produkte aufgrund der Art und Weise, wie Licht von Bildschirmen gefiltert wird, viel Energie verschwenden. Der neu entwickelte chirale Halbleiter emittiert Licht auf eine Weise, die diese Verluste reduzieren kann, wodurch Bildschirme heller und energieeffizienter werden.

Laut Professor Sir Richard Friend vom Cavendish-Laboratorium in Cambridge, der die Forschung leitete:

“Als ich mit organischen Halbleitern zu arbeiten begann, zweifelten viele Menschen an ihrem Potenzial, aber jetzt dominieren sie die Display-Technologie. Im Gegensatz zu starren anorganischen Halbleitern bieten molekulare Materialien unglaubliche Flexibilität – sie ermöglichen es uns, völlig neue Strukturen zu entwerfen, wie chiralisierte LEDs. Es ist, als würde man mit einem Lego-Set mit allen möglichen Formen arbeiten, anstatt nur mit rechteckigen Steinen.”

Das Material, das als Grundlage des Halbleiters verwendet wird, ist Triazatruxen (TAT), das sich in eine helikale (spiralförmige) Stapelstruktur mit einem Pitch von sechs Molekülen anordnet. Dies ermöglicht es den Elektronen, sich entlang der Struktur zu bewegen, was die beobachtete CPL ermöglicht.

Wenn es UV-Licht ausgesetzt wird, emittiert das selbstassemblierte TAT “helles grünes Licht mit starker zirkularer Polarisation”. Der Co-Autor Marco Preuss von der Technischen Universität Eindhoven bemerkte, dass dieser Effekt in Halbleitern bisher sehr schwer zu erzielen war – bis jetzt.

“Die Struktur von TAT ermöglicht es den Elektronen, effizient zu bewegen, während sie beeinflusst, wie Licht emittiert wird.”

– Preuss

Durch die Änderung der OLED-Fertigungsmethoden konnten die Forscher TAT erfolgreich in zirkular polarisierten OLEDs (CP-OLEDs) verwenden, die bemerkenswerte Helligkeit, Effizienz und Polarisationsebenen zeigten.

Die Studie zeigte, dass die OLEDs eine externe Quanteneffizienz von bis zu 16% und eine Elektrolumineszenz-Asymmetrie von weniger als oder gleich 10% aufwiesen. Laut dem Co-Erstautor Rituparno Chowdhury vom Cavendish-Laboratorium in Cambridge:

“Wir haben im Grunde das Standardrezept für die Herstellung von OLEDs wie denen in unseren Smartphones umgearbeitet, um eine chirale Struktur in einer stabilen, nicht-kristallinen Matrix zu erhalten. Dies bietet eine praktische Möglichkeit, zirkular polarisierte LEDs zu erstellen, was dem Feld lange entgangen ist.”

Abgesehen von Displays hat die neueste Entwicklung auch Auswirkungen auf die Quantencomputing- und Spintronik, bei der das inhärente Drehmoment (oder Spin) der Elektronen zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen für schnellere und sicherere Computersysteme verwendet wird.

Was die Einführung in der realen Welt betrifft, könnte dieser Durchbruch in den nächsten 3 bis 5 Jahren erste kommerzielle Anwendungen in der Display-Technologie sehen, während Anwendungen in Spintronik und Quantencomputing möglicherweise in den nächsten 10 Jahren entwickelt werden.

Innovatives Unternehmen

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) ist ein führendes Unternehmen in der Entwicklung und Kommerzialisierung von OLED-Technologien für die Verwendung in Flachbildschirmen, Beleuchtung und organischer Elektronik. Es ist auch ein wichtiger Lieferant von organischen Materialien und Technologien für OLED-Displays und Beleuchtung.

Gegründet vor etwa drei Jahrzehnten, zielt UDC darauf ab, die nächste Generation von Displays zu schaffen. Die proprietäre Technologie und Materialien des Unternehmens werden in kommerziellen OLED-Produkten auf der ganzen Welt verwendet, einschließlich Smartphones, Smartwatches, Tablets, Fernsehern und mehr. Die bekanntesten Beispiele sind LGs OLED-Fernseher und Samsungs Galaxy-Serie. UDC verfügt über mehr als 6.000 erteilte und ausstehende Patente weltweit.

Das Unternehmen spezialisiert sich auf die Forschung, Entwicklung und Kommerzialisierung von phosphoreszierenden OLED-Materialien (PHOLED), die höhere Effizienz und bessere Leistung bieten.

Mit einem Marktwert von 7,425 Milliarden Dollar werden USD-Aktien zum Zeitpunkt des Schreibens bei 156,41 Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 6,98% seit Jahresbeginn entspricht. Der Gewinn pro Aktie (TTM) beträgt 4,65, und das Kurs-Gewinn-Verhältnis (TTM) liegt bei 33,64, während die Dividendenrendite 1,15% beträgt.

Vor einem Monat gab Universal Display Corporation ihre Finanzergebnisse bekannt, die einen Umsatz von 162,3 Millionen Dollar im vierten Quartal 2024 zeigten, was einem Anstieg gegenüber 158,3 Millionen Dollar im gleichen Quartal 2023 entspricht.

Der Umsatz aus Materialverkäufen stieg in diesem Zeitraum auf 93,3 Millionen Dollar aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach den Emittiermaterialien des Unternehmens. Lizenz- und Lizenzgebühren trugen 64,4 Millionen Dollar zum Umsatz bei, was aufgrund einer Verringerung der kumulativen Nachholungen zurückging.

Im vierten Quartal betrug der Materialverkauf des Unternehmens 34,2 Millionen Dollar aufgrund des höheren Materialvolumens, und der gesamte Bruttogewinn betrug 77%. Das Betriebsgewinn betrug 52,5 Millionen Dollar, und der Nettogewinn betrug 46,0 Millionen Dollar oder 0,96 Dollar pro verwässerter Aktie.

Für das gesamte Jahr meldete das Unternehmen einen Gesamtumsatz von 647,7 Millionen Dollar, was einem Anstieg von 12,36% gegenüber dem Vorjahr entspricht. Dies umfasste 365,4 Millionen Dollar aus Materialverkäufen, die 137 Millionen Dollar kosteten, und 266,8 Millionen Dollar aus Lizenz- und Lizenzgebühren.

Das Betriebsgewinn betrug 238,8 Millionen Dollar, während der Nettogewinn 222,1 Millionen Dollar oder 4,65 Dollar pro verwässerter Aktie im Jahr 2024 betrug, verglichen mit 203 Millionen Dollar oder 4,24 Dollar pro verwässerter Aktie im Jahr 2023.

UDC meldete auch 8,9 Millionen Dollar an Restrukturierungskosten im Zusammenhang mit der geplanten Schließung des OVJP-Standorts in Kalifornien.

Brian Millard, Vice President und Chief Financial Officer von UDC, sprach von einem “rekordbrechenden Jahr der soliden finanziellen Leistung” und hob das Wachstum und die Fortschritte im OLED-Markt hervor.

Unternehmen erweitern ihre Produktstraßenkarten, und führende Panelhersteller investieren in neue Fabs, um die steigende Nachfrage, insbesondere in den aufstrebenden Märkten für IT und Automotive, zu decken, so Millard, der weiter ausführte:

“Wir glauben, dass diese neue Investitionsrunde den Weg für bedeutende neue OLED-Kapazitäten, neue OLED-Produkte und neue OLED-Anwender ebnen wird.”

Für das laufende Jahr geht UDC von einem Umsatz zwischen 640 Millionen und 700 Millionen Dollar aus, wobei das Unternehmen darauf hinweist, dass “die OLED-Industrie immer noch in einer Phase ist, in der viele Variablen einen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse haben können”.

Das Unternehmen gab auch eine Bardividende von 0,45 Dollar pro Aktie für das erste Quartal 2025 bekannt, die am 31. März 2025 an alle Aktionäre ausgezahlt wird.

“Als Pionier und Marktführer im Ökosystem sind wir gut positioniert, um unsere Kunden weiterhin zu unterstützen und die Branche mit unserem breiteren Portfolio an energieeffizienten, leistungsstarken phosphoreszierenden Materialien und OLED-Technologien zu ermöglichen.”

– CFO Millard

Neuestes von Universal Display Corporation

Schlussfolgerung

Die Evolution von Lichtemittierenden Dioden hat die Display- und Beleuchtungstechnologie erheblich verbessert. In dieser Entwicklung hat OLED-Technologie uns die Vorteile einer besseren Bildqualität, dünneren und leichteren Designs, Flexibilität und Innovation gebracht.

Während OLED-Technologie seit ihren frühen Tagen erheblich fortgeschritten ist, steht sie vor Herausforderungen in Bezug auf Effizienz und Kosten. Die jüngsten Fortschritte in chiralen Halbleitern markieren einen entscheidenden Moment in ihrer Entwicklung.

Die Fähigkeit, die Elektronenbewegung zu kontrollieren und zirkular polarisiertes Licht mit hoher Effizienz zu emittieren, könnte die Display-Technologie erheblich verändern. Sie würde auch neue Möglichkeiten in der Quantencomputing- und Spintronik-Technologie eröffnen.

Mit kommerziellen Anwendungen dieser Innovation in Sichtweite könnte diese Forschung zeigen, wie Elektronikgeräte in Zukunft funktionieren und zu energieeffizienteren, leistungsstärkeren elektronischen Geräten in naher Zukunft führen.