Verdrehte Lichtemission: Steigerung der Effizienz zukünftiger Elektronik

Glühbirnen wurden erfunden, um gleichmäßige Beleuchtung zu bieten und sie der breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Kontinuierliche Forschung und Experimente, um sie kostengünstiger zu machen, führten zur Entwicklung von Leuchtdioden, kurz LEDs.

LED‑Technologie wurde vor etwas mehr als einem halben Jahrzehnt von dem Wissenschaftler Nick Holonyak Jr. bei General Electric erfunden, das sie als “das Wunder” bezeichnete.

Während LEDs im Laufe der Zeit immer besser werden, werden sie heller, kostengünstiger und zuverlässiger, was zu ihrer breiten Anwendung in Ampeln führte und Glühlampen ersetzte.

Heute sind die traditionellen “gelben” Glühbirnen auf bestimmte Anwendungen beschränkt, während LEDs dank ihrer überlegenen Energieeffizienz, längeren Lebensdauer und Vielseitigkeit im allgemeinen Beleuchtungsbereich führend sind.

Natürlich hört Innovation nie auf. Tatsächlich ebnete die Erfindung der LEDs den Weg für OLEDs – organische Leuchtdioden, auch bekannt als organische elektrolumineszente Dioden.

Dies war das Ergebnis von Forschern, die die Möglichkeit untersuchten, organische Verbindungen anstelle von anorganischen Materialien zu verwenden, um denselben Effekt wie LEDs zu erzielen, die Licht erzeugen, indem Strom durch ein Halbleitermaterial geleitet wird.

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 Strom zur Lichtproduktion nutzen, emittieren OLEDs Licht mithilfe organischer Materialien. Diese organischen LEDs verwenden kohlenstoffbasierte Materialien, wodurch sie dünnere Displays, eine bessere Farbwiedergabe und schnellere Reaktionszeiten als herkömmliche LEDs ermöglichen.

Infolgedessen hat sich die OLED‑Technologie in Smartphones, Fernsehern und anderen High‑End‑Elektronikgeräten etabliert. Obwohl sich die OLED‑Technologie rasant entwickelt, hat sie jedoch noch keine breite Akzeptanz erreicht.

Ein Blick auf OLED‑Technologie

Nun wollen wir uns OLEDs genauer ansehen. Organische Leuchtdioden sind im Gegensatz zu LEDs Flächenlichtquellen, da sie in Platten gefertigt werden. LEDs hingegen sind konzentrierte, punktförmige Lichtquellen.

Das diffuse Licht der OLEDs ermöglicht ihre Verwendung sehr nahe an der Arbeitsfläche, ohne für den Nutzer Blendung zu erzeugen. Das bedeutet, dass die gewünschte Beleuchtungsstärke mit weniger Licht erreicht werden kann, was sie äußerst effizient macht.

Die Flexibilität der OLEDs ermöglicht es zudem, sie fast in jeder Form herzustellen, erweitert Designmöglichkeiten und eröffnet ein neues Beleuchtungserlebnis.

Was die Struktur von OLEDs betrifft, so enthält dieses Festkörpergerät eine Reihe dünner, kohlenstoffbasierter Halbleiterschichten zwischen zwei leitfähigen Elektroden, einer Anode und einer Kathode.

Das Gerät emittiert Licht, wenn die benachbarten Elektroden einen elektrischen Strom anlegen. Damit Licht aus dem Gerät austreten kann, muss mindestens eine der Elektroden transparent sein.

Durch die Steuerung der angelegten Strommenge kann die Intensität des ausgestrahlten Lichts angepasst werden.

Die Farbe des Lichts wird durch das verwendete emittierende Material bestimmt. Beispielsweise wird weißes Licht erzeugt, indem rote, grüne und blaue Emittern in verschiedenen Konfigurationen kombiniert werden.

Weitere OLED‑Typen umfassen weiße, transparente, Active‑Matrix-, Passive‑Matrix-, faltbare und Top‑Emitting‑OLEDs.

Heute sind OLEDs die dominierende Displaytechnologie für Smartphones. Das liegt daran, dass OLED‑Displays nicht nur dünn und effizient, sondern auch transparent, flexibel und faltbar sind und dabei die beste Bildqualität bieten. Weite Betrachtungswinkel und ein hoher Kontrast sind weitere Vorteile der OLED‑Technologie gegenüber herkömmlichen Displaytechnologien.

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Die wachsende Verbreitung von OLED‑Technologie

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

Der Markt wird tatsächlich voraussichtlich mit einer CAGR von 13,20 % zwischen 2022 und 2029 auf ein Volumen von 104,4 Milliarden $ wachsen.

Der Haupttreiber dieses Wachstums ist die steigende Nachfrage im Bereich Consumer‑Electronics. Zusätzlich bieten der wachsende Markt für Wearables und die Integration von OLED‑Displays in AR‑ und VR‑Geräte neue Wachstumsmöglichkeiten.

Dann gibt es das Aufkommen flexibler und faltbarer OLED‑Displays, ein spannender neuer Trend, der die Bequemlichkeit eines größeren Bildschirms in kompakter Form verspricht. Diese Displays ermöglichen innovative Produktdesigns und Anwendungen für einzigartige Erlebnisse.

OLED‑Displays finden zunehmend Anwendung in Infotainment‑Systemen, Armaturenbrettern und Unterhaltungsanlagen für die Rücksitze. Die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und die Integration von Advanced‑Driver‑Assistance‑Systemen (ADAS) werden voraussichtlich zu ihrem Wachstum im Automobilsektor beitragen.

Neben Displays hat die OLED‑Technologie auch Potenzial im Beleuchtungsbereich, da sie hervorragende Farbwiedergabe, gleichmäßige Ausleuchtung und die Möglichkeit bietet, einzigartige Lichtdesigns zu schaffen. Der zunehmende Fokus auf energieeffiziente Beleuchtungslösungen in Kombination mit der Entwicklung größerer OLED‑Paneele eröffnet Wachstumschancen im gewerblichen, architektonischen und dekorativen Beleuchtungsbereich.

Ein weiterer Faktor, der das Wachstum des OLED‑Marktes antreibt, sind kontinuierliche technologische Fortschritte, zu denen effektivere Materialien, Verkapselungsmethoden und Fertigungsprozesse gehören, die verbesserte Leistung, Kostensenkungen und längere Lebensdauer ermöglichen.

Trotz erheblicher Leistungsverbesserungen und der breiten Nutzung in Smartphone‑Displays stehen OLEDs weiterhin vor vielen Herausforderungen.

Kosten sind eine der Hauptprobleme im OLED‑Markt. Die hohen Produktionskosten resultieren daraus, dass OLED‑Displays teure organische Materialien und komplexe Fertigungsverfahren benötigen, wodurch sie teurer sind als herkömmliche Technologien wie LCD.

Ein weiteres Problem im Produktionsprozess ist die Ausbeute, da bereits ein kleiner Defekt zu einer erheblichen Anzahl nicht funktionierender OLED‑Displays führen kann. Zudem führt die Abhängigkeit von spezifischen organischen Materialien zu Lieferkettenproblemen.

Dann gibt es das Problem der begrenzten Lebensdauer von OLED‑Displays zusätzlich zur Energieeffizienz, die entscheidend ist, um den Stromverbrauch zu minimieren und die Akkulaufzeit in tragbaren Geräten zu verbessern.

Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Unfähigkeit, effiziente blaue Emittern zu stabilisieren. Die OLED‑Technologie steht zudem in Konkurrenz zu anderen Displaytechnologien, wie LCD (Liquid‑Crystal‑Display), das nach wie vor den Markt dominiert, und Micro‑LED, das sich zwar noch in den frühen Phasen der Kommerzialisierung befindet, aber potenziell längere Lebensdauern bietet.

Zusätzlich müssen technische Einschränkungen, wie das Risiko von Einbrennen und die Gleichmäßigkeit bei großen Displays, durch Verbesserungen bei Display‑Materialien, Architekturen und Fertigungsprozessen überwunden werden.

Forscher gehen aktiv diese Einschränkungen an, wobei ein besonders neuer Fortschritt das enorme Potenzial zur Steigerung der Effizienz von OLED‑Displays in Fernsehern und Smartphones demonstriert.

Steigerung der OLED‑Effizienz mit chiralen Halbleitern

Forscher der Universität Cambridge und der Technischen Universität Eindhoven haben einen organischen Halbleiter entwickelt, der zirkular polarisiertes Licht emittiert, indem er Elektronen zu einer spiralförmigen Bewegung veranlasst.

Dies wurde erreicht, indem ein jahrzehntelanges Problem im Bereich organischer Halbleiter vorangetrieben wurde, das nicht nur die Effizienz von OLED‑Displays steigern, sondern auch den Weg für nächste‑Generation‑Technologien wie Spintronik und Quantencomputing ebnen könnte.

Die Forschung veröffentlicht im Journal Science¹ bemerkte das erhebliche Interesse, Chiralität in Halbleitermaterialien einzuführen, um stark zirkular polarisiertes Leuchten (CPL) zu erreichen, das bei bestehenden OLEDs gering ist.

Die derzeit effizienten OLED‑Systeme verwenden leuchtende Moleküle, die räumlich in einem Trägermaterial isoliert sind, was schwaches CPL erzeugt.

Obwohl Versuche unternommen wurden, ein hohes CPL zu erreichen, waren sie nicht mit optimierten OLED‑Gerätearchitekturen kompatibel. Die neuesten Forscher haben jedoch erfolgreich einen organischen Halbleiter geschaffen, der Elektronen zu einer spiralförmigen Bewegung veranlasst.

Dies gelang dank einer neuen Methode zur Herstellung dünner, einheitlicher Filme mit chiralen supramolekularen Nanostrukturen auf Basis von Triazatruxen‑Molekülen. Diese Methode ist absolut geeignet für die OLED‑Fertigung und zeigt ein starkes grünes CPL.

„Das ist ein echter Durchbruch bei der Herstellung eines chiralen Halbleiters. Durch die sorgfältige Gestaltung der Molekülstruktur haben wir die Chiralität der Struktur mit der Bewegung der Elektronen gekoppelt, und das wurde bisher auf diesem Niveau nicht erreicht.“

– 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” (Handigkeit) der Elektronen trägt.

Das Problem ist, dass die innere Struktur der meisten anorganischen Halbleiter symmetrisch ist, sodass sich Elektronen in keine bevorzugte Richtung bewegen.

In der Natur besitzen Moleküle meist eine chirale, also links- oder rechtsdrehende Struktur. Chirale Moleküle (wie DNA) sind Spiegelbilder voneinander, und Chiralität spielt eine Schlüsselrolle in biologischen Prozessen. Es ist jedoch schwierig, Elektronik damit zu nutzen und zu steuern.

Um also einen chiralen Halbleiter zu erzeugen, ließen sich die Forscher von der Natur inspirieren. Sie beeinflussten Stapel von Halbleitermolekülen, um geordnete rechts- oder linksdrehende Spiralspalten zu bilden.

Diese chiralen Halbleiter zeigen vielversprechendes Potenzial in der Displaytechnologie, wo aktuelle Produkte aufgrund der Lichtfilterung durch Bildschirme viel Energie verschwenden. Der neu entwickelte chirale Halbleiter hingegen emittiert das Licht von Natur aus so, dass diese Verluste reduziert werden, wodurch Bildschirme heller und energieeffizienter werden.

„Als ich begann, mit organischen Halbleitern zu arbeiten, zweifelten viele an ihrem Potenzial, doch heute dominieren sie die Displaytechnologie. Im Gegensatz zu starren anorganischen Halbleitern bieten molekulare Materialien unglaubliche Flexibilität – sie ermöglichen es uns, völlig neue Strukturen zu entwerfen, wie chirale LEDs. Es ist, als würde man mit einem Lego‑Set arbeiten, das jede erdenkliche Form enthält, anstatt nur rechteckige Bausteine.“

Das als Grundlage des Halbleiters verwendete Material ist Triazatruxen (TAT), das sich zu einem helikalen (spiralförmigen) Stapel mit einer Steigung von sechs Molekülen zusammenfügt. Dadurch können sich Elektronen entlang seiner Struktur winden, was zur beobachteten CPL führt.

Bei Bestrahlung mit UV‑Licht „emittiert das selbstassemblierte TAT hellgrünes Licht mit starker zirkularer Polarisation.“ Mitautor Marco Preuss von der Technischen Universität Eindhoven bemerkte, dass dieser Effekt in Halbleitern bisher schwer zu erzielen war – bis jetzt.

„Die Struktur von TAT ermöglicht es Elektronen, sich effizient zu bewegen und gleichzeitig die Lichtemission zu beeinflussen.“

– Preuss

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

Die Studie zeigte, dass die OLEDs externe Quanteneffizienzen von bis zu 16 % und Elektrolumineszenz‑Dissymmetrien von höchstens 10 % erreichten. Laut Co‑Erstautorin Rituparno Chowdhury vom Cavendish Laboratory in Cambridge:

„Wir haben im Wesentlichen das Standardrezept für die Herstellung von OLEDs, wie wir es in unseren Smartphones verwenden, neu gestaltet, sodass wir eine chirale Struktur in einer stabilen, nicht kristallisierenden Matrix einfangen können. Das bietet einen praktischen Weg, zirkular polarisierte LEDs zu erzeugen, etwas, das dem Feld lange verwehrt blieb.“

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

Was die praktische Anwendung betrifft, könnte dieser Durchbruch in den nächsten 3 bis 5 Jahren kommerzielle Anwendungen in der Displaytechnologie finden, während Anwendungen in der Spintronik und im Quantencomputing sich im nächsten Jahrzehnt entwickeln könnten.

Innovatives Unternehmen

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) ist ein führendes Unternehmen in der Entwicklung und Kommerzialisierung von OLED‑Technologien für Flachbildschirme, Beleuchtung und organische Elektronik. Es ist zudem ein wichtiger Lieferant von organischen Materialien und Technologien für OLED‑Displays und -Beleuchtung.

Gegründet vor etwa drei Jahrzehnten, hat sich UDC zum Ziel gesetzt, die nächste Generation von Displays zu schaffen. Die proprietäre Technologie und die Materialien des Unternehmens werden weltweit in kommerziellen OLED‑Produkten eingesetzt, darunter Smartphones, Smartwatches, Tablets, Fernseher und mehr. Die prominentesten Beispiele sind LGs OLED‑Fernseher und die Galaxy‑Serie von Samsung. UDC verfügt über mehr als 6.000 erteilte und anhängige Patente weltweit.

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

Mit einer Marktkapitalisierung von 7,425 Milliarden $ notieren die USD‑Aktien zum Zeitpunkt dieser Schreibens bei 156,41 $, ein Anstieg von 6,98 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 4,65, das KGV (TTM) liegt bei 33,64, während die Dividendenrendite 1,15 % beträgt.

Vor einem Monat hat Universal Display Corporation seine Finanzergebnisse bekannt gegeben, die einen Umsatz von 162,3 Millionen $ im vierten Quartal 2024 zeigten, gegenüber 158,3 Millionen $ im gleichen Quartal 2023.

Der Umsatz aus Materialverkäufen stieg in diesem Zeitraum auf 93,3 Millionen $, bedingt durch die gestärkte Nachfrage nach den Emittiermaterialien des Unternehmens. Lizenz- und Tantiemen trugen 64,4 Millionen $ zum Umsatz bei, was jedoch aufgrund einer Reduzierung kumulierter Nachholanpassungen zurückging.

Im vierten Quartal beliefen sich die Materialkosten des Unternehmens auf 34,2 Millionen $ aufgrund eines höheren Materialvolumens, und die Gesamtkapitalrendite lag bei 77 %. Der Betriebsgewinn betrug 52,5 Millionen $, und der Nettogewinn 46,0 Millionen $ bzw. 0,96 $ pro verwässerter Aktie.

Für das Gesamtjahr meldete das Unternehmen einen Gesamtumsatz von 647,7 Millionen $, ein Anstieg von 12,36 % gegenüber dem Vorjahr. Davon entfielen 365,4 Millionen $ auf Materialverkäufe, die 137 Millionen $ kosteten, und 266,8 Millionen $ auf Lizenz- und Tantiemen.

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

UDC meldete zudem 8,9 Millionen $ an Restrukturierungskosten im Zusammenhang mit der geplanten Schließung seines OVJP‑Standorts in Kalifornien.

Im Hinblick auf das “rekordverdächtige Jahr solider Finanzleistung” bemerkte Brian Millard, Vizepräsident und Finanzvorstand von UDC, das Wachstum und die Fortschritte, die in der OLED‑Branche zu beobachten seien.

Unternehmen erweitern ihre Produkt‑Roadmaps, und führende Panel‑Hersteller investieren in neue Fabriken, um die steigende Nachfrage, insbesondere in den aufstrebenden IT‑ und Automobilmärkten, zu decken, sagte Millard und fügte hinzu:

„Wir glauben, dass dieser neue Investitionszyklus den Weg für bedeutende neue OLED‑Kapazitäten, neue OLED‑Produkte und neue OLED‑Nutzer ebnen wird.“

Für dieses Jahr erwartet UDC einen Umsatz zwischen 640 Millionen $ und 700 Millionen $, wobei betont wird, dass “die OLED‑Industrie sich noch in einer Phase befindet, in der viele Variablen erhebliche Auswirkungen auf die Ergebnisse haben können.”

Das Unternehmen kündigte zudem eine Bardividende von 0,45 $ pro Aktie für das erste Quartal 2025 an, zahlbar am 31. März 2025 an alle Aktionäre.

„Als Pionier und Marktführer im Ökosystem sind wir gut positioniert, um unsere Kunden weiterhin zu unterstützen und die Branche mit unserem wachsenden Portfolio an energieeffizienten, leistungsstarken phosphoreszierenden Materialien und OLED‑Technologien zu befähigen.“

– CFO Millard

Neueste Informationen zu Universal Display Corporation

Fazit

Die Entwicklung der Leuchtdioden hat die Display‑ und Beleuchtungstechnologie erheblich verbessert. Durch diesen Fortschritt hat die OLED‑Technologie uns Vorteile wie bessere Bildqualität, dünnere und leichtere Bauweise, Flexibilität und Innovation gebracht.

Obwohl die OLED‑Technologie seit ihren Anfängen stark vorangeschritten ist, steht sie vor Herausforderungen hinsichtlich Effizienz und Kosten. Daher markieren die jüngsten Fortschritte bei chiralen Halbleitern einen Wendepunkt in ihrer Entwicklung.

Die Fähigkeit, die Elektronenbewegung zu steuern und mit hoher Effizienz zirkular polarisiertes Licht zu emittieren, könnte die Displaytechnologie grundlegend verändern. Sie würde zudem neue Möglichkeiten im Quantencomputing und in der Spintronik eröffnen.

Da die kommerziellen Anwendungen dieser Innovation am Horizont stehen, könnte diese Forschung die Funktionsweise von Elektronik neu definieren und zu energieeffizienteren, leistungsstarken elektronischen Geräten in naher Zukunft führen.