BMBF-Projekt NEMO: Forschung nach neuen OLED Materialien unter Führung von Merck erfolgreich abgeschlossen

BMBF-Projekt NEMO: Forschung nach neuen OLED Materialien unter Führung von Merck erfolgreich abgeschlossen

Nach drei Jahren intensiver Forschung auf dem Gebiet neuer, in löslicher Form prozessierbarer Materialien für OLEDs (Organische Licht Emittierende Dioden) hat Merck zusammen mit zehn weiteren Partnern aus Industrie und von Universitäten das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt „Neue Materialien für OLEDs aus Lösung“ (NEMO) erfolgreich beendet. Die neu entwickelten Materialien können jetzt in großflächige OLED-Bauteile für z. B. Fernseher, beleuchtete Anzeigen und in Beleuchtung für Objekte oder Räume integriert werden. Sie sind vor allem für Druckprozesse geeignet, die wegen ihrer hohen Materialausnutzung im Vergleich zu herkömmlichen Herstellprozessen mit Aufdampfmaterialien eine kostengünstigere Herstellung von OLEDs erlauben. Das Gesamtbudget des Projektes betrug 29 Mio. €. Merck führte das Konsortium aus elf Partnern an.

Merck entwickelte und testete in diesem Projekt neue, phosphoreszierende Materialien für Rot-, Grün- und Blau-Anwendungen. Beispielsweise konnte die extrapolierte Lebensdauer auf 50% der Starthelligkeit (= Haltbarkeit im Einsatz) von grünen Triplett-Emitter-Materialien von 10.000 h auf über 200.000 h erhöht werden bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz dieser Materialien von 30 cd/A auf über 70 cd/A (Candela/ Ampere) bei einer Helligkeit von 1000 cd/m².

"Der Projekterfolg ist ein großer und wichtiger Schritt für druckbare Materialsysteme mit sehr guten Leistungsdaten", sagt Dr. Udo Heider, der bei Merck das Geschäftsfeld OLED leitet. „Damit ermöglichen wir unseren Kunden kosteneffiziente Fertigungsprozesse, die durch geringe Materialverluste in der Produktion letztlich auch der Umwelt zugute kommen.“

Der Umfang des Projektes erstreckte sich von lichtemittierenden Materialien, die aus einer Lösung heraus verarbeitet werden, über ladungstransportierende Materialien bis hin zu neuen Klebstoffen zur zuverlässigen Verkapselung eines jeden OLED-Bauteils. Zusätzlich wurden physikalische Untersuchungen an den Materialien und an den OLED-Bauteilen durchgeführt, die ein erweitertes Verständnis für die zukünftige Materialentwicklung erlauben.

Neben Merck waren am Projekt folgende Unternehmen sowie Institute vertreten: Berliner Humboldt-Universität, Delo Industrie Klebstoffe, Enthone GmbH, Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG, Universität Potsdam, Universität Regensburg sowie Universität Tübingen.

Berliner Humboldt-Universität
An der Berliner Humboldt-Universität wurden mit Hilfe modularer Synthesestrategien neuartige Elektronen-transportmaterialien hergestellt und getestet.

DELO Industrie Klebstoffe
Das Unternehmen hat sich mit der Entwicklung von Klebstoffen mit niedriger Wasserdampfpermeation für die flächige Verkapselung beschäftigt. Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei auf der Optimierung der Kompatibilität des Klebstoffs mit den OLED-Materialien. Geeignete Klebstoffsysteme wurden identifiziert und es konnte eine deutliche Reduzierung fehlerhafter Stellen im Bauteil erzielt werden. Die entwickelten Systeme wurden umfassend charakterisiert.

Enthone GmbH (ehemals Ormecon)
Im Enthone Nano Science Centre in Ammersbek wurden Dispersionen des elektrisch leitfähigen Polymers Polyanilin entwickelt, aus denen Ladungsträgerschichten für die OLEDs hergestellt wurden. Solche Displays zeigten gleichwertige elektrische Eigenschaften wie die mit dem bisher verwendeten Material.
Zur OLED-Bauteilcharakterisierung wurden die von Merck präparierten OLEDs mit der Impedanzspektroskopie untersucht. Es konnten instabile Bereiche identifiziert werden, die für die kurzen Lebensdauern der OLEDs verantwortlich sind. Darüber hinaus konnten aus den Impedanzmessungen an kurzzeitig belasteten Displays Vorhersagen zur Lebensdauer getroffen werden.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
Das Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung in Potsdam (IAP) entwickelte polymerbasierte phosphoreszente Systeme für grüne und rote Merck-Emitter. Geeignete Ladungstransportmoleküle wurden als Seitengruppe an eine Polymerhauptkette gebunden und es konnte nachgewiesen werden, dass dies zu vergleichbaren oder sogar zu verbesserten Leistungsparametern und Lebensdauern von OLEDs im Vergleich zu entsprechend lösungsprozessierbaren kleinen Molekülen führt. Für „Grün“ konnten Stromeffizienzen von 61 cd/A und Lebensdauern von 66.000 h @ 1000 cd/m² erzielt werden.

Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG (ehemals H.C. Starck Clevios GmbH)
Das Unternehmen hat neue Materialien für Zwischenschichten entwickelt, mit denen die Injektion der Ladungsträger aus der Anode in die OLED-Emitterschicht verbessert wird und die zur Erhöhung der Bauteillebensdauer beitragen. Die Austrittsarbeit der Lochinjektionsschichten läßt sich jetzt in einem weiten Bereich von 4.8 – 6.1 eV gezielt einstellen. Es wurden wasserlösliche polymere Gegenionen entwickelt, mit deren Hilfe erstmalig wasserfreie PEDOT-Materialien realisiert werden konnten. Parallel dazu wurde an transparenten Elektroden gearbeitet, die sich aus Lösung abscheiden lassen und zur Kostenreduktion von OLEDs beitragen sollen. Die Leitfähigkeit der PEDOT:PSS-Filme konnte weiter gesteigert werden. Erste ITO-freie OLED-Lampen wurden realisiert. Durch Kombination mit siebgedruckten Silberlinien wurden OLED-Flächenstrahler ohne erkennbaren Leuchtdichteabfall vom Rand bis zur Mitte des Bauteils ermöglicht.

Universität Potsdam
Forscher der Universität Potsdam untersuchten physikalische Eigenschaften wie Ladungsträgertransport und Anregungsdynamik in neu synthetisierten Materialien und im fertigen Bauteil. In Kombination mit stationären und transienten Simulationen konnten Informationen dazu erhalten werden, welche Prozesse die Effizienz der Leuchtdioden limitieren und welche die Alterung der Bauteile bestimmen.

Universität Regensburg (mit zwei Lehrstühlen vertreten)
In der Arbeitsgruppe von Professor Yersin wurden neue Emitterklassen mit starker sowie schwacher Metall-Metall-Wechselwirkung entwickelt, die den in Regensburg entdeckten Singulett-Harvesting-Effekt zeigen. Damit ist es möglich, hocheffiziente Emitter für OLEDs auf der Basis sehr preiswerter Kupfer-Komplexe zu realisieren. Diese Arbeiten zum Singulett-Harvesting mit neu entwickelten Emittern aus Kupfer-Komplexen wurden im April 2012 durch einen Innovationspreis auf der internationalen Konferenz „SPIE Organic Photonics“ in Brüssel ausgezeichnet.
Desweiteren wurden in der Arbeitsgruppe von Professor König Emitter-Bibliotheken nach einem einfachen, kombi-natorischen Protokoll synthetisiert. Zur schnellen und nahezu automatisierten Identifizierung und Charakterisierung der einzelnen Emitter, sowie deren Photostabilitäts-Untersuchung, wurde ein Screening System entwickelt. Das Degradationsverhalten vieler Substanzen konnte somit untersucht und Rückschlüsse auf verschiedene Degradationsmechanismen gezogen werden.

Universität Tübingen (mit zwei Lehrstühlen vertreten)
Die Tübinger Gruppen haben neue metallorganische Komplexverbindungen bereit gestellt, die als leuchtende Moleküle in den OLEDs Anwendung finden können. In chemischen Synthesen wurden Koordinationsverbindungen der Metalle Rhodium, Iridium, Palladium, Platin, Kupfer, Silber sowie Gold dargestellt, charakterisiert und neue, vielversprechende Leitstrukturen für Emitter-Materialien hervorgebracht.
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