EW juni Omslag 600
April 2011

Oled: ‘next generation’ energiezuinige verlichting

EW-600x400Naast alle ontwerp- en designmogelijkheden, is de energie-efficiëntie een van de grote voordelen.

Oled-licht is een vorm van solid-stateverlichting. Oled’s worden veel gebruikt in de beeldschermen van smartphones en zijn ook al als designverlichting te krijgen. De energiezuinigheid evenaart die van led- en spaarlampen, maar wordt nog spaarzamer. Dat maakt oled-licht een overtuigende kandidaat als volgende generatie energiezuinige lichtbron. Onderzoekers werken er hard aan om efficiënte oled’s betaalbaar te produceren.

Ledlicht is met zijn energiezuinige eigenschappen bezig aan een opmars, onder andere in  de  markt  voor openbare verlichting. Oled (organische led) staat daarbij nog een beetje in de schaduw, maar belooft grote mogelijkheden voor de toekomst. Kenmerkend verschil met alle andere vormen van verlichting: Oled is geen puntlicht, maar licht in een plat vlak. De opbouw bestaat meestal uit twee glasplaten met een of meer dunne laagjes organisch materiaal daartussen. Wanneer er een stroom doorheen loopt, licht het organische materiaal op.

100 lumen

Naast de nieuwe ontwerp- en designmogelijkheden, die Oled als vlaklichtbron biedt, is de energie-efficiëntie een van de grote voordelen. ‘20 procent van het elektriciteitsverbruik in Europa wordt besteed aan verlichting’, zegt Stefan Grabowski, wetenschapper  bij Philips Reserch. ‘Een brede toepassing van Oled-verlichting in de toekomst kan de uitstoot van broeikasgassen fors verminderen.’

De Oled-verlichting die Philipsdochter Lumiblade verkoopt, brengt 25 lm/W op. Dat is al een stuk meer dan de 14 lm/W van een gloeilamp. Osram heeft al een design-Oled-lamp op de markt met een hogere lichtopbrengst dan halogeen. Oled-fabrikanten, die zich hebben verenigd in onderzoeksproject oled100.eu, streven er naar om de lichtopbrengst naar meer dan 100 lm/W te  verhogen. Lumiblade acht zelfs 140 lm/W haalbaar. Een hogere lichtopbrengst wordt op dit moment alleen gehaald door lagedruknatriumlampen met 200 lm/W. Maar de kleurweergave daarvan is alleen geschikt voor gebruik als snelwegverlichting.
Oled-licht wordt nu al in verschillende kleuren geproduceerd en haalt een kleurweergave-index van 90. De lichtkleur van Oled kan dicht bij het warme licht van een gloeilamp gebracht worden.

In de betekenis van een lange levensduur is Oled-licht zonder meer duurzaam. Lumiblade meldt bijvoorbeeld een levensduur van 15.000 h, waarbij de lichtsterkte tot 50 procent van de initiële lichtsterkte is teruggelopen. Om die lange levensduur te halen, moeten de organische Oled-moleculen hermetisch zijn afgesloten van zuurstof en waterdamp uit de atmosfeer. Anders ontstaan donkere vlekjes op het oppervlak. De levensduur van enkele jaren wordt niet rechtstreeks gemeten, dat zou te lang duren, maar afgeleid uit metingen waarbij de stroom door het device sterk verhoogd is. Dat versnelt de veroudering.

Organische Diode
Oled staat voor ‘organic light-emitting diode’ (organische lichtuitstralende diode). Net als bij gewone ledverlichting zal een stroom die door het oled-device loopt, ervoor zorgen dat elektronen en gaten ‘recombineren’, waarbij licht wordt uitgestraald. Het device is stroomgestuurd: wanneer er een stroom loopt door de micrometerdikke organische laagjes komen de elektronen in beweging en stromen door de organische film, die daardoor licht uitstraalt. De beeldschermen van smartphones zijn vaak amoled-schermen (active matrix oled). Die bestaan uit oled-pixels, verwerkt in een matrix van thin film transistoren (tft’s). Het oplichten en de helderheid van deze pixels wordt gestuurd door de tft’s. Voordelen van amoled-schermen zijn het lage stroom- verbruik, de constante helderheid en het zicht in zonlicht.   

De fabrikanten stellen zichzelf als doel om Oled’s met een levensduur van 100.000 h te fabriceren. Duurzaamheid in de betekenis van milieuvriendelijkheid heeft verschillende aspecten. Naast de energiezuinigheid gaat het dan om de gebruikte materialen. Het lichtgevende materiaal bestaat uit organische moleculen. Er bestaan twee soorten Oled-moleculen. De ‘small molecules’ (kleine moleculen) Oled bevat kleine, speciaal ontwikkelde moleculen met iridium of andere metalen. De tweede soort, polymere Oled’s, bestaat uit lange polymeerketens. Voor de verdeling van de stroom wordt gewoonlijk een transparante metalen coating gebruikt, bijvoorbeeld ito. Voor de anode en kathode past men metalen als aluminium, calcium en barium toe. Glas wordt gebruikt om het geheel luchtdicht af te sluiten.

Productielijn

Philips is ervan overtuigd dat Oled een van de volgende generaties op verlichtingsgebied is. Onderzoekers werken keihard om een massamarkt te ontsluiten. Zij zoeken naar kostenefficiënte productiemethoden voor grote hoeveelheden Oled-verlichting met een hoge efficiëntie en een lange levensduur. Op dit moment is men het verst met Oled’s op glas, maar van Oled’s op folie wordt in de toekomst het meest verwacht. Senior wetenschapper fotonische materialen Jan Stromer van Philips: ‘Er is intussen veel vooruitgang geboekt. Lumiblade verkoopt al Oled-verlichting. En wij hebben hier een onderzoeksproductielijn gerealiseerd, voor Oled’s van 40x50 cm.’
Die productielijn van Philips Research is opgesteld in een cleanroom van 2.000  m2.  Vooral  de  apparatuur om een glasplaat van 40x50 cm verschillende behandelingen te laten ondergaan, was een uitdaging volgens Stromer. De productie gebeurt in vacuüm. Op een substraat van glas wordt eerst een geleidende ito-coating aangebracht. Daarop worden in vacuüm verschillende organische laagjes opgedampt. De verschillende lagen organisch materiaal produceren verschillende kleuren en emitteren of transporteren  elektronen. De Oled bevat ook een materiaal dat achtergebleven vocht absorbeert en wordt luchtdicht verzegeld met een glaslaag.

Luchtdichte afdichting

Voor de toekomst streeft Stromer naar Oled’s op basis van folies: ‘Oled’s moeten worden beschermd tegen de inwerking van zuurstof en waterdamp uit  de atmosfeer. Maar dat lukt niet zomaar. Een plastic zak is wel dicht genoeg om er water in te doen en er je goudvis in te vervoeren, maar voor deze toepassing moet het véél dichter zijn. De uitdaging is om folies te vinden die moleculen effectief tegenhouden. Onze hoop is om over vijf tot acht jaar Oled’s op een flexibel substraat te produceren.’

Naast de problematiek van de luchtdichte afdichting hebben de onderzoekers nog een elektrotechnisch probleem te overwinnen. Grote Oled-devices, nodig bij de toepassing als ruimteverlichting, vragen om oppervlakken van decimeters lang en breed, waarin de stroomsterkte tot tientallen Ampères oploopt. ito is een transparante geleidende coating die veel wordt gebruikt, maar bij deze toepassing wordt de spanningsval over de weerstand van 7,5 W te groot. Een mogelijke oplossing is om een zilverrooster, met banen van enkele micrometers dik, te gebruiken voor de stroomverdeling. Die efficiënte stroomverdeling is niet alleen belangrijk om energieverlies te voorkomen, maar vooral ook om het gehele oppervlak egaal op te laten lichten.

Mondiaal

Om impact te hebben op het mondiale energieverbruik, moet Oled-licht uiteraard massaal worden geproduceerd en toegepast. Naast Philips werken ook concurrenten als Osram hard aan de opschaling van de productietechnieken. In onderzoeksproject oled100.eu worden de deels gezamenlijke inspanningen gecoördineerd. Uiteraard zullen de kosten voor Oled-licht een bepalende factor zijn voor de snelheid waarmee het in de markt wordt geïntroduceerd en opgenomen. De samenwerkende fabrikanten streven een prijs na van 100 €/m2. Zover is het nog niet. De Oled-lichtbronnen die fabrikant Lumiblade aanbiedt, zijn nog flink duurder. Maar de ontwikkelingen gaan snel. Er wordt gehoopt dat de wet van Moore kan worden gevolgd, waarbij de prestaties elke twee tot drie jaar verdubbelen.

Een andere voorwaarde voor een geslaagde marktintroductie zijn geschikte armaturen en geïntegreerde verlichtingsoplossingen. Wat dat betreft lijken de mogelijkheden met Oled-licht groot. Vooral wanneer het licht op dunne flexibele folies op rol wordt geprodu- ceerd, zullen ontwerpers ruim gebruik kunnen maken van de mogelijkheden die het materiaal biedt. In het Lumiblade Creative Lab krijgen ontwerpers toegang tot de hulpbronnen en ervaring om innovaties te realiseren. Uniek aan Oled-licht is dat het uitstraalt vanuit een plat en zeer dun oppervlak. Het licht heeft, doordat het diffuus van een groot oppervlak uitstraalt een ‘vriendelijk’ karakter. Lumiblade meent dat dit oneindig veel mogelijkheden geeft voor ontwerpinnovatie.

Tekst: Rik Vollebregt
Fotografie: Industrie