Van een lichtgevende bumper tot gordijnen die spotjes en schemerlampen overbodig maken: met oleds is van alles mogelijk. Maar hoe werkt deze nieuwe manier van verlichten nu eigenlijk? En wat mogen we er in toekomst van verwachten?

Buiten is het allang donker, maar binnen kabbelt het gesprek voort in het zachtgele licht van de vooravond dat door de ramen naar binnen valt. Een onwerkelijk tafereel dat binnenkort werkelijkheid kan worden als ramen niet alleen daglicht doorlaten, maar het ook zelf maken. Dankzij een microscopisch dunne laag oleds.

De afkorting oled staat voor organic light emitting diode en die nieuwe led betekent een revolutie in de lichttechniek, zegt Kristin Knappstein. Zij is bij Philips in Aken verantwoordelijk voor de commerciële ontwikkeling van oled-verlichting. “Vanaf de kaars en de gloeilamp tot en met de moderne led-lamp hebben we ons moeten behelpen met een puntvormige lichtbron. Met de oled hebben we een vlakke lichtbron die licht geeft over een groot oppervlak.”

In het Philips Lumiblade Creative Lab in Aken worden ontwerpers uitgedaagd om te spelen met de vlakke lichtbron. Dat heeft al een aantal fraaie concepten opgeleverd, zoals de O’Leaf, een reeks platte, licht gebogen lampen als de bladeren van een olijfboom. Of de Edge, een bureaulamp in de vorm van een Z, die zo dun is dat het lijkt alsof hij met een viltstift in de ruimte is getekend. In de nabije toekomst kun je met oleds ook lichtgevende meubels en wanden maken. Of een bumper die tegelijkertijd als achterlicht fungeert. Een andere mogelijkheid is het vervangen van de binnenverlichting van de auto door een lichtgevend binnendak.

Een platte lichtbron geeft ontwerpers veel vrijheid, zegt Knappstein. Die vrijheid wordt nog groter doordat je de kleur van het licht kunt ‘sturen’ door de samenstelling van de oled te veranderen. Het is zelfs geen probleem om de klassieke, warme kleur wit van de gloeilamp na te bootsen. Of het zachtgele licht van een zomerse vooravond.

 

Witte led-lamp

De oled begon zijn leven medio jaren negentig als materiaal voor uiterst platte beeldschermen. Een van de eerste toepassingen was het display van het scheerapparaat dat James Bond gebruikte in de film Die another day (2002). Momenteel worden oleds, vanwege hun lage energieverbruik en vlakke vorm, veel gebruikt als beeldscherm voor smartphones. Geleidelijk aan worden de formaten ook groter. Zo zijn er al prototypes ontwikkeld van oled-televisies en -beeldschermen. De prijs van die schermen ligt rond de 3000 euro. Niet goedkoop dus, maar dat waren lcd- en led-schermen in het begin ook niet.

Bijzonder is trouwens dat je met oleds niet alleen heel platte beeldschermen kunt maken (minder dan een millimeter dik), maar ook beeldschermen die transparant zijn. Op de in januari gehouden Consumer Electronics Show liet Samsung bijvoorbeeld een scherm zien dat 85 procent van het opvallende licht doorlaat.

Net als leds kunnen oleds ook worden gebruikt als lichtbron. Het zijn allebei diodes, gemaakt van halfgeleidermateriaal. (Halfgeleider wil niet zeggen dat het materiaal maar half zo goed geleidt als bijvoorbeeld koper, wel dat je het vermogen om te geleiden kunt sturen; je kunt het aan of uit zetten.) Dat diodes licht geven als er stroom doorheen gaat, was al in 1927 ontdekt door de Russische onderzoeker Oleg Losev. De toepassingen lieten echter op zich wachten. Pas halverwege de jaren zestig deden de eerste rode led-lampjes hun intrede als signaallampje op een versterker of ander apparaat, en niet eerder dan halverwege de jaren negentig lukte het de Japanner Nakamura om een led te maken die blauw licht uitzendt. Daarmee lag de weg open naar de witte led-lamp, die sinds een paar jaar in de winkel ligt. Immers, de combinatie van rood, groen en blauw licht levert wit licht op. (In de praktijk worden witte led-lampen overigens meestal gemaakt door een blauwe led-lamp te voorzien van fosforescerende laagjes. Dat productieproces is eenvoudiger en goedkoper.)

 

Gekleurd pakketje licht

Bij oleds is het maken van wit licht een stuk eenvoudiger. Hoewel leds en oleds allebei zijn gemaakt van halfgeleidermateriaal, verschillen ze behoorlijk van elkaar. “De simpelste oled bestaat uit drie laagjes”, vertelt Reinder Coehoorn, die bij Philips Research in Eindhoven verantwoordelijk is voor het onderzoek naar de werking van oleds. Daarnaast is hij parttime hoogleraar aan de TU Eindhoven.

De eerste laag is de kathode: een 100 nanometer dik laagje aluminium. Die produceert negatieve lading in de vorm van elektronen. Aan de andere kant vinden we de anode, die van doorzichtig materiaal is gemaakt en meestal bestaat uit Indium-Tin-Oxide (ITO). De anode levert positieve lading in de vorm van ‘gaten’. Gaten, ook wel elektrongaten genoemd zijn positief geladen ‘deeltjes’ die overblijven als een elektron uit zijn baan om de atoomkern is geschoten. Het klinkt wat tegenstrijdig, maar ook de ‘gaten’ kunnen zich vrij bewegen en dragen bij aan de elektrische geleiding. Tussen kathode en anode bevindt zich een laag organische moleculen waar het licht (rood, groen of blauw) wordt gemaakt.

Als er stroom door een oled loopt, ontstaat een soort paringsdans. Van de ene kant van het podium – de kathode – komen de elektronen aangestroomd. Van de andere kant – de anode – de gaten. Eenmaal in het midden – de organische laag – aangekomen dansen ze een tijdje langs elkaar heen. Ze vormen ze een ‘exciton’; een soort atoom, alleen bestaat het niet uit een positief geladen atoomkern met elektron, maar uit een positief geladen ‘gat’ met een elektron. De aanwezigheid van een exciton brengt het organische molecuul naar een hoger, maar instabiel energieniveau. Anders gezegd: het exciton zorgt ervoor dat het molecuul niet lekker in zijn jasje zit.

De hogere energietoestand duurt niet lang. Na een paar microseconden vallen elektron en

gat elkaar in de armen en gaat het molecuul terug naar zijn oorspronkelijke energieniveau. Hierbij ontstaat een foton; een pakketje licht, waarvan de kleur wordt bepaald door het soort molecuul. Het ene molecuul zendt groen licht uit, het andere blauw en weer een ander rood.

 

Extra laagjes

Een oled voor wit licht bestaat minimaal uit vijf lagen (anode, kathode en drie kleurenlagen), maar in de praktijk zijn er soms wel vijftien of meer. Die extra laagjes zijn nodig om de efficiëntie waarmee elektrische stroom wordt omgezet in licht te verbeteren. In het begin van de ontwikkeling, rond 2004, was de efficiëntie van een oled minder dan 5 lumen per watt (een lumen is een maat voor de lichtsterkte). Dat was nog minder dan een gloeilamp, die 95 procent van de aangevoerde energie omzet in warmte en daarbij 12 lumen per watt produceert.

In het laboratorium benadert de witte oled inmiddels de efficiëntie van de spaarlamp (65 lumen per watt) en is op weg naar de tl-buis (100 lumen per watt). De fundamentele limiet is 350 lumen per watt, maar als de helft ooit gehaald wordt, is dat al heel mooi. Het opvoeren van de efficiëntie gaat wel ten koste van de levensduur. Optimaal is een oled die rond de 120 lumen per watt levert en 30.000 uur meegaat. Dat zou volgens Knappstein binnen een jaar of vijf haalbaar moeten zijn.

De afgelopen jaren is de efficiëntie flink verbeterd door het aanbrengen van extra laagjes in de oled. Zo zijn er laagjes die moeten voorkomen dat het elektron-gat-paar – het exciton – zich in de richting van de elektrode begeeft. Als het daar te dicht in de buurt komt, verdwijnt de energie namelijk zonder dat er een foton wordt uitgezonden. Andere laagjes moeten voorkomen dat fotonen overspringen tussen de verschillende kleurenlaagjes. Als dat gebeurt, verspringt namelijk ook de kleur. Daarbij verzwakt vooral de blauwe kleur en wordt een witte oled dus steeds roder. Weer andere laagjes zorgen voor meer elektronen en gaten, en daarmee ook voor meer fotonen.

 

Oled-folie

Een kleine twee jaar geleden was de ontwikkeling van oleds zo ver gevorderd dat Philips er de markt mee op kon gaan. De oleds die nu worden verkocht, zijn gebaseerd op small molecules. Ze bestaan uit een zwaar atoom, zoals iridium, omgeven door een drietal vleugels van ringvormige, organische verbindingen, zogenoemde liganden. Deze oleds worden gemaakt door de moleculen vanuit hun dampvorm te laten neerslaan. Eerst de anode van doorzichtig ITO op glas en dan tien tot vijftien laagjes er bovenop, inclusief de kathode. Daarna wordt het geheel lucht- en waterdicht afgesloten. Het opdampen gebeurt onder vacuüm. Je zou ook flexibele oleds kunnen maken, zoals nu al – mondjesmaat – gebeurt bij beeldschermen door de verschillende laagjes niet op te dampen op een glasplaat, maar op een dunne metaalfolie.

 

Als productietechniek is opdampen vrij omslachtig. In het het Europese samenwerkingsverband Fast2Light werken diverse partijen daarom samen aan de ontwikkeling van oleds op basis van polymeren: lange ketens van moleculen, waarvan je de eigenschappen kunt variëren door aan- en afkoppelen van zijketens. Het grote voordeel van polymeren is dat je ze nat kunt verwerken. Natte verwerking opent nieuwe mogelijkheden om glas als drager te vervangen door kunststoffolie. Binnen vijf tot acht jaar hoopt Philips zo ver te zijn, vertelt Jan Stromer van Philips Research. “We streven naar een roll-to-roll-fabricage, waarbij er aan de ene kant een rol folie in gaat en er aan de andere kant een rol oleds uitkomt. Ongeveer zoals je krantenpapier bedrukt.”

Als het lukt om een lichtgevende oled-folie te maken, zijn de mogelijkheden schier eindeloos. Je zou bijvoorbeeld lichtgevende gordijnen of T-shirts kunnen maken. Ook het gehannes met olie- en gaslampen behoort tot het verleden, omdat je tent van binnen voldoende licht geeft om een boek bij te lezen.

 

(kader:)

Kluwen spaghetti

Het verschil tussen led (light emitting diode) en oled (organic light emitting diode) zit hem in de soort moleculen en daarmee in het soort licht dat wordt geproduceerd als er stroom door de diode gaat. In een led wordt licht gemaakt door materialen als galliumnitride, waarbij de atomen vast zitten in een kristalrooster. Als de moleculen terugvallen van hun hogere energieniveau, produceren ze allemaal een foton met dezelfde nauwe golflengte. Bij een oled worden de fotonen geproduceerd door organische moleculen. Deze bevatten koolstofatomen die om en om via een enkele en een dubbele binding met elkaar zijn verbonden. In plaats van op een strak georganiseerd kristalrooster lijkt het geheel meer op een ongeorganiseerde kluwen spaghetti. Organische moleculen die terugvallen uit hun hogere energieniveau leveren fotonen op waarvan de golflengte allemaal iets verschilt. “Als je kijkt naar het kleurenspectrum van een witte oled zie je niet drie afzonderlijke pieken voor rood, groen en blauw, maar een soort heuvellandschap met verbrede pieken die in elkaar overlopen”, zegt Reinder Coehoorn van Philips Research. “Door het combineren van verschillende organische moleculen kun je daarom een wit licht maken dat heel natuurlijk is. Ook voorwerpen en gezichten die erdoor worden beschenen, ogen natuurlijk. Met een witte oled zie je er dus niet uit alsof je ziek bent of slecht hebt geslapen.”

 

http://www.lighting.philips.com/main/lightcommunity/trends/oled/

 

Gepubliceerd in KIJK 9/2011