Quantenpunkte: Ein Blick in die leuchtende Zukunft
In manchen Fernsehern und Monitoren sorgen Quantenpunkte (kurz QD für Quantum Dots) für besonders prächtige Farben. Samsung führte sie 2015 als erster Hersteller ein, doch ihre Einsatzmöglichkeiten gehen weit über Unterhaltungselektronik hinaus. Gesprochen haben wir darüber mit Armin Wedel, der den Forschungsbereich Funktionale Polymersysteme(öffnet im neuen Fenster) am Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung (IAP) leitet.
Die Gruppe forscht auch zu Quantenpunkten. Wedel erläutert uns, wie diese funktionieren, wie daraus ein Display wird, welche Einsatzmöglichkeiten es daneben gibt, und was die Zukunft bringt. Mike Henkelmann, der Samsungs Marketing für TVs leitet, gibt einen Ausblick, was davon künftig als Produkt zu erwarten ist.
Das Interessante an Quantenpunkten ist: Werden sie optisch oder elektrisch angeregt, emittieren sie Photonen in einem sehr schmalen Wellenlängenbereich. Sie erzeugen ein sehr reines Licht, dessen Wellenlänge und damit Farbe zudem einstellbar ist. Möglich ist das, indem ihre Größe – Quantenpunkte sind, anders als der Name vermuten lässt, Nanopartikel – variiert wird. Anders als etwa bei OLEDs lassen sich so mit nur einem Ausgangsstoff alle Farben des Regenbogens erzeugen.
Ein Material, alle Regenbogenfarben
Auch das Material hat einen Einfluss. Die Entwicklung begann mit Cadmiumselenid (CdSe), doch da das giftig ist, werden aktuell Indiumverbindungen verwendet. Möglich sind aber auch andere Materialien, Canon stellte unlängst Quantenpunkte auf Basis von Blei vor . Lediglich bei blauem Licht habe CdSe noch einen Vorteil gegenüber den Alternativen, erklärt Wedel.
Die Kunst bei der Herstellung von Quantenpunkten ist ihm zufolge das gezielte Kristallwachstum. Mit der Größe des Kristalls ändert sich das emittierte Spektrum, von blau über grün hin zu rot. Allerdings neigen die winzigen Kristalle, die nur aus wenigen Tausend Atomen bestehen, aufgrund der großen Oberflächenenergie zum Verklumpen. Während die Partikel wachsen, müssen sie daher auf Abstand gehalten werden.
Zudem bestehen die Quantenpunkte aus mehreren Schichten: Der Kern aus Halbleitermaterial ist von mehreren Schalen umgeben. Diese schirmen ihn von der Außenwelt ab, beeinflussen aber auch die optischen Eigenschaften. Die äußere Schale entscheidet, wie sich die Quantenpunkte etwa gegenüber Flüssigkeiten verhalten. Spielraum für Verbesserungen, an denen Wedel und seine Kollegen arbeiten, gibt es also genug. Zum Team zählen stets zwei bis drei Mitarbeiter aus Südkorea, wohin Wedel seit 2009 den Austausch pflegt – und über die auch der Kontakt zu Samsung zustande kam.
Farbwandler aus dem Drucker
Auch an der Verarbeitung der Quantenpunkte wird am IAP gearbeitet: Diese erfolgt mittels Drucktechnik. In aktuellen Displays werden Quantenpunkte als Farbwandler genutzt: Vor einer Hintergrundbeleuchtung, entweder blauen OLEDs oder ultravioletten LEDs, wird der Konverter montiert. Für jedes Pixel enthält er je ein rot und ein grün emittierendes Subpixel aus Quantenpunkten.
Die entsprechende Tinte zu entwickeln, ist die nächste Herausforderung. Diese muss sich gut verarbeiten lassen, auch hier dürfen die Nanopartikel nicht verklumpen. Dass Quantenpunkte gedruckt würden, habe gegenüber anderen Displaytechnologien, bei denen Material im Vakuum aufgedampft werde, Vorteile, sagt Wedel: Der verwendete Inkjet-Druck brauche wenig Energie und sei schnell. Zudem falle kaum Abfall an, da das Material gezielt aufgebracht werde. Beim Aufdampfen hingegen setze sich das Material überall in der Maschine ab.
Der Materialeinsatz ist zudem erstaunlich gering: Für das Display eines Fernsehers etwa würden lediglich wenige Milliliter QD-Tinte benötigt, sagt Wedel. Mit einem Kilogramm Quantenpunkte lassen sich seiner Schätzung zufolge Millionen Displays fertigen.
Damit ist der Aufbau noch immer relativ komplex. Eine OLED-Beleuchtung ist zwar bereits kompakt, Ziel von Wedel und seinen Kollegen ist es aber, QD-Displays noch kompakter zu bekommen.
Selbstleuchtende Quantenpunkte und bessere Solarzellen
Möglich wird das, da Quantenpunkte nicht nur optisch, sondern auch elektrisch angeregt werden können. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des QD-Displays mit OLED-Hintergrundbeleuchtung. Bei OLEDs ist der lichtemittierende Farbstoff zwischen zwei Leitern eingebettet, darauf ist aktuell der Konverter angebracht.
Bei den elektrolumineszierenden LEDs ersetzen die Quantenpunkte das organische LED-Material. Durch Anlegen einer Spannung entstehen Elektronen-Loch-Paare (Exzitonen)(öffnet im neuen Fenster) , bei deren Rekombination wird ein Photon frei. Dasselbe passiert bei der Anregung durch Licht, hier führt jedoch ein Photon zur Bildung des Elektronen-Loch-Paars.
Elektrolumineszente Displays wären nicht nur flacher, sondern auch effizienter, da ein Konverter stets einen Leuchtkraftverlust bedeutet. Gleichzeitig bleiben die Vorteile der OLEDs erhalten: "Da jeder Farbpixel selbstleuchtend ist, können durch Ausschalten jedes einzelnen Pixels perfekte Schwarztöne erreicht werden" , erläutert Wedel. "Das ist eine vielversprechende, spannende Weiterentwicklung unseres jetzigen Einsatzes von Quantum Dot" , betont Henkelmann.
Die Herausforderung dabei ist allerdings die Einbindung der Quantenpunkte: Deren äußere Schichten müssen für die Ladungsträger durchlässig sein, die erst einmal über Kontakte in die QD-Schicht eingebracht werden müssen. Das geht nur mit neuen Materialien. Einer anderen Herausforderung hingegen lässt sich mit Forschung nicht beikommen: Die elektrolumineszenten Displays bräuchten neue Fertigungsanlagen, und die kosten Geld.
Quantenpunkte können mehr als Displays
Neben Displays finden Quantenpunkte in diversen anderen Bereichen Anwendung. Ursprünglich wurden sie laut Wedel in der medizinischen Diagnostik eingesetzt, etwa um Tumore zu erkennen. Dies sei auch weiterhin ein wichtiges Einsatzfeld.
Interessant ist ihr Einsatz zudem überall, wo es darum geht, Licht in einem bestimmten Spektrum bereitzustellen. Neben optimierter Beleuchtung, etwa beim Urban Farming, ist das auch für Solarzellen interessant: Diese können nur einen Teil des Spektrums des Sonnenlichts in Strom wandeln, Quantenpunkte können andere Farben in diesen Bereich konvertieren.
Allerdings werde hier aktuell noch viel geforscht, räumt Wedel ein. Wann QD-Solarzellen marktreif würden, sei daher noch nicht abzusehen, zumal es andere vielversprechende Ansätze wie Perowskit-Solarzellen gebe.
Bei Displays wird es weiter Vielfalt geben
Und auch bei Displays sieht Wedel keinen Siegeszug der Quantenpunkte: Reine OLEDs sowie die klassischen LCDs werde es weiter geben, da sie jeweils eigene Stärken hätten. LCDs, die Samsung bei seinen QLED-Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung verwende, um die Helligkeit der einzelnen Subpixel zu steuern, ermöglichten etwa eine höhere und vor allem kontinuierliche Leuchtstärke, fügt Henkelmann hinzu.
Auch würden alle Technologien weiterentwickelt und auf verschiedenen Märkten unterschiedlich nachgefragt. Nicht zuletzt seien für die älteren Displays bereits Fertigungsanlagen vorhanden – und so lange es einen Markt gibt, werden diese weiter genutzt.
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