Wir verwenden Cookies, um bestimmte Funktionen unserer Website zu ermöglichen und Zugriffe auf unsere Website zu analysieren. Wenn Sie auf unserer Website weitersurfen, stimmen Sie der Nutzung von Cookies zu. Mehr Informationen hierzu finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Ok

 

01.10.2014

Neues Mitglied in der Familie der farbigen Displays

Quantenpunkte erobern als neue Technologie den Markt für Bildschirme

Der Röhrenbildschirm ist längst Geschichte, der TFT-Flachbildschirm inzwischen Standard, der OLED-Bildschirm zwar innovativ, aber teuer – ganz neu hingegen sind Bildschirme, die mithilfe sogenannter Quantenpunkte farbiges Licht erzeugen. Die Geräte sollen eine brillante Farbvielfalt erzeugen, die bisher nur mit den alten Röhrenbildschirmen oder den teuren OLEDs erreichbar war.

Eine maximale Vielfalt von Farben ist bei LCD-Bildschirmen nur mit der entsprechend guten Hintergrundbeleuchtung möglich. Foto: Roman Gorielov, romangorielov / 123RF Stockfoto
Bildschirm. Foto Roman Gorielox, 123RF Stockfoto

Der Begriff Quantenpunkt hört sich nach anspruchsvoller theoretischer Physik an – und genau diese steckt auch hinter den Konstruktionen, die für ein solches Display benötigt werden. Zunutze machen sich die Entwickler und Ingenieure dabei den Grundsatz der Quantentheorie, nach dem in einem quantenmechanischen System nur bestimmte, klar definierte Energiezustände möglich sind.

Vergleichbar ist dies mit der Saite einer Geige oder Gitarre, die immer nur einen Grundton mit den zugehörigen Obertönen von sich geben kann. Bei der Saite hängt die Höhe des Tons von der Saitenlänge, deren Material und Spannung ab. Beim Quantenpunkt bestimmt der Aufbau des Atomverbands, aus dem er besteht, welche Energiezustände die in ihm beweglichen elektrischen Ladungsträger einnehmen können.

Ist dieser Atomverband  klein genug, so verhält er sich wie ein quantenmechanisches System, das nur diskrete Energiezustände erlaubt, wie Physiker sagen. Diskret bedeutet hier, dass es sich um scharf abgegrenzte und klar definierte Energiewerte handelt und nicht um ein kontinuierliches Spektrum.

Wird nun ein solcher Quantenpunkt dazu angeregt, Energie in Form von Licht abzugeben, so sendet dieser nur Licht einer ganz bestimmten, eng umrissenen Wellenlänge aus. Gelingt es nun, viele solcher Quantenpunkte auf einer Ebene zu platzieren kann ein Display konstruiert werden. Drei solcher Quantenpunkte ergeben dann ein Pixel, wobei sich die Farbe durch die Mischung der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugen lassen – genau wie bei einem Röhren-Farbfernseher. Ein Bild kann erzeugt werden, wenn jedes einzelne Pixel in einer Matrix von Tausenden Quantenpunkten gezielt durch elektrische Impulse angeregt werden kann.

In dieser idealisierten Darstellung eines Quantenpunkts bilden die Halbleiteratome eine Pyramide, in der die Ladungsträger sich nur nach quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten bewegen können. Grafik: Alexander Kleinsorge, CC-Lizenz
Quantenpunkt. Grafik: Alexander Kleinsorge, CC-Lizenz

Soweit die Theorie. Ein praxistaugliches Display mit dieser Technik herzustellen, ist bisher nämlich nicht gelungen. Zu empfindlich gegenüber Hitze und Lichteinfall hat sich die aktive Schicht aus Quantenpunkten erwiesen. Die Entwickler mussten daher eine andere Möglichkeit finden, um die besonderen Eigenschaften von Quantenpunkten in Displays nutzen zu können.

Verwendet wird hierbei die Technik herkömmlicher Flachbildschirme, bei der eine Hintergrundbeleuchtung durch ein Raster steuerbarer Filter fällt. Die Farbeigenschaften jeder dieser aus Flüssigkristallen bestehenden Filterflächen können gezielt eingestellt werden: So entstehen die einzelnen farbigen Pixel des Flachbildschirms.

Die Farbqualität und -vielfalt eines solchen Displays steht und fällt mit der Art der Hintergrundbeleuchtung. In aktuellen, herkömmlichen Flachbildschirmen werden meist sogenannte Pseudo-White-LEDs verwendet. Sie erzeugen Licht mit günstig herzustellenden blauen Leuchtdioden, die eine Beschichtung aus gelbem Phosphor zum Leuchten bringen und so in der Mischung weißes Licht abgeben. Dessen Spektrum ist jedoch so ungleichmäßig, dass der Vielfalt möglicher Farben Grenzen gesetzt sind. Bei hochwertigeren Displays wird daher zusätzlich noch roter und grüner Phosphor eingesetzt.

In der Bildschirmtechnologie wurden im Lauf der Jahrzehnte viele Entwicklungsschritte vollzogen – ihren Anfang nahm die Entwicklung mit kleinen Röhrenbildschirmen. Foto: Gino Santa Maria, ginosphotos / 123RF Stockfoto
Röhrenfernseher, Foto: Gino Santa Maria, 123RF Stockfoto

Ganz anders jedoch, wenn in das System zur Erzeugung des Hintergrundlichts Quantenpunkte eingebaut werden. Diese haben den entscheidenden Vorteil, dass sie sich gezielt auf bestimmte Wellenlängen einstellen lassen. Fällt nun das LED-Licht auf die Quantenpunkte, können diese das Spektrum des abgegebenen Lichts so verändern, dass drei scharf umrissene Maxima aus blauem, grünen und rotem Licht entstehen.

Diese drei, satten farbigen Lichtquellen erzeugen ein weißes Licht mit den maximalen Möglichkeiten für die Farbwiedergabe. So kann nach Angaben der Hersteller ein auf diese Weise hergestelltes Display sämtliche Farbtöne darstellen, die auf der Skala des amerikanischen nationalen Fernsehsystemkomitees (NTSC) enthalten sind. Bei herkömmlichen Bildschirmen sind es hingegen nur 60 bis 70 Prozent.  

Mit den Quantenpunkten ist ein neues Mitglied in die stetig wachsende Familie der Displaytechnologien aufgenommen worden – eine Entwicklung, die Ende des 19. Jahrhunderts mit Karl Ferdinand Braun begonnen hatte. (ud)