Quantum Dots, Quantenmechanik & Displays
Was sind Quantenpunkte?
Quantenpunkte oder Quantum Dots (QD) sind winzige Kristalle im Nanometerbereich. Sie bestehen aus einem Cluster von Halbleiteratomen, oft umhüllt mit einer weiteren Halbleiterschicht. Eine äußere funktionelle Polymer- oder Lipidbeschichtung ermöglicht eine Kopplung mit Proteinen, Oligonukleotiden (kurze DNA- oder RNA-Moleküle), Antikörpern oder anderen Molekülen (Abbildung 1). Die Abmessungen zwischen 2 bis 10nm, das sind etwa 10 bis 150 Atome, ergeben bemerkenswerte optische und elektrische Eigenschaften.
Diese Charakteristika lassen sich durch Partikelgröße, Material und Zusammensetzung verändern und anpassen. Das sind Besonderheiten, die für viele Anwendungen interessant sind. Einsatzgebiete sind optische Sensoren, Biomonitoring, Medikamententransport, Solarzellen, Displays oder auch die Photokatalyse (eine durch Licht ausgelöste chemische Reaktion). 2023 erhielten übrigens Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi den Nobelpreis für Chemie für ihre mittlerweile 30-jährige Forschungsarbeit zu Quantenpunkten.
Quantenphysik
Seitdem der Österreicher Anton Zeilinger (gemeinsam mit Alain Aspect und John Clauser) den Nobelpreis für Physik für seine Experimente mit verschränkten Photonen erhielt und dabei unter anderem die Quantenteleportation nachwies, ist die Bezeichnung Quanten auch einem größeren Kreis bekannt. Quantenphysik beschreibt das Verhalten und die Wechselwirkung kleinster Teilchen im atomaren und subatomaren Bereich. Die Quantenmechanik, ein Teilgebiet der Quantenphysik, beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Zuständen und Vorgängen von Materie. Der Begriff Quant hat seinen Ursprung im Lateinischen »quantum«, was übersetzt »wie viel« oder »wie groß« bedeutet. Es wird also etwas Messbares, »Quantifizierbares« beschrieben. Heute wird in der Physik mit Quant der Teilchencharakter einer betrachteten Größe assoziiert.
Quantum Dots – Einsatz bei Displays
Was die Quantenpunkt-Technologie für Displays interessant macht, ist die Foto-Lumineszenz. Quantenpunkte können Licht absorbieren und in einer anderen Wellenlänge emittieren. Die Farbe des Lichts hängt dabei direkt von der Größe des Partikels ab – je kleiner der Punkt, desto kürzer die Wellenlänge. Dies beruht auf dem Umstand, dass bei nur wenige Nanometer großen Partikeln weniger Platz für die Schwingung der Elektronen zur Verfügung steht. Das beeinflusst direkt die optischen Eigenschaften. Verwendet man InP (Indiumphosphid)-Quanten und ZnS (Zinksulfid)-Quanten, strahlen 6nm Dots langwelliges rotes Licht, 3nm Dots grünes Licht und 2nm Dots kurzwelliges blaues Licht ab. Dafür wird als Lichtquelle in der Regel blaues Licht mit einer Wellenlänge von 450nm verwendet.
Vergleich TFT-LCD Technologie mit neuen Quantum Dot TFTs
Im Allgemeinen besitzt ein herkömmliches TFT eine Hintergrundbeleuchtung. Diese erzeugt mit weißen Leuchtdioden Licht, das durch Farbfilter beeinflusst wird, sodass ein farbiges Bild entsteht. Weiße Leuchtdioden bestehen aus einem blauen LED-Chip, der mit YAG-Phosphor (Yttrium-Aluminium-Granat-Phosphor) bedeckt ist und somit weißes Licht abstrahlt. Der Nachteil dieser Technik ist, dass die daraus resultierenden Farben nicht so rein und lebendig dargestellt werden können. Der Grund dafür liegt in einer breiten Abstrahlung des Farbspektrums, wodurch sich die Farben gegenseitig beeinflussen.
In einem Quantum-Dot-Display hingegen werden anstelle weißer LEDs blaue LEDs für die Hintergrundbeleuchtung verwendet. Direkt darüber ist der QD-Layer integriert. Angeregt durch die blauen Leuchtdioden, erzeugen die Quantenpunkte lebendiges rotes und grünes Licht und werden mit dem blauen Licht zu weißem Licht gemischt. Wie beim normalen LCD wird das Bild in weiterer Folge über einen Farbfilter gebildet.
Vergleich OLED Displays mit Quantum Dot OLED Displays
Vorausschicken möchten wir an dieser Stelle, dass mit dem Begriff OLED hier immer ein sogenanntes AMOLED-Display gemeint ist. Also ein Display mit einem TFT-Layer (Aktiv-Matrix), über den die organischen LEDs der einzelnen Bildpunkte angesteuert werden. Bei »normalen« OLED-Displays werden weiße OLEDs für die Pixel bzw. Sub-Pixel verwendet. Analog zu einem TFT werden die Farben des darzustellenden Bildes mit Hilfe eines Farbfilters erzeugt. Der Unterschied zu TFT-LCDs ist, dass bei OLED-Anzeigen auch das Weiß der OLEDs genutzt wird.
Macht man sich die QD-Technik zunutze, befindet sich direkt über der Lichtquelle, in unserem Fall organische Leuchtdioden (OLED), der QD-Layer mit dem Farbfilter.
Wie bei einem TFT-LCD werden die weißen OLEDs durch blaue ersetzt, wobei die Quantenpunkte durch das blaue Licht angeregt, rotes und grünes Licht emittieren und das Blau direkt verwendet wird.
Vorteile von Quantum-Dot-Displays
Größerer Farbraum: Die Integration von Quantum-Dots erweitert den Farbraum des Displays und ermöglicht die Darstellung eines breiteren Farbspektrums. Diese Fähigkeit erlaubt es Herstellern, Farben darzustellen, die näher an die Farben in der Natur herankommen. Zum besseren Verständnis gehen wir kurz auf den Farbraum ein. Als Farbraum bezeichnet man die gesamte Palette an Farben, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Im CIE-Farbsystem werden Farben in mathematischer Form beschrieben. Das ergibt ein zungenförmiges Diagramm, in dem die Farben nach Sättigung und Farbton (Wellenlänge) dargestellt sind. Ein Auszug daraus ist der sRGB (standard Rot-Grün-Blau)-Farbraum, der die Farben umfasst, die auf einem (digitalen) Gerät (zB ein Bildschirm) dargestellt werden können. Der Einsatz von Quantum Dots kann den sRGB-Farbraum eines Displays um 35-45% erweitern.
Verbesserte Farbdarstellung: Ein wesentlicher Vorteil ist die entscheidend verbesserte Farbdarstellung. Quantenpunkte emittieren Licht bei spezifischen Wellenlängen und haben eine enge Halbwertsbreite (FWHM – Full Width at Half Maximum) von etwa 20-35nm. Die Interferenz wird minimiert und die Farben werden reiner dargestellt. Das Resultat ist ein lebendigeres und realistischeres visuelles Erlebnis für die Betrachter.
Helligkeit und Energieeffizienz: Durch Quantenpunkte steigert sich auch die Helligkeit des Displays. Verglichen mit einem Display ohne QD kann daher der Stromverbrauch reduziert werden, um die gleiche Helligkeit zu erhalten. Bei LC-Displays erzielt man ein noch deutlich besseres Ergebnis mit einer Kombination aus QD-Technologie und einem Micro-LED-Backlight. Ein so ausgestattetes Display verfügt über eine brillante Farbdarstellung, einen hohen Kontrast und ist zudem noch energieeffizient.
Highlights der Quantum Dot-Technologie
Displays mit Quantum Dot-Technologie haben eine herausragende Farbdarstellung und ein deutlich größeres Farbspektrum als Standarddisplays. Dies ermöglicht die Darstellung von reichhaltigen, lebendigen Farben, die nahe an der Natur liegen und dem Betrachter ein realistisches Farberlebnis bieten. Die Hauptanwendungen finden sich im Medizinbereich und im professionellen Videobereich, wo es auf naturgetreue Farbwiedergabe und eine breite Farbskala ankommt.
Ihr Ansprechpartner
Ihr Ansprechpartner für Displaylösungen ist Christian Forthuber.
