Nanokristall-Displays

Seth Coe-Sullivan, Chief Technology Officer bei Watertown, MA, Startup QD Vision, befestigt Krokodilklemmen an zwei Kanten eines transparenten Wafers von der Größe eines Handybildschirms und legt einen Schalter um: Ein Rechteck, das die Mitte des Wafers füllt, dreht sich plötzlich von reflektierendem Silber bis schwachem Rot. Ein Labormitarbeiter schaltet die Raumbeleuchtung aus, um den Effekt zu verstärken – aber das ist nicht nötig. Coe-Sullivan dreht an einem Knopf und das Gerät beginnt hell zu leuchten.

Coe-Sullivan besitzt einen Prototyp eines Quantenpunktdisplays; solche Displays emittieren extrem reine Farben und könnten schließlich skaliert werden, um mit herkömmlichen Bildschirmen zu konkurrieren. (Bildnachweis: Porter Gifford.)

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2006

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Dies ist das erste Display von QD Vision – ein monochromatischer 32-mal-64-Pixel-Teststand für eine Technologie, die Coe-Sullivan hofft, die in den heutigen hochauflösenden Fernsehgeräten verwendeten ersetzen zu können. Das dünn und flexibel einsetzbare Display der nächsten Generation ist bei Sonnenlicht gut zu erkennen und verbraucht weniger Strom als das Display Ihres aktuellen Laptops, sagt er. Es wird auch mehr des sichtbaren Farbspektrums abdecken als aktuelle Displays und so kontrastreiche Bilder liefern, dass heutige Flachbildschirme im Vergleich dazu matt und verwaschen wirken.

Ihr Herzstück sind Nanopartikel, sogenannte Quantenpunkte, nanoskalige Halbleiterkristalle. Durch Veränderung der Größe der Partikel können Forscher die Farbe ändern, die sie emittieren: So würde beispielsweise ein Partikel mit sechs Nanometern Durchmesser rot leuchten, während ein anderes aus dem gleichen Material, aber nur zwei Nanometer breit, blau leuchten würde.

Der wahre Glanz dieser Partikel liegt in der Reinheit der von ihnen emittierten Farben. Displays erzeugen Millionen von Farben aus einer Palette von nur drei: Jedes Pixel besteht aus einem roten, einem grünen und einem blauen Subpixel, und das Variieren ihrer relativen Intensitäten variiert die sichtbare Farbe des Pixels. Bei LCDs und Organic Light Emitting Devices (OLEDs), einer neuen Art von Display, sind die Subpixel-Farben unrein. Das Rot zum Beispiel besteht zwar hauptsächlich aus rotem Licht, enthält aber auch kleinere Mengen anderer Farben. Bei Quantenpunkten emittiert das rote Subpixel jedoch nur Rot.

Diese Reinheit bedeutet, dass Displays auf Quantenpunktbasis eine stärker gesättigte Farbe aufweisen als LCDs, OLEDs und sogar sperrige Kathodenstrahlröhren (CRTs), die immer noch für ihre hervorragende Farbwiedergabe geschätzt werden. Darüber hinaus, so Coe-Sullivan, ist der mögliche Farbbereich bei einem Quantenpunkt-Display um 30 Prozent größer als bei CRTs: Wir erhöhen die Tiefe des Grüns, das Bildschirme anzeigen können, und die Tiefe des Blau-Grüns usw cetera. Es ist tatsächlich eine andere Farbe als auf einem LCD, OLED oder CRT zu sehen ist.

Das vielleicht aufregendste an Quantenpunkt-LEDs (QD-LEDs) ist, dass sie viel weniger Strom verbrauchen als LCDs. Bei LCDs beleuchtet eine Hintergrundbeleuchtung jedes Pixel auf dem Bildschirm. Dunkle Pixel blockieren dieses Licht einfach, wodurch Energie verschwendet wird. Da Quantenpunkte Licht emittieren, anstatt es zu filtern, könnte ein QD-LED-Display möglicherweise ein bis 30stel der Leistung eines LCD verbrauchen.

Laut Vladimir Bulovic, Experte am MIT für OLED-Displays, gibt es einen weiteren Vorteil, keine Hintergrundbeleuchtung zu haben. Da die dunklen Pixel in LCDs das Licht nicht perfekt blockieren, sagt Bulovic, sind die schwarzen Pixel auf LCDs wirklich nur dunkelgrau. Bei Quantenpunkten hingegen emittieren schwarze Pixel kein Licht. Was das Bild scharf macht und einen wirklich auffällt, ist, dass das Schwarz wirklich, wirklich dunkel ist, sagt er.

Becher mit diesem leuchtend grünen Zeug
Die Idee, Quantenpunkte in Displays zu verwenden, ist nicht neu. In den frühen 1990er Jahren, als Chemiker wie Moungi Bawendi, heute MIT-Professor für Chemie und wissenschaftlicher Berater bei QD Vision, Techniken zur Bildung präziser, gleichmäßiger Quantenpunkte perfektionierten, versuchten einige, QD-LEDs herzustellen, produzierten jedoch nur schwache, ineffiziente Geräte das erforderte etwa hunderttausend Elektronen, um Quantenpunkte dazu zu bringen, ein einzelnes Photon zu emittieren. Im Gegensatz dazu benötigen die QD-LEDs von Coe-Sullivan nur etwa 50 Elektronen pro Photon.

Um diesen Fortschritt zu erreichen, mussten die richtigen Leute zur richtigen Zeit zusammenkommen. Das geschah im Jahr 2000, als Coe-Sullivan als Doktorand ans MIT kam und Bawendi und einen brandneuen Professor für Elektrotechnik am MIT traf, der einige Wochen zuvor angekommen war – Vladimir Bulovic.

Direkt hinter der Tür des Labors von QD Vision befindet sich eine Reihe von Flaschen mit einer sprudelnden roten Flüssigkeit – einer Lösung kürzlich gebildeter Quantenpunkte. Die Zusammenarbeit, die zum ersten effizienten QD-LED-Display führte, begann, nachdem Bulovic bei einem Besuch am MIT im Labor eines Mitarbeiters von Bawendi auf eine ähnliche Szene gestoßen war.

Bulovic sagt, dass er noch nie von Quantenpunkten gehört hatte, bevor er am MIT auf Becher mit diesem leuchtend grünen Zeug stieß. Coe-Sullivan borgte sich Bulovics Wissen über OLED-Fertigungstricks und Bawendis Quantenpunkt-Expertise und nahm auch die Hilfe der Kommilitonen Jonathan Steckel und Wing-Keung Woo in Anspruch.

Trotz all dieser Expertise kam der Durchbruch, der das Gerät ermöglichte, jedoch zum Teil zufällig. Die Forscher hatten Quantenpunkte in eine Lösung organischer Moleküle gemischt und die Mischung mithilfe eines sogenannten Spin-Casting-Verfahrens zu einem dünnen Film verteilt, in der Hoffnung, dass sich die Quantenpunkte gleichmäßig durch den Film verteilen würden. Wie sich herausstellte, stiegen die Quantenpunkte an die Oberfläche des Films und bildeten eine geordnete, gleichmäßige Schicht von nur einem Punkt Dicke, eine Anordnung, die sich als effizienter herausstellte, als die Forscher beabsichtigt hatten.

Diese Schicht aus Quantenpunkten wurde zum Kern einer mehrschichtigen einfarbigen QD-LED, die zwischen Elektroden und Ladungstransportschichten eingebettet war. Coe-Sullivan gründete 2004 zusammen mit Bulovic und Greg Moeller, Director of Business Development, QD Vision, um von diesem einfachen Gerät zu einem vollfarbigen Display zu wechseln, das rentabel hergestellt werden kann.

Ein wichtiger Schritt war das Anordnen von Pixelarrays. Bei QD Vision zeigt Coe-Sullivan auf einen Glasschrank, der sorgfältig verschlossen ist, um einen Teil eines proprietären Prozesses zur Verteilung von Quantenpunkten in den abwechselnden dreifarbigen rechteckigen Rastern zu verbergen, die für ein funktionierendes Display erforderlich sind. Bereits die Technik, von der Coe-Sullivan sagt, dass sie zu einer relativ kostengünstigen Herstellung führen sollte, hat Muster mit Pixeln erzeugt, die kleiner sind als die, die für aktuelle Displays typisch sind.

Coe-Sullivan sagt, dass QD Vision in der Lage sein sollte, eine Schlüsselkomponente von Displays von der OLED-Technologie auszuleihen, die Rückwand, die die Pixel steuert. Jetzt konzentriert sich das Unternehmen darauf, die Effizienz seines Geräts zu verbessern, das zwar mit Handy-Displays konkurrenzfähig ist, aber noch verbessert werden könnte.

Insgesamt rechnet Coe-Sullivan damit, dass es etwa vier Jahre dauern wird, bis das Unternehmen sein erstes kommerzielles Produkt auf den Markt bringt – wahrscheinlich ein kleines Display für ein Mobiltelefon. Aber er sagt, dass die farbenfrohen Bilder das Warten wert sein werden.

Bild der Homepage mit freundlicher Genehmigung von Porter Gifford.

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