Fantastische Farbenspiele

Vorsichtig befestigt Seth Coe-Sullivan zwei Krokodilklemmen an einer durchsichtigen Scheibe von der Größe eines Handy-Displays und betätigt einen Schalter. Sofort verfärbt sich ein silbern reflektierendes Rechteck in der Mitte der Scheibe blassrot. Ein Labormitarbeiter macht die Lichter aus, damit der Effekt noch dramatischer wirkt, aber das ist gar nicht nötig: Coe-Sullivan, Technischer Direktor des Start-ups QD Vision im US-Bundesstaat Massachusetts, dreht an einem Knopf, und die Scheibe beginnt strahlend hell zu leuchten.

Es ist der erste Bildschirm aus dem Hause QD Vision, und Coe-Sullivan ist begeistert. Mit dem monochromatischen, 32 x 64 Pixel großen Modell hofft er, eine neue Display-Generation erschaffen zu können – zunächst für Handys, später auch für großformatige Fernsehgeräte.

Die neuen Bildschirme warten tatsächlich mit einer ganzen Reihe von Vorteilen auf. Sie sind extrem dünn, und selbst bei direkter Sonneneinstrahlung ist die Darstellung auf dem Display exzellent. Vor allem aber fressen sie weniger Strom als heutige Laptop-Bildschirme. Weil sie zudem einen viel größeren Bereich des sichtbaren Farbspektrums abdecken, erzeugen sie so kontrastreiche Bilder, dass herkömmliche Flachbildschirme dagegen matt und verwaschen aussehen.

Herzstücke des neuen Displays sind winzige Halbleiterkristalle, so genannte Quantenpunkte (quantum dots). Diese Nanopartikel senden – abhängig von ihrer Größe – Licht in unterschiedlichen Farben aus: So leuchtet ein Partikel mit einem Durchmesser von sechs Nanometern rot, während es bei zwei Nanometern Größe blau strahlt.

So richtig glänzen können diese Partikel aber hinsichtlich der Reinheit dieser Farben. Grundsätzlich erzeugen Bildschirme die vielen Millionen Farbtöne aus einer gerade einmal drei Farben umfassenden Palette: Jedes Pixel besteht aus je einem roten, grünen und blauen Unterpixel; werden die Intensitäten der Unterpixel variiert, verändert sich die Farbe des Hauptpixels.

Allerdings sind die Farben der Unterpixel in Flüssigkristallbildschirmen (LCD) und auch in neueren Bildschirmarten wie organischen Leuchtdioden (OLED) unrein. Das heißt, dass beispielsweise rote Pixel zwar überwiegend aus rotem Licht bestehen, aber auch Spuren der anderen Farben enthalten. Bei den Quantenpunkt-Displays hingegen leuchtet ein rotes Unterpixel wirklich nur rot.

Dank dieser Reinheit warten Quantenpunkt-basierte Bildschirme mit satteren Farben auf als LCDs, OLEDs und selbst die wuchtigen Kathodenstrahlröhren (CRT), obwohl letztere immer noch für ihre exzellente Farbwiedergabe gelobt werden.

Und es kommt noch besser: Laut Coe-Sullivan ermöglichen die Quantenpunkte eine um 30 Prozent breitere Farbskala als Kathodenstrahlröhren: „Wir können die Farbtiefe von Grün, Blau und allen anderen Farben vergrößern. Da kommen tatsächlich ganz andere Farben raus als die, die man auf einem LCD, OLED oder CRT sieht.“ Der vielleicht größte Pluspunkt der Quantenpunkt- Leuchtdioden (QD-LED) ist aber, dass sie im Vergleich zu Flüssigkristallbildschirmen viel weniger Strom verbrauchen.

Bei den LCDs beleuchtet ein Hintergrundlicht jeden einzelnen Pixel auf dem Schirm. Um dunkle Bildpunkte zu erhalten, wird das Licht punktuell blockiert – was einer ziemlichen Energieverschwendung gleichkommt. Die Quantenpunkte hingegen filtern kein Licht, sondern strahlen es an den gewünschten Punkten selbst aus. An den Bildpunkten, die schwarz sein sollen, emittieren sie einfach kein Licht. Deshalb werden QDLEDs wohl so viel Strom einsparen können, dass sie mit einem Dreißigstel der Strommenge eines herkömmlichen Flüssigkristallbildschirms auskommen.

Vladimir Bulovic, Experte für organische Leuchtdioden am MIT, sieht im Verzicht auf Hintergrundbeleuchtung noch einen weiteren Vorteil: Bei den Flüssigkristallbildschirmen blockieren die dunklen Pixel das Licht nicht vollständig, deshalb sind schwarze Pixel in Wirklichkeit nur dunkelgrau. Bei den Quantenpunkt-Displays hingegen „springt einem das Bild richtig ins Auge. Es ist total scharf, weil das Schwarz richtig schwarz ist“, sagt Bulovic.

Die Idee, Quantenpunkte für Bildschirme zu verwenden, ist nicht neu. Bereits in den frühen 90er Jahren versuchten Chemiker, Quantenpunkt-Leuchtdioden herzustellen. Moungi Bawendi, Chemieprofessor am MIT und heute wissenschaftlicher Berater von QD Vision, feilte damals ebenfalls an Technologien zur präzisen Herstellung gleichmäßiger Quantenpunkte.

Das Ergebnis waren jedoch matte, ineffiziente Geräte, die bis zu hunderttausend Elektronen benötigten, um einen Quantenpunkt zum Abstrahlen eines einzelnen Photons zu bewegen. Coe-Sullivans QD-LEDs benötigen dafür heute nur noch 50 Elektronen.

Dieser Fortschritt, der zum ersten effizienten QD-LEDBildschirm führte, war nur möglich, weil die richtigen Leute zur richtigen Zeit am richtigen Ort zusammentrafen. Als Coe- Sullivan im Jahr 2000 nach seinem Studium ans MIT kam, lernte er dort Bawendi und einen Professor für Elektroingenieurwesen kennen, der nur wenige Wochen zuvor an das Institut gekommen war – Vladimir Bulovic.

Bulovic hatte noch nie von Quantenpunkten gehört, bevor er am MIT bei einem Besuch in einem Labor von Bawendis Mitarbeitern „diese Behälter voller leuchtend grünem Zeug“ sah. Die Flaschen mit einer blubbernden grünen Flüssigkeit enthielten Lösungen mit frisch hergestellten Quantenpunkten.

Dafür kannte sich Bulovic mit OLEDs aus. Coe-Sullivan ließ sich einige der für die Herstellung von OLED wichtigen Tricks zeigen, zapfte Bawendis Quantenpunkt-Expertise an und gewann auch seine Kommilitonen Jonathan Steckel und Wing- Keung-Woo dafür, mit einzusteigen.

Doch trotz all dieses geballten Fachwissens kam es eher zufällig zum Durchbruch. Die Forscher hatten Quantenpunkte in eine Lösung mit organischen Molekülen gemischt und die Mixtur in einem Spin-Casting genannten Verfahren als dünnen Film breitgestrichen. Sie hofften, die Quantenpunkte würden sich gleichmäßig im Film verteilen. Doch stattdessen stiegen die Partikel zur Oberfläche auf und lagerten sich zu einer geordneten, gleichmäßigen Schicht zusammen, die genau einen Quantenpunkt dick war.

Was zunächst nach einem fehlgeschlagenen Experiment aussah, erwies sich im Nachhinein als eine viel leistungsfähigere Struktur als die von den Forschern ursprünglich beabsichtigte Lösung: Die Quantenpunkt-Schicht, die wie in einem Sandwich zwischen Elektroden und Ladungstransportschichten eingebettet wird, avancierte zum Herzstück eines mehrschichtigen, einfarbigen QD-LEDs. Um aus diesen einfachen Geräten vollwertige Farbbildschirme zu entwickeln, die gewinnbringend produziert werden können, gründete Coe- Sullivan im Jahr 2004 gemeinsam mit Bulovic und Greg Moeller, heute Leiter der Geschäftsentwicklung, das Startup- Unternehmen QD Vision.

Ein wichtiger Schritt in Richtung eines funktionstüchtigen Bildschirms war die Anordnung der Pixel zu Gittern. Coe- Sullivan zeigt im Labor auf ein Glasgehäuse, das teilweise abgedeckt wurde. Dahinter verbirgt sich der selbst entwickelte Herstellungsprozess zur Anordnung der Quantenpunkte zu alternierend dreifarbigen, rechteckigen Gittern.

Mit der Technologie, die eine preiswerte Herstellung ermöglichen soll, wurden bereits Muster produziert, deren Pixel kleiner sind als die gängiger Displays. Zur Ansteuerung der einzelnen Pixel will Coe-Sullivan auch Verfahren einsetzen, die ursprünglich nur für OLEDs entwickelt wurden.

Zurzeit ist das Unternehmen damit beschäftigt, die Effizienz seines Gerätes zu verbessern. Der Bildschirm kann es zwar bereits mit Handy-Displays aufnehmen, soll aber noch weiter optimiert werden. Alles in allem, so glaubt der Technologie- Chef von QD Vision, wird es noch vier Jahre dauern, bis sein Unternehmen das erste Produkt auf den Markt bringen kann.

Wahrscheinlich wird es ein kleiner Bildschirm für Handys sein. Aber die tollen Farbbilder, so Coe-Sullivan, würden für das Warten entschädigen. (nbo)