23.02.2011

Quantenpunkte lassen flexibles Farbdisplay leuchten

Einfaches Druckverfahren für Halbleiter-Strukturen könnte günstige Produktion ermöglichen.

Einfaches Druckverfahren für Halbleiter-Strukturen könnte günstige Produktion ermöglichen.

Winzige Nanokristalle, so genannte Quantenpunkte, können je nach Größe Licht in verschiedenen Farben aussenden. Auf diesem Effekt baut nun ein erstes buntes Display auf, das koreanische Wissenschaftler gefertigt haben. Sie nutzten dazu ein Druckverfahren, um Areale von Quantenpunkten für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) eng nebeneinander zu platzieren. Zwar strahlte dieser erste Prototyp nicht so hell wie Displays aus organischen Leuchtdioden. Doch könnte die Quantenpunkt-Technologie dennoch zu günstigen und vor allem hochaufgelösten Bildschirmen führen.

„Quantenpunkte sind besser als organische Lumineszenz-Werkstoffe wegen ihrer engen spektralen Bandbreite, hohen Quanteneffizienz und guten Lichtstabilität“, betonen Tae-Ho Kim vom Samsung Advanced Institute of Technology in Yongin und seine Kollegen von der Seoul National University einige Vorteile der leuchtenden Nanokristalle. Für ihren Prototyp wählten sie den Verbindungshalbleiter Cadmiumselenid. Je nach Größe der Partikel sende dieser nach einer elektrischen Anregung blaues (480 nm), rotes (615 nm) oder grünes (530 nm) Licht aus.

Abb.: Prototyp eines RGB-Displays mit Quantenpunkten aus dem Verbindungshalbleiter Cadmiumselenid. (Bild: Nature Photonics, Samsung)

In einem ersten Arbeitsschritt verteilten sie Nanokristalle einer Größe über ein Spin-Coating-Verfahren auf einer hochreinen Oberfläche. Von dieser hoben sie mit einem Kunststoff-Stempel ein rechteckiges Quantenpunkt-Areal für die Farbe Rot ab und deponierten dieses auf einer mit elektrischen Kontakten versehenen Oberfläche. Sowohl starres Silizium als auch felxible Kunststofffolien eigneten sich als Trägermaterial. Diesen Stempelprozess wiederholten Kim und Kollegen für Quantenpunkte, die grünes oder blaues Licht aussenden konnten. So entstand ein etwa zehn Zentimeter großer Prototyp mit 320 x 240 Bildpunkten. Jeder einzelne bestand im Prinzip aus drei winzigen Leuchtdioden mit Kantenlängen von 46 x 96 Mikrometern.

Mit Spannungen von etwa drei Volt wurden die Quantenpunkte zum Leuchten angeregt. In einem Ersten Test zeigte das Display ein hochaufgelöstes Bild eines Schwalbenschwanzes. Mit den Helligkeitswerten von 423 (blau) über 6.425 (grün) bis 16.380 (rot) Candela pro Quadratmeter reichen die Quantenpunkte noch nicht an die Leuchtkraft von organischen Leuchtdioden heran. Aber dafür erreichten sie für die Quanteneffizienz hohe Werte von bis zu 71 Prozent. Prinzipiell sind daher sehr helle und zugleich sparsame Displays möglich. Da die Quantenpunkte selbst nur wenige Nanometer messen, ließe sich auch die Pixelgröße noch deutlich verringern, um die Bildauflösung weiter steigern zu können. „Der leuchtende Bereich jedes Bildpunkts ist jetzt schon klein genug, um eine Auflösung für HDTV zu erreichen“, erläutern die Forscher.

Abb.: Der Prototyp mit 320 x 240 Bildpunkten zeigt das Bild eines Schwalbenschwanzes. (Bild: Nature Photonics, Samsung)

Mit diesem Versuch demonstrierten die Forscher, dass Quantenpunkte nicht nur zur Herstellung von einfarbigen Displays geeignet sind. Doch bis zur Marktreife müssen noch einige Hürden genommen werden. So stehen weitere Versuche aus, um die Schaltgeschwindigkeiten der Quantenpunkt-Pixel genau zu bestimmen. Für eine flüssige Wiedergabe von Videos wären Schaltraten von längstenfalls 25 Millisekunden nötig. In weiteren Schritten müsste die Stempeltechnik für größere Flächen und hohe Stückzahlen pro Stunde weiter entwickelt werden. Bis dahin ist es nicht unwahrscheinlich, dass auch Displays aus organischen Leuchtdioden weiterreifen und vor allem längere Lebensdauern erreichen werden. So ist es aus heutiger Sicht noch unklar, welche Technologie die Massenfertigung von großen, flexiblen und günstigen Monitoren in Zukunft beherrschen wird.

  

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • V. L. Colvin, M. C. Schlamp, A. P. Alivisatos: Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer. Nature 370, 354 (1994)
    doi: 10.1038/370354a0
  • K.-S. Cho et al.: High-performance crosslinked colloidal quantum-dot light- emitting diodes. Nat. Photon. 3, 341 (2009)
    doi: 10.1038/nphoton.2009.92
  • L. Kim et al.: Contact printing of quantum dot light-emitting devices. Nano Lett. 8, 4513 (2008)
    doi: 10.1021/nl8025218

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