Eine mit mehreren Lagen Halbleiter-Nanoplättchen beschichtete Glasscheibe beginnt im UV-Licht, blau zu leuchten.

Bild: Jakub Jagielski, ETH Zürich

QLED-Technologie Sparsame Bildschirme durch Nanoplättchen

22.01.2020

QLED-Bildschirme sind für ihre intensiven Farben bekannt. Allerdings sind die Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLEDs) so gestaltet, dass nur ein Bruchteil des Lichts den Betrachter erreicht. Einem Forschungsteam von der ETH Zürich ist es gelungen, diese Streuverluste mit Nanoplättchen zu reduzieren, die den Großteil des Lichts in nur eine Richtung ausstrahlen.

Konventionelle QLEDs bestehen aus einer Vielzahl von kugelförmigen Halbleiter-Nanokristallen, die auch Quantenpunkte genannt werden. In einem Bildschirm werden diese Nanokristalle von hinten mit UV-Licht angeregt. Die Kristalle wandeln dieses in farbiges Licht im sichtbaren Bereich um. Je nach Materialzusammensetzung des Nanokristalls entsteht eine andere Farbe.

Allerdings streuen diese kugelförmigen Nanokristalle das erzeugte Licht im Inneren des Bildschirms auf alle Seiten. Nur rund ein Fünftel tritt aus und ist für den Betrachter sichtbar.

Um die Energieeffizienz der Technologie zu erhöhen, versuchen Wissenschaftler seit Jahren, Nanokristalle zu entwickeln, die Licht nur in eine Richtung – nach vorne, zum Betrachter hin – abgeben. Die ersten solcher Lichtquellen existieren auch bereits. Sie bestehen nicht aus kugelförmigen Kristallen, sondern aus ultradünnen Nanoplättchen. Sie emittierten Licht nur in eine Richtung: rechtwinklig zur Plättchenebene.

Werden diese Nanoplättchen nebeneinander in einer Schicht angeordnet, erzeugen sie ein verhältnismäßig schwaches Licht, das für Bildschirme nicht ausreicht. Um die Lichtintensität zu erhöhen, verfolgen Wissenschaftler den Ansatz, mehrere Schichten solcher Plättchen übereinander zu legen. Dabei beginnen die Plättchen jedoch, miteinander zu wechselwirken, und das Licht wird wiederum nicht nur in eine Richtung, sondern auf alle Seiten ausgesandt.

Gestapelt und voneinander isoliert

Die Forschenden unter der Leitung von Chih-Jen Shih, Professor für technische Chemie an der ETH Zürich, haben nun extrem dünne Halbleiterplättchen (2,4 nm) so gestapelt, dass sie durch eine noch dünnere (0,65 nm) Isolierschicht aus organischen Molekülen voneinander getrennt sind. Diese Schicht unterbindet quantenphysikalische Wechselwirkungen, wodurch die Plättchen auch in gestapelter Anordnung Licht überwiegend in nur eine Richtung emittieren.

„Je mehr Plättchen wir übereinander stapeln, desto intensiver wird dabei das Licht. Wir können so die Lichtintensität beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren“, sagt Jakub Jagielski, Doktorand in Shihs Gruppe und Erstautor der in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichen Fachpublikation. Die Wissenschaftler haben damit zum ersten Mal ein Material hergestellt, das Licht in hoher Intensität in nur eine Richtung emittiert.

Sehr energieeffizientes blaues Licht

Die Forschenden konnten damit Lichtquellen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht herstellen. Die rote Farbkomponente, die für Bildschirme ebenfalls nötig ist, lässt sich laut den Wissenschaftlern mit der neuen Technologie derzeit noch nicht realisieren.

Für das neu geschaffene blaue Licht gilt: Statt einem Fünftel des erzeugten Lichts wie bei der herkömmlichen QLED-Technologie erreichen nun rund zwei Fünftel davon das Auge des Betrachters. „Das heißt, um Licht mit einer bestimmten Intensität zu erzeugen, benötigen wir mit unserer Technologie im Vergleich zur herkömmlichen QLED-Technologie nur halb so viel Energie“, sagt ETH-Professor Shih.

Bei anderen Farben ist der Effizienzgewinn derzeit allerdings noch kleiner. Die Wissenschaftler versuchen daher in weiterer Forschungsarbeit, diesen auch dort zu erhöhen.

Weiterer Vorteil in der Herstellung

Im Vergleich zu herkömmlichen LEDs hat die neue Technologie einen weiteren Vorteil, wie die Wissenschaftler betonen: Die gestapelten QLEDs sind sehr einfach in einem einzigen Schritt herzustellen. Bei herkömmlichen LEDs ist es ebenfalls möglich, die Intensität zu erhöhen, indem mehrere Licht emittierende Schichten übereinander angeordnet werden. Deren Herstellung erfolgt allerdings Schicht für Schicht und ist entsprechend aufwendiger.

Bildergalerie

  • Eine elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die nebeneinander und übereinander angeordneten Nanoplättchen (hell) mit dazwischenliegender isolierender Quantenbarriere (dunkel) im Querschnitt.

    Bild: Jakub Jagielski, ETH Zürich

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