Grünes Licht für schönere Displays

Chih-Jen Shih ist richtig zufrieden. Ihm ist ein Durchbruch gelungen. ?Ein so reines gr¨¹nes Licht wie wir kann zurzeit niemand sonst erzeugen?, sagt der Professor f¨¹r Technische Chemie in seinem Labor auf dem ±Ø²©¹ÙÍø,±Ø²©ÌåÓý H?nggerberg. Dabei zeigt er auf eine ultrad¨¹nne, biegbare Leuchtdiode (LED). Tats?chlich zeigte diese in einem feinen, hellen Gr¨¹nton die drei Lettern ?ETH? an.

Bedeutsam wird Shihs Entwicklung besonders im Hinblick auf die n?chste Generation von ultrahochaufgel?sten Displays, wie sie namentlich f¨¹r Fernseher und Smartphones gebraucht werden: Damit die Bildschirme in naher Zukunft noch klarere, sch?rfere, detailreichere und farblich fein abgestufte Bilder anzeigen k?nnen, m¨¹ssen die entsprechenden elektronischen Ger?te zuerst einmal ultrareines Rot, Blau und Gr¨¹n erzeugen k?nnen. F¨¹r Rot und Blau ist das heute weitgehend m?glich. Beim Gr¨¹n hingegen stiess die Technik bisher an Grenzen.

Das hat vor allem mit der menschlichen Wahrnehmung zu tun: Das Auge unterscheidet bei Gr¨¹n mehr Zwischenstufen als bei Rot und Blau. ?Das macht die technische Erzeugung von ultrareinem Gr¨¹n sehr anspruchsvoll und fordert uns in der Technologie- und in der Materialentwicklung?, sagt Sudhir Kumar, der Erstautor der entsprechenden Publikation.

Zu 99 Prozent ultrareines Gr¨¹n

Wie weit Shih und sein Team mit ihrem ultrareinen Gr¨¹n die T¨¹r f¨¹r eine n?chste Generation von Displays aufgestossen haben, offenbart der Blick auf den geltenden internationalen Standard ?Rec.2020?: Dieser definiert weltweit die technischen Anforderungen an ultrahochaufgel?ste Bildschirme (kurz: ?Ultra HD?) und stellt damit auch einen Rahmen f¨¹r die weitere Forschung und Entwicklung dar. Zu den Anforderungen geh?rt auch eine deutliche und f¨¹rs blosse Auge ersichtliche Verbesserung der Farbqualit?t. Dazu sieht der Standard vor, die Farbskala, die ein Bildschirm widergeben kann, und damit die Zahl der farblichen Abstufungen zu erweitern.

Ultrareines Gr¨¹n spielt zur Erweiterung des Farbbereichs, des sog. Gamuts, eine Schl¨¹sselrolle. Schliesslich entstehen die neuen Farbt?ne, indem man die drei Grundfarben Rot, Blau und Gr¨¹n technisch miteinander mischt. Je reiner die Grundfarben ausfallen, umso weiter wird der F?cher der Farbt?ne, die ein Bildschirm anzeigen kann. Shihs neue LED deckt 97 bis 99 Prozent des ?Rec. 2020?-Standards ab. Zum Vergleich: die farblich reinsten TV-Bildschirme, die heute auf dem Markt erh?ltlich sind, erreichen den Wert f¨¹r ultrareines Gr¨¹n zu 73,11 bis 77,72 Prozent. ?ber 80 Prozent kommt keiner.

Kosteng¨¹nstig produzierbare LED-Technologie

Dieses Ergebnis, an dem auch Wendelin Stark, ETH-Professor f¨¹r Funktionelles Material-Engineering, sowie Forschende aus S¨¹dkorea und Taiwan mitwirkten, ist in der aktuellen September-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift ?Nano Letters? erschienen. Dabei bezieht sich Shihs Durchbruch nicht allein auf das Ergebnis, sondern auch auf das verwendete Material und auf das Verfahren: Tats?chlich haben Shih und seine Mitarbeiter eine ultrad¨¹nne und biegbare Leuchtdiode entwickelt, die sich mit einfachen Prozessen bei Raumtemperatur herstellen l?sst und dabei reines gr¨¹nes Licht aussendet.

Das sei der zweite, mindestens so wichtige Aspekt seines Durchbruchs, sagt Shih. Bisher waren n?mlich Hochtemperaturprozesse n?tig, wenn man reines Licht mit der LED-Technologie erzeugen wollte. ?Indem wir den gesamten Prozess bei Raumtemperatur umsetzen k?nnen, ebnen wir einen Weg, wie die Industrie in Zukunft ultragr¨¹ne Leuchtdioden einfach und kosteng¨¹nstig herstellen kann?, sagt Jakub Jagielski, ebenfalls Erstautor des Artikels in den ?Nano Letters?.

Im konkreten Fall haben Shih und sein Team Nanomaterialien verwendet, um die LED-Technologie weiterzuentwickeln: Leuchtdioden enthalten in der Regel einen Halbleiterkristall, der, wenn man elektrischen Strom zuschaltet, einen Teil der Elektrizit?t in Licht umwandelt und dieses ausstrahlt. Als Ausgangsmaterial wird daf¨¹r meistens Indiumgalliumnitrid (InGaN) verwendet. Dieses Material hat jedoch nicht die besten Eigenschaften, um wirklich hochreines gr¨¹nes Licht zu erzeugen.

Aus diesem Grund setzte Sihs Team auf Perowskit. Dieses Mineral wird auch zur Herstellung von Solarzellen eingesetzt und kann Elektrizit?t vergleichsweise effizient in Licht umwandeln. Ausserdem ist es kosteng¨¹nstig und tr?gt dazu bei, dass der Herstellungsprozess einfach und schnell funktioniert ¨C nach nur einer halben Stunde sei Perowskit chemisch gereinigt und einsatzbereit, sagt Shih.

Winzigste 4,8 Nanometer d¨¹nn ist das Perowskit-Material in Shihs Leuchtdiode. Das ist ein wichtiger Faktor, denn die Farbqualit?t h?ngt mit der Dicke und Form des verwendeten Nanokristalls zusammen. Vereinfacht gesagt, heisst das: die Kristalle sollten weder dicker noch d¨¹nner sein, um genau das erw¨¹nschte reine Gr¨¹n zu erzielen.

Diese flexiblen, ultrad¨¹nnen Leuchtdioden sind so biegbar wie ein Blatt Papier. Deshalb liessen sie sich kosteng¨¹nstig und schnell mit bestehenden Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder im Tintenstrahldruck herstellen, sagt Shih und erg?nzt, mit Blick auf eine k¨¹nftige industrielle Produktion sei das von Vorteil.

N?chster Schritt: Effizienz steigern

Bis zu einer ersten industriellen Anwendung der ultragr¨¹nen Leuchtdiode wird es trotz allem noch eine Weile dauern. In einem n?chsten Schritt muss Shih zuerst die Effizienz seiner Leuchtdiode steigern. Heute erzielt sein LED bei der Umwandlung von Elektrizit?t zu Licht eine Effizienz von 3 Prozent. Zum Vergleich: TV-Bildschirme, die heute schon auf dem Markt sind, erreichen eine Effizienz von 5 bis 10 Prozent. In der n?chsten Version seiner Leuchtdiode will Shih deshalb eine Effizienz von 6 bis 7 Prozent erzielen. Weiteres Steigerungspotenzial sieht Shih auch bei der Lebensdauer seiner Leuchtdiode: Heute leuchtet sie ¨¹ber zwei Stunden lang. Marktg?ngige Bildschirme sollten aber jahrelang funktionieren. Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet.