Prächtige Farben durch umweltfreundliche Kristalle

Forschung Kompakt / 1.10.2015

Quantum Dots haben für einen Qualitätssprung bei der Farbwiedergabe in LC-Displays gesorgt. Diese cadmiumbasierten Nanokristalle entpuppten sich allerdings als umweltschädlich. Fraunhofer-Forscher arbeiten gemeinsam mit einem Industriepartner an einer vielversprechenden Alternative: Quantum Dots aus Indiumphosphid.

Quantenpunkte hohe Brillanz bei Fragen
© Foto Fraunhofer IAP

Quantenpunkte ermöglichen es, jede beliebige Farbe in sehr hoher Brillanz erzustellen.,

Die Landschaft ist atemberaubend. Für einen Moment vergisst man, dass der Adler, der am Himmel seine Kreise zieht, nicht direkt vor dem eigenen Fenster vorbeifliegt – so real erscheint das Bild im Fernseher. Die täuschend echten Eindrücke liegen nicht nur an der hohen Auflösung moderner Geräte. Auch Farben spielen eine Rolle; sie werden immer brillanter und satter. Dies bewirken winzige Kristalle, die nur wenige Atome dick sind: Quantum Dots (QD). Diese Nanoteilchen sorgen in der Hinterleuchtungseinheit eines LC-Displays mit QD-Technik nicht nur für ein Feuerwerk der Farben, sondern haben noch eine andere herausragende Eigenschaft: »Ein großer Vorteil der Quantum Dots besteht darin, dass sich ihre optischen Eigenschaften gezielt modifizieren lassen, indem man ihre Größe variiert«, erklärt Dr. Armin Wedel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam. »Man muss also für die einzelnen Farben Blau, Grün und Rot nicht mehr drei verschiedene Materialien herstellen, sondern kann mit einem einzigen Ausgangsmaterial arbeiten«. Das spart Zeit und Kosten.

Die Potsdamer Forscherinnen und Forscher entwickeln seit einigen Jahren solche Quantum Dots für Kunden aus unterschiedlichen Branchen. Für jede Anwendung stellen sie die Nanoteilchen durch chemische Synthese maßgeschneidert her. Dabei entstehen zunächst sehr kleine Teilchen, welche blaues Licht aussenden. Ab einer Größe von etwa zwei Nanometer ändert sich die Farbe zu grün. Die mit sieben Nanometer größten Quantenpunkte emittieren im roten Spektralbereich. Aktuell entwickeln Wedel und sein Team für das niederländische Unternehmen NDF Special Light Products B.V. Quantum Dots für die Display-Hinterleuchtung. Sie sollen die Farbwiedergabe der Displays verbessern und die Farben naturgetreuer darstellen. Dazu werden Kristalle für verschiedene Emissionsfarben hergestellt und in Kunststoffe eingebracht. Diese Kunststoffe werden anschließend zu Folien verarbeitet und als Konvertierungsfilm in das Display eingebaut.

Ersatz aus Indiumphosphid

Bei dieser Aufgabe stehen die Forscher vor einer neuen Herausforderung: Die EU-Kommission diskutiert derzeit über ein Verbot des umweltschädlichen Cadmiums in Konsumgütern bis 2017. Bislang galt es als ideales Ausgangsmaterial für die Herstellung der Kristalle: Cadmiumbasierte Quantum Dots erreichen eine schmalbandige Spektrumsschärfe von nur 20 bis 25 Nanometer. Weltweit suchen Displayhersteller nun nach geeigneten Materialien mit ähnlichen Eigenschaften. Am IAP ist man hier auf einem vielversprechenden Weg: »Wir erproben in Kooperation mit NDF Special Light Products Quantum Dots auf Basis von Indiumphosphid«, so Wedel. Dabei erreichen die Potsdamer immerhin schon eine Spektralschärfe von 40 Nanometer. Das erscheint auf den ersten Blick nicht weit entfernt von der Qualität, die man mit cadmiumbasierten Quantum Dots erzielt, macht sich jedoch bei der Farbtreue noch bemerkbar. »Wir sehen das als ersten Meilenstein, arbeiten aber an einer weiteren Verbesserung«, so Wedel.

Die Mühe dürfte sich lohnen: Nicht nur bei Fernsehdisplayherstellern sind die kleinen Farbwunder begehrt. Auch für Sonderanwendungen, etwa Displays für die Medizintechnik oder die Luftfahrt, gibt es ein großes Marktpotenzial. Des Weiteren könnten Quantum Dots auch den Wirkungsgrad von Solarzellen steigern oder in der Bioanalytik eingesetzt werden. Für solche Spezialanwendungen müssen die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte genau an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. »Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung bei der Herstellung kundenspezifischer Quantum Dots sind wir dafür gut gerüstet«, resümiert Wedel.