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TV-Displays: Quantom Dots im Fokus

Von der Nanotechnologie können wir uns in Zukunft noch so manche Innovation erwarten. Eine wichtige sollte mit Quantum Dots im Bereich der TV-Displays liegen.

Quantenpunkte

© WEKA Media Publishing GmbH

Quantenkristalle, beispielsweise gelöst in Flüssigkeiten, leuchten in schmalen Frequenzbändern, wenn sie angeregt werden. Das kann auch elektrisch geschehen – schon hat man ein Display.

Schon jetzt sind die Quantum Dots der Nanokristalle in jedem TV-Gerät der Spitzenklasse enthalten, nur eben nicht als Basistechnologie, sondern als Helferlein zur Optimierung der Hintergrundbeleuchtung. Dort werden sie durch blaue LEDs angestrahlt und emittieren zusätzlich schmalbandiges rotes und gelbes Licht. Und je enger die Frequenzbänder der Grundfarben sind, desto bunter können ihre Mischfarben, also das TV-Bild, werden. Diese superbunten Farben der Wide-Color-Gamut-Panels (WCG, erweiterter Farbraum) braucht man für die neuen TV-Normen, die mit Ultra- HD HDR (High Dynamic Range) daherkommen.

Quantenpunkte

Aber was sind Quantum Dots überhaupt? Es sind Nanokristalle, die so klein sind, dass sie quantenmechanische Vorgänge auslösen, sprich: Licht emittieren. Dabei ist die Frequenz (Farbe) des Lichtes weniger vom Aufbau der Moleküle abhängig als von deren Größe. So erzeugen 2 Nanometer kleine QDs blaues Licht, 7-Nanometer- QDs bringen rotes hervor. Die Frequenz kann durch den Herstellungsprozess exakt vorgegeben werden. Interessant wird es bei der Art der Anregung. Die Nanokristalle, die TECHNIK EXTREM wir in den Backlights von LCD-Fernsehern finden, werden durch Licht angeregt und strahlen wiederum Licht ab - jedoch in anderen Frequenzen.

Stellt sich die Frage, ob man nicht direkt die auf jeder LCD-Zelle nötigen Farbfilter durch Quantum Dots ersetzen könnte, die ja erheblich effizienter arbeiten. Klassische Filter dämpfen ungewünschte Farbfrequenzen ab beziehungsweise wandeln deren Energie in Wärme um. Quantum Dots erzeugen aus falschen Lichtfrequenzen sogar noch zusätzlich die Zielfarbe daher mit deutlich weniger Verlusten. Die Idee ist so einfach, dass jeder darauf kommen musste und die Realisierung wohl daran scheitert, dass man das Nanokristall-Material einfach nicht so preiswert auf LCD-Pixel drucken kann wie klassische Farbfilter. Und wenn man sich an die Arten der Ansteuerung erinnert, ist ein anderer Einsatz noch viel verführerischer.

QD-LED-Panels

Quantum Dots sind ebenso Halbleiter, die anstelle von Licht auch direkt elektrisch angeregt werden können. Legt man eine Spannung an, leuchten sie. Dann spart man sich die ganze Flüssigkristallgeschichte mit Polarisationsfiltern und den vielen Nachteilen der LCD-Technik, denn die QD-Bildpunkte leuchten von selbst in allen Intensitäten. Prinzipiell sind solche QDPanels im Aufbau (Bild rechte Seite) den OLED-RGB-Displays äußerst ähnlich, nur halt nicht organisch (auf Kohlenstoff basierend). Und weil es sich um Halbleiter handelt, die als Diode fungieren, wird man Displays mit der Technik "QDLED" oder "QLED" (LED= Licht emmitierende Diode) nennen.

OLED-Panel

© WEKA Meida Publishing GmbH

Der Prototyp eines Quantum- Dot-Panels aus dem Jahre 2010. Das vier Zoll große Display besaß nur 320 x 240 Pixel und leuchtete mit 100 Nits. Dabei war der Füllfaktor (unten) noch nicht sonderlich hoch. Für Tests der Lebensdauer wurde es mit über 1000 Nits betrieben. Die beste Effizienz erzielten rote Subpixel, die mit bis zu 15.000 Nits erstrahlten.

Diese Entwicklung hätte sich Prof. Louis Brus, der 1982 in den Labors von Bell die ersten Quantum Dots erschuf, nicht träumen lassen. Er forschte eigentlich an kleineren Transistorstrukturen und war überrascht über die praktischen Anwendungen, die über die Jahre folgten.

Hype oder Revolution?

Den Stein des Anstoßes zur Diskussion über QLED-Panels hat jüngst Samsung ins Rollen gebracht, als ein Artikel auf etnews hochrangige Manager zitierte, man habe die Produzierbarkeit von OLED untersucht und als nicht lohnend beurteilt - aufgrund der Alterung organischer Materialien, schwieriger Fertigungsprozesse und anderer Unwegsamkeiten. Samsung will zeitnah eine mittelfristige Strategie entwickeln, wie man OLED überspringt und sofort in QLED-Panel investieren kann. Man würde 2 bis 3 Jahre auf LCD-TVs mit Quantum Dot-optimierten Backlights setzen und dann wahrscheinlich 2019 QLED-Panels und passende TVGeräte verkaufsbereit haben. Auf den ersten Blick ein extrem ambitionierter Plan, doch mit der Information, dass Samsung seit 2001 Grundlagenforschung im QD-Sektor betreibt, aus der bereits über 150 Patente hervorgegangen sind, und dass man jetzt schon selbst entwickelte Materialien in den Quantum Dot LCD-TVs einsetzt, die frei von Cadmium und dennoch deutlich effizienter als Konkurrenzprodukte sind, könnte in den großen Plänen mehr als ein Funken Hoffnung stecken.

Theoretisch wären QLED-Panels durch ihre Farbreinheit, Lebensdauer und Lichtstärke sogar den OLEDs überlegen, doch die Wahrheit wird wie immer in praktischen Problemen liegen. So könnten auch OLEDs noch besser sein, müssten sie nicht ein weißes Pixel zusätzlich zu RGB besitzen, um heller zu werden und die Fertigung zu vereinfachen. Auch der QLED-Entwicklung könnten noch unabsehbare Stolpersteine im Weg stehen. So basieren Samsungs cadmiumfreie Nanokristalle auf Indium, einem Element, das ähnlich selten ist wie Silber, jedoch schon in Flachbildschirmen eingesetzt wird. Das hört sich nicht gerade billig an. Wenn man jedoch die Konsequenz sieht, mit der Samsung in den letzten Jahren Innovationen vorangetrieben hat, ist eine QLED-Revolution nicht auszuschließen und die Pressemeldung mehr als nur eine Trotzreaktion auf LGs aktuelle OLEDTVs. Immerhin stellten bereits 2010 Samsung-Forscher ein echtes QD-Panel vor.

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