Bild 4: Die ummantelten Quantum Dots sind ähnlich wie andere Leuchtstoffe pulverartig. (Bild: Osram)
Die Quantum-Dot-Technologie kommt bereits in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz – etwa bei Displays oder als Sicherheitsmerkmal auf Banknoten. Die Idee, Quantum Dots auch für LED-Technologie zu nutzen, kam bereits in den frühen 1990er-Jahren auf. Allerdings gelang es lange Zeit nicht, die winzigen Halbleiterteilchen für diesen Anwendungsbereich nutzbar zu machen – denn innerhalb einer LED im Betrieb herrschen durchaus harte Überlebensbedingungen für die Nanopartikel: extreme Hitze und Kälte, hohe Stromdichten und Wechselwirkungen mit Umgebungsmaterialien. Erst vor kurzem hat es intensive Forschungsarbeit ermöglicht, die Teilchen so einzukapseln, dass sie ihre Eigenschaften, Licht zu konvertieren und anschließend zu emittieren, behalten, dabei aber gleichzeitig die extremen Betriebsbedingungen in einer LED überstehen.
Vielseitige Nanopartikel mit Schutzmantel
Bild 1: Kleinste Quantum Dots (~2 nm) leuchten blau, mittelgroße (~3 nm) grün und größere gelb (~4-5 nm). beziehungsweise rot (~6-7 nm). Osram
Quantum Dots (QDs) sind nur wenige Nanometer große Halbleiterteilchen. Einige von ihnen haben einen Durchmesser von nur 10 Atomen – das ist etwa 10.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Eine Eigenschaft von Quantum Dots ist, dass sich die Farbe, die sie bei Lichtkontakt emittieren, abhängig von ihrer Größe und ihrem Ausgangsmaterial verändert. Kleinste Quantum Dots (~2 nm) leuchten blau, mittelgroße (~3 nm) grün und größere gelb (~4-5 nm) beziehungsweise rot (~6-7 nm) (Bild 1). Quantum Dots können fluoreszieren und Licht (Photonen) in andere Farben (Wellenlängen) umwandeln, aber auch selbst Licht ausstrahlen.
Eck-Daten
Quantum Dots als Schmalband-Emitter bieten einige Vorteile. Die sehr geringe Größe der Partikel macht ihren Einsatz vor allem für Anwendungsbereiche interessant, in denen es um winzig kleine Bauteile geht. Das schmale Spektrum erhöht die Effizienz bei Rot um bis zu 25 Prozent während Phosphore (CRI 90 warmweiß) gezielt durch QDs ergänzt werden. Die Emissionen sind innerhalb ± 1 nm über das sichtbare Spektrum einstellbar und sie verfügen über stark absorbierende Eigenschaften bei Wellenlängen < 475 nm. Außerdem haben Quantum Dots eine sehr geringe Selbstabsorption.
Bild 2: Dr. Juanita Kurtin leitet die Materialforschung von Osram Opto Semiconductors in Portland. Osram
Da die Form von Quantum Dots ihr Verhalten beeinflusst, ist es das Ziel von Forschern im Halbleiter-Bereich, einheitliche Größen herzustellen, um eine möglichst schmalbandige Licht-Emission zu erreichen. Um dies zu bewirken und auch die Widerstandsfähigkeit der Nanopartikel so zu steigern, dass sie den hohen Belastungen im Inneren einer LED standhalten können, ist eine Art Schutzhülle für die Partikel nötig. Dafür kommt eine speziell entwickelte Ummantelungstechnik zum Einsatz. Die Quantum Dots werden dabei so eingekapselt, dass sie vor Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen geschützt sind. Dank der dazugewonnenen Stabilität können sie den harten Bedingungen des On-Chip-Betriebs (Bild 3) innerhalb der LED zuverlässig standhalten und behalten trotzdem ihre einzigartigen Eigenschaften. Die finale Form der ummantelten Quantum Dots ist pulverartig (Bild 4), ähnlich wie Phosphore (Leuchtstoffe). Im Hinblick auf die LED-Fertigung ist dies ein wesentlicher Vorteil, denn so lassen sich die einzelnen Fertigungsschritte beibehalten. Lediglich der Schritt, in dem der Leuchtstoff aufgebracht wird, ändert sich minimal – und zwar nur insofern, als dass nun QDs statt der bisherigen Leuchtstoffe zum Einsatz kommen.
Potenzial für LED-Technologie
In der LED-Beleuchtung ermöglichen Quantum Dots neue Anwendungen und können die Produktionskosten erheblich senken. Breit emittierende, sperrige Leuchtstoffe lassen sich durch Partikel mit Nanogröße ersetzen, was eine höhere Effizienz und bessere Farbe für Beleuchtung und Displays bedeutet. Mit ihren schmalbandigen Emissionsspektren können Quantum Dots die Lichtqualität präzise einstellen und die Umwandlungseffizienz verbessern.
Bild 3: Mit der Osconiq S 3030 QD war Osram Opto Semiconductors das erste Unternehmen, das Quantum-Dot-Technologie im On-Chip-Betrieb für LED-Licht nutzen konnte. Osram
Licht, das durch Quantum Dots geschickt wird, verändert seine Farbe ohne nennenswerte Energieverluste. Gleichzeitig steigt die Intensität der Farbwiedergabe. Wenn Quantum Dots herkömmliche Leuchtstoffe ersetzen, erhöhen sie die Effizienz aufgrund der spektralen Reinheit deutlich. Neben den beschriebenen Optimierungsmöglichkeiten bei klassischer LED-Beleuchtung können Quantum Dots auch in einer Vielzahl anderer Anwendungsbereiche Vorteile gegenüber bisher hierfür eingesetzten Leuchtstoffen bieten.
Verbesserte LED-Anwendungen
Erste Hersteller verwenden Quantum Dots bereits in QLED-Bildschirmen. Bisher kamen die Nanopartikel in der Regel als zusätzliche Schicht vor einem herkömmlichen LCD-Bildschirm zum Einsatz, um Farben zu filtern. Dies ermöglicht sehr leuchtstarke Rot- und Grüntöne sowie eine gute Farbtrennung. Fernsehbildschirme, die rote und grüne Quantum Dots in der LED nutzen, anstatt als Zwischenschicht vor herkömmlichem weißen LED-Licht angebracht zu sein, haben hohes Potenzial. Displays wie diese könnten den gewünschten Farbumfang liefern, jedoch zu viel geringeren Kosten, da keine zusätzlichen Komponenten nötig sind.
Bild 4: Die ummantelten Quantum Dots sind ähnlich wie andere Leuchtstoffe pulverartig. Osram
Human Centric Lighting (HCL) hingegen widmet sich der Verbesserung des Wohlbefindens und der Leistungssteigerung und soll Menschen in ihrem Lebens-, Freizeit- und Arbeitsumfeld optimale Bedingungen bieten. Wer beispielsweise am Morgen Licht mit mehr Blauanteil im Spektrum nutzt, fühlt sich wacher. An das Abendlicht angelehnte Beleuchtung mit mehr Rotanteil sorgt für Entspannung. Der Vorteil von LEDs, die Quantum Dots für die Farbkonversion verwenden, besteht darin, dass sie eine Beleuchtung mit exakt gewünschter Farbe, Farbtemperatur, spektraler Leistung und Helligkeit liefern können. Das erleichtert die subtile Anpassung der LEDs mit den passenden Blau- und Rotspektren.
Auch künftige Entwicklungen im Bereich der µLEDs wie Displays für Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen können aufgrund ihrer sehr kompakten Abmessungen nicht auf herkömmliche Leuchtstoffkonverter zurückgreifen. Diese Leuchtstoffe sind in der Regel größer als eine ganze µLED. Auch hier könnten Quantum Dots eine Alternative sein. Die Nanopartikel sind eines der wenigen Materialien, die in einem µLED-Szenario als Konverter fungieren könnten. Hat dieser Ansatz Erfolg, sind künftig Pixelgrößen möglich, die erheblich kleiner sind als bei den derzeit auf dem Markt erhältlichen Lösungen.
Weitere Möglichkeiten bieten sich auch bei der Spektroskopie: So kann der Anwender mit der Scan-Funktion seines Smartphones zum Beispiel herausfinden, welche Lebensmittel besonders frisch sind. Es gibt bereits heute Geräte und Smartphone-Apps auf dem Markt, die Infrarotspektroskopie nutzen, um solche Aufgaben auszuführen. Sie identifizieren einzelne Verbindungen wie Fett, Zucker, Wasser und Proteine in Lebensmitteln, was wiederum Rückschlüsse auf Kaloriengehalt, Frische und Qualität möglich macht. Dies hilft den Verbrauchern, bessere Entscheidungen für Gesundheit und Fitness zu treffen. Quantum Dots können dieselbe Funktionalität wie die bisher hierfür eingesetzten Leuchtstoffe bieten, jedoch mit höherer Effizienz und geringerer Leistung. Dies könnte nicht nur die Anzahl von Spektroskopie-Anwendungen insgesamt steigern, sondern auch die Qualität der Messwerte stark nach oben schrauben.
(aok)
