Grünes Licht für schönere Displays

Chih-Jen Shih ist richtig zufrieden. Ihm ist ein Durchbruch gelungen. «Ein so reines grünes Licht wie wir kann zurzeit niemand sonst erzeugen», sagt der Professor für Technische Chemie in seinem Labor auf dem Campus Hönggerberg. Dabei zeigt er auf eine ultradünne, biegbare Leuchtdiode (LED). Tatsächlich zeigte diese in einem feinen, hellen Grünton die drei Lettern «ETH» an.

Bedeutsam wird Shihs Entwicklung besonders im Hinblick auf die nächste Generation von ultrahochaufgelösten Displays, wie sie namentlich für Fernseher und Smartphones gebraucht werden: Damit die Bildschirme in naher Zukunft noch klarere, schärfere, detailreichere und farblich fein abgestufte Bilder anzeigen können, müssen die entsprechenden elektronischen Geräte zuerst einmal ultrareines Rot, Blau und Grün erzeugen können. Für Rot und Blau ist das heute weitgehend möglich. Beim Grün hingegen stiess die Technik bisher an Grenzen.

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

Zu 99 Prozent ultrareines Grün

Wie weit Shih und sein Team mit ihrem ultrareinen Grün die Tür für eine nächste Generation von Displays aufgestossen haben, offenbart der Blick auf den geltenden internationalen Standard «Rec.2020»: Dieser definiert weltweit die technischen Anforderungen an ultrahochaufgelöste Bildschirme (kurz: «Ultra HD») und stellt damit auch einen Rahmen für die weitere Forschung und Entwicklung dar. Zu den Anforderungen gehört auch eine deutliche und fürs blosse Auge ersichtliche Verbesserung der Farbqualität. Dazu sieht der Standard vor, die Farbskala, die ein Bildschirm widergeben kann, und damit die Zahl der farblichen Abstufungen zu erweitern.

Ultrareines Grün spielt zur Erweiterung des Farbbereichs, des sog. Gamuts, eine Schlüsselrolle. Schliesslich entstehen die neuen Farbtöne, indem man die drei Grundfarben Rot, Blau und Grün technisch miteinander mischt. Je reiner die Grundfarben ausfallen, umso weiter wird der Fächer der Farbtöne, 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 erhältlich sind, erreichen den Wert für ultrareines Grün zu 73,11 bis 77,72 Prozent. Über 80 Prozent kommt keiner.

Kostengünstig produzierbare LED-Technologie

Dieses Ergebnis, an dem auch Wendelin Stark, ETH-Professor für Funktionelles Material-Engineering, sowie Forschende aus Südkorea 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: Tatsächlich haben Shih und seine Mitarbeiter eine ultradünne und biegbare Leuchtdiode entwickelt, die sich mit einfachen Prozessen bei Raumtemperatur herstellen lässt und dabei reines grünes Licht aussendet.

Das sei der zweite, mindestens so wichtige Aspekt seines Durchbruchs, sagt Shih. Bisher waren nämlich Hochtemperaturprozesse nötig, wenn man reines Licht mit der LED-Technologie erzeugen wollte. «Indem wir den gesamten Prozess bei Raumtemperatur umsetzen können, ebnen wir einen Weg, wie die Industrie in Zukunft ultragrüne Leuchtdioden einfach und kostengünstig 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 Elektrizität in Licht umwandelt und dieses ausstrahlt. Als Ausgangsmaterial wird dafür meistens Indiumgalliumnitrid (InGaN) verwendet. Dieses Material hat jedoch nicht die besten Eigenschaften, um wirklich hochreines grünes Licht zu erzeugen.

Aus diesem Grund setzte Sihs Team auf Perowskit. Dieses Mineral wird auch zur Herstellung von Solarzellen eingesetzt und kann Elektrizität vergleichsweise effizient in Licht umwandeln. Ausserdem ist es kostengünstig und trägt dazu bei, dass der Herstellungsprozess einfach und schnell funktioniert – nach nur einer halben Stunde sei Perowskit chemisch gereinigt und einsatzbereit, sagt Shih.

Winzigste 4,8 Nanometer dünn ist das Perowskit-Material in Shihs Leuchtdiode. Das ist ein wichtiger Faktor, denn die Farbqualität hängt mit der Dicke und Form des verwendeten Nanokristalls zusammen. Vereinfacht gesagt, heisst das: die Kristalle sollten weder dicker noch dünner sein, um genau das erwünschte reine Grün zu erzielen.

Diese flexiblen, ultradünnen Leuchtdioden sind so biegbar wie ein Blatt Papier. Deshalb liessen sie sich kostengünstig und schnell mit bestehenden Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder im Tintenstrahldruck herstellen, sagt Shih und ergänzt, mit Blick auf eine künftige industrielle Produktion sei das von Vorteil.

Nächster Schritt: Effizienz steigern

Bis zu einer ersten industriellen Anwendung der ultragrünen Leuchtdiode wird es trotz allem noch eine Weile dauern. In einem nächsten Schritt muss Shih zuerst die Effizienz seiner Leuchtdiode steigern. Heute erzielt sein LED bei der Umwandlung von Elektrizität 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 nächsten 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 über zwei Stunden lang. Marktgängige Bildschirme sollten aber jahrelang funktionieren. Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet.