Displays mit mehr Farbe und Kontrast

Auf OLED folgt QD-OLED

15. Dezember 2022, 9:00 Uhr | Von Dr. Michael Heckmeier, Merck
Merck
Evolution der Fernseh-Flachbildschirmtechniken: A) und C) basieren auf Flüssigkristallen (LC); B) und D) basieren auf organischen Leuchtdioden (OLED).
© Merck

Im Januar 2022 hat Samsung neue Bildschirme mit QD-OLED-Technik auf den Markt gebracht. QD-OLED vereint erstmals die Vorteile von Quantenpunkt-Materialien und OLED-Technik und erreicht so eine beispiellose Bildwiedergabequalität.

Der Markt für Fernsehgeräte wird seit jeher durch die Jagd nach ultimativer naturgetreuer Bildwiedergabe angetrieben. Dafür braucht es Bildschirme mit einem starken Kontrast, einer guten Farbsättigung und einem großen Helligkeits-Farbraum.

Kombination von Quantenpunkt-Materialien und OLED

Die neue Technik QD-OLED (Quantum Dots – Organic Light-Emitting Diode) setzt neue Maßstäbe in Bezug auf Farbe, Helligkeit und Kontrast. Sie erlaubt eine bisher noch nicht dagewesene Kombination von Kontrast und größtmöglichem Farbraum. Der Clou: Die roten und grünen Farbpixel enthalten Quantenpunkt-Materialien, die das blaue Licht der OLED-Hinterleuchtung in rotes bzw. grünes Licht umwandeln. Dabei entsteht sehr schmalbandiges Licht, mit dem sich ein bisher unerreichter Farbraum erzielen lässt (Darstellung D im Bild).

Dieser sogenannte Quantenpunkt-Farbkonverter stellt die grundlegend neue Komponente dieses Konzepts dar. Ermöglicht wurde diese Technik durch neue innovative Materialien und Prozesse, die unter anderem auch von Merck entwickelt wurden. Die Quantenpunkt-Tintenformulierungen von Merck gehören zu den effizientesten im Markt. Derzeit arbeiten die Forscher bei Merck an weiteren Verbesserungen in Bezug auf Skalierbarkeit und Massenproduktion.

Durchbruch in Farbe und Kontrast

Um QD-OLED besser zu verstehen, ist es hilfreich, einen Blick auf die unterschiedlichen Konzepte für Bildschirm-techniken in Hinblick auf Kontrast und Farbqualität zu werfen (Bild). In den letzten zehn Jahren wurden insbesondere der Farbraum und der Bildkontrast von Flachbildschirmen stark verbessert. Dies ermöglichten neue Materialien.

LCD: So konnten z. B. erst durch Flüssigkristall-Materialien von Merck die LCD-Fernsehgeräte ab den 1990er-Jahren ihren globalen Siegeszug antreten. Weit mehr als 70 Prozent der weltweit hergestellten Bildschirmfläche sind Flüssigkristall-Displays. Bei der LCD-Technik wird das weiße Licht der Hinterleuchtung mithilfe von Farbfiltern jeweils in rotes, grünes und blaues Licht gewandelt (Darstellung A im Bild). Die Farbraum-Wiedergabe des Bildschirms hängt dabei maßgeblich von der Filterqualität des Farbfilters ab und erreicht typischerweise 65 Prozent des Farbstandards REC2020. Der mit Flüssigkristall gefüllte und mit transparenten Elektroden versehene Pixel dient als eine Art Lichtschalter. Damit können einzelne Bildpunkte ein- bzw. ausgeschaltet und so ein Bild erzeugt werden. Der Bildkontrast wird beim LCD durch die Fähigkeit bestimmt, das helle Licht der Hintergrundbeleuchtung in jedem Pixel abzudunkeln. In der LCD-Technik liegen die Kontrastverhältnisse typischerweise je nach Technik zwischen 1000:1 und 4000:1.

OLED: Mit der Einführung der OLED-Technik für Bildschirme konnten in der Bilddarstellung weitaus größere Kontrastwerte von bis zu 100.000:1 erreicht werden. Der Grund hierfür: OLED-Fernsehgeräte benötigen keine Hinterleuchtung. Jedes Pixel stellt seine eigene Lichtquelle dar und kann komplett ausgeschaltet werden (Darstellung B im Bild). Das theoretisch unendliche Kontrastverhältnis wird in der Realität durch Streu- und Reflektionseffekte etwas reduziert. Die heutigen OLED-Fernsehgeräte bestehen aus einer pixilierten Hinterleuchtung mit weiß emittierenden OLED-Schichten. Die Wiedergabequalität des Farbraums wird zum einen durch die Emissionseigenschaften der organischen Materialien, zum anderen von der Qualität der Farbabsorption des weißen OLED-Lichts bestimmt. Die OLED-Fernsehgeräte erreichen dadurch in etwa 75 Prozent des möglichen REC2020-Farbraums.

QD-LCD: Die Lichterzeugung per LED im LCD ist gegenüber der OLED-Technik weit weniger komplex. Leider enthält das durch traditionelle LEDs erzeugte Lichtspektrum viele Spektralbereiche, die für die Erzeugung eines reinen Farbraums aus den Komponenten rot, grün, blau störend sind. Dem schaffen die im QD-LCD verwendeten Quantenpunkte Abhilfe (siehe Darstellung A im Vergleich zu C im Bild). Quantenpunkte bestehen aus nanometergroßen Partikeln, die die Farbe einfallenden Lichts verändern können. Sie werden zu einer Konverterfolie verarbeitet, die dann zwischen der LED-Hinterleuchtung und der LC-Schicht angebracht wird. Das Licht der LEDs wird von der Konverterfolie teilweise absorbiert und in grünes Licht umgewandelt. Durch die Mischung mit dem blau-roten Licht der LED aus der Hinterleuchtung entsteht weißes Licht mit sehr schmalbandigen roten, grünen und blauen Spektralbereichen. Der Vorteil: Je schmalbandiger diese Spektralbereiche sind, desto mehr Farben lassen sich im Display darstellen. Mit diesem Konzept wird ein Farbwiedergabewert von über 90 Prozent des REC2020-Standards erreicht. Bis zum Erscheinen der QD-OLED-Technik war dieses Farbraum-Volumen bei kommerziell erhältlichen Fernsehern einzigartig. Auch ist das Kontrastverhältnis besser als bei LCDs.

Nachhaltigkeitsaspekte in der Materialforschung

In allen Flachbildschirmkonzepten ermöglichen Materialinnovationen neuartige und/oder bessere Eigenschaften. Merck beispielsweise arbeitet daran, nicht nur energieeffizientere, sondern auch nachhaltigere Konzepte zu ermöglichen. Darum bewertet Merck bereits in der Forschung die verschiedenen Ansätze auf Nachhaltigkeit. Bei der Entscheidung, ob ein Produkt weiterentwickelt werden soll, spielen unter anderem Wasserverbrauch, CO2-Fußabdruck der gesamten Wertschöpfungskette sowie soziale Aspekte und die gesellschaftliche Bedeutung der Erfindung eine Rolle.

Deshalb hat sich Merck bereits sehr früh dazu entschlossen, auf die Verwendung von Cadmiumbasierten (Cd) Quantenpunkt-Materialien komplett zu verzichten, obwohl zu diesem Zeitpunkt nicht klar war, ob die Alternativen wettbewerbsfähig sein würden. Im Nachhinein hat sich dies ausgezahlt, da mittlerweile die Verwendung von Cadmium stark reglementiert wurde und Produkte mit dem alternativen Material Indiumphosphid (InP) stark gefragt sind.

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