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Quantum Dots in der LED-Beleuchtung

Effizienzlücke geschlossen

19. September 2019, 13:30 Uhr | Markus Haller

Quantendots werden als effizientere Lichtkonverter für LEDs gehandelt. Osram hat ein erstes Produkt zur Serienreife gebracht.

Quanten Dots sind in der Allgemeinbeleuchtung angekommen. Als Lichtkonverter in LEDs erhöhen sie die Farbqualität und schließen die Effizienzlücke zwischen CRI80 und CRI90.

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In TV-Spitzenmodellen werden Quantum Dots bereits eingesetzt und sollen hier eine Konkurrenz zu den OLED-Fernsehern schaffen. Die Idee, sie auch für Allgemeinbeleuchtungs-LEDs zu nutzen, kam bereits in den frühen 1990er-Jahren auf. Lange Zeit fehlte dafür aber eine passende Verkapselungstechnik, um die Halbleiter-Nanopartikel robust genug für die rauen Betriebsbedingungen in einer LED zu machen: extreme Hitze und Kälte, hohe Stromdichten und Wechselwirkungen mit Umgebungsmaterialien. Mittlerweile ist eine härtende Verkapselung für Quantum Dots möglich, bei der auch ihre lichtkonvertierenden Eigenschaften erhalten bleiben.

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Durchstimmbare Lichtkonverter

Quantum Dots sind weder Moleküle noch Festkörper. Sie verhalten sich wie Atome und sind doch keine. Die Form und das Verhalten der kugelförmigen Gebilde, die sich aus einigen hundert Atomen zusammensetzen, sind beeinflussbar. Die Nanopartikel werden aus Halbleitermaterialien hergestellt. Mit rund 2-10 nm sind sie so klein, dass sich ihre optischen und elektronischen Eigenschaften verändern.

Quantum Dots sind aktuell als Lichtkonveter sehr interessant, weil sich ihr Emissionsspektrum mit ihrer Größe verändert (Bild 1). Kleine Quantum Dots (~2 nm) leuchten blau, mittelgroße (~3 nm) grün und größere gelb (~4-5 nm). bzw. rot (~6-7 nm). Neben der Größe beeinflusst auch das jeweilige Ausgangsmaterial der Quantum Dots die emittierte Farbe.

Neben der Konversion durch Fluoreszenz können die Nanopartikel auch emittieren. Das Ziel im Produktionsprozess ist eine durchgängig einheitlicher Größe herzustellen, um eine möglichst exakte Lichtfarbe zu garantieren.

Effizientere LEDs

Bei der Herstellung von LEDs stehen im Wesentlichen zwei Faktoren im Vordergrund: Energieeffizienz und Produktqualität. Der Einsatz von Quantum Dots kann beide Faktoren stark beeinflussen, wie aktuelle Forschungsergebnisse und erste Produkte zeigen. Für den Einsatz in Serienprodukten werden die Quantum Dots in einem speziellen Verfahren so eingekapselt, dass sie vor Feuchtigkeit und anderen äußeren Einflüssen geschützt sind. Sie sind nach wie vor das größte Risiko für die Funktionstüchtigkeit einer LED. Durch die zusätzliche Stabilität können sie den rauen Bedingungen des On-Chip-Betriebs innerhalb der LED standhalten.

Dafür wegbereitend war die Arbeit von Pacific Light Technologies (PLT), das seit Ende 2017 zu Osram Opto Semiconductors gehört. Dr. Juanita Kurtin (Bild 2) ist die führende Wissenschaftlerin auf diesem Gebiet und hatte sich bereits während ihres Studiums der physikalischen Chemie in Berkeley der Erforschung von Nanopartikeln gewidmet, bevor sie PLT gründete.

Heute arbeitet sie als Director Materials Research bei Osram Opto Semiconductors in Portland. Das Ziel der Materialforschung sind effizientere und farbintensivere Lichtquellen. Im Wesentlichen ersetzen Quantum Dots breit emittierende, »sperrige« Leuchtstoffe. Aufgrund ihrer spektralen Reinheit sorgen sie für signifikant höhere Effizienzen in der Beleuchtung und kräftigeren Farben für Displays. Im Hinblick auf die LED-Fertigung ist der zentrale Vorteil, dass die einzelnen Fertigungsschritte wie gewohnt beibehalten werden können.