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Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

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Displaytechnologie

LCD-TV: Mit Quantenpunkten zu besseren Farben

Von Werner Schulz | 6. Februar 2015 | Ausgabe 06

Den brillanten Farb- und Kontrastwerten aktiver Bildschirme mit organischen Leuchtdioden (Oleds) haben LCD-Bildschirme wenig entgegenzusetzen. Doch mit sogenannten Quantenpunkten soll jetzt die LCD-Technik einen deutlichen Schritt in Sachen Farbwiedergabe machen.

Quantum dots BU
Foto: Billerbeck

Oled-Fernseher sind auf Messen wie der IFA der Hingucker. Doch die organischen Leuchtdioden sind teuer. Deswegen suchen die Anbieter von LCD-TV-Geräten nach alternativen Techniken für brillantere Bilder.

Eigentlich gibt es sie schon länger: die winzigen, unter Energieeinstrahlung fluoreszierenden Nanokristalle aus Halbleitermaterialien wie Cadmiumselenid (CdSe) oder Indiumphosphid/Zinksulfid (InPZnS). Entdeckt wurden die intensiv leuchtenden, nur 5 nm bis 50 nm großen Punktstrahler vor mehr als 30 Jahren am Vavilov-Forschungsinstitut im heutigen St. Petersburg und in den Bell Labs des damaligen US-Telefonmonopolisten AT&T. Praktisch eingesetzt werden sie seit geraumer Zeit: etwa als optische Marker für Materialien in der Bio-Medizin.

Quantenpunkte in LCDs

Doch jetzt schlägt ihre große Stunde in der Displaytechnik, zur Verbesserung der Farbwiedergabe von LCD-Bildschirmen für Fernseher, Lesegeräte, Notebooks und Tablets – unter dem Marketing-Label „Quantum Dots“, kurz QD. Die Bezeichnung „Quantenpunkte“ hat ihre Berechtigung, verweist sie doch auf die in ihnen wirkenden quantenmechanischen Effekte wegen ihrer in atomaren Dimensionen gemessenen Kleinheit.

Die räumlich eingeschränkte Ladungsträgerbeweglichkeit führt zu einer von der Kristallgröße abhängigen Bandlücke mit diskreten Energieniveaus und damit zur engen Definition der abgestrahlten Lichtwellenlänge. Je kleiner, desto bläulicher das Licht, je größer, desto rötlicher, mit scharfer Begrenzung beiderseits der Mittenfrequenz.

Warum die Quantum Dots gleich zu Beginn des Jahres auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas solche Prominenz gewinnen konnten, hat allerdings weniger technische als medienstrategische Gründe – zumindest in den USA.

Die Diskussion über die QD kommt dort nämlich fast zeitgleich mit der Einführung von ultra-hochauflösenden Bildschirmformaten mit 3840 x 2160 Pixel („4K“) und des aus der digitalen Fotografie entlehnten HDR-Schemas (High Dynamic Range) zur Expansion des Bildkontrastes. Der lässt bei allen LCD-Schirmen naturgegeben viel zu wünschen übrig, weil deren RGB-Pixel das Hintergrundlicht nur filtern und nicht aus sich heraus leuchten.

Die strategische Bündelung von 4K, QD und HDR kommt überdies zu einem Zeitpunkt, an dem Internet-Streaming-Dienste wie Netflix, Disney oder Dish/SlingTV die On-Demand-Verbreitung von Videoinhalten an sich reißen wollen – zum Nachteil der etablierten, aber in ihrer Kapazität eingeengten Kabel- und Satellitenanbieter, die sich auch über Werbe-Clips finanzieren müssen. Von den traditionellen TV-Rundfunkanbietern ist da gar nicht mehr die Rede.

Und auch im Internet tobt unter dem Stichwort „Netzneutralität“ ein Kampf um die knappen Kapazitäten. Dabei sollen Bandbreiten fressende Videodienste mithilfe einer Priorisierung ausgebremst werden. Doch gerade QD, HDR und 4K drücken den Bandbreitenbedarf für Videostreams deutlich nach oben.

Erste Ansätze zur Standardisierung des per QD erweiterten Farbraums (etwa nach ITU BT.2020) und zögerliche Industriegruppierungen wie die UHD Alliance sind tastende Schritte auf einem langen Weg. Die Studios wollen möglichst schnell ihre Produktionsbedingungen auf 4K, QD und HDR umstellen. Neu ist das Thema QD jedenfalls nicht. Der Anführer der QD-Bewegung, der Japaner Sony, mit seinen schon 2013 eingeführten 4K-QD-UHD-Fernsehern („Triluminous“) konnte damals kaum richtig Aufsehen erregen. Jetzt nutzen auch die Wettbewerber, wie LG, Samsung und die chinesischen Neuankömmlinge TLC, Hisense und Changhong, den Rückenwind der Streaming-Bewegung und legen auch in Sachen QD ein schärferes Tempo vor.

Bei all diesem Trubel ist natürlich zu beachten, dass die Quantenpunkte der aktuellen LCD-TV-Geräte keine selbststrahlenden Pixel sind. Sie werden lediglich als diffuse Konverter vor der blauen LED-Hintergrundbeleuchtung eingefügt, um die spektral reinen Primärfarben Rot, Grün und Blau zu erzeugen (s. Kasten).

Praktisch realisiert wird das z. B. mit einer QD-gefüllten Röhre unmittelbar vor der Backlight-LED, wie beim Zulieferer QD Vision mit Sony als Hauptanwender. Oder mit einer großflächigen QDEF-Folie (Quantum Dot Enhancement Film) hinter der LCD-Bildmatrix, wie es sie von Nanosys/3M und als Eigenentwicklung von Samsung unter Nanosys-Lizenz gibt. Als weiterer Zulieferer (auch für LG) hat sich die britische Firma Nanoco profiliert, vor allem wegen ihrer Spezialisierung auf Kadmium-freie Kristalle – im Hinblick auf die Umweltdirektiven der EU.

Fazit: Langfristziel der TV-Gerätehersteller bleiben die selbststrahlenden Pixel anstelle der ineffizienten, viel Licht schluckenden LCDs. Entweder als Oleds, wie von LG forciert, auf der Basis organischer Materialien, die bereits weit fortgeschritten sind, oder gleich mit aktiven QDleds.

Letzteres war das eigentliche Ziel des Unternehmens QD Vision als Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology. Über einen 2006 gezeigten Demonstrator ist das allerdings bisher nicht hinausgekommen. Deshalb setzen die TV-Gerätehersteller nun als Zwischenstufe auf die LCDs mit QDs in der Hintergrundbeleuchtung.

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