Neue Display-Techniken mit Quantenpunkten

Punktgemisch

Dieter Michel

Bestechende Farben mit möglichst wenig Energie zu liefern, ist besonders für Displays von Mobilgeräten heute ein Muss. Das verlangt nach Verfahren, die die Lichtausbeute erhöhen und den Display-Aufbau vereinfachen. Ein besonders vielversprechender Kandidat ist die Quantum-Dot-Technik.

Während Flüssigkristall-Bildschirme heutzutage einen Großteil der Displays stellen, bleibt die technische Entwicklung nicht stehen. Die Hersteller arbeiten ständig an der Erforschung neuer und der Verbesserung bestehender Darstellungstechniken. Displays auf der Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) verbessern beispielsweise den Kontrast, den Einblickwinkel und die Fremdlicht-Performance. Die Technik wartet aber auch mit fertigungstechnischen Herausforderungen auf, weshalb derzeit nur LG konsequent auf OLEDs setzt.

Eine andere Technik, die schon seit einigen Jahren zur Verbesserung der Display-Performance beiträgt und das Zeug hat, auch in Zukunft neuen Wind in den Display-Markt zu bringen, sind die sogenannten Quantenpunkte oder angelsächsisch Quantum Dots. Mit ihnen will man in einem Display farbiges Licht mit den gewünschten Eigenschaften und hoher Lichtausbeute erzeugen, was naheliegenderweise insbesondere batteriebetriebenen Mobilgeräten entgegenkommt.

Grundfarben und Farbräume

Rot, Grün und Blau sind erst einmal wahrnehmungsbezogene Attribute und bezeichnen subjektive, elementare Eigenschaften – sogenannte Qualia – der menschlichen Farbwahrnehmung, die sich nur durch eigenes Erleben erschließen und nicht weiter beschreiben lassen. Ein definierter Bezug zu physikalischen Größen entsteht erst durch Wahrnehmungsexperimente.

Bei einem Farbmischexperiment stellt man beispielsweise fest, dass man viele Farben durch Mischung von nur drei Grundfarben so nachbilden kann, dass das menschliche Auge keinen Unterschied erkennt. Aus solchen Farbmischexperimenten kann man erstens die Farbmessung ableiten, die die Farbwahrnehmung des Menschen mit technischen Verfahren nachbildet, und zweitens Displays herstellen, die eine Wiedergabe realer Szenen in Form von Farbfotos oder Videos ermöglichen und dafür nur drei Grundfarben erzeugen müssen.

In diese Farbkarte sind drei standardisierte Farbräume eingezeichnet: sRGB in Violett, AdobeRGB in Grün und in Hellblau der CIE-RGB-Farbraum für Farbmischexperimente, dessen Grundfarben reine Spektralfarben sind (Abb. 1).

Welche Farben man in einem Farbmischexperiment nachbilden oder mit einem Farbdisplay wiedergeben kann, hängt davon ab, wie die Grundfarben beschaffen sind. Mithilfe der Farbmischexperimente kann man etwa eine Farbkarte erzeugen, auf der alle für den Menschen sichtbaren Farben eingezeichnet sind, darunter drei zunächst einmal beliebig gewählte Grundfarben (siehe Abbildung 1).

Bei additiver Farbmischung bilden diese drei Grundfarben, auch Primärvalenzen genannt, ein Dreieck, innerhalb dessen sich alle möglichen Mischfarben anordnen. Mischfarben aus nur zwei Grundfarben befinden sich auf der Verbindungslinie zwischen diesen beiden Primärvalenzen.

Der Unbuntpunkt, also derjenige Ort auf der Farbkarte, der für einen Betrachter nicht mit dem Eindruck von Farbigkeit verbunden ist, liegt etwa in der Mitte der Farbkarte. Da sich die menschliche Wahrnehmung an verschiedene Lichtfarben für den Farbeindruck „weiß“ respektive „nicht farbig“ adaptieren kann, gibt es nicht den einen Unbuntpunkt. Vielmehr muss man zusätzlich angeben, welchen Farbort „Weiß“ auf der Farbkarte haben soll. Eine gängige Referenz wäre der Farbton eines Temperaturstrahlers, etwa einer Glühlampe, der über dessen Temperatur festgelegt ist.

Sind Weißtöne über die Angabe der Farbtemperatur spezifiziert, bezieht sich das auf den Farbton eines Temperaturstrahlers bei dieser Temperatur. Für Weißtöne gibt es eine Reihe von Farbwerten, die international genormt sind, so etwa „Illuminant A“ für Glühlampenlicht mit einer Farbtemperatur von 2856 K oder verschiedene Lichtspektren für Tageslicht wie D50, D55 oder D65 – ihnen entsprechen die Farbtemperaturen 5000 K, 5500 K und 6500 K.

Auf dem Rand der Farbkarte liegen alle reinen Spektralfarben, also Farben, deren Lichtspektrum vereinfacht gesprochen nur eine einzelne Linie enthält. Dies sind die für die Farbwahrnehmung am stärksten gesättigten Farben, die man physikalisch erzeugen kann. Auf einer Verbindungslinie zwischen dem zuvor festgelegten Weißpunkt und einem Punkt auf dem Rand liegen alle Mischfarben zwischen der reinen Spektralfarbe und Weiß – die Farbsättigung nimmt also von Weiß zum Rand des Farbdiagramms hin zu.

Je größer das Dreieck, das man aus den frei wählbaren Grundfarben bildet, desto größer die Zahl der Farben, die sich mit ihnen darstellen lassen, desto größer also der Farbraum. Mit der Menge der darstellbaren Farben ist tatsächlich die Größe des Farbraums gemeint und nicht die 16 Millionen Farben, die gelegentlich in den Monitordatenblättern stehen. Diese Angabe bedeutet zwar, dass man mit dem Monitor besagte 16 Millionen verschiedene Betriebszustände erzeugen kann, diese führen aber nicht unbedingt zu Farben, die die menschliche Wahrnehmung tatsächlich voneinander unterscheiden kann. Die hohe Zahl ansteuerbarer Farbtöne soll eher gewährleisten, dass zum Beispiel bei flachen Farbverläufen keine Pseudokonturen und sonstigen Artefakte sichtbar werden.

In die CIE-Farbkarte lassen sich beliebige Farbräume durch das Bestimmen der Grundfarben als Eckpunkte einzeichnen. Die drei standardisierten Farbräume AdobeRGB (grün), sRGB (gestrichelt) und der Farbraum nach Rec.2020 (violett) decken recht große Bereiche ab, da sie mit der Wahl der Grundfarben Rot, Grün und Blau der menschlichen Farbwahrnehmung folgen. In dem frei erfundenen querliegenden Farbraum (hellblau) mit den willkürlich gewählten Grundfarben Türkis, Gelb und Purpur lassen sich praktisch alle Rot- und viele Grüntöne nicht darstellen (Abb. 2).

Ausgangspunkt der Überlegungen ist die Tatsache, dass man bei den meisten Display-Techniken mit additiver Farbmischung arbeitet, also Licht in den Grundfarben Rot, Grün und Blau benötigt (siehe Kasten „Grundfarben und Farbräume“). Theoretisch sind die drei Grundfarben frei wählbar – man könnte auch Türkis, Purpur und Gelb nehmen (siehe Abbildung 2). Wichtig aber ist: Farben außerhalb des Dreiecks, das man in der Farbkarte mit den gewählten Grundfarben aufspannt, sind nicht darstellbar.

Die Farbkarte nach CIE 1931 selbst hat die Form eines Dreiecks mit zwei etwas gewölbten Kanten und einer stark abgerundeten Ecke, wobei diese Ecken in den Bereichen der roten, grünen und blauen Farbtöne liegen. Deshalb kann ein aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau gebildetes Dreieck eine besonders große Fläche auf dieser Farbkarte abdecken.

Mit einem Farbdisplay möchte man normalerweise möglichst viele natürlich vorkommende Farben darstellen können. Deshalb wird man versuchen, die Menge der Farben, die ein Display darstellen kann – den Farbraum oder Color Gamut –, möglichst groß zu gestalten.

Quantenpunkte statt Quecksilberdampflampen

Allerdings ist es nicht einfach, Lichtquellen herzustellen, deren Farbtöne auf den gewünschten Orten der Farbkarte liegen. Der einfachste Weg bestünde darin, reine Spektralfarben als Grundfarben zu nehmen. Für die im Kasten erwähnten Farbmischexperimente hatte man tatsächlich reine Spektralfarben mit den Wellenlängen 700 nm für Rot, 546,1 nm für Grün und 435,8 nm für Blau verwendet. Die krummen Werte von Grün und Blau entsprechen den Wellenlängen der Spektrallinien, die im Spektrum einer Quecksilberdampf-Entladungslampe vorkommen und die man deshalb für einen wissenschaftlichen Versuchsaufbau leicht erzeugen kann.