Chemische ingenieurs van ETH Zürich zijn er voor het eerst in geslaagd om ultrapuur groen licht te genereren. De nieuwe light-emitting diode zal de weg vrijmaken voor zichtbaar verbeterde kleurkwaliteit in een nieuwe generatie ultra-high definition-schermen voor tv's en smartphones.

Chih-Jen Shih is zeer tevreden met zijn doorbraak:"Tot op heden, niemand is erin geslaagd om zo puur groen licht te produceren als wij, ", zegt de hoogleraar Chemical Engineering in zijn laboratorium op de Hönggerberg-campus. Hij wijst naar een ultraslanke, buigbare lichtgevende diode (LED), die de drie letters "ETH" weergeeft in een fijne tint heldergroen.

Shih's vooruitgang is aanzienlijk, vooral in termen van de volgende generatie schermen met ultrahoge resolutie die worden gebruikt voor tv's en smartphones. Elektronische apparaten moeten eerst ultrazuiver rood, blauw en groen licht om de volgende generatie displays in staat te stellen beelden weer te geven die duidelijker zijn, scherper, gedetailleerder en met een verfijnder kleurenpalet. Voor het grootste gedeelte, dit kan al voor rood en blauw licht; groen licht, echter, heeft tot nu toe de grenzen van de technologie bereikt.

Dit komt voornamelijk door menselijke waarneming, omdat het oog in staat is onderscheid te maken tussen meer intermediaire groene tinten dan rode of blauwe. "Dit maakt de technische productie van ultrapuur groen zeer complex, wat voor uitdagingen voor ons zorgt als het gaat om het ontwikkelen van technologie en materialen, " zegt Sudhir Kumar, co-hoofdauteur van het rapport.

Tot 99 procent ultrapuur groen

Aan de hand van de Rec.2020-standaard wordt duidelijk hoeveel vooruitgang Shih's ultragroene licht heeft geboekt bij de ontwikkeling van de volgende generatie displays. De internationale norm definieert de technische vereisten voor beeldschermen met ultrahoge resolutie (bekend als "Ultra HD") en biedt een kader voor verder onderzoek en ontwikkeling. De eisen omvatten ook een verbetering van de kleurkwaliteit die met het blote oog zichtbaar is. De standaard biedt de kleurenschaal die een display kan reproduceren en dus een breder scala aan kleurtinten.

Ultrapuur groen speelt een sleutelrol bij het uitbreiden van het kleurbereik, of gamma. uiteindelijk, nieuwe tinten worden gecreëerd door de technische mix van drie basiskleuren:rood, blauw en groen. Hoe zuiverder de basiskleuren, hoe groter het bereik van tinten dat een scherm kan weergeven. De nieuwe LED van Shih komt overeen met 97 tot 99 procent van de Rec. 2020 standaard. Ter vergelijking, de zuiverste kleuren-tv-schermen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, dekken gemiddeld slechts 73,11 tot 77,72 procent; geen enkele overschrijdt 80 procent.

Goedkoop, produceerbare LED-technologie

Wendelin Stark, ETH Hoogleraar Functional Materials Engineering, samen met onderzoekers uit Zuid-Korea en Taiwan, ook bijgedragen aan de projectresultaten, die zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters . Shih maakte niet alleen een doorbraak op het gebied van resultaten, maar ook in materiaal en werkwijze. Hij en zijn collega's hebben effectief een ultradunne, buigbare lichtemitterende diode die in staat is om puur groen licht uit te stralen met behulp van eenvoudige processen bij kamertemperatuur. Shih zegt dat dit het tweede aspect van zijn doorbraak is en minstens even belangrijk is, omdat tot nu toe hogetemperatuurprocessen nodig waren om puur licht te produceren met LED-technologie. "Omdat we het hele proces bij kamertemperatuur konden realiseren, we hebben mogelijkheden geopend voor de eenvoudige, goedkope industriële productie van ultragroene lichtgevende diodes in de toekomst, " zegt Jakub Jagielski, co-hoofdauteur van het rapport.

Specifieker, Shih en zijn team gebruikten nanomaterialen om de LED-technologie verder te ontwikkelen. Een lichtemitterende diode bevat meestal een halfgeleiderkristal dat de elektrische stroom die er doorheen gaat, omzet in stralend licht. De grondstof is meestal indium-galliumnitride (InGaN); echter, dit materiaal heeft niet de ideale eigenschappen voor de productie van ultrapuur groen licht. Dus Shih's team gebruikte in plaats daarvan perovskiet, een materiaal dat ook wordt gebruikt bij de productie van zonnecellen en dat relatief efficiënt elektriciteit kan omzetten in licht. Het is ook goedkoop en helpt het productieproces eenvoudig en snel te maken - het duurt slechts een half uur om perovskiet chemisch te reinigen en gebruiksklaar te maken, zegt Shih.

Het perovskietmateriaal in de lichtgevende diode van Shih is een minuscule dikte van 4,8 nanometer. Dit is een belangrijke factor, aangezien de kleurkwaliteit afhangt van de dikte en vorm van het gebruikte nanokristal. Om het gewenste pure groen te bereiken, de kristallen mogen niet dikker of dunner zijn. Deze flexibele, ultradunne lichtgevende diodes zijn zo buigbaar als een vel papier. Vandaar, ze kunnen bijvoorbeeld goedkoop en snel worden geproduceerd met behulp van het bestaande roll-to-roll-proces. Shih zegt dat dit in de toekomst ook de industriële productie ten goede zal komen.

Volgende stap:efficiëntie verbeteren

Echter, het zal nog wel even duren voordat we de eerste industriële toepassing van ultragroene light-emitting diodes zien. De volgende stap voor Shih is om eerst de efficiëntie te verbeteren. Vandaag, zijn LED werkt met een efficiëntie van 3 procent bij het omzetten van elektriciteit in licht; in vergelijking, TV-schermen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, hebben efficiëntiewaarden van 5 tot 10 procent. Shih hoopt dat de volgende versie 6 tot 7 procent efficiënter zal zijn. Ook ziet hij mogelijkheden voor verbetering in de levensduur van zijn light-emitting diode. Momenteel, het brandt ongeveer twee uur, terwijl op de markt beschikbare schermen vele jaren zouden moeten werken.