Kemiingenjörer från ETH Zürich har för första gången lyckats generera ultrarent grönt ljus. Den nya lysdioden kommer att bana väg för synligt förbättrad färgkvalitet i en ny generation av ultrahögupplösningsskärmar för TV-apparater och smartphones.

Chih-Jen Shih är mycket nöjd med sitt genombrott:"Till dags dato, ingen har lyckats producera grönt ljus så rent som vi har, säger professorn i kemiteknik i sitt laboratorium på campus Hönggerberg. Han pekar på en ultrasmal, böjbar lysdiod (LED), som visar de tre bokstäverna "ETH" i en fin nyans av klargrönt.

Shihs framsteg är betydande, särskilt när det gäller nästa generation av skärmar med ultrahög upplösning som används för TV-apparater och smartphones. Elektroniska enheter måste först kunna producera ultrarent rött, blått och grönt ljus för att nästa generations bildskärmar ska kunna visa bilder som är tydligare, skarpare, rikare på detaljer och med ett mer förfinat färgutbud. För det mesta, detta är redan möjligt för rött och blått ljus; grönt ljus, dock, har hittills nått teknikens gränser.

Detta beror främst på människans uppfattning, eftersom ögat kan skilja mellan fler mellanliggande gröna nyanser än röda eller blåa. "Detta gör den tekniska produktionen av ultrarent grönt mycket komplex, vilket skapar utmaningar för oss när det gäller att utveckla teknik och material, " säger Sudhir Kumar, medförfattare till rapporten.

Upp till 99 procent ultrarent grönt

Det blir tydligt genom hänvisning till Rec.2020-standarden hur stora framsteg Shihs ultragröna ljus har gjort i utvecklingen av nästa generations bildskärmar. Den internationella standarden definierar de tekniska kraven för skärmar med ultrahög upplösning (känd som "Ultra HD") och ger ett ramverk för vidare forskning och utveckling. Kraven inkluderar också en förbättring av färgkvaliteten synlig för blotta ögat. Standarden ger den färgskala som en display kan återge och därför ett bredare utbud av färgtoner.

Ultrarent grönt spelar en nyckelroll för att utöka färgomfånget, eller omfång. I sista hand, nya nyanser skapas genom den tekniska blandningen av tre basfärger:röd, blått och grönt. Ju renare basfärger, desto bredare spektrum av nyanser kan en skärm visa. Shihs nya LED är i linje med 97 till 99 procent av Rec. 2020 standard. Som jämförelse, de renaste färg-TV-skärmarna som för närvarande finns tillgängliga på marknaden täcker i genomsnitt endast 73,11 till 77,72 procent; ingen överstiger 80 procent.

Billig, producerbar LED-teknik

Wendelin Stark, ETH professor i funktionell materialteknik, tillsammans med forskare från Sydkorea och Taiwan, bidrog också till projektets resultat, som har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver . Shih gjorde inte bara ett genombrott när det gäller resultaten, men också i materialet och metoden. Han och hans kollegor har effektivt utvecklat en ultratunn, böjbar lysdiod som kan avge rent grönt ljus med enkla rumstemperaturprocesser. Shih säger att detta är den andra aspekten av hans genombrott och är minst lika viktig, som hittills krävdes högtemperaturprocesser för att producera rent ljus med LED-teknik. "Eftersom vi kunde realisera hela processen vid rumstemperatur, vi har öppnat möjligheter för det enkla, låg kostnad industriell produktion av ultragröna lysdioder i framtiden, säger Jakub Jagielski, medförfattare till rapporten.

Mer specifikt, Shih och hans team använde nanomaterial för att vidareutveckla LED-tekniken. En ljusemitterande diod innehåller vanligtvis en halvledarkristall som omvandlar elektrisk ström som passerar genom den till strålande ljus. Råvaran är vanligtvis indiumgalliumnitrid (InGaN); dock, detta material har inte de idealiska egenskaperna för produktion av ultrarent grönt ljus. Så Shihs team använde istället perovskite, ett material som även används vid tillverkning av solceller och som relativt effektivt kan omvandla el till ljus. Det är också billigt och hjälper till att göra tillverkningsprocessen enkel och snabb – det tar bara en halvtimme att kemiskt rengöra perovskit och göra den klar för användning, säger Shih.

Perovskitmaterialet i Shihs ljusemitterande diod är en mycket liten tjocklek på 4,8 nanometer. Detta är en viktig faktor, eftersom färgkvaliteten beror på tjockleken och formen på den nanokristall som används. För att nå önskad rena green, kristallerna ska inte vara tjockare eller tunnare. Dessa flexibla, ultratunna lysdioder är lika böjbara som ett pappersark. Därav, de kan tillverkas billigt och snabbt med till exempel den befintliga roll-to-roll-processen. Shih säger att detta också kommer att gynna industriproduktionen i framtiden.

Nästa steg:förbättra effektiviteten

Dock, det kommer fortfarande att ta lite tid innan vi ser den första industriella tillämpningen av ultragröna lysdioder. Nästa steg för Shih är att först förbättra effektiviteten. I dag, hans LED fungerar med 3 procents effektivitet när den omvandlar elektricitet till ljus; i jämförelse, TV-skärmar som för närvarande finns på marknaden har effektivitetsvärden på 5 till 10 procent. Shih hoppas att nästa version kommer att vara 6 till 7 procent effektivare. Han ser också potential för förbättring av livslängden för sin lysdiod. För närvarande, den lyser i cirka två timmar, medan skärmar som finns på marknaden borde fungera i många år.