Global
Medien

Flachbildschirme bekennen Farbe

Innovative Farbpigmente der BASF verbessern die
Bildqualität bei Fernsehern

  • Winzig und dennoch stabil
    Farbpigmente in Nanometergröße sorgen für ein kontrastreiches Bildvergnügen
  • Geringere Lichtstreuung
    Je kleiner und gleichförmiger die Kristalle der Farbpigmente, desto brillanter ist das Bild
  • Enorme Farbvielfalt
    Mit grünen, roten und blauen Farbfiltern lassen sich Millionen von Farben darstellen

Die Zeiten der guten alten Röhrenbildschirme sind längst vorbei. Mittlerweile sorgen laut Statistischem Bundesamt in drei von vier Haushalten Flachbildfernseher für eine energieeffiziente und strahlungsarme Unterhaltung. Und der Anteil steigt weiter: Schätzungen zufolge haben sich die Deutschen 2015 wieder um die acht Millionen Flachbildfernseher zugelegt, die meisten davon LCDs. Auf dieser Technologie beruhen heutzutage auch viele andere Kommunikationsgeräte, beispielsweise Smartphones, Laptops oder Tablets. So schätzen Experten, dass der Markt für Flachbildschirme bis 2020 weltweit jährlich um sechs Prozent wachsen wird.

LCD steht für „Liquid Crystal Display“, Flüssig-Kristall-Bildschirm. Flüssigkristalle bilden die Basis von Milliarden Flachbildschirmen. 1968 stellte der Amerikaner George H. Heilmeier der Fachwelt den ersten monochromen LCD-Monitor vor. Es dauerte aber noch 20 Jahre, bis schließlich entsprechende Farbmonitore auf den Markt kamen. Ende der 1990er Jahre traten dann die Flachbildfernseher ihren Siegeszug an, insbesondere wegen der Verfügbarkeit leistungsfähiger Farbfiltermaterialien.

Bei gängiger Auflösung setzen sich die Bilder eines Flüssig-Kristall-Bildschirms aus etwa zwei Millionen Bildpunkten, sogenannten Pixeln, zusammen. Aber erst die Farbfilterpigmente, die mit den Flüssigkristallzellen verbunden sind, sorgen dafür, dass jeder einzelne Bildpunkt auch Farbe bekennt. Doch die Kontraste der Bildschirme und die Reinheit der Farben sind nach wie vor eine Herausforderung.

Dr. Hans Reichert (Mitte), Leiter der Farbstoffforschung bei BASF, begutachtet mit seinen Kollegen Ger de Keyzer (links) und Dr. Roman Lenz (rechts) Applikationsmuster des roten Farbfilterpigments.

Die Eigenschaften der Farbpigmente machen den Unterschied

Rot, Grün und Blau – jedes Pixel enthält diese drei Grundfarben. Diese Farben bestehen aus winzigen Kristallen, etwa so klein wie ein Tausendstel des Durchmessers eines Haares. Sie wirken als Filter und lassen aus dem weißen Hintergrundlicht nur den Bereich des sichtbaren Lichts durch, der nötig ist, um eine der drei Farben möglichst rein darzustellen. Alle anderen Bereiche sollen sie vollständig ausblenden. „Ein gutes Farbpigment wirkt sich signifikant auf die Farbbrillanz des Bildschirms aus“, sagt Dr. Hans Reichert, Leiter der Farbstoffforschung bei BASF.

„Eine perfekte Farbselektion ist mit absorbierenden Materialien zwar nicht möglich, aber wir kommen dem Ideal mit unseren Rotfiltern schon recht nah.“ Das wirkt sich auch auf die Zahl der Farbvarianten aus: Je reiner die resultierenden drei Grundfarben sind, umso vielfältiger deren Mischmöglichkeiten – und desto farbprächtiger das wiedergegebene Bild.

Das Bild zeigt im Labor eine laufende chemische Reaktion, bei der Diketopyrrolopyrrole synthetisiert werden. Aus diesen bestehen die roten Farbfilterpigmente der BASF. Diketopyrrolopyrrole sind aromatische organische Ringverbindungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff aufgebaut sind.

Das Grundprinzip ist einfach: Erscheint auf dem Bildschirm die Farbe Rot, lässt das entsprechende Subpixel den Rotanteil des Lichts durch und absorbiert den Rest. Gleichzeitig sind die anderen beiden Subpixel für Blau und Grün ausgeschaltet. Kommt dagegen durch das rote und grüne Subpixel Licht, während das blaue ausgeschaltet ist, addieren sich die Farben zu einem satten Gelb. Durch feine Abstufungen der Anteile der drei Grundfarben sind so Millionen von Farbnuancen möglich.

Diese Abstufungen der Farbanteile übernehmen die Flüssigkristalle. Sie richten die Schwingungsebene der Lichtwellen entsprechend aus. „So bestimmen sie, dass die Subpixel eine bestimmte Helligkeit und Farbe annehmen“, sagt Ger de Keyzer, Leiter der Anwendungstechnik für Farbfiltermaterialien bei BASF. „Je nach angelegter elektrischer Spannung verändern die Flüssigkristalle dafür ihre Ausrichtung und damit ihre optischen Eigenschaften.“ Normalerweise drehen sie die Schwingungsebene der Lichtwellen, so dass diese durch den zweiten Polarisationsfilter passen. Wird aber ein elektrisches Feld angelegt, sorgen sie dafür, dass das Licht weniger oder gar nicht mehr durchgelassen wird.

Damit das An- und Abschalten der Subpixel wie vorgesehen abläuft, müssen störende Einflüsse der Farbfilterpigmente vermieden werden. Denn streuen und depolarisieren sie das Licht, führt das dazu, dass es unkontrolliert den Filter passieren kann. Das verunreinigt die Farben und verschlechtert den Kontrast.

Je kleiner, desto besser

„Im Grunde hat sich eine einfache Faustformel bewährt: Je kleiner und gleichförmiger die Kristalle, desto geringer die Streuung und desto besser die Bildqualität des LCDs“, sagt de Keyzer. Dies steuern die Forscher vor allem über die Bedingungen bei der Kristallisation der Pigmente. Welche Farbanteile herausgefiltert werden, wird dagegen bereits mit der Molekülstruktur festgelegt. Die organischen Rotpigmente, die BASF herstellt, enthalten hauptsächlich Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Sie gehören zu den Diketopyrrolopyrrolen (DPP). Blau- und Grünpigmente bestehen dagegen überwiegend aus Metallkomplexverbindungen der Phthalocyanine. Nach der chemischen Synthese setzt sich das Rohprodukt meist aus uneinheitlichen Partikeln zusammen. Das Ziel ist, diese auf die ideale Größe und Form zu bringen. Möglich wird das durch das sogenannte Pigmentfinishing. Hierbei werden einerseits die zu kleinen Kristalle aufgelöst und auf die größeren Kristalle aufgefällt. Andererseits werden zu große Kristalle gezielt mechanisch zerkleinert – so lange, bis sich das gewünschte Gleichgewicht einstellt. Dr. Roman Lenz, Laborteamleiter bei BASF und für die Synthese neuer Farbfiltermaterialien zuständig, sagt: „Mit unseren Technologien erreichen wir eine Größe zwischen 20 und 40 Nanometern. Damit sind die Farbpartikel so klein, dass sie so gut wie kein Licht streuen, aber noch groß genug, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten.“ BASF ist mit ihren Produkten schon fast am Optimum. Weniger als 0,00004 Millimeter klein sind die Farbpartikel der neuesten Entwicklung aus der Irgaphor® Red-Produktfamilie. Damit war es möglich, den Kontrast im Vergleich zum Vorgänger erneut zu verdoppeln.

An Bildschirme von morgen werden noch höhere Anforderungen bei Auflösung und Farbreinheit gestellt werden. Deswegen gehen Lenz und seine Kollegen in ihren Laborexperimenten bereits einen Schritt weiter. Sie sind auf der Suche nach neuen Materialien, die es ermöglichen, die Farben noch natürlicher darzustellen.

Interview mit Dr. Christian Bosshard, Direktor Dünnfilmoptik beim Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM, Neuchâtel/Schweiz.

Energieeffizienz ist bei Smartphones ein großes Thema. Wie können Farbpigmente helfen, den Stromverbrauch bei solchen Geräten mit Flüssigkristalldisplays zu senken?
Je besser die Farbfilter in der Lage sind, den gewünschten Farbanteil aus dem Lichtspektrum auszuschneiden und vollständig durchzulassen, umso stärker helfen sie, den Stromverbrauch zu reduzieren. Kommt beispielsweise nur 50 Prozent der Farbe durch, muss mehr weißes Hintergrundlicht durch das Farbpigment geschickt werden, um doch noch zu einem intensiven Farbeindruck zu kommen. Der Energieverbrauch steigt. Letztlich ist die Energieeffizienz auch ein Ergebnis der Kunst der Chemie.

Welche Rolle spielt die Chemie genau?
Die Moleküle, die die farbfilternden Kristalle bilden, müssen so verteilt sein, dass sie genau das Licht absorbieren, das sie sollen, aber kein Licht streuen. Denn auch das führt zu Lichtverlust. Also müssen die Synthesebedingungen der Nanopartikel so gestaltet werden, dass das Kristallwachstum gehemmt wird. Je kleiner und einheitlicher die Pigmente, umso geringer die Streuung. Eine Kugel wäre ideal, aber das ist mit Kristallen nicht zu erreichen.

Welche neuen Herausforderungen wird das Fernsehen der Zukunft mit sich bringen?
Für die neuen 4K-Fernseher sind die jetzigen Farbfiltermaterialien mit ihren 40 Nanometern schon klein und homogen genug, um für eine gute Bildqualität zu sorgen. Bei der nächsten 8K-Generation, von der erste Prototypen vorgestellt wurden, muss aber vermutlich noch mal nachgelegt werden. Allerdings stellt sich die Frage, wo das Limit ist. Denn die Verbesserung in einem Bereich zieht oft eine Verschlechterung in einem anderen nach sich. Je kleiner beispielsweise die Farbpartikel, umso geringer wird ihre Stabilität. Am Ende ist alles eine Frage der Balance.

Einige Gramm eines roten Farbfilterpigments auf Basis der Diketopyrrolopyrrole direkt nach der Laborsynthese. In der Produktion wird es bereits im Tonnenmaßstab hergestellt.

Spricht man über Displays mit LCD-Technologie, kommt man um einige Fachbegriffe nicht herum:
Die Bildauflösung ist ein Maß für die Bildschärfe und bezeichnet die Gesamtzahl der Bildpunkte. Vollständig hochauflösende Full-HD-Fernsehbildschirme beispielsweise haben eine Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln, also über zwei Millionen Bildpunkte mit den Farben Rot, Blau und Grün.

Flüssigkristalle sind Substanzen, die Eigenschaften sowohl einer Flüssigkeit als auch von Kristallen aufweisen. Ihre Ausrichtung wird durch elektrische Felder gesteuert. Sie steuern die Farbwiedergabe des Displays.

Der Kontrast gibt das Verhältnis zwischen hellst- und dunkelstmöglichem Zustand eines Subpixels an. Um einen hohen Kontrast zu erreichen, muss das Subpixel im ausgeschalteten Zustand möglichst dunkel sein.

LCD steht für Liquid Crystal Display und ist ein Oberbegriff für Flüssigkristallbildschirme – von der Armbanduhr über Fernsehgeräte bis zu Smartphones und Tablets.

LED steht für Licht emittierende Diode. Die meisten LCD-Fernseher, die heute angeboten werden, nutzen sie als weißes Hintergrundlicht für den Bildschirm. Auch wenn der Bildschirm ein schwarzes Bild zeigt, das Hintergrundlicht ist immer an.

Eine Lichtwelle ist eine von einer Lichtquelle ausgestrahlte elektromagnetische Welle, die in alle möglichen Richtungen schwingt.

Ein Pixel wird auch Bildpunkt genannt. Ein Pixel ist das kleinste Bildelement bei Displays und enthält die Farbpigmente Rot, Blau und Grün in den jeweiligen Subpixeln. Je höher die Anzahl der Pixel, desto schärfer und detailreicher ist das Bild.

Der Polarisationsfilter lässt nur Lichtwellen durch, deren elektrisches Feld in einer bestimmten Richtung (Polarisation) schwingt.

Ein Subpixel ist die kleinstmögliche Einheit eines Flüssigkristallbildschirms. Ein Pixel besteht aus drei Subpixeln, je einem für jede der drei Grundfarben Rot, Blau und Grün.

Ultra-HD steht übersetzt für äußerst hohe Auflösung. Die Technologie wird oftmals auch als 4K bezeichnet. Die Geräte können viermal mehr Pixel als HD-Bildschirme abbilden, nämlich rund acht Millionen.

Christian Böhme
Media Relations
Flachbildschirme bekennen Farbe

Flachbildschirme bekennen Farbe

Pressefoto

Pressefoto

Pressefoto

Pressefoto

Pressefoto