Displaytechnik: Farbstark aber giftig - Quantenpunkte aus Cadmium vor dem Aus

Noch stecken in vielen Displays farbverbessernde Schichten, die Quantenpunkte aus giftigem Cadmium enthalten. Diese RoHS-Ausnahme könnte die EU bald aussetzen.

Lesezeit: 4 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen 13 Beiträge
Von
  • Peter Palomaki

Es ist kein Geheimnis, dass die Quantenpunkte-Industrie eine Hassliebe zu Cadmium entwickelt hat. Das chemische Element wird dort häufig genutzt, weshalb Quantenpunkte mit Cadmium und insbesondere Cadmiumselenid zu den am besten untersuchten Materialien gehören. Hierdurch waren cadmiumhaltige Quantum Dots (QD) auch die ersten, die in Displays und Beleuchtungen eingesetzt wurden. Zugleich ist unbestritten, dass Cadmium (Cd) ebeno wie Blei, Quecksilber und Chrom unter Umweltgesichtspunkten unerwünscht ist.

Im Jahr 2003 verabschiedete die Europäische Union die Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS, Restrictions of Hazardous Substances), um die Konzentration gefährlicher Stoffe in elektrischen und elektronischen Geräten zu minimieren. Cadmium steht natürlich auf dieser Liste: Die RoHS begrenzt dessen Konzentration auf 100 Anteile pro Million (100 ppm) in jeder Komponente oder jedem Teil. Ja, auch wenn Sie Logos sehen, die eine Null-Konzentration dieser Elemente suggerieren: Es kann tatsächlich eine begrenzte Menge Cadmium vorhanden sein und das Gerät dennoch RoHS-konform sein.

Derzeit gibt es Dutzende von Ausnahmen von den RoHS-Bestimmungen, wie zum Beispiel Quecksilber in Kathodenstrahlern, Blei in Lötmitteln und Stahl und vieles mehr. Sie wurden nur nach einer gründlichen Nutzenabwägung im Vergleich zu Alternativen zugelassen, die keine gefährlichen Stoffe enthalten – falls solche überhaupt verfügbar sind. Das Öko-Institut in Freiburg wird häufig von der Europäischen Kommission aufgefordert, Anträge auf Ausnahmeregelungen zu bewerten und Empfehlungen an die politischen Entscheidungsträger der EU abzugeben.

Diese Empfehlungen können befolgt werden oder auch nicht, denn natürlich kann die lokale und regionale Politik das Abstimmungsverhalten einzelner Mitgliedsstaaten beeinflussen. Aufgrund der besseren Energieeffizienz von cadmiumhaltigen Displays besteht für Cadmium seit 2013 eine langjährige Ausnahmegenehmigung (mit diversen Modifikationen) speziell für Quantenpunkte in Displays und Beleuchtung. Doch diese Zeit könnte bald enden.

In einem öffentlichen Bericht auf der RoHS-Website der Europäischen Kommission scheint es, als habe das Öko-Institut seine Empfehlungen an die Kommission (PDF) Ende 2020 abgegeben. Der 70-seitige Bericht umreißt die Argumente und Berechnungen des Öko-Instituts, von Unternehmensvertretern und von Antragstellern, die alle sehr unterschiedliche Ansichten zur Cadmium-Ausnahme haben können. Zu den Gruppen gehörten QD-Unternehmen, Anbieter von Phosphor und LEDs sowie weitere Industriegruppen.

Peter Palomaki

Peter Palomaki ist Inhaber und leitender Wissenschaftler von Palomaki Consulting, einer Firma, die sich darauf spezialisiert hat, Unternehmen bei der Lösung großer Probleme auf der Nanoskala zu helfen. Er nutzt sein Fachwissen über Quantenpunkte und Materialchemie, um mit großen und kleinen Kunden anspruchsvolle Probleme zu lösen.

Bevor ich auf die Empfehlung des Öko-Instituts eingehe, ist es wichtig, den aktuellen Stand der Ausnahmeregelung sowohl für Displays als auch für Beleuchtung zu kennen.

In der derzeit geltenden Ausnahmeregelung ist Cadmium auf 0,2 μg pro mm2 Displayfläche begrenzt. Das bedeutet, dass ein 60-Zoll-Fernseher mit seiner Fläche von rund einem Quadratmeter bis zu 0,2 Gramm Cadmium enthalten kann. Deshalb können farbkonvertierende Filme mit CdSe-Quantenpunkten sowohl für Rot- als auch für Grün-Converter verwendet werden; beide sind derzeit in Geräten auf dem Markt.

Leuchtdiode, die direkt mit farbkonvertierenden Quantenpunkten beschichtet wurde.

(Bild: Osram)

Wichtig ist, dass es derzeit keine Ausnahme für Cadmium in Beleuchtungsprodukten gibt, weshalb Osrams LED-Lineup nur eine begrenzte Menge an cadmiumhaltigem QD-Material enthält. Das Material wird mit Phosphormaterial gemischt, um die gewünschte Farbe zu erzielen und trotzdem unter einem Cadmiumanteil von 100 ppm zu bleiben. Mit einer Ausnahmegenehmigung für einen höheren Cadmium-Grenzwert ließe sich die Gesamteffizienz dieser LED jedoch stark verbessern: Durch den Einsatz eines schmalen roten QD-Phosphor würde man die jetzt ungenutzten IR-Photonen reduzieren und so die Effizienz der Lampen erhöhen.

KSF-Phosphor bietet ähnliche Vorteile wie QD, da er ebenfalls eine schmalbandige rote Emission erzeugt. Eine Analyse in einem DoE-Bericht aus dem Jahr 2020 (PDF) zeigt, dass LEDs mit KSF-Phosphor tatsächlich zu einer höheren Effizienz führen können als RoHS-konforme LEDs mit Quantenpunkten (man muss allerdings beachten, dass die Tests mit unterschiedlichen Farbtemperaturen und Geräten durchgeführt wurden, also nicht genau Äpfel mit Äpfeln verglichen wurden). Interessanterweise zeigten beide Varianten eine miserable Leistung bei der Zuverlässigkeit in hoher Luftfeuchtigkeit.

LED mit höherer Quantum-Dot-Konzentration zeigen eine deutlich verbesserte Effizienz, ganze 25 % mehr als Geräte ohne cadmiumdhaltige Quantenpunte.

(Bild: Jon Owen 2020 DoE SSL Workshop Präsentation)

Ich erwähne das Thema Beleuchtung, weil Osram die meisten der Daten zur Verfügung gestellt hat, auf die sich das Öko-Institut bei seinen Empfehlungen stützt. Außerdem hat Osram je nach Ergebnis am meisten zu gewinnen oder zu verlieren; meines Wissens gibt es keinen anderen Anbieter, der einen QD-Downconverter für Beleuchtung kommerzialisiert hat. Mit einer Ausnahmeregelung für Beleuchtungen mit höheren Cadmium-Grenzwerten könnte Osram seine High-Cd-Geräte mit verbesserter Effizienz einsetzen. Keine Ausnahmeregelung würde bedeuten, dass das Unternehmen auf die kleinen Gewinne beschränkt bliebe, die innerhalb des 100 ppm Cd-Grenzwertes erreichbar sind.

Das Öko-Institut empfiehlt, die derzeitige Ausnahmeregelung für QD-Filme in Displays nach einer 12-monatigen Gnadenfrist aufzuheben. Wird dies angenommen, wären QD-Folien, die kombinierte rote und grüne Cd-haltige Quantenpunkte verwenden, höchstwahrscheinlich nicht mehr RoHS-konform und müssten deshalb innerhalb eines Jahres vom Markt genommen werden.

Geht es nach den Empfehlungen des Öko-Instituts, werden die erlaubten Cadmium-Anteile gemäß RoHS-Richtlinie künftig weiter reduziert.

Das Hauptargument für diese Entscheidung war die vergleichbare Leistung und Verfügbarkeit von cadmiumfreien Quantenpunkten (hauptsächlich InP). Tatsächlich gibt es bereits RoHS-konforme Folien, die grüne Quantenpunkte mit ultra-niedrigem Cadmiumanteil und cadmiumfreie rote Quantenpunkte nutzen (z.B. Nanosys Hyperion). Sie bleiben unter 100 ppm Cadmium, benötigen aktuell also keine Ausnahmegenehmigung.

Das Öko-Institut empfiehlt auch zwei neue Formulierungen für neue Ausnahmen, eine für Beleuchtung und eine für Displays. Beide beschränken sich auf die Verwendung von Quantenpunkten direkt auf einer Leuchtdiode, auch bekannt als On-Chip-Technik. In einem DisplayDaily-Artikel vor ein paar Monaten hatte ich darauf hingewiesen, dass QDs On Chip ein Comeback erleben könnten.

Beleuchtung: Für Beleuchtungsanwendungen wird der empfohlene Grenzwert mit "unter 1000 ppm im Leuchtstoff" formuliert. Dies bedeutet vermutlich, dass Osram einen höheren CdSe-QD-Anteil einbauen könnte, um die Effizienz zu steigern. Die Entscheidung beruhte auf der Verbesserung der Gesamteffizienz und dem Mangel an geeigneten Alternativen – andere Quantenpunkte-Typen sind auf dem Chip nicht realisierbar.

Display: Für Display-Anwendungen wird der empfohlene Cadmium-Grenzwert angegeben mit 5 μg pro mm2 lichtemittierender LED-Chipfläche. Es ist unklar, wie dies genau zu interpretieren ist und wie es ermittelt wurde. Klar ist aber, dass andere Strategien zum Einbau von Quantenpunkten jenseits der Chips (Folien, Farbfilter usw.) hier nicht eingeschlossen sind.

Das Öko-Institut hat viele Daten und Eingaben berücksichtigt, als es die Empfehlungen ausgesprochen hat – zu viele, um sie hier zusammenzufassen. Falls Sie an einer tiefer gehenden Analyse interessiert sind, können Sie den Autor gern kontaktieren. Man sollte unbedingt beachten, dass es sich nur um eine Empfehlung handelt, die nicht automatisch von der Europäischen Kommission angenommen wird. In der Vergangenheit hat die EU-Kommission das Öko-Institut zuweilen gebeten, einen Schritt zurückzugehen und sich zusätzlichen Input einzuholen, was dann zu einer neuen Empfehlung führte. Wenn die empfohlenen Änderungen jedoch durchgehen und angenommen werden, dürfte das Ende von rot-grünen, cadmiumhaltigen QD-Folien in Displays bereits im Jahr 2022 besiegelt sein.

Einige werden sich vielleicht fragen, was mit Perowskit auf Bleibasis ist (Anm.: Perowskit ist ein Kalzium-Titan-Oxid mit regelmäßiger Kristallstruktur, das bereits in Solarzellen genutzt und nun auch für Displays und Leuchtdioden erforscht wird). Blei steht ebenfalls auf der RoHS-Liste, aber der Standardgrenzwert erlaubt eine höhere Konzentration von 1000 ppm. Die heute entwickelten Perowskit-Techniken auf Basis grüner QD-Filme werden wahrscheinlich weniger als 1000 ppm Blei enthalten; dafür wäre also keine Ausnahmegenehmigung nötig. Für kommende Techniken wie QD-Farbfilter/Farbkonverter (denken Sie an QD-OLEDs von Samsung) könnte die Konzentration dagegen zu einem strittigen Thema werden.

Ein abschließender Gedanke: Auch wenn die Empfehlung des Öko-Instituts ein starkes Signal für das Ende cadmiumhaltiger Quantenpunkte in Displays ist, wird sie keinen großen Einfluss auf die gesamte Technik haben, da Alternativen wie Indiumphospid (InP) bereits ausgereift sind und sich weiter verbessern. QDEF, QLED, QD-OLED, EL-QLED – wie auch immer Sie es nennen wollen – sind gekommen um zu bleiben.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei Display Daily

(uk)