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Montag, 26.09.2016
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Nanosilber verbessert transparente Displays

Einfache Beschichtung macht normales Glas zum kontraststarken Head-Up-Display

Ob als Head-Up-Display oder Brille: Transparente Bildschirme sind im Kommen. Jetzt haben US-Forscher eine einfache Lösung gefunden, um solche Displays kontraststärker zu machen: Sie beschichten normales Glas mit einem Nanosilber-haltigen Polymer. Dieses reflektiert nur das Licht bestimmter Wellenlängen und lässt alles andere durch. Das Ergebnis: Eine scharfe, leuchtende Projektion und trotzdem klare Sicht, so die Forscher im Fachmagazin "Nature Communications".
Das blaue MIT-Logo wurde auf das beschichtete Glas projiziert, die drei Tassen stehen hinter dem Display.

Das blaue MIT-Logo wurde auf das beschichtete Glas projiziert, die drei Tassen stehen hinter dem Display.

Der Vorteil durchsichtiger Bildschirme oder Projektionsflächen liegt auf der Hand: "Mit transparenten Displays können Navigationsdaten einfach auf die Windschutzscheibe des Autos oder des Flugzeug-Cockpits projiziert werden", erklären Chia Wei Hsu vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen. Normale Fensterscheiben und selbst Brillengläser werden beim Arbeiten oder Spielen zur Projektionsfläche.

Um das Bild auf solche durchsichtigen Flächen zu bekommen, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, wie die Forscher berichten: Man kann organische Leuchtdioden mit transparenter Elektronik kombinieren, das aber ist bisher noch im Forschungsstadium, zudem ist die Größe solcher Displays begrenzt. Unter anderem deshalb hat sich bisher vor allem die zweite Variante durchgesetzt: Das Bild wird einfach auf das Glas projiziert. Allerdings hat auch das Nachteile, denn oft ist das Bild noch ziemlich kontrastarm und schlecht aus schrägen Winkeln zu erkennen.

Optische Helfer im Nanoformat


Hsu und seine Kollegen haben daher nach einer Lösung gesucht, um transparente Displays für projizierte Bilder zu optimieren. Fündig wurden sie dabei im Reich der Nanoteilchen. Denn viele dieser winzigen Partikel haben einen extrem engen optischen Resonanzbereich, sie werfen Licht nur einer bestimmten Wellenlänge oder eines sehr engen Wellenbereichs zurück und lassen das Restlicht nahezu unverändert.


Das beschichtete Display wirft blaues Lcht einer bestimmten Wellenlänge fast komplett zurück, lässt weißes Licht aber durch.

Das beschichtete Display wirft blaues Lcht einer bestimmten Wellenlänge fast komplett zurück, lässt weißes Licht aber durch.

Theoretisch, so die Überlegung der Forscher, könnte man daher Glas mit einer Beschichtung überziehen, die solche Nanopartikel enthält. Projiziert man dann darauf ein Bild oder einen Text mit genau der Wellenlänge, die diese Teilchen reflektieren, dann müsste ein sehr viel besserer Kontrast zu erreichen sein als bei stärker streuenden Materialien wie Glas.

Nanosilber in dünner Kunststoff-Schicht


Den Praxistest ihrer Theorie haben die Forscher bereits durchgeführt: Dafür rührten sie Silberpartikel mit einem Durchmesser von rund 62 Nanometern in Wasser ein, so dass eine Lösung mit 0,01 Milligramm pro Liter Nanosilber entstand. Diese Lösung vermischten sie mit Polyvinyl-Alkohol, einem handelsüblichen, transparenten Polymer. Damit war die Beschichtungsmasse bereits komplett. Diese Flüssigkeit gossen die Forscher dann auf eine normale Glasscheibe und ließen das Ganze bei Raumtemperatur unter einem Abzug trocknen.

"Nach rund 40 Stunden erstarrt die Mischung zu einer rund 0,5 Millimeter dünnen transparenten Polymerschicht", berichten die Wissenschaftler. "Dieser transparente Dünnfilm ist unser eigentlicher Bildschirm." Die winzigen Nanosilber-Partikel reflektieren selektiv Licht der Wellenlänge von 458 Nanometern – das entspricht blauem Licht. Als die Forscher daher mit blauem Laserlicht Bilder und Muster auf die beschichtete Glasplatte projizierten, waren diese auf dem Display deutlich sichtbar – auch aus schrägen Blickwinkeln.

Das Bild war sogar kontraststärker als eine Vergleichsprojektion auf weißem Papier, wie Hsu und seine Kollegen berichten. Gleichzeitig blieb der Rest des Displays transparent genug, um problemlos hindurchsehen zu können. "Projizierten wir dagegen das gleiche Bild auf normales Glas, konnten wir es vor Streulicht kaum erkennen", so die Wissenschaftler.

Bunt, biegbar und leicht herzustellen


Nach Ansicht der Forscher zeigt dies, dass sich solche Nanopartikel-Beschichtungen sehr gut für transparente Displays eignen. Der Prototyp konnte zwar nur monochromatische – blaue – Inhalte darstellen. Aber kombiniere man drei verschiedene Sorten von Nanopartikeln, dann könne die Projektion auch für farbige Bilder optimiert werden, erklären die Wissenschaftler. So lassen sich beispielsweise durch Siliziumpartikel mit einer jeweils unterschiedlich dicken Silberhülle die drei Bildschirm-Grundfarben rot, blau grün erzeugen.

Verzichtet man auf das Glas und nutzt nur eine etwas dickere Polymerfolie, dann können auf diese Weise sogar flexible und aufrollbare Displays produziert werden. Künftig könnten solche Nanopartikel-Beschichtungen beispielsweise auf Windschutzscheiben von Autos oder der Verglasung von Flugzeug-Cockpits eingesetzt werden. Ein kleiner Laserprojektor im Armaturenbrett würde dann ausreichen, um weitaus schärfere Head-Up-Darstellungen zu bekommen als bisher.

Und noch einen entscheidende Vorteil habe diese Technologie: sie sei sehr wirtschaftlich, betonen Hsu und seine Kollegen. Denn das Polymer koste nicht viel und von den Silberpartikeln habe man im Experiment nur sieben Nanogramm pro Quadratzentimeter Display benötigt. (Nature Communications, 2014, doi: 10.1038/ncomms4152)
(Nature / MIT, 22.01.2014 - NPO)
 
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