Displays

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Inhalte
ƒ Lcd
1. Aufbau eines LCD-Bildschirms
2. Wie entsteht nun ein Bild?
3. Was ist Polarisierung?
4. Die Mischung machts
5. Genau abgestimmt
6. LCD-Bildschirme im Einsatz
7. Die Ausrichtung:
horizontal oder vertikal
copyright 2007
1. Aufbau eines LCD-Bildschirms
Ein Flüssigkristallbildschirm (engl. liquid crystal display, kurz LCD), ist ein
Display, bei dem spezielle Flüssigkristalle genutzt werden: Wenn eine
Spannung an sie angelegt wird, richten sie sich in besonderer Weise aus
und können damit die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen.
Ein Pixel (Bildelement) besteht aus zwei Glasplatten, die auf der
Innenseite mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-ZinnOxidschicht, ITO) überzogen ist. Dazwischen befinden sich die
Flüssigkristalle, die schraubenförmig ausgerichtet sind. Auf den
Außenseiten der Glasplatten werden Polfilter aufgeklebt.
Die Flüssigkristalle eines LCD Displays lassen das Licht einer
Hintergrundbeleuchtung passieren oder blockieren es – je nach
Ausrichtung. (Merck)
Wenn sie parallel zueinander angeordnet sind, spricht man vom Normally
Black Mode: Im Normalzustand, d. h., wenn keine Spannung angelegt
ist, fällt kein Licht hindurch, der Bildschirm ist schwarz. Auf der Rückseite
sind Beleuchtungselemente (Kaltkathodenröhre, engl. cold cathode
fluorescent lamp, kurz: CCFL) angebracht. Um die Bildfläche gleichmäßig
auszuleuchten, sind i. d. R. mehrere horizontal angeordnete CCFL
angebracht. Auf der Vorderseite sorgen vor jedem Subpixel Farbfilter
dafür, dass aus dem bislang weißen Licht eine farbige Abbildung auf dem
Display entsteht. Bei einem LCD-Bildschirm wird also das Licht der
Hintergrundbeleuchtung selektiv für jedes einzelne Pixel ganz oder
teilweise durchgelassen und eingefärbt, wodurch das Bild aufgebaut wird.
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2. Wie entsteht nun ein Bild?
Einfallendes Licht wird vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht durch
einen Polarisationsfilter linear polarisiert. Bei einem LCD-Display wird der
Effekt ausgenutzt, dass polarisiertes Licht, das durch
Flüssigkristallmoleküle geht, in seiner Polarisationsebene gedreht wird.
Bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallzelle
orientieren sich die Flüssigkristallmoleküle parallel zum elektrischen Feld;
die Verdrillung der Flüssigkristalle wird damit zunehmend aufgehoben.
Die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr gedreht und damit
kann es den zweiten Polarisationsfilter passieren: Der Pixel wird hell. Dies
ist der „Normally Black Mode“, beim Normally White Mode fällt das
Licht im ausgeschalteten Zustand hindurch, das Pixel kann durch Anlegen
einer Spannung selektiv verdunkelt werden.
Je höher die Spannung, also je geordneter die Flüssigkristalle sind, desto
ungehinderter kann das Licht durchfallen: Der Punkt hat seine maximale
Helligkeit. So entstehen auch die Farben: Das Licht fällt in
unterschiedlicher Stärke durch drei Farbfilter in den RGB-Farben Rot,
Grün und Blau. Wenn alle drei Subpixel gleich hell sind, mischen sich die
drei Farben zu weißem Licht (Additive Farbmischung).
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3. Was ist Polarisierung?
Im täglichen Leben begegnen wir Polarisation überall, ohne es zu
merken. Schon wenn wir in den blauen Himmel schauen, sehen wir auch
polarisiertes Licht: Wird natürliches Licht von transparenten Medien
reflektiert – eben auch das Sonnenlicht, das an den Luftmolekülen
gestreut wird – so ist das reflektierte Licht teilweise polarisiert.
Wer schon einmal beim Fotografieren störende Reflektionen, wie etwa
von einer Windschutzscheibe oder vom gleißenden Licht des Meeres,
beobachtet hat, kennt die Vorzüge eines Polarisationsfilters. In der
richtigen Orientierung vor das Objektiv gebracht, beseitigt er die
Reflexionen.
Große Wirkung
Erstaunlich: Für das menschliche Auge ist kein Unterschied zwischen
polarisiertem und unpolarisiertem Licht sichtbar. Dennoch ist Polarisation
eine wichtige Eigenschaft, die entscheidend für die Funktion von vielen
vertrauten Gegenständen ist: Viele Sonnenbrillen sind mit einem Polfilter
zum Schutz vor unerwünschten Reflexionen ausgestattet, ebenso
kommen Polfilter in Kameras beim Fotografieren zum Einsatz. Bei LCDDisplays schließlich ist der Polarisationseffekt grundlegend für die
Technik, ohne den sie nicht möglich wären.
Polarisationsfilter können z.B. zur Verminderung von störenden Reflexen
in Sonnenbrillen eingesetzt werden. (Carl Zeiss)
Ein Polfilter lässt nur Licht eines bestimmten Schwingungszustands
passieren. Dadurch können bestimmte Lichtanteile unterdrückt werden.
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Was macht ein Polfilter?
Licht ist eine elektromagnetische Welle. Licht besteht normalerweise aus
zahllosen Wellenzügen, wobei das elektrische Feld transversal (quer zur
Längsachse, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) in unterschiedliche
Richtungen und auch mit unterschiedlicher Amplitude schwingen kann.
Derartiges Licht wird als unpolarisiert bezeichnet. Es entsteht durch
Überlagerung vieler verschiedener Wellenzüge.
Ein Polfilter kann nun das Licht polarisieren, indem andere
Polarisationsrichtungen herausgefiltert werden. Man unterscheidet
zwischen linearen und zirkularen Polarisationsfiltern, je nach Art der
Polarisation des ausfallenden Licht. Bei der linearen Polarisation schwingt
das elektrische Feld in nur genau einer Richtung, bei der zirkularen
Polarisation dreht sich das elektrische Feld kontinuierlich um seine
Ausbreitungsrichtung.
Störende Reflexe ade: Vergleich einer Kameraaufnahme mit und ohne
Polfilter (Florian Lindner)
Solche Filter kann man durch bestimmte Kristalle oder spezielle Folien
realisieren. In diesen Plastikfolien sind langgestreckte Moleküle enthalten,
die durch Spannen parallel gerichtet werden. Wenn zwei solcher Folien
mit parallelen Molekülachsen hintereinander geschaltet werden, so kann
das Licht ungehindert hindurchfallen. Dreht man die zweite Folie um 90
Grad gegenüber der ersten, wird das Licht nahezu ausgelöscht – es bleibt
also dunkel.
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4. Die Mischung machts
Flüssigkristalle verdanken ihren Namen der Tatsache, dass sie zwar
„flüssig“ sind, aber dennoch eine gewisse Ordnung hinsichtlich der
Ausrichtung der Moleküle besitzen. Dies geht also nur mit
asymmetrischen bzw. stäbchenförmigen Molekülen.
Ein Flüssigkristall unter polarisiertem Licht. Verschieden orientierte
Bereiche sind zu erkennen – für ein LCD-Display allerdings noch zu
chaotisch.
Ein Kristall ist durch streng periodisch angeordnete Atome oder Moleküle
gekennzeichnet. Ein Flüssigkristall besitzt hingegen ungeordnete, aber
relativ homogen ausgerichtete Moleküle und liegt damit irgendwo
zwischen einer Flüssigkeit und einem Kristall. Je nach Anordnung und
Symmetrie der Moleküle ergeben sich unterschiedliche Phasen.
Eine für die Displaytechnologie wichtige Phase heißt „nematische“
Phase: Hier sind die Moleküle des Flüssigkristalls zueinander weitgehend
parallel in einer Richtung angeordnet, sind aber gegeneinander
verschoben. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts wurde das besondere
Verhalten der Flüssigkristalle beobachtet, doch erst 100 Jahre später
gelang es, dieses durch entscheidende Weiterentwicklungen für einen
Displayeinsatz nutzbar zu machen. Dabei macht man sich die
ungleichmäßige Ladungsverteilung der Moleküle zunutze (Dipolmoment).
Dadurch kann ihre Orientierung durch ein elektrisches Feld beeinflusst
werden.
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5. Genau abgestimmt
Bislang gibt es keine flüssigkristalline Einzelsubstanz, die alle
Eigenschaften aufweist, die ein modernes Display erfordert. Zum Teil sind
die physikalischen Anforderungen sogar gegenläufig, daher werden zur
Optimierung verschiedene Einzelsubstanzen gemischt, in der Regel sind
es zehn bis zwanzig flüssigkristalline Einzelsubstanzen.
Jede Anwendung bringt dabei eigene Anforderungen an die
Displayeigenschaften mit sich. Für Notebook-Displays sind FlüssigkristallMischungen vorteilhaft, die mit nur niedrigen Schwellenspannungen
betrieben werden können. Dadurch kann die Ansteuerelektronik
verringert werden: Dies bedeutet wertvolle Platz- und Gewichtsersparnis.
Für kleine mobile Geräte wie PDAs, Game Boys und Digitalkameras ist
dazu noch der Energieverbrauch wichtig.
Der größte Energiebetrag wird von der Hinterleuchtung beansprucht. Die
Lösung sind Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung. Diese sind
erheblich sparsamer, aber immer noch auch teurer. Der Schwerpunkt der
LCD-Entwicklung bei Monitor- und Fernsehanwendungen liegt auf der
Bildqualität (Kontrast, Helligkeit), der Blickwinkelanhängigkeit und
insbesondere der Schaltzeit.
Ferroelektrische Flüssigkristalle
Eine interessante Perspektive ergibt sich aus der Entwicklung
ferroelektrischer Flüssigkristalle. Die sogenannten Ferroelektrika
haben die Eigenschaft, elektrische Felder sehr lange zu speichern.
Denkbar sind damit Displays, die ein einmal geladenes Bild über Wochen,
Monate oder Jahre ohne Wiederauffrischung zeigen. Erst ein Löschimpuls
lässt es dann verschwinden. Aber auch in den herkömmlichen
Anwendungen bieten ferroelektrische Flüssigkristalle Vorteile: Der
„refresh cycle“ zur Auffrischung der Bildpunkt-Felder müsste nicht so
häufig durchlaufen werden (die Felder werden nicht so schnell
„vergessen“) – der Aufwand in der Steuerelektronik kann reduziert
werden. Ein weiterer Vorteil ist der zu erwartende stark verbesserte
Kontrast.
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6. LCD-Bildschirme im Einsatz
Bei der LCD-Technik handelt es sich um eine ausgereifte Technologie, die
Einzug in viele Einsatzbereiche gefunden hat.
LCDs sind heute in vielen mobilen Geräten zu finden. OLEDs werden sich
aber immer mehrdurchsetzen. (Nokia)
Angefangen von Digitaluhren und Taschenrechnern, wo die einfarbigen
Displays ohne Hintergrund-Beleuchtung sich durch geringsten
Stromverbrauch und sehr hohe Lebensdauer auszeichnen, finden LCDs
überall dort Anwendung, wo ein langer wartungsfreier Betrieb erforderlich
ist. Verbreitung fanden LCDs über weitere tragbare oder batteriegespeiste
Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks, Uhren, Taschenrechnern etc.
Mit dem Einsatz der TFT-Technik und im Zuge verbesserter
Produktionstechniken hat man frühere Schwachpunkte wie
Kontrastumfang und Betrachtungswinkel gut in den Griff bekommen. Ein
Nachteil ist aber geblieben: die Hintergrundbeleuchtung. Zum einen muss
die Hintergrundbeleuchtung gefiltert werden, um die Grundfarben der
Pixel herzustellen. Jeder der Filter blockiert im eingeschalteten Zustand
etwa zwei Drittel des Lichts.
Und: Das Hintergrundlicht ist auch dann eingeschaltet, wenn der
Bildschirm schwarz ist. Die Farben eines LCDs sind daher weniger
gesättigt als bei CRTs oder bei Plasmabildschirmen. Zum anderen
bedeutet eine Hintergrundbeleuchtung natürlich einen höheren
Energiebedarf, hier kann jedoch der Einsatz mit sparsamen LED-Leuchten
in Zukunft deutliche Nutzwertverbesserungen erreichen.
Für die Hintergrund-Beleuchtung weit verbreitet: Kaltkathoden-Röhren
haben im Gegensatz zur Leuchtstofflampe unbeheizte Elektroden.
(Schott)
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7. Die Ausrichtung:
horizontal oder vertikal
Man unterscheidet zwischen verschiedenen LCD-Technologien: Die
einfachsten und am schnellsten schaltenden Panels sind die hier
beschriebenen „Twisted Nematic“ (TN+Film). Der Unterschied der
verschiedenen Technologien liegt in der Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle.
LCDs wachsen beständig: 40 Zoll und mehr sowie Aufslösungen von
1920x1080 Pixel sind momentan das Maß der Dinge.
Ein TN richtet die Moleküle unter Spannung senkrecht zum Substrat bzw.
zur Frontscheibe aus. Der Zusatz „Film“ bezeichnet einen den Kontrast
und Blickwinkel optimierenden Film, der die Fehlorientierung der Moleküle
am Rand der Zellen kompensiert.
IPS, das andere Prinzip, steht für „in plane switching“, d. h., die Moleküle
werden parallel bzw. horizontal zum Substrat ausgerichtet. Damit lässt
sich die Blickwinkelabhängigkeit reduzieren, allerdings auf Kosten der
Schaltgeschwindigkeit. Bei MVA-Panels (Multi-domain Vertical Alignment)
sind die Moleküle im Ruhezustand nahezu vertikal und im „an“-Zustand
horizontal ausgerichtet.
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