Flüssigkristallbildschirm

523 Samsung 82inch 500x317px.jpg-LCD der Firma Samsung]]

Ein Flüssigkristallbildschirm (englisch liquid crystal display, kurz LCD), ist ein Bildschirm, bei dem spezielle Flüssigkristalle zur Bilddarstellung genutzt werden, die die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen können. Die meistens als TFT-Bildschirm bezeichneten Geräte stellen die zurzeit dominante Flachbildschirm-Technologie dar.

Geschichte

Schon 1904 veröffentlicht Otto Lehmann sein Hauptwerk Flüssige Kristalle. Im Jahre 1911 beschreibt Charles Mauguin die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen. 1936 patentiert die Marconi Wireless Telegraph Company die erste praktische Anwendung der Technologie, das Flüssigkristall-Lichtventil. 1962 erscheint die erste wichtige englischsprachige Publikation über „Molekulare Struktur und Eigenschaften von Flüssigkristallen“ (Original: Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals) von Dr. George W. Gray.

Pionierarbeiten über Flüssigkristalle wurden in den späten 1960er Jahren vom britischen Radar Research Establishment in Malvern geleistet. Das dortige Team unterstützte die fortschreitenden Arbeiten von George Gray, der mit seinem Team an der Universität Hull in Kingston upon Hull (England) schließlich das Cyanobiphenyl-Flüssigkristall entdeckte, das die Anforderungen bezüglich Stabilität und Temperaturverhalten für LCDs erfüllte.

Das erste funktionierende LCD basierte auf dem dynamischen Streumodus (Dynamic scattering mode) und wurde 1968 in den USA von einer Gruppe bei der Radio Corporation of America (RCA) unter der Leitung von George H. Heilmeier eingeführt. Heilmeier gründete die Firma Optel, die einige LCDs nach diesem Prinzip entwickelte.

James Fergason von der Kent State Universität (USA) entdeckte 1969 den twisted nematic field effect in Flüssigkristallen und stellte 1971 in seiner Firma ILIXCO, die heute (2005) LXD Incorporated heißt, die ersten LCDs mit dieser Technologie her. Sie ersetzten schnell die qualitativ schlechteren DSM-Typen.

Anzeigetypen

Schadt-Helfrich-Zelle.png

Die einfache Flüssigkristall-Zelle

Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch Eigenschaften von Festkörpern aufweisen.

Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement besteht aus der „Schadt-Helfrich-Zelle“: Die Innenseiten zweier Glasplatten sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Die Moleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche.
Außerdem sind die äußeren beiden Platten mit um 90 Grad zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet. Auf der Rückseite befindet sich ein Spiegel (besser Reflektor oder Transflektor), der das einfallende Licht zurückwirft. (Je nach Einsatzgebiet kann das Display anstelle des Spiegels eine weiße Hintergrundbeleuchtung haben.)
Daraus ergibt sich, dass die Flüssigkristalle schraubenförmig angeordnet sind; bei einer um 90 Grad gedrehten Schraube (auch Verdrillwinkel von 90 Grad genannt) spricht man von TN = Twisted Nematic (engl.: twisted = verdreht).

Einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in die Flüssigkeit polarisiert. Durch die Verdrillung der Molekülflächen folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Licht den gegenübergesetzten Filter passieren kann und die Zelle hell erscheint. Im Ruhezustand ist das Display durchsichtig; diese Anordnung wird auch Normally-White-Mode genannt.
Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden an, so tritt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes eine Drehung der Moleküle ein, sodass sie sich senkrecht zu den Elektrodenoberflächen ausrichten. Die Verdrillung ist damit aufgehoben, die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr geändert, und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren.
Die Funktion ist auch umkehrbar: Ordnet man die Polarisationsfilter parallel an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und mit Spannung hell. Man spricht vom Normally-Black-Mode, der wegen des geringeren Kontrastes jedoch selten verwendet wird.

Die Schadt-Helfrich-Zelle ist ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Display kann theoretisch aus beliebig vielen solcher Zellen bestehen. Beim Taschenrechner stellt eine 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem TFT-Monitor werden pro Pixel drei Zellen verwendet.

Weiterentwicklungen

Bei STN-Displays (Super-Twisted-Nematic) wird der Verdrillwinkel der Moleküle auf 180 bis 270 Grad erhöht. Dadurch kann ein höherer Kontrast als bei herkömmlichen TN-Displays erreicht werden. Man nennt diese Displays auch Blue-Mode-LCDs, weil durch den Dichroismus Farbverschiebungen auftreten: Weiß wird dabei rötlich bis orange, und Schwarz nimmt eine Blau- bis Cyanfärbung an. Im Gegensatz zum typischen Kontrastverhältnis der einfachen TN-Zelle mit 3:1 weist ein STN-Display Werte um ca. 7:1 auf. Das bedeutet, dass ein angeschalteter Bildpunkt siebenmal so hell ist wie ein abgeschalteter. STN-Displays "leben" vom Farbkontrast (Delta E*), also nicht vom Helligkeitskontrast.

Die Schwarz-Weiß-Darstellung auf dem Passiv-Matrix-Display zu erreichen ist mit mehreren Methoden versucht worden: Guest-Host-Technik, OMI-Verfahren von Martin Schadt („Optical Mode Interference“) und die Double-Super-Twist-Technik. Durchgesetzt hat sich letztere als DSTN-Technik.

Das Aufbauprinzip dieser DSTN-Zelle ist im Bild zu erkennen. Es liegen nun zwei STN-Schichten vor. In der aktiven Zelle - das ist diejenige, an die ein elektrisches Feld gelegt werden kann - ist der flüssige Kristall um 240 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Die passive Zelle enthält ebenfalls nematisches Material, das hier aber um 240 Grad mit dem Uhrzeigersinn gedreht vorliegt. Beide Zellen sind so zueinander gedreht, so dass die Orientierung der Stäbchen an der Eingangsseite senkrecht zu der an der Ausgangsseite ist. Die Polarisationsfolien sind ebenfalls um 90 Grad gegeneinander gedreht.

Dstn1.png

In der konventionellen TN- oder STN-Zelle erhält man nach dem Durchgang linear polarisierten Lichtes genau betrachtet nicht einfach linear polarisiertes Licht mit verdrehter Schwingungsebene, sondern elliptisch (oder zirkular) polarisiertes Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors beschreibt eine Ellipse oder einen Kreis. Solches Licht geht durch den Polarisator hindurch, wobei die durch den Dichroismus bewirkte Farbaufspaltung - abhängig von der Polarisation und der Folienorientierung am Strahlaustritt - zu farbigem Licht führt.

Dstn2.png

Im Bild ist die Arbeitsweise von DSTN-LCDs zu verstehen: Weißes Licht fällt auf den hinteren Polarisator; (im Bild unten) und wird dort linear polarisiert. Dann gelangt es in die aktive STN-Zelle, die - ohne Feld - nun zirkular polarisiertes Licht daraus erzeugt. Dieses Licht ist - wie bei der herkömmlichen STN-Zelle - durch Dichroismus verändert. Der Weg durch die anschließende passive Zelle (die das gleiche Flüssigkristall-Material enthält wie die erste - aktive - Zelle, aber in entgegengesetzter Richtung verdreht) führt zur Kompensation der Farbaufspaltung (Die Phasendifferenz wird gleich Null). Als Ergebnis liegt linear polarisiertes Licht vor, das die gleiche Schwingungsebene aufweist wie zuvor nach dem Passieren der hinteren Polarisationsfolie. Weil aber der vordere Polarisator um 90 Grad verdreht ist, lässt er kein Licht durch: Der Bildschirm ist an dieser Stelle schwarz.

Liegt an der aktiven Zelle ein elektrisches Feld an, dann geht das linear polarisierte Licht aus dem hinteren Polarisator dort glatt hindurch, ohne verändert zu werden. Erst in der passiven Zelle erfolgt nun zirkulare Polarisation. Weil aber zirkular polarisiertes Licht von Polarisatoren nicht zurückgehalten wird, ist der Bildschirm an dieser Stelle hell. Durch genaues Justieren sowohl des verwendeten Materials als auch der Zellenabmessungen wird das durchgelassene Licht weiß.

Auf diese Weise wurden Displays realisiert, die ein sauberes Schwarz/Weiß mit einem Kontrastverhältnis von bis zu 15:1 bieten.

Der komplexe Aufbau einer DSTN-Flüssigkristallzelle bedingt einen relativ hohen Aufwand bei ihrer Herstellung. Es wurde deshalb ein neues Verfahren entwickelt, das zu flacheren Displays mit geringerem Gewicht führt. Diese neue Lösung trägt den Namen Triple Supertwisted Nematic LCD (TSTN). Das nächste Bild zeigt das Aufbauprinzip eines solchen TSTN-Displays.

TSTN-LiquidCrystal.svg

Hier findet sich nur eine TSTN-LC-Zelle. Die Farbstörungen der normalen STN-Technik werden durch zwei spezielle Folien ausgeglichen, die vor und hinter der Zelle - zwischen Polarisator und Glas - angebracht sind. Diese Folien sind verantwortlich für einen weiteren Namen dieser Technik: FST, was bedeutet "Film-Supertwisted" (gelegentlich bezeichnet man Displays, in denen nur eine Kompensationsfolie verwendet wird, als FST-, solche mit zwei oder mehr Folien als TST-LCDs; ebenfalls geläufig ist die Bezeichnung FSTN für Film-STN). Der erheblich verbesserte Kontrast (bis zu 18:1), das geringere Gewicht, die flachere und weniger aufwendige Bauweise haben TSTN-LC-Displays zum Durchbruch verholfen. Im Notebook-Computern wurden solche Display als VGA-Bildschirm erstmals realisiert.

Eine weitere interessante Perspektive liegt in 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"), was zu geringerem Aufwand in der Steuerelektronik führte. Ein weiterer Vorteil ist der zu erwartende stark verbesserte Kontrast.

Bei LC-Displays können Aktiv-Matrix-Displays und Passiv-Matrix-Displays unterschieden werden. Die älteren Passiv-Matrix-Displays werden lediglich mit den beiden oben erwähnten Elektroden angesteuert, das heißt, es findet keine elektrische Ladungsspeicherung statt. Daher kehren die Moleküle des Flüssigkristalls mit der Zeit wieder in ihren Ursprungszustand zurück, und die TN-Zelle muss in regelmäßigen Zeitabständen erneut angesteuert werden. Bei Displays mit einer hohen Anzahl von Zellen erfolgt deshalb eine elektrische Ladungsspeicherung über einen zusätzlichen Kondensator in jeder Zelle. Zur direkten Ansteuerung eines jeden Kondensators existiert daher in jeder Zelle ein Transistor (ein so genannter Thin-Film-Transistor TFT), der die angelegte Spannung auf den gerade angesprochenen Kondensator durchschaltet. Da bei dieser Anordnung jede Zelle des Displays ein aktives Bauelement enthält, werden diese Displays als Aktiv-Matrix-Displays bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe des Kondensators größere Ladungen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können, steigt die mittlere Leuchtdichte einer Zelle und damit der Kontrast des Displays.

Bei der IPS-(In Plane Switching-)Technologie befinden sich die Elektroden nebeneinander, in einer Ebene, parallel zur Displayoberfläche. Bei angelegter Spannung drehen sich die Moleküle in der Bildschirmebene, die für TN-Displays typische Schraubenform entfällt. IPS verbessert die so genannte Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes.

Vor- und Nachteile

Die Vorteile der LCDs gegenüber der Kathodenstrahlröhre sind: geringerer Stromverbrauch °), Strahlungsfreiheit °°), absolut flimmerfreies, verzerrungsfreies, scharfes Bild, geringeres Gewicht sowie geringe Einbautiefe. Beliebt sind die Geräte auch bei Personen, die "Elektrosmog" minimieren möchten, da Flüssigkristallbildschirme im Gegensatz zu Kathodenstrahlmonitoren praktisch emmissionsfrei sind. Im Gegensatz zu Anzeigegeräten mit Kathodenstrahlröhre können Flüssigkristallbildschirme prinzipbedingt nicht durch naheliegende stromführende Leiter (die Oberleitung von Zügen und Straßenbahnen) beeinträchtigt werden.

Große Nachteile waren lange Zeit (bis zur Entwicklung des TFT) ein schwacher Kontrast, lange Schaltzeiten, und ungenaue Farbwiedergabe. Ein weiteres Problem war der geringe Betrachtungswinkel; neuere Techniken wie IPS schafften hier Abhilfe. Diese Nachteile existieren weiterhin, sind aber nicht mehr so gravierend wie früher.

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Außerdem muss bei der Herstellung die physikalische Bildauflösung festgelegt werden, die Verwendung einer anderen Auflösung kann zu Qualitätsverlusten führen. Ein TFT-Bildschirm liefert im Vergleich zu einem CRT-Bildschirm ein viel schärferes Bild - allerdings nur in seiner nativen Auflösung, während geringere Auflösungen, die interpoliert werden müssen, entsprechend verschwommener dargestellt werden. Prinzipbedingt wird die Hintergrundbeleuchtung meistens gefiltert, um die Grundfarben der Pixel herzustellen, wobei sich Helligkeit und Farbwiedergabequalität gegeneinander ausspielen. Die Farben eines TFTs erscheinen daher bei dem derzeitigen Stand der Technik weniger gesättigt als bei der CRT- oder Plasmabildschirmtechnologie. Darüber hinaus ist die Herstellung relativ teuer, da mit den bisherigen Verfahren viel Ausschuss anfällt.

Ein Röhrengerät liefert im Gegensatz zu TFTs auch bei relativ schlechtem Ausgangsmaterial noch ein gutes Bild. Ein Grund dafür, warum Röhrenfernseher in Tests immer wieder besser abschneiden als die allermeisten Flachbildschirme ist der bessere Schwarzwert. Nur einzelne Flach-Fernseher können nun mit Röhrengeräten mithalten HDTV Fernsehern muss PAL in die HDTV Auflösung hochgerechnet werden. Oft geht die Brillianz verloren, wie NTSC Standard in den PAL Standard hochgerechnet wurde. Die Bilder sind entweder leicht unscharf oder detailarm. Gesichter wirken zum Beispiel flächig und pixelig. Nur einzelne HDTV-Fernseher in der Preisklasse von 3000 - 4000 Euro bewältigen das Hochrechnen von PAL gut.[http://www.ard.de/ratgeber/multimedia/bild-ton/flachbild-lcd-plasma-fernseher/-/id=274512/nid=274512/did=370062/1bt785g/index.html" target="_blank" >^*.

Wenn nicht deutlich unter dem 3fachen der Diagonalen eines 16:9 TVs oder dem 3,5fachen der Diagonalen eines 4:3 TVs zugeschaut wird, ist HDTV weder schärfer noch detailreicher als PAL, da das Auge die höhere Auflösung nicht mehr sieht, wie in diesem Bildvergleich gesehen werden kann.

°) Berechnet man den durchschnittlichen Stromverbrauch auf die Displaygröße um, erhält man für CRTs, LCDs und Plasmas etwa den gleichen Wert von 450 bis 700 W/m². Bei normalen Bildern belegen dabei die LCDs die Spitzenplätze, weil bei dunkleren Bildern deren Stromverbrauch nicht abnimmt.

°°) LCDs strahlen keine Röntgenstrahlung und keine Magnetfelder ab. Bei elektrischen Feldern wird aber umso mehr abgestrahlt. In sicherheitsrelevanten Bereichen ist das störend, weil man die dargestellten Bilder einfacher als bei CRTs rekonstruieren kann.

Die Leuchtstoffröhren der Hintergrundbeleuchtung haben eine beschränkte Lebensdauer. Schon nach zwei bis drei Jahren intensiven Betriebs kann die Leuchtkraft deutlich nachlassen.

Schaltzeiten und Techniken

Die Reaktionszeit moderner LCDs liegt derzeit bei ≥8ms (schnellste Reaktionszeit liegt bei 1ms). Hierbei ist nach ISO 13406-2 die Zeit zur Änderung der Helligkeit eines Bildpixels von 10% bis 90% gemeint; wobei 0% und 100% die Farben Schwarz respektive Weiß referenzieren.
Aufgrund des asymptotischen Schaltverlaufs werden jedoch nach ISO 13406-2 Schaltzeiten von <3ms benötigt, um Schlierenbildung zu verhindern.

Formeln

{\tau}_{on} \approx \frac{\gamma d^2}{U^2 U_{th}^2}{;} \quad {\tau}_{off} \approx \frac{\gamma d^2}{U_{th}^2}

bei

{ U_{th} } = { \sqrt{ \frac{ k {\pi}^2 }{ \Delta \epsilon }} }

Hierbei ist $\gamma$ die Rotationsviskosität der Flüssigkristalle, die den Widerstand der Kristalle auf eine Formänderung ausdrücken; $d$ der Abstand zwischen den Glasplatten; und $k$ die Elastizitätskonstante, welche die Geschwindigkeit der Rückstellung der Kristalle in die ursprüngliche Form angibt.

Beispielsweise beschleunigt ein großes $k$ die Rückstellung der Kristalle in den Ausgangszustand, wirkt jedoch auch der Ausrichtung der Kristalle bei Anlegen einer Spannung entgegen.

Bewegungsunschärfe

Bei Hold-Type Displays wie LCDs, Plasma- und OLED-Displays bleibt der Zustand eines Pixels für etwa 12ms bestehen, bis die angelegte Spannung im Zuge des Bildaufbaus eines neuen Bildes geändert wird. Da das Auge die Helligkeit eines Bildpunktes über die Zeit integriert, ist einerseits die empfundene Helligkeit höher, andererseits kommt es aber auch zum scheinbaren Verwischen der beiden Pixelzustände. Dies fällt besonders bei der Darstellung schnell bewegter Szenen auf und wird deshalb auch als Bewegungsunschärfe (auch engl. motion blur) bezeichnet.

Ansätze zur Optimierung

Viskosität: Hauptsächlich versucht man der Bewegungsunschärfe entgegenzuwirken, indem man die Schaltzeiten der Displays weiter reduziert, vor allem über die Viskosität der eingesetzten Kristallflüssigkeit.

Überspannung: Bei der Overdrive-Technik wird die LCD-Zelle kurzzeitig eine Spannung angelegt, die höher ist, als dies zum eigentlichen Farbwechsel erforderlich wäre. Dadurch richten sich die Kristalle schneller aus. Dies funktioniert jedoch nicht bei der Rückstellung des Kristalls. Da eine negative Spannung die Zerstörung der Zelle zur Folge hätte, muss sich das Kristall passiv über die „natürliche“ Elastizität ausrichten. Zudem muss das nächste Bild zwischengespeichert werden. Diese Information wird zusammen mit an das jeweilige Display speziell angepassten Korrekturwerten verwendet, um die genaue Zeit berechnen zu können, zu der die Überspannung anliegen darf, ohne dass das jeweilige Pixel übersteuert wird.

Black Stripe Insertion: Um die Bewegungsunschärfe aufgrund der Erhaltungsdarstellung entgegenzuwirken können die Pixel bzw. das gesamte Display auch kurzzeitig dunkel geschaltet werden. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die Ansteuerung der Pixel deutlich schneller erfolgen muss und es zum Bildflimmern kommen kann und somit die effektive Bildhelligkeit sinkt. Daher sind hier Bildwiederholraten von mind. 85 Hz sowie eine um das Tastverhältnis Auszeit/Leuchtzeit hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich.

Blinking Backlight: Bei der Verwendung von LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von LCDs lässt sich diese Methode einfacher als Black Stripe Insertion realisieren, da hierbei nicht die Pixel schneller angesteuert werden müssen, sondern für Pixelbereiche bzw. das gesamte Display die Hintergrundbeleuchtung für den Bruchteil einer Vollbilddauer ausgeschaltet werden kann.

Scanning Backlight: Hierbei wird das LC-Display nicht mit weißem Licht, sondern nacheinander von roten, grünen und blauen Primärlichtern (häufig per LED) beleuchtet. Da bei LCDs mit zeitsequentieller Ansteuerung mit den Primärfarben keine helligkeitreduzierenden Farbfilter erforderlich sind und hohe Leuchtdichten vorhanden sind, lässt sich der Helligkeitsverlust durch die Sequenzabfolge leichter kompensieren. Zudem kann ein einzelnes Pixel alle Grundfarben anzeigen, anstatt das Pixel durch das Zusammenspiel von benachbarten Subpixeln zu interpolieren, wodurch die erzielbare Auflösung steigt.

Vorverzerrung (Inverse Filtering): Hierbei wird aus den Daten des aktuellen und nächsten Bildes die Integration des Auges aus dem jeweils nächstem Bild herausgerechnet. Dazu werden ebenfalls die genauen Schalteigenschaften des jeweiligen Paneltyps benötigt.

Einsatzmöglichkeiten

TFT_Bildpunkt.jpg

In einfachen Digitaluhren und Taschenrechnern werden LCDs schon länger verwendet, Bereiche, die wenig Platz und Strom kosten sollen. Verbreitung fanden sie über weitere tragbare Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks und ähnlichem.

Typische Auflösungen bei Computer-Flachbildschirmen sind 1024x768 (XGA = eXtended Graphics Array, 15"), 1280x1024 (SXGA = Super XGA, 17" oder 19"), 1400x1050 (SXGA+ = SXGA Plus, bei manchen Notebooks) oder 1600x1200 Pixel (UXGA = Ultra XGA, 21"). Das Seitenverhältnis beträgt normalerweise 4:3 (5:4 bei SXGA), bei Bildschirmen im Breitformat auch 15:9 oder 16:10.

In Zukunft werden die LC-Displays auch nach und nach die Kathodenstrahlröhre in deren Stammgebieten, wie den PC-Monitoren und Fernseher, verdrängen. Für PCs wurden 2003 bereits mehr LCDs als herkömmliche Röhrenmonitore (Kathodenstrahlröhre, engl. Cathode Ray Tube CRT) verkauft. ^*

Siehe auch

Weblinks

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