Hauptmenü
Home
Bauen
Essen & Trinken
Finanzen
Flora & Fauna
Gesundheit
Informationstechnologie
Kunst & Kultur
Politik / Geschichte
Sport & Freizeit
Technik
Transport und Verkehr
Wissenschaft
Google-Werbung
 
   
Home
Flüssigkristallbildschirm (LCD) Drucken E-Mail
Ein Flüssigkristallbildschirm oder eine Flüssigkristallanzeige (englisch liquid crystal display, LCD), ist ein Bildschirm oder eine Anzeige (englisch display), dessen Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird.

LCDs bestehen aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Helligkeit ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht, das mit einer Hintergrundbeleuchtung und Polarisationsfiltern erzeugt wird.

Soll ein Display beliebige Inhalte darstellen können, sind die Segmente in einem gleichmäßigen Raster angeordnet (siehe Pixel). Bei Geräten, die nur bestimmte Zeichen darstellen sollen, haben die Segmente oft eine speziell darauf abgestimmte Form, so insbesondere bei der Sieben-Segment-Anzeige zur Darstellung von Zahlen (siehe auch Matrixanzeige).

Eine Weiterentwicklung ist das Aktiv-Matrix-Display, das zur Ansteuerung eine Matrix von Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, TFT) enthält. Bei Flachbildschirmen ist diese Technik derzeit (Ende 2007) vorherrschend.

LCDs finden Verwendung an vielen elektronischen Geräten, etwa in der Unterhaltungselektronik, an Messgeräten, Mobiltelefonen, Digitaluhren und Taschenrechnern. Auch Head-Up-Displays und Videoprojektoren arbeiten mit dieser Technik.


Geschichte

Schon 1904 veröffentlichte Otto Lehmann sein Hauptwerk Flüssige Kristalle. Im Jahre 1911 beschrieb Charles Mauguin die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen. 1936 patentierte die American Marconi|Marconi Wireless Telegraph Company die erste praktische Anwendung der Technologie, das Flüssigkristall-Lichtventil. 1962 erschien die erste wichtige englischsprachige Publikation über Molekulare Struktur und Eigenschaften von Flüssigkristallen (Original: Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals) von George William 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 William Gray, der mit seinem Team an der Universität Hull in Kingston upon Hull (England) schließlich flüssigkristalline Cyanobiphenyl-Verbindungen synthetisierte, die die Anforderungen bezüglich Stabilität und Temperaturverhalten für LCDs erfüllte.

Das erste funktionierende LCD basierte auf dem dynamischen Streumodus (Dynamic scattering mode, DSM) 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.

Am 4. Dezember 1970 meldeten Martin Schadt und Wolfgang Helfrich, damals im Central Research Laboratory der Firma Hoffmann-LaRoche tätig, das erste Patent über die „nematische Drehzelle“ (TN-Zelle, Schadt-Helfrich-Zelle, twisted nematic field effect) in der Schweiz an [1]. In Deutschland wurde das Patent nicht erteilt, dafür aber in 21 anderen Ländern.

Am 22. April 1971 reichte James Fergason von der Kent State Universität (USA) in den USA seine Patentanmeldung über den twisted nematic field effect in Flüssigkristallen ein[2] und stellte 1971 in seiner Firma ILIXCO, die heute (2005) LXD Incorporated heißt, die ersten LCDs mit dieser Technologie her. Sie ersetzten schnell die schlechteren DSM-Typen.


Anzeigetypen
Einfache Flüssigkristall-Zellen (TN)

In Flüssigkristalldisplays verwendete Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch Eigenschaften von Festkörpern aufweisen. Sie sind einerseits mehr oder weniger fluide wie eine Flüssigkeit, andererseits zeigen sie Eigenschaften wie Doppelbrechung.

Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement lässt sich z. B. mit der Schadt-Helfrich-Zelle (nematische Drehzelle, engl. twisted nematic, TN-Zelle) realisieren: Die Innenseiten zweier Glasplatten (Substrate) sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, nämlich parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche. Die Vorzugsrichtungen der beiden Substratplatten sind um 90° zueinander verdreht. Bei der Herstellung handgefertigter Prototypen kann man zum Bürsten Polystyrolschaum oder mit samtartigen Textilien beschichtete Walzen benutzen.

Zusätzlich sind die beiden Substratplatten mit um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet. Auf der Rückseite dieser Anordnung kann sich ein Spiegel befinden (Reflektor oder Transflektor), der das einfallende Licht zurückwirft (reflektive Betriebsart). In der transmissiven Betriebsart befindet sich anstelle des Reflektors eine Beleuchtungseinheit hinter dem Anzeigeelement.

Aus den gegeneinander verschraubten Substratplatten ergibt sich eine schraubenförmige Struktur im Flüssigkristall; bei einer um 90° gedrehten Schraube spricht man von TN. Einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht linear polarisiert. Durch die Verdrillung der Moleküle folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes, wodurch das Licht den zweiten Polarisator passieren kann und die Zelle lichtdurchlässig (transparent) ist. Da das Display im Ruhezustand durchsichtig ist, wird diese Betriebsart als Normally-White-Mode bezeichnet. Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden an, so tritt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes eine Drehung der Flüssigkristallmoleküle ein, die sich parallel zum elektrischen Feld ausrichten. Die Verdrillung wird damit zunehmend aufgehoben, die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr gedreht und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren.

Ordnet man die Polarisationsfilter parallel zueinander an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und wird erst mit zunehmender Spannung transparent. Man spricht dann vom Normally-Black-Mode. Die Schadt-Helfrich-Zelle ist also (wie andere Flüssigkristallanzeigen auch) ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Bildschirm kann aus beliebig vielen solcher Zellen (Bildelemente, pixel) bestehen. Beim Taschenrechner stellt z. B. eine einfache 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem farbfähigen Bildschirm werden pro Bildelement (Pixel) drei Teilbildelemente (Subpixel) für die Grundfarben Rot, Grün und Blau verwendet.

 STN-Displays

Bei STN-Displays (Super-Twisted-Nematic) wird der Verdrillwinkel der Moleküle auf 180 bis 270 Grad erhöht. Dadurch kann eine steilere elektro-optische Kennlinie und so eine verbesserte Multiplexbarkeit als bei TN-Displays erreicht werden. Aufgrund verschiedener technischer Beschränkungen gelingt es nur mit einigem Aufwand (z.B. doppelte Zelle = DSTN Zelle, Kompensation mit doppelbrechenden Verzögerungsfolien – retarder sheets) die Darstellung farbneutral zu gestalten (also nur Graustufen zwischen Schwarz und Weiß zu erzeugen). Statt dessen sind die Hellzustände gelblich und die Dunkelzustände fallen bläulich aus. Der visuelle Eindruck von STN-Displays „lebt“ vom Farbkontrast (?E * ), also nicht vom Helligkeitskontrast (Leuchtdichtekontrast).


 DSTN

Mit mehreren Methoden ist versucht worden, eine Schwarz-Weiß-Darstellung auf dem Passiv-Matrix-Display zu erreichen: 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, dass die Orientierung der Stäbchen an der Eingangsseite senkrecht zu der an der Ausgangsseite ist. Die Polarisationsfolien sind ebenfalls um 90 Grad gegeneinander gedreht.


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.
Zur Funktion von DSTN-Zellen.

Im Bild ist die Arbeitsweise von DSTN-LCDs verdeutlicht: 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.

Vor- und Nachteile
Zu sehen sind die Subpixel und ein Subpixelfehler

Die Vorteile der LCDs gegenüber der Kathodenstrahlröhre (CRT) sind

    * geringere Leistungsaufnahme bei nicht hinterleuchteten Displays. Unabhängig vom Bildinhalt werden LC-Bildschirme über die gesamte Anzeigenfläche konstant beleuchtet. Trotz dieser prinzipiellen Schwäche ist die Lichtausbeute (englisch luminous efficacy) bei LCDs mit typisch 2 bis 4 lm/W noch immer etwa doppelt so hoch wie bei Plasmabildschirmen mit Filterscheibe (normaler Auslieferzustand).
    * Strahlungsarmut: LCDs strahlen keine Röntgenstrahlung und wenig Magnetfelder ab. Elektrische Felder werden abgestrahlt und enthalten ebenso wie bei CRTs die Bildinformation (sog. kompromittierende Abstrahlung, Problem Abhörsicherheit, s. Van-Eck-Phreaking).
    * absolut flimmerfreies, verzerrungsfreies, scharfes Bild
    * geringeres Gewicht sowie
    * geringe Einbautiefe.

Beliebt sind die Geräte auch bei Personen, die ihre Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern, vgl. Elektrosmog oder EMVU, minimieren möchten, da Flüssigkristallbildschirme gegenüber Kathodenstrahlmonitoren schwächere elektromagnetische Felder emittieren.

Im Gegensatz zu Anzeigegeräten mit Kathodenstrahlröhre werden Flüssigkristallbildschirme in der Praxis nicht durch Magnetfelder (z. B. Erdmagnetfeld, Magnetfeld von Oberleitungen und NMR-Geräten, Transformatoren oder Lautsprechern) beeinträchtigt.

Ein Problem war lange Zeit (mindestens bis zur Entwicklung von mit TFTs angesteuerten LCDs) der geringe Kontrast und die langen Schaltzeiten. Die Farbwiedergabe von LCDs (der darstellbare Farbraum, color gamut) kann durch Anpassung der Hinterleuchtung sogar extremen Anforderungen gerecht werden (extended gamut, multi-primary display, etc.). Allerdings können alle LC-Bildschirme im Gegensatz zu CRTs nur eine endliche Zahl an Farben darstellen. Die Zahl entspricht zwar bei den meisten modernen LCDs mit 224 dem, was die meisten Grafikkarten erzeugen können, bei analoger Datenübertragung können aber trotzdem zwei unterschiedliche Farben der Grafikkarte gleich dargestellt werden. Außerdem können manche Grafikkarten auch mehr Farben erzeugen, was jedoch selten genutzt wird. Ein weiteres Problem war der eingeschränkte Bereich von Betrachtungsrichtungen mit konstantem Kontrast und gleichbleibendem Farbeindruck; neuere Techniken wie In-Plane-Switching (IPS), Multi-domain Vertical Alignment (MVA) und Patterned Vertical Alignment (PVA) sowie die Anwendung von doppelbrechenden Kompensationsfolien (retarder sheets) schafften hier Abhilfe. Diese Nachteile existieren weiterhin, sind aber bei weitem nicht mehr so gravierend wie früher. Da jeder Pixel eine eigene kleine Einheit darstellt, kommt es produktionsbedingt zu vereinzelten Fehlern (Pixelfehler): Pixel, die durchgängig nur in einer Farbe leuchten oder die vorgegebene Farbe fehlerhaft wiedergeben. Je nach Anzahl der fehlerhaften Pixel werden die Displays in verschiedene Fehlerklassen eingestuft, die dann auch verschiedene Preisklassen bedeuten.

Bei der Herstellung wird die physikalische Bildauflösung festgelegt, die Ansteuerung mit einem Signal anderer Auflösung kann zu Qualitätsverlusten führen. Ein TFT-basierter LC-Bildschirm liefert im Vergleich zu einem CRT-Bildschirm ein viel schärferes Bild – allerdings nur in seiner konstruktionsbedingten physikalischen Auflösung. Signale geringerer Auflösung müssen interpoliert werden und erscheinen verschwommen. Alternativ lässt sich das Bild auch mit schwarzen Rändern zentriert in voller Schärfe darstellen (bei digitalem Anschluss lässt sich das üblicherweise im Grafikkartentreiber einstellen).

Die Hintergrundbeleuchtung (durch sog. Kaltkathodenröhren) wird gefiltert, um die Grundfarben der Pixel (z. B. rot, grün und blau) zu gewinnen. Dabei muss ein Kompromiss zwischen Helligkeit und Farbwiedergabequalität gefunden werden. Die Farben von LCDs sind aber keineswegs weniger gesättigt als bei der CRT- oder Plasmabildschirmtechnologie.

Ein Grund dafür, warum Röhrenmonitore (CRT) in Tests oft besser abschneiden als Flachbildschirme ist keinesfalls der bessere Schwarzwert im Dunkelraum bzw. der Kontrast zu den hellen Bildstellen wenn kein Umgebungslicht auf den Bildschirm fällt, sondern die bessere Wiedergabe von bewegten Bildinhalten (siehe unten).

Die Leuchtstoffröhren der Hintergrundbeleuchtung haben eine begrenzte Lebensdauer (100.000 Stunden). Allerdings lässt auch die Helligkeit von Röhrenmonitoren im Laufe des Betriebs nach.
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Flüssigkristallbildschirm aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
< zurück   weiter >
Aktuelle IT News