Flüssigkristall-Displays Copyright © by V. Miszalok, last update: 2009-07-12
Let me know what you think	Kurze Geschichte der LCDs Prinzip der LCDs Nematische Zellen, Multiplexschaltung Thin Film Transistor TFT Licht und Farbe Formate Technologische Grenzen

Kurze Geschichte der LCDs

1888 Entdeckung der Flüssigkristalle
1963 Entdeckung, dass man die Lichtdurchlässigkeit von Flüssigkristallen elektrisch schalten kann
1967 erstes Labor-LCD
1973 Serienfertigung durch Sharp in Osaka.
2007 weltweite Produktion: 400 Mio LCD Displays mit insgesamt 53 Quadratkilometern, davon 40% für Monitore, 30% für Notebooks, 25% für TV.
2007 Marktanteile: 22% AU Optronics, 21% Samsung, 20% LG, 10% Chi Mei Optoelectronics, 8% Sharp.

Ein modernes Display benötigt ca. 0,3 Gramm Flüssigkristalle. Den jährlichen Weltbedarf von ca.100 Tonnen Kristallen deckt die Firma Merck Darmstadt, die ca. 2500 Patente über LC-Mischungen hält. Chefentwickler bei Merck ist Kazuaki Tarumi (genannt "der Herr der LCs"), Träger des Deutschen Zukunftspreises 2003.

Prinzip der LCDs

1. Ein gerillter Polarisationsfilter sperrt jedes Licht, das nicht in Rillenrichtung polarisiert ist.
2. Zwei parallele, um 90 Grad gegeneinander gedrehte gerillte Polarisationsfilter sperren jedes Licht.
3. Füllt man den Zwischenraum zwischen den parallelen Filtern mit Cholesterin-basierten Stäbchenmolekülen, so lagern sich diese parallel zu den Filterrillen an. Im Flüssigkeitsraum in der Mitte zwischen beiden Filtern haben die Moleküle 45 Grad. Insgesamt füllen sie den Zwischenraum in Form von spontan sich bildenden "Wendeltreppen" oder "verdrehten Strickleitern". Diese Molekülanordnung ist in der Lage, die Polarisationsrichtung von Licht in kleinen Schritten um 90 ( auch um 180, 270 etc. ) Grad zu drehen. Das gedrehte Licht kann den Austrittsfilter verlassen. Die Transparenz ist schlecht (ca. 4-8%), aber sie ist vorhanden. Rückseitig beleuchtete Displays sind im spannungslosen Zustand hell.
4. Legt man eine genügend hohe elektrische Spannung an, dann richten sich die Stäbchenmoleküle entlang der Feldlinien geordnet aus und verlieren damit ihre natürliche Wendeltreppenordnung und damit die Fähigkeit, Licht zu drehen. Wo solche Felder herrschen, sind LC-Displays schwarz.
Zusammenfassung: Der Flüssigkristall eines LC-Displays dient als Lichtventil, das im Normalfall (ohne äußeres Feld) geöffnet ist. Mit steigender Spannung schließt sich das Ventil und das Pixel wird dunkel.

Wichtig:
Abgeschaltete Notebook-Diplays sind durchsichtig obwohl sie schwarz sind !
Sie sind aber nur deshalb schwarz, weil die Hintergrundbeleuchtung = Backlight ausgeschaltet ist !
Wenn Die Ihr LCD testen wollen, müssen sie das LCD-Backlight einschalten und ein schwarzes Bild laden.
Vergrößern Sie dessen Fenster auf maximale Größe (schirmfüllend) und kontrollieren Sie, ob auch wirklich alle Pixel dunkel sind.
Hoffentlich müssen Sie nicht einige helle Pixel entdecken.
Ist das der Fall, dann sind diese Pixel defekt und ihr LCD ist nicht Handelsklasse A.

Spontaner Zustand ohne externe Spannung	Zustand nach Anlegen einer externen Spannung
A: Unpolarisiertes Backlight B: polarisiertes Licht mit 0 Grad Polarisation C: polarisiertes Licht mit 90 Grad Polarisation D: Polarisationsfilter mit Rillen	Die Stäbchenmoleküle verlieren ihre Anordnung in Wendeltreppen und orientieren sich parallel zum elektrischen Feld.

Ventil offen	Ventil geschlossen
		Images from the article of T. Kaltenbach

Nematische Zellen, Multiplexschaltung

Der Flüssigkeitsraum zwischen den Polarisationsfiltern ist durch ein Kunststoffgitter matrixförmig unterteilt in Spalten und Zeilen. Die rechteckigen Kompartimente nennt man "nematische Zellen". Sie bilden die physikalischen Pixel des Displays.
Hinter jeder Spalte befindet sich ein vertikaler Draht, vor jeder Zeile ein horizontaler Draht. An jedem Kreuzungspunkt befindet sich eine nematische Zelle mit der Möglichkeit für ein elektrisches Feld.
Die Signalzuführung geschieht durch eine Multiplexschaltung. Je ein Spaltentreiber oben und untern (für die vertikalen Drähte) und je ein Zeilentreiber links und rechts (für die horizontalen Drähte) setzt die erste Zeile unter Spannung, anschließend alle Spalten, wo die Pixel der 1. Zeile dunkel werden sollen.
Dann fällt die Spannung der 1. Zeile auf Null und die 2. Zeile bekommt Spannung, dann wieder alle Spalten, usw. bis zur letzten Zeile.
Bei einem Refresh von T und einer Zeilenzahl von N ergibt sich eine Schaltzeit von 1/(T*N) [sec] pro Pixel.
Je kürzer die Schaltzeit pro Pixel umso höher muss man die Spannung wählen, um die Wendeltreppen zu zerstören. Elektrische Felder entstehen aber nicht nur an den Kreuzungsstellen der Drähte, sondern auch entlang des gesamten Drahtverlaufes. Bei maximaler Spannung an einer Zelle werden deshalb alle Zellen in der Zeile und in der Spalte merklich dunkler. Dieser Effekt heißt Übersprechen (Cross Talk). Um Cross Talk zu vermeiden, darf man nur niedrige Spannungen anlegen. Dieser Zwang vermindert aber den erreichbaren Lichtsperreffekt und damit den Kontrast. Moderne monochrome LCDs bieten guten Kontrast bei geringem Übersprechen durch hoch optimiertes optisch-elektrischem Design der Zellen. Diese Technologien heißen Super Twisted Nematic LCD-STN und Double Super Twisted Nematic LCD-DSTN. STN und DSTN können aber nur 200 bis 300 Zeilen haben, weil sonst die Schaltzeiten in einer Zeile zu kurz werden, um die Ventile richtig zu schließen.
Diese Technik genügt für kleine Displays (z.B. Autoradio, MP3-Player, Handy) aber nicht für ein höherzeiliges LC-Display eines Notebooks. Es gibt den Ausweg, mehrere kleine Displays kachelförmig so anzuordnen, dass der Eindruck eines großen Displays entsteht. Nachteil: Man sieht die Fugen.
Konsequenz: Vielzeilige LCDs sind unmöglich ohne eine grundlegende Änderung der Passive Matrix Multiplexansteuerung.

Thin Film Transistor TFT = Active Matrix

Dünn-Film-Transistor-Technik:
An jeder Kreuzungsstelle des Multiplexgitters baut man einen Feldeffekttransistor ein, der auf einen Schaltimpuls hin lokal ein elektrisches Feld erzeugt, diese beliebig lange hält bis er es auf einen weiteren Steuerimpuls hin wieder abbaut (wie ein dynamisches RAM).
Die Transistoren dürfen den Lichtdurchfall nur wenig beeinträchtigen und werden deshalb auf dünne, durchsichtige Halbleiterscheiben (die Bildschirmgröße haben) geätzt = Thin Film Transistor TFT. Man nennt LCDs mit solchen TFT-Spannungszuführungen Active Matrix LCDs = AMLCD, was aber keinesfalls bedeutet, dass diese AMLCDs aktiv leuchten. Sie brauchen wie alle LCDs durchfallendes Fremdlicht. Der Begriff "Active" bezieht sich hier nur auf die Spannungsversorgung der Zellen, die eben bei Farb-LCDs durch aktive TFT-Bauelemente (= großflächige Dünnschicht-Halbleiter) geschieht.
Die Produktion der (mehrere hundert Quadratzentimeter großen) TFT-Halbleiterscheiben ist teuer. Die Ausschussraten sind hoch.

Licht und Farbe

LCDs leuchten nicht von selbst, sie brauchen fremdes Licht aus dem Hintergrund. Es gibt vier Beleuchtungs-Methoden:

1	Helles Tageslicht reicht aus, ein LCD abzulesen. Man klebt hinter das hintere polarisierende Glas eine Spiegelfolie. Das Tageslicht muss also den Display zwei mal durchqueren: einmal von vorne nach hinten, dort wird es an der Spiegelfolie reflektiert und dann von hinten nach vorne. Vorteile: Sonnenlicht ist kostenlos und braucht keinen Akku. Nachteile: Keine Farbe, nur dunkel oder hell, Nachts nicht ablesbar. Beispiel: Digitale Armbanduhr
2	Homogenes künstliches Weißlicht hinter dem LCD erzeugt man 2.1) durch Kaltkathoden-Leuchtstoffröhren = Cold Cathode Fluorescence Light = CCFL (billig aber Strom-fressend) oder 2.2) durch blaue Leuchtdioden hinter einer gelb fluoreszierenden Folie = Pseudo-White-LED-Backlight (Strom-sparend, dünne Bauform möglich, aber teuer) oder 2.3) durch RGB-Leuchtdioden-Tripel (die zusammen weiß ergeben) → satte Farben. In jedem Fall muss das Weißlicht so stark sein, dass man genügend kräftige drei Grundfarben durch Filterfolien (je eine pro Spalte) extrahieren kann. LCD-TFT-Farbdisplays haben dreimal so viele Pixel wie Monochrom-LCDs. Vor den Spalten befinden sich abwechselnd dünne rote, grüne und blaue Filterfolien. Die Pixel haben Hochformat und der Betrachter fusioniert optisch drei verschiedenfarbige Pixel zu einem additiven Farbeindruck wie bei den Phosphortripeln der ShadowMaskColorCRTs. Das bedeutet, dass ein Farb-LCD mit der Resolution 1024x768=786.432 eine Zellenzahl von 3x1024x768=2.359.296 ansteuern muss, was definitiv ohne TFT-Technik unmöglich ist. Durch die Filter sinkt die Lichtausbeute weiter ab. Nur 4-10% der von der Rückseite eingestrahlten Lichtenergie verlässt die Vorderseite des Displays. 96-90% der Energie heizt als Verlustwärme das Display auf und muss aufwendig abgeführt werden. Mit Mikrolinsen (siehe unten) kann man die Energiebilanz und den Kontrast etwas verbessern. Vorteile: LCD leuchtet scheinbar selbst. Nachteil: hoher Energieverbrauch, Akkugeräte müssen zeitig in einen Stromsparbetrieb = Dimmung umschalten. Beispiele: Handy, Notebook etc.
3	RGB-Leuchtdioden Farborgel ist eine Leuchtfläche, die eine Mischung aus roten, grünen und blauen LEDs trägt. Man erzeugt schnell hintereinander (3-fache Refresh-Frequenz) zuerst reines Rot, dann reines Grün, dann reines Blau (Field-Sequential-Technik). Vorteile: hohe Ortsauflösung, da jedes Pixel abwechselnd alle drei Grundfarben emittiert, keine Filterfolien notwendig, viel bessere Lichtausbeute, bessere Energiebilanz, großer Farbumfang, satte Farben. Nachteile: Flickergefahr, geht nur mit sehr flinken OCB-Flüssigkristallen, teuer. Beispiele: High-End Notebook
4	Leuchtdioden = Backlight LED mit per Bildinhalt gesteuerter Helligkeit = 0D, 1D, 2D, 2D-Local-Dimming Problem: Helles Licht hinter dunklen Bildern ist Verschwendung, weil die LCD-Lichtventile das Licht sperren. Grundidee: Grobkörniges LED-Bild einem feinkörnigen LCD-Bild hinterlegen und dabei die LEDs in dunklen Bildteilen dimmen und kompensatorisch die darüberliegenden LCD-Lichtventile immer möglichst weit offen halten (Bild hinter dem Bild). - 0D-Dimming = gleichmäßig über die gesamte Fläche. Nachteil: Das hellste Pixel bestimmt alle anderen. - 1D-Dimming = zeilenweise. Jede Zeile bekommt dynamisch so viel Licht, wie ihr hellstes gerade Pixel verlangt. - 2D-Dimming = kachelförmig. Die Beleuchtung wird selbst zur (groben) Rastergraphik. - 2D-Farbdimming = mit farbigen Kacheln. Ein Spezialprozessor im Display berechnet bei für jede Kachel drei Histogramme R+G+B und steuert die RGB-LEDs jeder Kachel. Energieeinsparung 60% verglichen mit konstanter Beleuchtung. Link: Jans, den Breejen, Le Berre in Elektronik 17/2008 Displayed Image 1D-Dimming 2D-Dimming

Rückwärtige Mikrolinsen lenken das Licht an den undurchsichtigen Transistoren vorbei. Active-matrix LCDs have a tiny transistor above each cell that turns the electrical field on and off. The transistors are opaque and prevent a portion of light from passing, thus reducing brightness. Tiny lenses behind each cell gather the light and steer it through the cell opening, avoiding the transistor. The result is a brighter image. Both pictures show the light coming from the rear. Picture from PC Magazine 2/2000

Formate

Die üblichen 22- und 19-Zoll Monitore werden zunehmend ersetzt durch 22,5- und 18,5- Zoll Monitore im 16:9 oder 16:10 Wide Format, wie es bei TV üblich ist. Auch die Auflösung wird der TV-Welt angeglichen: 1920x1080 oder 1366x768 Pixel. Der Grund ist, dass die auf 16:9-Formate optimierten Panelfabriken mit der Produktion von Fernsehern nicht ausgelastet sind und zusätzlich Monitore produzieren.
Fernseher mit dem Logo "HD ready 1080p" lassen sich prima am PC betreiben, wenn dessen Graphikkarte einen HDMI-Ausgang hat.
Der neue Graphikkartenausgang namens "Display Port" ist in diesem Trend überflüssig und störend, weil HDMI bereits die ideale Brücke zwischen Graphikkarte
und Fernsher ist.
Bisher waren Monitore im 16:9-Format unüblich, weil die Video Electronic Standard Organisation VESA nur Auflösungen definiert hat, die durch 8 teilbar waren, was bei den TV-Formaten nicht der Fall ist.

Full-HD-TVs (1920x1080) verbessern die Bewegtbilddarstellung durch Zwischenbilder im 100 Hz-Takt, die durch einen integrierten Bewegungsvorhersage und Bewegungskompensations-Rechner künstlich erzeugt werden: Motion Compensation, was das Gerät um 300 bis 600 € verteuert. Für Monitore kommt diese Technik nicht in Fage, denn sie führt zu deutlichen Verzögerungen zwischen Graphikkarte und Bildausgabe, was bei schnellen Mausbewegungen und schnellen Spielen stört.

Technologische Grenzen

1. schlechter Kontrast: Maximaler Unterschied zwischen hell und dunkel ist 1:20, oft nur 1:5.
2. schlechte Ablesbarkeit bei seitlicher Betrachtung
3. nicht selbst leuchtend: LCDs brauchen Fremdlicht.
4. Die Energiebilanz ist schlecht (einfallende / ausfallende Lichtenergie max. 100 : 10).
5. Trägheit: Schnellbewegte Graphische Objekte ziehen einen Schweif hinter sich z.B. Mauszeiger.
6. LCDs funktionieren nur in einem engen Temperaturbereich zwischen -5 und + 70 Grad Celsius. Das bedeutet, dass LCDs in Autoinstrumenten, Autoradios etc. im Winter dauerbeheizt werden müssen.
7. Die Größe des Wafers begrenzt die Größe der Active Matrix LCDs und bestimmt den Preis des Displays. Große Wafer sind teuer.

Weiterführende Literatur: www.heimo.de/jpool/articles/lcd/index.html

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