Informations- und Kommunikationstechnik

Prinzip der LCD-TFT-Flachbildschirme

Für Fernsehgeräte und Monitore war für viele Jahre nur die Kathodenstrahlröhre das einzig brauchbare Anzeigeobjekt zur Bild- und Videodarstellung. Ein großer CRT-Bildschirm verlangte aufgrund eines längeren Bildrohrhalses nach einer entsprechend großen Gerätebautiefe und hohem Platzbedarf. Die Ablenkung des fokussierten Elektronenstrahls durch Magnetfelder verläuft eigentlich auf einer Kreisbahn. Je flacher der Bildschirm einer CRT ist, desto mehr elektronischer Aufwand ist notwendig, um bis in die Ecken scharfe und unverzerrte Bilder darzustellen.

Jeder Bildpunkt setzt sich bei Farbbildschirmen aus drei Subpixeln der Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammen. Bei der Farbbildröhre muss die Ausrichtung der drei Elektronenstrahlsysteme der Bildröhre über das ganze Bild genau zueinander korrigiert werden. Mit einem hohen technischen Aufwand werden Farbkonvergenzfehler, Farbdeckungsfehler bis in den Randbereich minimiert, damit sie dem Auge nicht mehr störend auffallen.

Neue Technologien wurden entwickelt und haben die CRT weitgehend abgelöst. Dazu gehören die Elektrolumineszenz-, Vakuumfluoreszenz-, LED- und Plasmaanzeigetechniken, wo durch Einwirkung von elektrischen Feldern und Entladungen Lichtstrahlung erzeugt wird. Besonders etabliert hat sich die Anzeigetechnik mit Hilfe von Flüssigkristallen bei den TFT-LCD-Bildschirmen.

Es wird das Prinzip der LCD-TFT-Flachbildschirmtechnik mit der Funktionsweise einer LCD-Zelle mit passiver Matrix beschrieben, die zum derzeit gängigen Prinzip der LCD-Zelle mit aktiver Matrix – Die TFT-LCD Technik weiter entwickelt wurde. Im letzten Kapitel wird das einfachere Arbeitsprinzip von TFT-LCD-Projektoren beschrieben.

Die Flüssigkristalltechnik

Das LCD- oder Liquid Crystal Display, trivial Flüssigkristallanzeige genannt, wurde Anfang 1970 für einfarbige, monochrome Anzeigeeinheiten entwickelt. Die ersten Einsatzgebiete waren Displays von Messgeräten, Armbanduhren und Taschenrechnern. Der Bauart nach handelt es sich um Reflexionsdisplays, die ohne Fremdlicht nicht ablesbar sind.

Auf die Anzeigeeinheit auftreffendes Licht geht durch ein Polarisationsfilter und wird von einem rückwärtigen Spiegel reflektiert. Dazwischen befinden sich die Flüssigkristalle in einer dünnen Zelle aus planparallelen Glasscheiben, die mit einem elektrisch leitenden Raster versehen sind. Das Raster bildet an seinen Kreuzungspunkten kleine Kondensatoren, deren Ladezustand durch das Anlegen einer Steuerspannung verändert wird.

Unter dem Einfluss von elektrischen Feldern ändert sich die Ausrichtung der Flüssigkristall Moleküle. Sie erscheinen im einfallenden Licht durchsichtig oder trübe oder in anderer Farbe. Auf dem Display erscheint ein elektrisch gesteuertes Bild. Die LCD-Anzeigen senden selbst kein Licht aus.

Einige Flüssigkristalle reflektieren je nach Ausrichtung ihrer Moleküle die Wellenlängen des einfallenden Lichtes unterschiedlich und erscheinen dann farbig. Die Ausrichtung ist zudem von der Temperatur abhängig, eine bei Folienthermometern genutzte Eigenschaft.

LCD-Termometer

Was sind Flüssigkristalle?

Es scheint sich um einen Widerspruch in sich zu handeln, denn die Schulphysik lehrt, dass der Aggregatzustand eines Stoffes entweder fest, kristallin oder flüssig oder gasförmig ist. Flüssigkristalle sind organisch chemische Verbindungen, die meistens aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen und lang gestreckte stäbchenförmige bis ovale Moleküle bilden. Bei Zimmertemperatur sind es Festkörper, in denen sich die Moleküle leicht aneinander vorbei bewegen können. Das Verhalten ist vergleichbar mit der Beweglichkeit der Moleküle in einer Flüssigkeit. Die Flüssigkristallteilchen haben das Bestreben sich untereinander gleichartig auszurichten, ähnlich einer Anordnung im festen Kristallgitter.

Diese speziellen Eigenschaften treten nur innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Druckbereichs auf. Bei höherer Temperatur oder niedrigem Druck geht die gerichtete Ordnung verloren. Die Moleküle verhalten sich dann wie in normalen Flüssigkeiten. Bei tiefen Temperaturen oder hohem Druck verlieren die Moleküle die Fähigkeit sich gegeneinander zu verschieben. Der Flüssigkristall erstarrt zu einem normalen Festkörper.

Flüssigkristalle (LC), Liquid Cristals werden in verschiedene Klassen unterteilt. Man unterscheidet zwischen cholesterischen, nematischen und smektischen Phasen. Sie beschreiben eine unterschiedliche räumliche Anordnung der Moleküle. Die Abbildung stellt die prinzipielle Anordnung von LC-Phasen dar. Die einzelnen Moleküle ordnen sich sehr regelmäßig wie in einer Kristallstruktur an, sind aber weiterhin frei beweglich und zeigen damit Flüssigkeitsverhalten. Die Moleküle bilden Schichtstrukturen. In LCD-Displays findet die nematische Phase wegen der höheren Beweglichkeit und somit schnelleren Reaktionszeit eine bevorzugte Verwendung.

Nematische Phase
Die Moleküle sind ausgerichtet und bilden keine Schichtstrukturen.
Smektische Phase
Die Moleküle sind in Schichten angeordnet und dazu senkrecht ausgerichtet.
Cholesterinische (cholesterische) Phase
Die Moleküle sind schichtweise orientiert und die Schichten sind in sich schraubenartig verdreht.
LCD-Kristallphasen
LCD-Ausrichtung im Feld

Eine besondere Eigenart der Flüssigkristalle ist ihr Bestreben sich zusätzlich nach einer gegebenen Oberflächenstruktur hin auszurichten. Ordnet man zwei Platten mit Rillenstruktur rechtwinklig zueinander aus, dann folgt die Kristallausrichtung kontinuierlich von der einen zur anderen Plattenstruktur.

Die optischen Eigenschaften aller LC-Phasen lassen sich durch äußere elektrische und magnetische Felder beeinflussen.

 

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Das Funktionsprinzip einer LCD-Zelle mit passiver Matrix

Die elektromagnetischen Wellen des Lichts, die unbeeinflusst in allen Raumebenen schwingen werden als unpolarisiert bezeichnet. Ein Polarisationsfilter kann eine bestimmte Schwingungsebene herausfiltern und man erhält linear polarisiertes Licht. Trifft dieses Licht auf ein zweites gleichartiges Polarisationsfilter, auch Analysator genannt, so kommt es auf dessen Stellung an, ob Licht durchgelassen wird oder nicht. Stehen beide Filter im Winkel von 90° zueinander, tritt kein Licht aus dem Analysator aus.

Die meisten Polarisationsfilter absorbieren die Schwingungsebenen des einfallenden Lichtes, das sie nicht durchlassen. Sie setzen diese Lichtenergie in Eigenerwärmung um. Neuere Polarisationsfilter verfügen über ein lineares Aluminiumgitter. Sie reflektieren den überwiegenden Anteil des Lichtes, dessen Polarisationsebene nicht dem des Filters entspricht. Eine Erwärmung findet daher kaum noch statt.

Jede LCD-Zelle besteht aus zwei Polarisationsfiltern. Sie stehen im Winkel von 90° zueinander. Der erste Filter lässt nur linear polarisiertes Licht hindurch und der zweite Filter versperrt den Lichtaustritt. Zwischen den Filtern befindet sich eine Schicht der Flüssigkristalle. Ihre natürliche Eigenschaft es ist, die Schwingungsebene von Licht zu drehen. Die LC-Schicht ist gerade so dick, dass sie in der Lage ist, das Licht zwischen beiden Polarisationsfiltern um 90° zu drehen. Das Licht kann den zweiten Polarisationsfilter passieren und der zugehörige Bildpunkt wird hell. Werden die LC-Moleküle durch das Anlegen eines elektrischen Feldes aus ihrer normalen Position gedreht, so gelangt weniger Licht durch die Zelle hindurch und der Bildpunkt liefert einen Grauwert. Ab einer bestimmten Feldstärke richten sich die Flüssigkristalle parallel zum Licht aus. Es gelangt kein Licht mehr aus der Zelle hinaus. Der Bildpunkt wird fast schwarz.

Flüssigkristall-Ausrichtung

Die LC-Zellen werden als TN-(Twisted Nematic), SNT-(Super Twisted Nematic) und DSNT-(Double Super Twisted Nematic) Zellen hergestellt. Der Unterschied besteht in der Anzahl der Drehungen (Twists) des Lichts innerhalb der LC-Schicht. Die folgende Skizze zeigt die elektrische Ansteuerung der einzelnen Zellen nach dem älteren Prinzip einer passiven Matrix. Oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallzellen verläuft ein transparentes Elektrodengitter. An den Kreuzungsflächen entsteht dabei für jede einzelne Zelle ein Kondensator. Eine Steuerelektronik verändert den Ladezustand der Kondensatorzelle und die Kristalle richten sich entsprechend aus. Diese Technik wird bei modernen Flachbildschirmen nicht mehr verwendet.

LCD-Zellenansteuerung

Um die einzelnen Pixel in den An- bzw. Aus-Zustand zu schalten, wird auf die gesamte Zeilenelektrode ein positiver Impuls gelegt. Die Datenelektroden erhalten gleichzeitig einen positiven oder negativen Impuls.

Die Zellen mit hoher Spannung oder entgegengerichteten Impulsen werden aktiviert. Zellen mit niedriger Spannung oder gleichartigen Impulsen sowie nicht adressierte Zeilenelektroden bleiben inaktiv und dunkel.

Das hohe lokale elektrische Feld eines Kondensators kann auf nicht aktivierte Nachbarzellen Ladungen übertragen. Dadurch werden auch diese Zellen geringfügig aktiviert. Die sichtbaren Folgen machen sich als Kontrastverlust und als Nachzieheffekte bei schnell bewegten Bildern störend bemerkbar. Letztere werden als 'Crosstalk' bezeichnet.

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LCD-Zellen mit aktiver Matrix – Die TFT-LCD Technik

Das derzeitige Prinzip verwendet eine aktive Matrix mit der Thin Film Transistor, TFT-Technik. Das Flüssigkristalllayer ist von einem elektrisch leitenden Siliziumfilm überzogen, der für jede Pixelzelle die Eigenschaften eines Transistors hat. Die Transistoren und ihre Steuerelektroden befinden sich auf dem gleichen Substrat. Die Ansteuerung jeder einzelnen Zelle kann dadurch präziser und schneller erfolgen.

Die Transistoren sind mit Adressleitungen für die Zeilen und Spalten verbunden. Das gegenüberliegende Glassubstrat ist mit einer großflächigen durchsichtigen Elektrode versehen, die einen gemeinsamen Anschluss aller Transistoren bildet. Erhält eine Zeilenelektrode einen Impuls, so sind alle Transistoren dieser Zeile für die folgende Adressierung vorbereitend aktiviert. Ein entsprechender Impuls einer Spaltenelektrode schaltet die Zelle dann aktiv. Durch die Ladung des Kondensators bleibt die Zelle in ihrem Zustand, bis der Transistor in einem folgenden Impulszyklus abgeschaltet wird.

Die Transistoren werden mit einer Sample and Hold Schaltung gesteuert. Jedes Pixel kann beim Bild Wiederholzyklus im gleichen Schaltzustand gehalten oder verändert werden. Es gibt keine Ghosteffekte mehr, die Bilder sind brillanter und der Ablesewinkel vor dem Display ist größer. Zwischen den Pixeln befindet sich eine lichtundurchlässige Maske. Sie verhindert Streulicht und das Bild wirkt kontrastreicher.

Die folgende Darstellung skizziert den schematischen Aufbau des Dünnfilmtransistors als MOS-FET und die elektrische Verschaltung mit der Flüssigkristallzelle. Pixelfehler entstehen durch eine defekte Isolierung zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden. Im Gegensatz zu passiven Displays befinden sie sich auf derselben Seite des Layers. Dadurch ergeben sich Leitungskreuzungen. Ist deren Isolierung am Kreuzungspunkt defekt, bleibt der Bildpunkt ständig an oder aus.

FET zur Ansteuerung einer LCD-Zelle

Das folgende Bild skizziert einen Ausschnitt aus einem TFT-LCD. Es zeigt gleichzeitig, wie auch farbige Bilder dargestellt werden können. Jedes einzelne Bildpixel besteht aus drei Subpixeln für die Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Farbe entsteht durch Farbfolien, durch die das Licht der aktivierten Pixel fällt. Die RGB-Folie liegt unterhalb der Analysatorfolie. Die Farbe des Bildpixels entsteht durch additive Farbmischung beim Lichtdurchtritt durch die drei Subpixel.

LCD-TFT-Displayaufbau

Jedes Monitorpanel ist für eine feste Auflösung entsprechend seiner Pixelzahl hergestellt. Niedrigere Bildauflösungen lassen sich darstellen. Da die Herabstufung nicht ganzzahlig linear erfolgt, leidet die Bildschärfe. Für höhere Auflösungen fehlen die ansprechbaren Pixelzellen und Anpassungen durch Softwarelösungen liefern keine guten Ergebnisse.

Flachbildschirme mit 15 Zoll haben meist eine optimale Auflösung von 1024 × 768 Bildpunkte. Da jeder der 786.432 Bildpunkte aus drei Subpixeln besteht, befinden sich auf dem Display insgesamt 2.359.296 Einzelpixel. Die gleiche Anzahl von Transistoren ist zur Ansteuerung notwendig. Mit einer starken Lupe betrachtet sind die Subpixel am Bildschirm erkennbar. Dazwischen verläuft ein feines Liniennetz, das die elektrische 'Verdrahtung' der Transistoren zeigt. Standard sind 16,7 Mio. Farben und 256 Graustufen. Die Reaktionszeit wird mit <20 ms von Weiß auf Schwarz angegeben. Vielfach sind kürzere Reaktionszeiten um 5 ms zu lesen, die sich auf einen Wechsel zwischen nicht genormten Grauzuständen beziehen.

Die Darstellungsfläche bei einer 15 Zoll Bildschirmdiagonale entspricht ca. 70.000 mm2. Jedes Subpixel belegt somit eine Fläche von ca. 0,03 mm2. Rund 10% der Zellenfläche belegt der Transistor. Die Feinheit der Struktur ist enorm, denn ungefähr 333 Transistoren würden gerade 1 mm2 Fläche beanspruchen.

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TFT-LCD-Projektor

Die LCD-Projektoren funktionieren bei der Bilderzeugung wie die Monitore nur mit wesentlich kleineren Panels. Die einfacheren Geräte lassen sich mit einem Diaprojektor vergleichen. An der Stelle des Dias befindet sich das TFT-LCD-Element. Es wird zwischen 1,8 Zoll (4,5 cm) und 0,9 Zoll (2,3 cm) Panels unterschieden. In den normalen Projektoren finden sich 1,8 Zoll und in kleinen tragbaren Geräten 0,9 Zoll Panels. Bei beiden sind Auflösungen bis 1024 × 768 möglich. Es gibt auch Modelle mit einem 1,3 Zoll (3,3 cm) Panel und Großprojektoren mit 6,5 Zoll und mehr.

Hochwertige Projektoren besitzen drei TFT-LCD-Elemente. Das weiße Projektionslicht wird mit Hilfe von dichroitischen Spiegeln in die drei Grundfarben aufgeteilt. Ein solcher Spiegel reflektiert das Licht einer Farbe und lässt das verbleibende Licht passieren. Die RGB-Farbauszüge werden durch einzelne Panels geleitet und anschließend über Umlenkspiegel und weitere dichroitische Spiegel zur Projektionsoptik gelenkt. Diese Technik ist günstiger, da hierbei TFT-LCD-Elemente ohne Farbfilter benutzt werden können. Bei gleicher Panelgröße ist die Auflösung um den Faktor 3 besser.

Schematischer Strahlengang eines LCD-Projektors

Projektoren der ersten Generation verwendeten zur Ansteuerung der Pixel amorphes Silizium. Das Material ist sehr lichtempfindlich und die Transistoren des a-Si mussten zum Licht hin abgedeckt werden. Dadurch entstand ein Raster auf der Projektionsfläche. Jedes Pixel der Flüssigkristallzelle war von einem feinen schwarzen Rand umgeben. Panels mit sehr hoher Auflösung und einer großen Pixelzahl lieferten schlechtere Bilder. Es konnten nur die Pixel und nicht die Transistoren verkleinert werden konnten, wodurch insgesamt die Ränder größer erschienen.

In neueren Projektoren wird polykristallines Silizium verwendet. Es ist lichtunempfindlich und die Transistoren müssen nicht mehr abgedeckt werden. Es lassen sich höhere Auflösungen bis 1280 × 1024 (S-XGA) erreichen. Die Lichtdurchlässigkeit von 8% bei a-Si-TFTs konnte dadurch auf rund 20% bei p-Si-TFTs gesteigert werden. Geräte ohne eigene Lichtquelle gibt es in Flachbauweise für den Einsatz auf Overheadprojektoren.

Stripes

Datenprojektoren haben meistens eine Stripe-Anordnung der Pixel. Die Darstellung einzelner Buchstaben bei der Projektion ist damit besser. Heimkino-Projektoren besitzen vielfach eine Delta-Anordnung. Die einzelnen Pixel fallen dadurch weniger auf.

 

Vor- und Nachteile der TFT-LCD-Technik

Zu den Vorteilen der Flachbildschirme zählen:

Zu den Nachteilen zählen: