Technik der LCD-TFT-Flachbildschirme

Für Fernsehgeräte und Monitore war für viele Jahre nur mit der Kathodenstrahlröhre, CRT die einzig brauchbare Anzeigetechnik zur Bild- und Videodarstellung gegeben. Ein großer CRT-Bildschirm verlangte aufgrund eines längeren Bildrohrhalses nach einer entsprechend großen Gerätebautiefe. Der Platzbedarf der Geräte ist gewaltig. 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 müssen daher drei Elektronenstrahlsysteme der Bildröhre 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.

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 selber 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 Folientermometern genutzte Eigenschaft.

LCD-Termometer

Was sind Flüssigkristalle?

Es scheint sich um einen Widerspruch in sich zu handeln. 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 einer Flüssigkeit. Die Flüssigkristallteilchen haben das Bestreben sich gegeneinander gleichartig auszurichten - ähnlich einer Anordnung im festen Kristallgitter.

Diese speziellen Eigenschaften treten nur innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Druckbereichs auf. Bei höheren Temperaturen oder niedrigeren Drucken geht die gerichtete Ordnung verloren. Die Moleküle verhalten sich dann wie in normalen Flüssigkeiten. Bei tiefen Temperaturen oder hohen Drucken 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 den prinzipiellen Aufbau von LCs 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. Es besteht keine Schichtenstruktur.
  • 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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Die Funktionsweise einer LCD-Zelle mit passiver Matrix

Natürliches Licht als elektromagnetische Welle betrachtet schwingt in allen Raumebenen und wird als unpolarisiert bezeichnet. Ein Polarisationsfilter kann eine bestimmte Schwingungsebene herausfiltern und man erhält linear polarisiertes Licht. Trifft solches 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, kann kein Licht mehr austreten.

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 aus Flüssigkristallen. 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 ist 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. Es bleibt die Frage der elektrischen Ansteuerung der einzelnen Zellen. Das folgende Bild zeigt das ältere Prinzip einer passiven Matrix. Diese Technik wird bei modernen Flachbildschirmen nicht mehr verwendet. 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.

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.

Durch das lokale elektrische Feld konnte der Kondensator einer nicht aktivierten Nachbarzellen so viel Ladung anreichern, dass diese Zelle geringfügig aktiviert wurde. Die sichtbaren Folgen waren Kontrastverlust und Nachzieheffekte bei schnell bewegten Bildern. Dieser Effekt wird als 'Crosstalk' bezeichnet.

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Die LCD-Zelle mit aktiver Matrix - Die TFT-LCD Technik

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

Die Transistoren sind mit den Zeilen- und Spaltenadressleitungen 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 können in einer Sample and Hold Schaltung arbeiten und das jeweilige Pixel beim Bild Wiederholzyklus im gleichen Schaltzustand belassen. Es gibt keine Ghosteffekte mehr, die Bilder sind brillanter und der Ablesewinkel größer geworden. 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, 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 drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Farbe wird dabei von Farbfolien geliefert, durch die das Licht fällt. Die RGB-Folie liegt unterhalb der Analysatorfolie. Die eigentliche Pixelfarbe entsteht durch additive Farbmischung beim Lichtdurchtritt.

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.

Flachbildschirme mit 15 Zoll sind für eine optimale Auflösung von 1024 × 768 Bildpunkte ausgelegt. 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 für die Transistoren und ihre elektrische 'Verdrahtung' benötigt wird. Derzeit sind 16,7 Mio. Farben und 256 Graustufen darstellbar. Die Reaktionszeit wird mit <25 ms angegeben.

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 benötigt 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 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 3 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 Restlicht 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 wird eine dreimal bessere Auflösung erreicht.

Schematischer Strahlengang eines LCD-Projektors

Projektoren der ersten Generation verwendeten zur Pixelansteuerung 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 werden in Flachbauweise für den Einsatz auf Overheadprojektoren hergestellt.

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: