Twisted Nematic

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.

Flüssigkristallbildschirm (Touchscreen) eines Tablet PCs

Flüssigkristallbildschirm auf der Rückseite einer Digitalkamera

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

Schadt-Helfrich-Zelle

Vergrößerte Subpixel

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 (ΔE ^* ), 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.

Aufbauschema einer DSTN-Flüssigkristallzelle.

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.

TSTN

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.

Aufbauschema einer TSTN-Flüssigkristallzelle: Das Licht der Beleuchtung (6) wird polarisiert (2), gefiltert (3), durchquert die hintere Glasscheibe (4), den STN-Flüssigkristall (5), die vordere Glasscheibe (4), die vordere Filterfolie (3) und den vorderen Polarisator (2) und tritt schließlich farbig aus (1).

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. In Notebook-Computern wurden solche Displays als „VGA-Bildschirm“ erstmals realisiert.

Ferroelektrische Bildschirme

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 Bildpunktfelder 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.

PVA und MVA

Bei der PVA-(Patterned Vertical Alignment)-Technik handelt es sich um eine Weiterentwicklung der MVA-(Multi-Domain Vertical Alignment)-Technik eines Herstellers. Beide Techniken basieren auf einem ähnlichen Verfahren. Die Vorteile von MVA/PVA-Displays liegen in einem höheren Kontrast (> 1000:1 ist üblich) als bei einem TN-Display (< 800:1). Zudem bieten MVA/PVA-Displays eine große Blickwinkelunabhängigkeit. Der Nachteil von MVA/PVA-Displays ist, dass sie langsamer als TN-Displays und daher für Bewegtbilder (Spiele, Video) weniger gut geeignet sind; auch liegt der Preis über dem von TN-Displays.

IPS

Bei der IPS-(In-Plane-Switching-)Technik befinden sich die Elektroden nebeneinander in einer Ebene parallel zur Display-Oberfläche. Bei angelegter Spannung drehen sich die Moleküle in der Bildschirmebene, die für TN-Displays typische Schraubenform entfällt. IPS verbessert die sogenannte Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes (korrekterweise wird diese als Abhängigkeit von der Sehrichtung oder der Betrachtungsrichtung bezeichnet). ^[3]

An Untertypen unterscheidet man zwischen S-IPS, AS-IPS (Advanced Super IPS), A-TW-IPS (Advanced True White IPS) und H-IPS. Bis auf den H-IPS-Typ lassen sich die anderen IPS-Typen daran erkennen, dass sie, seitlich betrachtet und im Gegensatz zu VA-Panels, einen leichten lila Farbton aufweisen.

Aktiv-Matrix-Displays

Bei Passiv-Matrix-Displays werden die Bildelemente (z. B. ein Segment oder ein Symbol) im Zeitmultiplexbetrieb angesteuert, d. h., jedes Bildelement ist direkt und permanent mit einer Ansteuerschaltung verbunden, deren Ausgang einen geringen Widerstand hat. Deshalb baut sich die zum Zeitpunkt der Adressierung aufgebrachte Ladung relativ schnell wieder ab und muss in der folgenden Bildperiode (engl. frame) wieder erneuert werden. Dieser Wechsel in der elektrischen Ansteuerung führt zu ausgeprägten Modulationen der optischen Antwort der Anzeige (sog. frame response).

Bei Adressierung und Ansteuerung über eine Matrix mit aktiven Bauelementen bei Aktiv-Matrix-Displays wird zum Zeitpunkt der Adressierung eine Ladung auf das Bildelement aufgebracht, dem meist noch ein zusätzlicher Kondensator parallelgeschaltet ist (Speicherkondensator). Nach dem Aufbringen der Ladung, deren Höhe der Dateninformation entspricht, wird das aktive Bauelement (meist ein Dünnschichttransistor, TFT) wieder in den hochohmigen Zustand geschaltet, wodurch die Ladung und somit die Ansteuerung während einer Bildperiode im Wesentlichen erhalten bleibt.

Diese Art der Ansteuerung bewirkt bei Aktiv-Matrix-Displays eine höhere effektive Spannung über dem Bildelement, damit eine höhere Aussteuerung des Flüssigkristalls, und damit ein verbesserter Kontrast und eine reduzierte Abhängigkeit des Kontrastes von der Betrachtungsrichtung.

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.

Schaltzeiten und Techniken

Die Reaktionszeit moderner LCDs liegt derzeit bei ≤ 5 ms (schnellste Reaktionszeit liegt bei 1 ms). Hierbei ist die Reaktionszeit die Zeitspanne, die bei der Änderung der Leuchtdichte (Helligkeit) eines Bildbereiches von 10 % nach 90 % verstreicht; hierbei sind 0 % und 100 % die Leuchtdichten der stationären (eingeschwungenen) Zustände. Die Bildaufbauzeit nach ISO 13406-2 ist die Summe der Schaltzeiten von Hell nach Dunkel (oder umgekehrt) und wieder zurück. Aufgrund des asymptotischen Schaltverlaufs werden jedoch nach ISO 13406-2 Schaltzeiten von <3 ms benötigt, um sichtbare Schlierenbildung zu vermeiden.

Formeln

${\tau}_\mathrm{on} = \frac{\gamma_1 d^2}{\epsilon_0 \Delta\epsilon(U^2-U_\mathrm{th}^2)}{;} \quad {\tau}_\mathrm{off} = \frac{\gamma_1 \pi^2}{k d^2}$ mit ${ U_\mathrm{th} } = { \pi \sqrt{ \frac{ k }{ \epsilon_0 \Delta \epsilon }} }$

Hierbei ist γ₁ die Rotationsviskosität des Flüssigkristalls, die den „Widerstand“ des Flüssigkristalls auf eine Änderung der Ausrichtung beschreibt; d der Abstand zwischen den Glasplatten (= Dicke der Flüssigkristallschicht); und k die Elastizitätskonstante, welche die „Kraft“ (Drehmoment) der Rückstellung der Kristalle in die ursprüngliche Ausrichtungslage angibt.

Beispielsweise beschleunigt ein großes k die Rückstellung des Kristalls in den Ausgangszustand, wirkt jedoch auch der Ausrichtung des Kristalls bei Anlegen einer Spannung entgegen (durch die entsprechend erhöhte Schwellenspannung, U_th). Auch lässt sich durch eine Verringerung der Schichtdicke, d die Abschaltgeschwindigkeit τ_off reduzieren. Wenn die Schichtdicke z. B. um 30 % verringert wird ($d \rightarrow 0{,}7 d$) geht die Abschaltzeit auf etwa die Hälfte zurück.

(0,7d)² = 0,49d²

Bewegungsunschärfe

Bei Hold-Type-Displays wie LCDs, Plasma- und OLED-Bildschirmen bleibt der Zustand eines Pixels für die Dauer einer Bildperiode bestehen, bis die angelegte Spannung im Zuge des Bildaufbaus eines neuen Bildes geändert wird (Erhaltungsdarstellung). Da das Auge bei der Verfolgung eines bewegten Bildinhalts (englisch smooth pursuit eye tracking) die „Helligkeit“ über z. B. eine Bildperiode integriert, während der Bildinhalt aber fixiert bleibt, kommt es zum Verwischen des Bildes auf der Netzhaut des Betrachters. Dies fällt besonders bei der Darstellung schnell bewegter Szenen auf und wird deshalb auch als Bewegungsunschärfe (auch engl. motion blur) bezeichnet. Bei heutigen LCDs ist diese Bewegungsunschärfe schon erheblich reduziert. Die Reaktionszeit von „grau nach grau“ (engl. gray to gray) liegt durchschnittlich bei 6 ms. Es ist zu beachten, dass selbst bei verschwindenden Schaltzeiten, das heißt unendlich schnelles Schalten, wegen der Erhaltungsdarstellung die Bewegungsunschärfe nicht beseitigt wäre!

Ansätze zur Optimierung

Viskosität

Der Bewegungsunschärfe versucht man unter anderem dadurch entgegenzuwirken, dass man die Schaltzeiten der Displays weiter reduziert, vor allem durch eine Reduktion der Viskosität der eingesetzten Flüssigkristallmaterialien. Außerdem sollten die Flüssigkristallmaterialien kühl gehalten werden.

Einfache Overdrive-Technologien

Bei der Overdrive-Technik wird an die LCD-Zelle kurzzeitig eine Spannung angelegt, die höher ist als die für den eigentlichen Helligkeitswert erforderliche. Dadurch richten sich die Kristalle schneller aus. Das nächste Bild muss hierzu zwischengespeichert werden. Diese Information wird zusammen mit an das jeweilige Display speziell angepassten Korrekturwerten verwendet, um die genaue Zeit berechnen zu können, während der die Überspannung anliegen darf, ohne dass das jeweilige Pixel übersteuert wird. Das funktioniert jedoch nicht bei der Rückstellung des Kristalls: da es nicht weniger als keine Spannung gibt (die Ansteuerung erfolgt mit Wechselspannung), muss der Kristall passiv entspannen. Durch die Zwischenspeicherung wird das Bild etwa zwei bis fünf Takte verspätet angezeigt. Dieser Versatz kann sich beim Betrachten von Filmen durch Bild-Ton-Asynchronität bemerkbar machen (der Ton eilt dem Bild voraus). Auch bei Computerspielen, die schnelle Reaktionen des Spielers verlangen, macht sich die Bildpufferung negativ bemerkbar.

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.

Black Stripe Insertion

Um der 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. Es sinkt die effektive Bildhelligkeit. Die Dunkelphase darf bei 50 Hz Ansteuerfrequenz 55 % der Bildzeit nicht überschreiten, bei 60 Hz sind es 70 % und bei 75 Hz sind es 85 %.

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. Allerdings trifft man mit dieser Technik wieder einen alten Bekannten der Projektionstechnik wieder: den Regenbogeneffekt.

100/120-Hz-Technik bzw. 200/240-Hz-Technik

Hier werden synthetische Zwischenbilder berechnet und anschließend zusammen mit den Originalbildern ausgeben. Dadurch erhöht sich die reale Bildfrequenz um ein ganzzahliges Vielfaches. Aus 24 fps (Kinostandard) werden so 48, 72, 96 oder sogar 120 fps. Schlieren durch Hold-Displays können so deutlich reduziert werden. Neben der Reduktion von Bewegungsunschärfen werden auf diese Weise Bewegungen und Kamerafahrten deutlich flüssiger wiedergegeben. Allerdings kann durch die Bewegungsinterpolation insbesondere bei leicht rauschenden Bildquellen eine mehr oder weniger deutliche Trennung zwischen Vorder- und Hintergrund im Bild beobachtet werden (Soap-Effekt). Die 100/120-Hz-Technik kommt mittlerweile (2008) in vielen höherwertigen Displays zum Einsatz. 240-Hz-Geräte sind angekündigt. Ein weiterer Vorteil dieser Technik ist es, dass Overdrive feiner dosiert angewendet werden kann.

Einsatzmöglichkeiten

Die Darstellung des Meta-Wiki-Logos zeigt bei starker Vergrößerung, dass die Farben aus roten, grünen und blauen Zellen zusammengesetzt sind.

In Digitaluhren und Taschenrechnern werden LCDs schon seit Anfang der 1980er Jahre verwendet. Diese einfarbigen Displays ohne Hintergrundbeleuchtung zeichnen sich durch geringsten Energieverbrauch und sehr hohe Lebensdauer aus und finden alternativlos überall dort Anwendung, wo ein langer wartungsfreier Betrieb erforderlich ist. Verbreitung fanden LCDs über weitere tragbare oder batteriegespeiste Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks und ähnliches.

Typische Auflösungen bei Computer-Flachbildschirmen reichen von 1024×768 (15") bis 2560×1600 (30"), bei Notebooks reichen sie von 800×480 bis 1920×1200. PDAs und portable DVD-Spieler weisen Auflösungen zwischen 320×240 und 800×480, Displays von Standbild- und Videokameras zwischen 160×176 (84 Tausend Pixel) und 640×480 (900 Tausend Pixel) auf.

Mittlerweile haben LCDs und Plasma-Displays die Kathodenstrahlröhre weitgehend verdrängt (Stand 2008). Dies betrifft Computermonitore (seit 2006) und Fernsehgeräte mit größeren Bilddiagonalen (seit 2008). Auch andere Anwendungsgebiete, wie Oszillografen-Röhren sind schon seit längerem in der Hand von computerangesteuerten LCDs. 2003 wurden in Deutschland bereits mehr LCDs als herkömmliche Röhrenmonitore für PCs ^[4] und 2006 mehr Flachbildfernseher – also LCDs und Plasmabildschirme – als Röhrengeräte verkauft.^[5]

Produktion

Die LCD-Technik hat in den letzten Jahren insbesondere durch die Entwicklung von Flachbildschirmen einen enormen Aufschwung erlebt. Große Produktionsstätten für Flachbildschirme wurden zunächst in Japan errichtet. Schon bald setzte jedoch die Abwanderung der Industrie in die neuen asiatischen Industrienationen ein, in denen billige Arbeitskräfte und üppige staatliche Förderung lockte. Derzeit befindet sich der Schwerpunkt der Flachbildschirmindustrie in Taiwan und insbesondere Korea. In Korea betreiben die dort ansässigen weltweit größten Flachbildschirmhersteller – Samsung, LG Philips LCD und Chi Mei Optoelectronics (CMO) – die zur Zeit (2008) größten LC-Bildschirm-Produktionsstätten. Die Wanderung der Industrie geht jedoch weiter. Auf der Suche nach noch kostengünstigeren Produktionsstandorten hat der Boom inzwischen auch China erreicht. Produktionsstätten zur Herstellung hochwertiger Flachbildschirme sind derzeit (2008) im Aufbau.^[6]

Umweltschutz

Aus der Sicht des Klimaschutzes ist die Flüssigkristallbildschirmfertigung problematisch, da in der traditionellen Produktion sehr große Mengen klimagefährdender Substanzen eingesetzt werden. Im wichtigen „Arrayprozess“, in dem die TFT-Steuermatrix großflächig auf dünne Glasscheiben aufgebracht wird, werden z. B. potente Treibhausgase wie Schwefelhexafluorid (SF₆) – GWP rel. CO₂: 22200 – und Stickstofftrifluorid (NF₃) – GWP rel. CO₂: 17200 – in sehr großem Umfang verwendet und in die Atmosphäre freigesetzt, wie eine neuere Studie belegt.^[7].

Literatur

Literatur zur Bewegungsunschärfe:

• M. E. Becker: Bewegtbilddarstellung auf LCD-Monitoren. In: Electronic Displays. 2005 (Onlineversion (PDF) ; Stand: 13. Januar 2009). 
• M. E. Becker: Motion Blur Measurement and Evaluation: From Theory to the Laboratory. In: SID'07 International Symposium Digest of Papers. 38, Nr. 2, 2007, S. 1122 (Onlineversion (PDF) ; Stand: 13. Januar 2009). 
• Armin Gärtner: LCD-Monitore - Teil 1: Grundlagen und Technologie. In: mt-Medizintechnik. Nr. 2, 2008, S. 54–66 (Onlineversion (PDF) ; Stand: 13. Januar 2009). 
• Armin Gärtner: LCD-Monitore in der Medizintechnik. In: Medizintechnik und Informationstechnologie. 5, TÜV Media Verlag, 2009, ISBN 978-3-8249-1150-9. 

Siehe auch

• Cholesteric Liquid Crystal Display (ChLCD)
• Ferro Liquid Crystal Display (FLCD)

Weblinks

• Umfangreiche Beschreibung eines TFT-LCDs
• Vorteile und Nachteile von LCD, Plasma und Bildröhre
• Der flache Bildschirm
• Flüssigkristalle für Aktivmatrix-Flachbildschirme (PDF-Datei; 1,68 MB)
• Die Prozessschritte der TFT-LCD-Herstellung
• Die Herstellung von Flüssigkristallbildschirmen
• Demonstrationsexperimente mit Flüssigkristallen, darunter auch eine Anleitung zum Bau einer LCD-Zelle.
• Reinigung von TFT-Displays im Test

Einzelnachweise

1. ↑ Patent CH 532261 „Lichtsteuerzelle“, Wolfgang Helfrich, Martin Schadt (angemeldet 4. Dez. 1970, erteilt 31. Dez. 1972)
2. ↑ Patent US 3731986 „Display devices utilizing liquid crystal light modification“, James L. Fergason (angemeldet Februar 1971, erteilt Mai 1973)
3. ↑ Michael E. Becker: Kristallmanufaktur – Schritte auf dem Weg zum sehrichtungsunabhängigen LC-Schirm. c't-Magazin, Nr. 22, 2005, S. 222–226
4. ↑ Andreas Wilkens: Erstmals mehr LC-Displays verkauft als Röhrengeräte. Auf: heise.de, 16. März 2004
5. ↑ Andreas Donath : Flachbildschirme überrunden Röhrenfernseher-Verkäufe. Auf: Golem.de, 23. Jan. 2007
6. ↑ Ulrike Kuhlmann: China will mehr LCD-Fabs. Auf: heise.de, 24. Mai 2008
7. ↑ R. F. Weiss, J. Mühle, P. K. Salameh, C. M. Harth: Nitrogen trifluoride in the global atmosphere. In: Geophys. Res. Lett.. 35, Nr. 20, 2008, ISSN 0094-8276, S. L20821 (doi:10.1029/2008GL035913).