LCD Technologien

1. Das Funktionsprinzip

Während Kathodenstrahl-Bildschirme Licht aus Phosphor mit unterschiedlichen Emissionsspektren (Rot/Grün/Blau) aufgrund der Anregung eines Elektronenstrahls emittieren, wird bei einem Liquid Crystal Display (LCD) das Licht einer Hintergrundbeleuchtung durch die LC-Zelle geschaltet. Die LC-Zelle selbst ist bezüglich der Lichtemission als passiv anzusehen. Licht wird in unpolarisierter Form auf den so genannten hinteren Polarisator gegeben, dort wird das Licht polarisiert, d.h. in eine bestimmte Richtung ausgerichtet.

Flüssigkristalle lassen sich aufgrund ihrer Molekülstruktur an geeignet beschaffenen Oberflächen (z.B. in einer Richtung gebürstete Folien) ausrichten und aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften spiralförmig verdrehen, wenn sie zwischen zwei um 90° verdrehte Ausrichtungslagen eingebracht werden. Diese Anordnung nennt man Twisted Nematic (TN) bei einem Verdrehwinkel von 90°, bei 270° Super Twisted Nematic (STN). Wird zwischen den beiden Lagen ein elektrisches Feld angelegt, so richten sich die stabförmigen Moleküle entlang der Feldrichtung aus.

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.

Dieser unerwünschte Effekt führte zur Entwicklung der DSTN-Zelle (doppelte Zelle). Das Aufbauprinzip einer solchen Zelle  ist im nachfolgenden Bild zu erkennen:

Aufbauprinzip einer DSTN-Flüssigkristallzelle (Heimoponnath aus de.wikipedia.org)

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.

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 entgegen gesetzter Richtung verdreht) führt zur Kompensation der Farbaufspaltung. 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 werden Displays realisiert, die ein sauberes Schwarz-Weiß mit einem Kontrastverhältnis von bis zu 15:1 bieten.

 

2. Woher kommt die Farbe?

Da für die Hintergrundbeleuchtung normalerweise weißes Licht verwendet wird, muss zur Darstellung von Farbbildern dieses noch mit geeigneten Farbfiltern gefiltert werden. Hierzu erhält jeder darzustellende Pixel (Bildpunkt) drei sog. Sub-Pixel mit den Farben Rot, Grün und Blau ('Farbe aus Weiß' Prinzip).

 

3. Passivmatrix LCD und Aktivmatrix LCD (Dünnfilmtransitortechnik / TFT)

Bezüglich der Ansteuerung der einzelnen LC-Zellen unterscheidet man zwischen Aktivmatrix-LCD (TFT) und Passivmatrix-LCD (PMLCD, meist an der Bezeichnung STN oder DSTN erkennbar). Beim Passivmatrix-LCD werden die einzelnen LC-Zellen durch eine matrixförmige Anordnung von Zeilen- und Spalten-Elektroden angesteuert.

Prinzipiell bedingt ist dabei, dass jede einzelne Zelle nur mit 1/(Auflösung) der gesamten Zeit der Bilddarstellung angesteuert wird. Da für den Rest der Zeit die Zellen im spannungslosen Zustand sind, müssen die Flüssigkristalle entsprechend träge eingestellt werden, um ein Rückkippen während der restlichen Zeit und damit Kontrastverluste und Flimmereffekte zu vermeiden. Ein weiterer Effekt vor allem beim Passivmatrix-LCD ist das so genannte Übersprechen zwischen den einzelnen Zellen, was sich als 'Fahnenziehen' bemerkbar macht. Aufgrund der Matrixstruktur, der Ansteuerung und der Kapazität der LC-Zellen sind solche Effekte zwar durch verbesserte Elektrodenmaterialien und Ansteuermethoden optimierbar, jedoch nicht vermeidbar. Die Zeilen- und Spalten-Elektroden sind aus transparentem Material um maximale Lichttransmission zu gewährleisten.

Bei Aktivmatrix-LCD (AMLCD / TFT) wird jede einzelne Zelle von einem auf der hinteren Glasplatte befindlichen Dünnfilmtransistor angesteuert, der die Information für die jeweilige Zelle speichert. Somit ist es möglich, schnellere Flüssigkristalle zu verwenden, was in besserem Kontrast, Flimmerfreiheit und kurzer Ansprechzeit resultiert. Ein weiterer Vorteil ist das deutlich schwächere Übersprechen bei Aktivmatrix-LCD. Das bedeutet aber auch, dass jeder Sub-Pixel mit einem Transistor (der natürlich auch kaputt gehen kann) versehen werden muss.

Der jedem Bildpunkt zugeordnete Dünnfilmtransistor hat zwei wichtige Funktionen:

Beide Effekte (beliebig geringe Steuerspannung und Ausgleich parasitärer Kapazitäten) führen dazu, dass Aktiv-Matrix-Displays dem steten Wunsch nach noch kleineren Pixeln, größeren Displays und noch höheren Pixelzahlen gerecht werden können.


Zurück zur vorherigen Seite