Displays. Inhalte. Lcd. 1. Aufbau eines LCD-Bildschirms. 2. Wie entsteht nun ein Bild? 3. Was ist Polarisierung? 4. Die Mischung machts

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1 Displays Inhalte Lcd 1. Aufbau eines LCD-Bildschirms 2. Wie entsteht nun ein Bild? 3. Was ist Polarisierung? 4. Die Mischung machts 5. Genau abgestimmt 6. LCD-Bildschirme im Einsatz 7. Die Ausrichtung: horizontal oder vertikal copyright 2007

2 1. Aufbau eines LCD-Bildschirms Ein Flüssigkristallbildschirm (engl. liquid crystal display, kurz LCD), ist ein Display, bei dem spezielle Flüssigkristalle genutzt werden: Wenn eine Spannung an sie angelegt wird, richten sie sich in besonderer Weise aus und können damit die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen. Ein Pixel (Bildelement) besteht aus zwei Glasplatten, die auf der Innenseite mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn- Oxidschicht, ITO) überzogen ist. Dazwischen befinden sich die Flüssigkristalle, die schraubenförmig ausgerichtet sind. Auf den Außenseiten der Glasplatten werden Polfilter aufgeklebt. Die Flüssigkristalle eines LCD Displays lassen das Licht einer Hintergrundbeleuchtung passieren oder blockieren es je nach Ausrichtung. (Merck) Wenn sie parallel zueinander angeordnet sind, spricht man vom Normally Black Mode: Im Normalzustand, d. h., wenn keine Spannung angelegt ist, fällt kein Licht hindurch, der Bildschirm ist schwarz. Auf der Rückseite sind Beleuchtungselemente (Kaltkathodenröhre, engl. cold cathode fluorescent lamp, kurz: CCFL) angebracht. Um die Bildfläche gleichmäßig auszuleuchten, sind i. d. R. mehrere horizontal angeordnete CCFL angebracht. Auf der Vorderseite sorgen vor jedem Subpixel Farbfilter dafür, dass aus dem bislang weißen Licht eine farbige Abbildung auf dem Display entsteht. Bei einem LCD-Bildschirm wird also das Licht der Hintergrundbeleuchtung selektiv für jedes einzelne Pixel ganz oder teilweise durchgelassen und eingefärbt, wodurch das Bild aufgebaut wird.

3 2. Wie entsteht nun ein Bild? Einfallendes Licht wird vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht durch einen Polarisationsfilter linear polarisiert. Bei einem LCD-Display wird der Effekt ausgenutzt, dass polarisiertes Licht, das durch Flüssigkristallmoleküle geht, in seiner Polarisationsebene gedreht wird. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallzelle orientieren sich die Flüssigkristallmoleküle parallel zum elektrischen Feld; die Verdrillung der Flüssigkristalle wird damit zunehmend aufgehoben. Die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr gedreht und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter passieren: Der Pixel wird hell. Dies ist der Normally Black Mode, beim Normally White Mode fällt das Licht im ausgeschalteten Zustand hindurch, das Pixel kann durch Anlegen einer Spannung selektiv verdunkelt werden. Je höher die Spannung, also je geordneter die Flüssigkristalle sind, desto ungehinderter kann das Licht durchfallen: Der Punkt hat seine maximale Helligkeit. So entstehen auch die Farben: Das Licht fällt in unterschiedlicher Stärke durch drei Farbfilter in den RGB-Farben Rot, Grün und Blau. Wenn alle drei Subpixel gleich hell sind, mischen sich die drei Farben zu weißem Licht (Additive Farbmischung).

4 3. Was ist Polarisierung? Im täglichen Leben begegnen wir Polarisation überall, ohne es zu merken. Schon wenn wir in den blauen Himmel schauen, sehen wir auch polarisiertes Licht: Wird natürliches Licht von transparenten Medien reflektiert eben auch das Sonnenlicht, das an den Luftmolekülen gestreut wird so ist das reflektierte Licht teilweise polarisiert. Wer schon einmal beim Fotografieren störende Reflektionen, wie etwa von einer Windschutzscheibe oder vom gleißenden Licht des Meeres, beobachtet hat, kennt die Vorzüge eines Polarisationsfilters. In der richtigen Orientierung vor das Objektiv gebracht, beseitigt er die Reflexionen. Große Wirkung Erstaunlich: Für das menschliche Auge ist kein Unterschied zwischen polarisiertem und unpolarisiertem Licht sichtbar. Dennoch ist Polarisation eine wichtige Eigenschaft, die entscheidend für die Funktion von vielen vertrauten Gegenständen ist: Viele Sonnenbrillen sind mit einem Polfilter zum Schutz vor unerwünschten Reflexionen ausgestattet, ebenso kommen Polfilter in Kameras beim Fotografieren zum Einsatz. Bei LCD- Displays schließlich ist der Polarisationseffekt grundlegend für die Technik, ohne den sie nicht möglich wären. Polarisationsfilter können z.b. zur Verminderung von störenden Reflexen in Sonnenbrillen eingesetzt werden. (Carl Zeiss) Ein Polfilter lässt nur Licht eines bestimmten Schwingungszustands passieren. Dadurch können bestimmte Lichtanteile unterdrückt werden.

5 Was macht ein Polfilter? Licht ist eine elektromagnetische Welle. Licht besteht normalerweise aus zahllosen Wellenzügen, wobei das elektrische Feld transversal (quer zur Längsachse, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) in unterschiedliche Richtungen und auch mit unterschiedlicher Amplitude schwingen kann. Derartiges Licht wird als unpolarisiert bezeichnet. Es entsteht durch Überlagerung vieler verschiedener Wellenzüge. Ein Polfilter kann nun das Licht polarisieren, indem andere Polarisationsrichtungen herausgefiltert werden. Man unterscheidet zwischen linearen und zirkularen Polarisationsfiltern, je nach Art der Polarisation des ausfallenden Licht. Bei der linearen Polarisation schwingt das elektrische Feld in nur genau einer Richtung, bei der zirkularen Polarisation dreht sich das elektrische Feld kontinuierlich um seine Ausbreitungsrichtung. Störende Reflexe ade: Vergleich einer Kameraaufnahme mit und ohne Polfilter (Florian Lindner) Solche Filter kann man durch bestimmte Kristalle oder spezielle Folien realisieren. In diesen Plastikfolien sind langgestreckte Moleküle enthalten, die durch Spannen parallel gerichtet werden. Wenn zwei solcher Folien mit parallelen Molekülachsen hintereinander geschaltet werden, so kann das Licht ungehindert hindurchfallen. Dreht man die zweite Folie um 90 Grad gegenüber der ersten, wird das Licht nahezu ausgelöscht es bleibt also dunkel.

6 4. Die Mischung machts Flüssigkristalle verdanken ihren Namen der Tatsache, dass sie zwar flüssig sind, aber dennoch eine gewisse Ordnung hinsichtlich der Ausrichtung der Moleküle besitzen. Dies geht also nur mit asymmetrischen bzw. stäbchenförmigen Molekülen. Ein Flüssigkristall unter polarisiertem Licht. Verschieden orientierte Bereiche sind zu erkennen für ein LCD-Display allerdings noch zu chaotisch. Ein Kristall ist durch streng periodisch angeordnete Atome oder Moleküle gekennzeichnet. Ein Flüssigkristall besitzt hingegen ungeordnete, aber relativ homogen ausgerichtete Moleküle und liegt damit irgendwo zwischen einer Flüssigkeit und einem Kristall. Je nach Anordnung und Symmetrie der Moleküle ergeben sich unterschiedliche Phasen. Eine für die Displaytechnologie wichtige Phase heißt nematische Phase: Hier sind die Moleküle des Flüssigkristalls zueinander weitgehend parallel in einer Richtung angeordnet, sind aber gegeneinander verschoben. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts wurde das besondere Verhalten der Flüssigkristalle beobachtet, doch erst 100 Jahre später gelang es, dieses durch entscheidende Weiterentwicklungen für einen Displayeinsatz nutzbar zu machen. Dabei macht man sich die ungleichmäßige Ladungsverteilung der Moleküle zunutze (Dipolmoment). Dadurch kann ihre Orientierung durch ein elektrisches Feld beeinflusst werden.

7 5. Genau abgestimmt Bislang gibt es keine flüssigkristalline Einzelsubstanz, die alle Eigenschaften aufweist, die ein modernes Display erfordert. Zum Teil sind die physikalischen Anforderungen sogar gegenläufig, daher werden zur Optimierung verschiedene Einzelsubstanzen gemischt, in der Regel sind es zehn bis zwanzig flüssigkristalline Einzelsubstanzen. Jede Anwendung bringt dabei eigene Anforderungen an die Displayeigenschaften mit sich. Für Notebook-Displays sind Flüssigkristall- Mischungen vorteilhaft, die mit nur niedrigen Schwellenspannungen betrieben werden können. Dadurch kann die Ansteuerelektronik verringert werden: Dies bedeutet wertvolle Platz- und Gewichtsersparnis. Für kleine mobile Geräte wie PDAs, Game Boys und Digitalkameras ist dazu noch der Energieverbrauch wichtig. Der größte Energiebetrag wird von der Hinterleuchtung beansprucht. Die Lösung sind Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung. Diese sind erheblich sparsamer, aber immer noch auch teurer. Der Schwerpunkt der LCD-Entwicklung bei Monitor- und Fernsehanwendungen liegt auf der Bildqualität (Kontrast, Helligkeit), der Blickwinkelanhängigkeit und insbesondere der Schaltzeit. Ferroelektrische Flüssigkristalle Eine interessante Perspektive ergibt sich aus 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 Bildpunkt-Felder müsste nicht so häufig durchlaufen werden (die Felder werden nicht so schnell vergessen ) der Aufwand in der Steuerelektronik kann reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist der zu erwartende stark verbesserte Kontrast.

8 6. LCD-Bildschirme im Einsatz Bei der LCD-Technik handelt es sich um eine ausgereifte Technologie, die Einzug in viele Einsatzbereiche gefunden hat. LCDs sind heute in vielen mobilen Geräten zu finden. OLEDs werden sich aber immer mehrdurchsetzen. (Nokia) Angefangen von Digitaluhren und Taschenrechnern, wo die einfarbigen Displays ohne Hintergrund-Beleuchtung sich durch geringsten Stromverbrauch und sehr hohe Lebensdauer auszeichnen, finden LCDs überall dort Anwendung, wo ein langer wartungsfreier Betrieb erforderlich ist. Verbreitung fanden LCDs über weitere tragbare oder batteriegespeiste Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks, Uhren, Taschenrechnern etc. Mit dem Einsatz der TFT-Technik und im Zuge verbesserter Produktionstechniken hat man frühere Schwachpunkte wie Kontrastumfang und Betrachtungswinkel gut in den Griff bekommen. Ein Nachteil ist aber geblieben: die Hintergrundbeleuchtung. Zum einen muss die Hintergrundbeleuchtung gefiltert werden, um die Grundfarben der Pixel herzustellen. Jeder der Filter blockiert im eingeschalteten Zustand etwa zwei Drittel des Lichts. Und: Das Hintergrundlicht ist auch dann eingeschaltet, wenn der Bildschirm schwarz ist. Die Farben eines LCDs sind daher weniger gesättigt als bei CRTs oder bei Plasmabildschirmen. Zum anderen bedeutet eine Hintergrundbeleuchtung natürlich einen höheren Energiebedarf, hier kann jedoch der Einsatz mit sparsamen LED-Leuchten in Zukunft deutliche Nutzwertverbesserungen erreichen. Für die Hintergrund-Beleuchtung weit verbreitet: Kaltkathoden-Röhren haben im Gegensatz zur Leuchtstofflampe unbeheizte Elektroden. (Schott)

9 7. Die Ausrichtung: horizontal oder vertikal Man unterscheidet zwischen verschiedenen LCD-Technologien: Die einfachsten und am schnellsten schaltenden Panels sind die hier beschriebenen Twisted Nematic (TN+Film). Der Unterschied der verschiedenen Technologien liegt in der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle. LCDs wachsen beständig: 40 Zoll und mehr sowie Aufslösungen von 1920x1080 Pixel sind momentan das Maß der Dinge. Ein TN richtet die Moleküle unter Spannung senkrecht zum Substrat bzw. zur Frontscheibe aus. Der Zusatz Film bezeichnet einen den Kontrast und Blickwinkel optimierenden Film, der die Fehlorientierung der Moleküle am Rand der Zellen kompensiert. IPS, das andere Prinzip, steht für in plane switching, d. h., die Moleküle werden parallel bzw. horizontal zum Substrat ausgerichtet. Damit lässt sich die Blickwinkelabhängigkeit reduzieren, allerdings auf Kosten der Schaltgeschwindigkeit. Bei MVA-Panels (Multi-domain Vertical Alignment) sind die Moleküle im Ruhezustand nahezu vertikal und im an -Zustand horizontal ausgerichtet.