Flachdisplays. 1.0 Einführung

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1 Flachdisplays 1.0 Einführung Mit dem Erfolg der Notebooks bekam die Entwicklung der Flachdisplays eine nie da gewesene Dynamik, welche sich natürlich auch auf die normalen Flachbildschirme ausgewirkt hat. Kaum eine Produkt wird derzeit so oft in der deutschen Distributions- und Handelszene diskutiert, wie die Flachbildschirme oder Flat Panels. Mittlerweile wird diese Art von Bildschirm auch kurz TFT genannt. Die TFT s werden derzeit hauptsächlich im Geschäftlichen Bereich eingesetzt. Damit die TFT s ihren Siegeszug auch in die Richtung des Home Users antreten, müssen noch einige Bedingungen erfüllt werden: Die Preise müssen auf dem Niveau der Röhrenmonitore liegen Größe mindestens 15 Zoll bei einer Auflösung von Mindestens 1024 * 768 Punkten Standardisierte Schnittstelle für digitale TFT s Qualität und Tauglichkeit für ALLE Anwendungen Die Preise für ein 15,1 Zoll Panels lagen vor kurzem noch bei ca bis 3000 DM. Vor kurzem sind die Preise erstmals auf unter 1000 DM gesunken. Für ein 18,1 Zoll Panel werden jedoch noch immer bis zu 6500 DM fällig.

2 2.0 Was ist ein TFT? Zur Einordnung der Technologie Wenn man die heutigen Bildschirmtechnologien klassifiziert, so unterteilt man erst einmal in Röhrenmonitore (CRTs) und Flachbildschirme. Röhren sind tief und klobig, Flachbildschirme - also Geräte ohne Röhren - sind eben flach und mehr oder weniger handlich. Innerhalb der Kategorie Flachbildschirme gibt es wiederum völlig unterschiedliche Konzepte wie LCD (Liquid Crystal Displays), Plasma Displays, LED (Light Emitting Diode) und einige mehr. Grundsätzlich kann man bei den Flachbildschirmen eine Unterteilung in lichterzeugende und lichtdurchlassende Typen vornehmen. Wir gehen hier auf die aus unserer heutigen Sicht wirklich sinnvolle Flachbildschirm- Technologie ein, die sogenannten TFT-LCDs. Diese gehören zu den Displays, die Licht durchlassen. Daneben gibt und gab es auch STN Modelle oder DSTN (Passivmatrix-LCDs), die jedoch heute zumeist nur noch in sehr billigen Notebooks eingesetzt werden. Bild 1: Übersicht der verschiedenen Technologien für Flachbildschirme. Durchgesetzt haben sich die Aktivmatrix TFT s.

3 3.0 Funktionsweise eines TFT s TFT steht für Thin Film Transistor. Dies beschreibt die eingesetzten Steuerungselemente, die aktiv die einzelnen Bildelemente ansteuern. Deshalb spricht man auch von sogenannten Aktivmatrix-TFTs. Wie entsteht nun das Bild? Ist eigentlich ganz einfach: Man benutzt eine Scheibe mit vielen Bildpunkten und jeder dieser Bildpunkte kann in einer beliebigen Farbe leuchten. Dazu befindet sich hinter der Scheibe die Hintergrundbeleuchtung (Back Light), in der Regel sind dies mehrere Leuchtstoffröhren. Um einen Bildpunkt nun zum Leuchten zu bringen, muss lediglich dafür eine kleine "Tür", die das Licht passieren lässt, geöffnet werden. Die Technik, die dahinter steckt, ist natürlich weitaus komplizierter und aufwendiger als die einfache Erklärung von oben. LCD (Liquid Crystal Display) steht für jene Monitore, die auf Flüssigkristallen basieren. Diese können ihre Ausrichtung verändern und lassen in Abhängigkeit davon Licht passieren oder blockieren es. Wieviel Licht die LCDs letztendlich durchlassen und welche Farben entstehen, wird durch zwei Polarisationsfilter, den Farbfiltern und zwei Ausrichtungsschichten (Alignment Layer) bestimmt. Aufgebracht sind die Layer zwischen den Glasscheiben. An die Alignment Layer wird eine Spannung angelegt - es wird dadurch ein elektrisches Feld aufgebaut - das die Flüssigkristalle ausrichtet. Für jeden Bildpunkt oder Pixel gibt es diesen Aufbau quasi dreimal, für Rot, Grün und Blau - analog zu den Leuchtstoffen bei den Röhrenmodellen. Am weitesten verbreitet sind die Twisted-Nematic-TFTs. Nachfolgend ist die Funktionsweise solcher TFTs dargestellt. Natürlich gibt es noch andere Verfahren. Bild 2a: Funktionsweise eines Standard-TFTs (twisted nematic) Wenn keine Spannung anliegt, sind die Molekülketten um 90 Grad gedreht (twisted). Das Back Light wird durch diese Umlenkung durchgelassen. Bild 2b: Funktionsweise eines Standard-TFTs (twisted nematic) Liegt Spannung an, also unter Spannung, sind die Flüssigkristalle gerade ausgerichtet. Das polarisierte Licht wird am zweiten Polarisationsfilter absorbiert. Damit kann das Licht an dieser Stelle des TFT Bildschirms nicht austreten.

4 3.1 Der Aufbau der Bildpunkte eines TFT s Die Farbfilter für Rot, Grün und Blau, sind nebeneinander auf das Glassubstrat aufgebracht. Jeder einzelne Bildpunkt (Dot) setzt sich aus drei dieser Farbzellen oder Bildelemente zusammen. Man hat somit bei einer Auflösung von 1280 x 1024 genau 3840 x 1024 Transistoren und Bildelemente. Der Punktabstand (Dot Pitch bzw. Pixel Pitch) beträgt bei einem 15,1-Zoll-TFT (1024 x 768 Pixel) circa 0,30 mm und bei einem 18,1-Zoll-TFT (1280 x 1024 Pixel) ungefähr 0,28 mm. Bild 4: Bildpunkte eines TFTs. In der linken oberen Ecke einer Zelle befindet sich der Thin Film Transistor. Durch Farbfilter erhalten die Zellen ihre RGB-Grundfarben. Die Bildpunkte sind entscheidend und je kleiner der Abstand, desto höher die mögliche Auflösung. Aber auch bei den TFTs gibt es natürliche Grenzen aufgrund der maximalen Darstellungsfläche. Hat man eine Diagonale von 15 Zoll oder 38 cm und einen Punktabstand von mm, so macht eine Auflösung von 1280 x 1024 einfach keinen Sinn mehr.

5 4.0 Stärken und Schwächen von TFT s Da Sie sicherlich mit den Eigenschaften eines klassischen Röhrenmonitors vertraut sind, möchten wir an dieser Stelle noch einmal die wesentlichen Unterschiede zwischen TFTs und CRTs hervorheben: Durch die aktive Ansteuerung der Bildpunkte mittels Transistoren erreichen TFTs eine außerordentlich hohe Schärfe. Ein weiterer Vorteil gegenüber CRTs ist das technologisch bedingte Nichtvorhandensein von Geometrie- oder Konvergenzfehlern. Warum flimmern Flachbildschirme nicht? Ganz einfach. Sie besitzen keinen Elektronenstrahl, der nach das Bild von links oben und dann Zeile für Zeile nach rechts unten schreiben muß. Bei CRTs gehen bei den Leuchtstoffen buchstäblich für kurze Zeit das Licht aus, nämlich dann, wenn der Elektronenstrahl von unten rechts nach links oben zurückspringen muss (Blanking). Die Pixel der TFTs schalten hingegen niemals ab, sondern ändern kontinuierlich ihre Intensität. In der nachfolgenden Tabelle sind alle wichtigen Kriterien noch einmal zusammengefasst. Flachbildschirme (TFTs) Röhrenbildschirme (CRTs) Helligkeit (+) 170 bis 250 cd/m 2 (~) 80 bis 120 cd/m 2 Kontrastverhältnis (~) 200:1 bis 400:1 (+) 350:1 bis 700:1 Betrachtungswinkel (Kontrast) (~) 110 bis 170 Grad (+) über 150 Grad Betrachtungswinkel (Farbe) (-) 50 bis 125 Grad (~) über 120 Grad Konvergenzfehler (+) keine (~) 0,20 bis 0,30 mm Schärfe (+) sehr gut (~) befriedigend bis sehr gut Geometrie-/Linearitätsfehler (+) keine (~) möglich Pixelfehler (-) bis 8 Stück (+) keine Ansteuerung (+) analog oder digital (~) nur analog Skalierung bei unterschiedlichen (-) nein oder durch minderwertiges (+) sehr gut Auflösungen Interpolationsverfahren Gamma (Farbanpassung für das (~) befriedigend (+) fotorealistisch menschliche Auge) Homogenität (~) oft an den Rändern heller (~) oft in der Mitte heller Farbreinheit/Farbqualität (~) gut (+) hoch Flimmern (+) nicht vorhanden (~) ab 85 Hz nicht wahrnehmbar Reaktionszeit (-) 20 bis 30 ms (+) nicht wahrnehmbar Leistungsaufnahme (+) 25 bis 40 Watt (-) 60 bis 150 Watt Platzbedarf/Gewicht (+) geringe Tiefe, leicht (-) hoher Platzbedarf, schwer Tabelle 1: Vergleich CRTs und TFTs Bedeutung der Zeichen: (+) besser (~) mittelmäßig, gleich (-) schlechter

6 4.1 Der ideale TFT, Fazit und Zusammenfassung Das ideale TFT - Entscheidungshilfen zum Kauf Wollen Sie sich ein Flachbildschirm zulegen? Dann sollten Sie erst einmal den Verkäufer bzw. das Handbuch konsultieren und schauen, ob folgende Kriterien erfüllt sind. Erst dann lohnt sich ein Kauf: Helligkeit größer als 200 cd/m 2 Kontrastverhältnis mehr als 300 : 1 Pixelfehler unter 5 Betrachtungswinkel über 140 Grad Tabelle 2: Die wichtigsten Kaufkriterien Wohin geht's? Die neuen Technologien Momentan sind zwei wichtige Entwicklungen in vollem Gange. Zum einen arbeiten die Panelhersteller an der Erhöhung der Blickwinkel. Neben der Verbesserung der Standard-TFTs (Twisted Nematic bzw. gedreht nematisch) durch Aufbringen eines Films gehen einige Hersteller neue Wege. Was die neuen Technologien IPS (In Plane Switching) und MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) wirklich bringen, erfahren Sie im Technologieartikel zur Blickwinkeltechnologie. Der zweite Trend geht eindeutig zu digitalen Ansteuerung. In unseren zweiten Technologieartikel berichten wir ausführlich über digitale Schnittstellen. Zusammenfassung & Fazit Für Standard-Büroanwendungen wie Textverarbeitung und Tabellenkalkulation haben Flachbildschirme eine hervorragende Schärfe und besitzen dafür eine ausreichende Farbqualität. Auch ergonomisch haben TFTs viel zu bieten: Weniger Platzbedarf, eine Leistungsaufnahme von nur einem Drittel eines Röhrenmonitors und natürlich eine wesentlich geringere Strahlenemission. Nicht geeignet sind die TFTs für Grafiker, die eine fotorealistische Darstellung benötigen. Auch ist die Reaktionszeit der heutigen Modelle sicherlich nicht ideal für Nutzer, die überwiegend am PC spielen, während Videoplayback, DVDs oder Präsentationen mittlerweile gut von TFTs gemeistert werden. Damit die flachen Displays den Weg in die privaten Wohnzimmer finden, muss auf alle Fälle an der Preisschraube gedreht werden und natürlich eine bessere Verfügbarkeit gewährleistet sein. by Markus Gresser IT03

7 Erklärung der wichtigsten Begriffe Interpretation der Bilddiagonale Bei Röhrenmonitoren ist die sichtbare Diagonale immer kleiner als die eigentliche Röhrendiagonale. Die Panels der TFTs besitzen hingegen keinen Rand. Die Angabe der Diagonale ist deshalb mit der sichtbaren Diagonale gleichzusetzen. So besitzt zum Beispiel ein 15,1-Zoll-Flachbildschirm in etwa eine gleichgroße sichtbare Bilddiagonale wie ein 17-Zoll-Röhrenmonitor. Betrachtungswinkel Immer noch ein Kriterium, denn nicht jeder "Flachmann" besitzt Betrachtungswinkel, wie man sie von Röhrenmonitoren gewohnt ist. Da das Licht der Hintergrundbeleuchtung erst Polarisationsfilter, Flüssigkeitskristalle und die sogenannten Alignment Layers durchdringen muß, unterliegt es einer gewissen Ausrichtung, d.h. der größte Anteil tritt senkrecht aus dem Panel aus. Schaut man in das Display von der Seite, erscheint es für den Betrachter dunkler oder mit Farbverfälschungen. Dieser Effekt mag bei Geldautomaten sicherlich von Vorteil sein, jedoch nicht im allgemeinen Einsatz. Erst seit einem reichlichen Jahr setzen die Hersteller verbesserte Technologien ein, um den Blickwinkel zu verbessern. IPS (In-Plane-Switching), MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) oder TN+Film (Twisted Nematic + Retardation Film) gehören derzeit zu den fortschrittlichsten unter ihnen. Diese können den Blickwinkel auf 160 Grad und mehr vergrößern, was ungefähr dem der Röhrenmonitore entspricht. Der maximale Blickwinkel für den Kontrast wird an der Stelle erreicht, an der der Abfall des Kontrastverhältnisses auf ein Zehntel des Ausgangswertes (ausgehend von senkrechter Betrachtung) entsteht. Kontrastverhältnis Das Kontrastverhältnis ergibt sich aus dem maximalen und dem minimalen Wert der Helligkeit. Je höher der Wert, desto besser. Röhrenmonitore haben damit kein Problem, denn sie erreichen mit Kontrastverhältnissen von 500:1 und mehr Werte, die fotorealistisch wirken. Ein schwarzes Bild auf einem Röhrenmonitor zu zaubern ist auch keine Kunst. Man schaltet einfach den Elektronenstrahl an der gewünschten Stelle ab. Anders hingegen verhält es sich bei TFTs. Die Leuchtstoffröhren für die Hintergrundbeleuchtung können in ihrer Helligkeit kaum verändert werden und sind während des Betriebs immer an. Für ein "Schwarzbild" müssen also die Flüssigkeitskristalle dem Back Light den Weg versperren. Physikalisch ist dies jedoch nicht perfekt möglich - etwas Licht kommt immer durch. Auch hier feilen noch die Hersteller herum. Akzeptabel für das menschliche Auge sind Werte ab 250:1. Helligkeit Hier haben TFTs eindeutig die Nase vorn. Die maximale Helligkeit wird prinzipiell von den eingesetzten Leuchtstoffröhren (Hintergrundbeleuchtung) bestimmt. Helligkeitswerte zwischen 200 und 250 Candela pro Quadratmeter sind kein Problem. Ein helleres Licht macht sowieso keinen Sinn (obwohl technisch machbar), da sonst das Display "blenden" würde. Bei CRTs liegt das Maximum in der Helligkeit bei 100 bis 120 cd/m 2. Höhere Werte sind kaum drin, da dafür enorme Beschleunigungsspannungen für die Elektronenkanone erzeugt werden müßten, was natürlich auch negative Auswirkungen in punkto Strahlenemission und Lebensdauer des Phosphors hat. Pixelfehler Diese entstehen durch defekte Transistoren, machen sich durch störende Farbpunkte auf dem Display bemerkbar. Durch den Defekt eines Transistors wird an der betroffenen Stelle entweder nie Licht durchgelassen oder der Punkt bleibt immer an. Störend wirken sich solche Pixelfehler dann aus, wenn sie sich an einer Stelle häufen. Leider gibt es keinen Standard, der die maximal erlaubte Anzahl bzw. die Häufung der Pixelfehler regelt. Jeder Hersteller hat dafür eine eigene Definition. In der Regel sind drei bis fünf Pixelfehler normal. Wer darauf Wert legt, sollte sich schon beim Kauf überzeugen, denn diese Farbpunkte entstehen bereits während der Fertigung und sind nicht mehr zu revidieren. Ein Trostpflaster: nachträglich kommt es nicht mehr zu einer Zunahme solcher Defekte, vorausgesetzt man drückt nicht mit dem Finger oder anderen Gegenständen auf dem Panel herum. Reaktionszeit (Response Time) Besonders bei der Wiedergabe von bewegten Bildern haben noch viele TFTs Probleme. Die Gründe dafür sind die langen Reaktionszeiten (Response Time) der Flüssigkristalle. Diese liegen heutzutage noch zwischen 20 und 30 Millisekunden. Hier der Vergleich: Ein Standard-Kinofilm produziert 25 Bilder pro Sekunde, d.h. ein Einzelbild bzw. Frame sollte für die Dauer von 40 Millisekunden angezeigt werden. Die ernorme Trägheit der Flüssigkeitskristalle führt dazu, dass schnelle Sequenzen wie zum Beispiel der Flug eines Kampfjets durch ein Tal oder die Laufschrift im Abspann des Films etwas "verwischen". Generell reicht die Reaktionszeit jedoch aus, um nicht sagen zu müssen, dass TFTs für die Videowiedergabe unbrauchbar wären.

8 Farbqualität - Die Aufbereitung der analogen Eingangssignale Im Gegensatz zu digitalen Flachbildschirmen müssen jene Modelle, die mit dem Standard-VGA-Stecker ausgerüstet sind, die analogen Bildsignale erst wieder in die "digitale Sprache" zurück übersetzen. Dies kann zu Verlusten führen. Einige Hersteller setzen nach wie vor auf minderwertige A/D-Wandler, die maximal nur 18 Bit (3 x 6 Bit für Rot, Grün und Blau) auflösen können. Damit sind nur Farben (Pseudo-RGB) darstellbar. Für True Color sind jedoch mindestens 16,7 Millionen Farben erforderlich.