Geschichte der LCD-Tech­no­logie - Wie funk­tio­niert ein Liquid Crystal Display?

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis2

1.     LCD-Technologie3

1.1       Entwicklungsgeschichte3

1.2       Komponenten einer Flüssigkristallanzeige3

1.2.1     Twisted Nematic (TN) Panel4

1.2.1.1       Glasscheibe4

1.2.1.2       Polarisationsfilter4

1.2.1.3       ITO-Schicht5

1.2.1.4       Flüssigkristallschicht5

1.2.2     Hinterleuchtungseinheit6

1.2.2.1       Aufbau der Hinterleuchtungseinheit6

1.2.2.2       Lichtquelle6

1.2.2.3       LED-Hintergrundbeleuchtung7

1.3       Funktionsweise von Flüssigkristallanzeigen_ 8

1.3.1     Entstehung farbiger Bilder bei Flüssigkristallanzeigen_ 9

1.   LCD-Technologie

Die Abkürzung LCD steht für die englische Bezeichnung von Flüssigkristallanzeigen: Liquid Crystal Displays. Gemeint ist damit eine Technologie, die heute bei nahezu allen Computer-bildschirmen, Fernsehern und anderen Anzeigen zum Einsatz kommt.

1.1         Entwicklungsgeschichte

Den Grundstein für Flüssigkristallanzeigen legte der österreichische Botaniker und Chemiker Friedrich Reinitzer im Jahre 1888 durch die Entdeckung von Flüssigkristallen. Die besonderen Eigenschaften solcher Substanzen machten sich die beiden schweizer Physiker Martin
Schadt und Wolfgang Helfrich 1971 zu Nutze und entwarfen auf dieser Basis die erste
Flüssigkristall­anzeige.[1]
Seit der von ihnen konstruierten Schadt-Helfrich-Zelle entwickelte sich die neuartige Anzei­gen-Technologie mit rasanter Geschwindigkeit weiter.

Heute existiert daher eine Vielzahl an LC-Displays, die auf verschiedene Techniken zur Bilderzeugung zurückgreifen.

1.2         Komponenten einer Flüssigkristallanzeige

Das Grundprinzip, auf dem alle Arten von Flüssigkristallanzeigen beruhen, ist bis heute nach wie vor dasselbe. Alle LC-Displays bestehen aus zwei Komponenten; zum einen ist das die Hinterleuchtungseinheit,die das nötige Licht zur Verfügung stellt,zum anderen das LCD-Panel, bei dem unter Verwendung von Flüssigkristallen die Lichttransmission[2] gesteuert wird.

Dabei spielen die besonderen Eigenschaften von Flüssigkristallen gegenüber Licht und elektrischen Feldern die zentrale Rolle.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Flüssigkristallanzeige mit TN-Panel

1.2.1     Twisted Nematic (TN) Panel

Die bereits erwähnten Unterschiede zwi­schen Flüssigkristallanzeigen basieren auf den verwendeten Panel-Typen. So gibt es unter ande­rem Flüssigkristallanzeigen mit IPS-, PVA- und TN-Panels. Letzteres ist nicht nur der älteste, sondern auch der bis heute mit am häufigsten einge­setzten Panel-Typ.

Für die Darlegung der LCD-Technologie wird hier auch die Flüssigkristallanzeige mit TN-Panel verwendet. Ein TN-Panel besteht aus mehreren übereinandergeschichteten Bestandteilen, deren jeweiliger Aufbau und Funktionsweise nachfolgend erläutert werden sollen.

1.2.1.1        Glasscheibe

Obwohl die Glasscheiben rund drei Viertel der Dicke eines Panels ausmachen, dienen sie lediglich als Stabilisatoren von Flüssigkristallanzeigen. Sie stützen die anderen Bauteile und umschließen schützend die Flüssigkristallschicht.

Auf diese Weise bilden sie die Basis, auf der die übrigen Schichten aufgebracht werden.

1.2.1.2        Polarisationsfilter

Generell handelt es sich bei Licht um elektromagnetische   Transversalwellen[3]. Künstliches Licht, z.B. von Leuchtdioden, ist wie das Sonnenlicht unpolar; d.h. es schwingt in alle Richtungen.Polares Licht besitzt hingegen die Eigenschaft, dass alle Wellen dieselbe Schwingungsrichtung haben.

Solches Licht ist eine wichtige Voraussetzung für LC-Displays.

Hierfür sind in einem TN-Panel einer Flüssigkristallanzeige immer zwei Polarisationsfilter[4] verbaut. Der untere 1. Polarisationsfilter dient dazu, aus dem Licht der Hinterleuchtungseinheit polares linear schwingendes Licht herauszufiltern und dieses passieren zu lassen.

Auf der oberen Glasplatte ist der 2. Polarisationsfilter angebracht, dessen Durchlassrichtung um 90° gedreht zu der des Unteren ist.[5]

Das Licht, das der untere Filter durchgelassen hat, würde somit (ohne die anderen Schichten zu beachten) auf Grund der Polarisation den oberen Filter nicht passieren können und die An­zeige bliebe dunkel. Diese Tatsache ist wichtig für das Funktionsprinzip von LC-Displays.

Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, entsteht zwischen der oberen und unteren ITO-Schicht ein elekt­risches Feld. Je nach Höhe der angelegten Spannung variiert die Feldstärke. Üblicherweise bewegt sich die Spannungsstärke bei Flüssigkristallanzeigen im Bereich von 0 - 3,5 Volt.

1.2.1.4        Flüssigkristallschicht

Die Flüssigkristallschicht ist der entscheidendste und wichtigste Bestandteil von LC-Displays. Im Vergleich zu den Glasscheiben mit einer Dicke von je 700 Mikrometern, beträgt die der Flüssigkristallschicht lediglich 5 Mikrometer.[6]

Allgemein zeichnen sich Flüssigkristalle einerseits durch ihre kris­tallinen, zum anderen durch ihre fluiden Eigenschaften aus. So zeigen sie optische Effekte (z.B. Änderungen der Polarisationsrichtungen von Licht) wie Kristalle, sind zugleich aber ebenso beweglich wie Wassermoleküle.

In ihrer räumlichen Strukturanordnung treten Flüssigkristalle in drei verschiedenen Phasen auf. Eine dieser nennt sich nematische Phase. Die kleinen Stäbchen sind dabei entlang ihrer Längsachse parallel zueinander ausgerichtet.

Bei LCDs mit Twisted Nematic Panel sind die Flüssigkristalle entsprechend dieser Form verbaut, daher auch die Bezeichnung Nematic. Mit Hilfe spezi­eller, oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallschicht angebrachten Orientierungsschichten (meist Polyimidfilme) wird die Ausrichtung der Stäbchen zusätzlich beeinflusst, sodass sie sich ähnlich eines um 90° verdrillten (eng. twisted) Bandes ausrichten (siehe Abbildung 3).

Die Orientierungsschichten grenzen zusätzlich die Flüssigkristallschicht von der ITO-Schicht ab.[8]

1.2.2.1        Aufbau der Hinterleuchtungseinheit

Den wichtigsten Bestandteil der Hinterleuchtungseinheit bildet die Lichtquelle. Das von ihr ausgesendete Licht wird mit Hilfe der Reflexionsschicht und des Lichtleiters möglichst gleichmäßig auf dem Bildschirm verteilt. Durch die Streuscheiben sowie die prismatischen Fo­lien soll schließlich ein für den Betrachter möglichst helles und vor allem homogenes Licht entstehen.

1.2.2.2       
Lichtquelle       

Für die Hinterleuchtung stehen bei LC-Displays sowohl Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen als auch Leuchtdioden (eng. Light Emitting Diode - kurz LED) zur Verfügung. Inzwischen bietet die LED-Technik gegenüber den etwas veralteten Kaltkathodenlampen derart viele Vorteile (z.B. in Bezug auf die Effizienz, die Helligkeit, die Haltbarkeit, den Platzbe­darf, etc.), dass in der Zukunft die allermeisten Bildschirme diese Technik nutzen werden.

1.2.2.3        LED-Hintergrundbeleuchtung

Eingesetzt werden Leuchtdioden bei LCD-Monitoren für die Beleuchtung seit etwa 5 Jahren. Dabei gibt es jedoch Unterschiede in den verwendeten Arten der Leuchtdioden und deren Anordnung im Bildschirmhintergrund.

1.2.2.3.1    Verwendete LEDs bei LED-Displays

Zur Anwendung kommen White-LEDs, welche eine festgelegte Farbtemperatur des emittier­ten Weißlichts besitzen, sowie RGB-LEDs, bei denen das weiße Licht durch die additive Mi­schung der Grundfarben rot, grün und blau entsteht.

Letztere haben gegenüber den White-LEDs den Vorteil, dass das Licht der Hinterleuchtung dem Bild entsprechend angepasst werden kann; beispielsweise durch eine Änderung der Farbe oder ihrer Temperatur.

Beim Edge-LED-Prinzip werden die Leuchtdioden am Rand des Bildschirms angebracht. Dies kann an allen vier Seiten, aber auch nur an einer oder zwei Seiten erfolgen, wodurch auch eine besonders dünne Bauweise des Bildschirms (bis 2mm) möglich ist. Dafür treten allerdings auch vermehrt Fehler bei der Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung auf.

Beim teureren Direct-LED-Prinzip hingegen befinden sich die Leuchtdioden auf der  ganzen Fläche hinter dem Bildschirm. Neben einer verbesserten Ausleuchtung ist die Möglichkeit des Local Dimming ein weiterer Vor­teil von Full-LED Bildschirmen. Unter Local Dimming versteht man das Abschalten oder Dimmen einzelner LED-Gruppen, wodurch eine deutliche Verbesserung in Bezug auf den Kontrast erzielt werden kann.

1.3         Funktionsweise von Flüssigkristallanzeigen

Die allermeisten LC-Displays mit einem TN-Panel sind sogenannte „Normally White“- Anzei­gen; d.h. sie leuchten in ihrem Normalzustand ohne angelegte Spannung. Da Flüssigkristalle ,wie bereits angesprochen, die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wird das Licht, das den ersten Polarisationsfilter passiert hat, von den nematisch verdrillten Flüs­sigkristallschicht  um 90° abgelenkt.

So hat dieses beim Auftreffen auf den zweiten Polarisationsfilter, der um 90° zum 1. Polarisationsfilter gedreht ist, die richtige Schwingungsebene, um diesen ohne Verluste zu passieren. Die Anzeige leuchtet auf.

Das Anlegen einer Spannung deformiert die räumliche Struktur der Flüssigkristallschicht auf Grund des entstandenen elektrischen Feldes zwischen der oberen und unteren ITO-Schicht. Ursache ist das in Kapitel 1.2.1.4 angesprochene elektrische Dipolmoment von Flüssigkristallen, in dessen Folge sich die stäbchenförmigen Moleküle entlang der Feldlinien orientieren.

In einem zu den Feldlinien vollständig parallelen Zustand haben die Flüssigkristalle schließ­lich keinen Einfluss mehr auf die Polarisation des Lichts, weshalb dieses vom zweiten Filter nicht durchgelassen wird. Das Display bleibt dunkel.

Mit Hilfe der Flüssigkristalle kann nicht nur geregelt werden, ob die Anzeige hell oder dunkel ist, sondern auch die Helligkeit stufenlos reguliert werden. Abhängig von der Ablenkung des Lichts durch die Flüssigkristallschicht, prallt das Licht in einem bestimmten Winkel gegenüber den “Gitterstäben“ des zweiten Polarisationsfilter auf.

Beträgt dieser Winkel 0° Grad, ist das Display am hellsten, da das Licht richtig polarisiert ist und somit vollständig durchgelassen wird. Ist der Winkel jedoch größer, nimmt der vom Filter durchgelassene Lichtanteil solange ab, bis er bei 90° gar kein Licht mehr passieren lässt.

Alle Pixel bzw. Subpixel einer Anzeige gründen auf dem beschriebenen Funktionsprinzip und können dadurch je nach Bedarf über die Höhe der Spannung individuell angesteuert werden.[13][14]

1.3.1     Entstehung farbiger Bilder bei Flüssigkristallanzeigen

Im Gegensatz zu den ersten Flüssigkristallanzeigen sind moderne LC-Displays in der Lage, auch farbige Bilder auszugeben. Dabei können sie über 16,7 Millionen verschiedene Farbtöne anzeigen. Wie ist das möglich?

Bei farbigen Flüssigkristallanzeigen besteht jedes Pixel aus drei Subpixeln, über die ein Farb­filter für die Primärfarben rot, grün und blau gelegt ist. Jene filtern aus dem Spektrum des Weißlichts der Hinterleuchtungseinheit je eine Farbe heraus. Infolge einer additiven Farbmi­schung der drei herausgefilterten Lichtspektren ergibt sich die endgültige Farbe eines Pixels.

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[1] Prof. Dr. K.Blankenbach 1999, S. 34

[2] Lichtdurchlässigkeit

[3] Unter Transversalwellen versteht man Wellen, deren Auslenkung quer zur Ausbreitungsrichtung erfolgt.

[4] Polarisationsfilter nutzen eine Art Gitter, um aus unpolarem polares Licht zu filtern.

[5] M.-E. Becker o.J., S. 66

[6] M.-E. Becker o.J., S. 72 ff.

[7] Dipole weisen aufgrund von räumlicher Ladungstrennung zwei Pole auf.

[8] M. Kosmala 2010, S. 10 ff.

[9] C.Mrosk 2009, S.36 ff.

[10] F.-O. Grün 2009, [Film]

[11] J. Bojaryn 2011

[12] vgl. M. Kosmala 2010, S. 11

[13] A. Gärtner 2009, S. 58 ff.

[14] S.-T. Wu, D.-K. Deng 2006, S. 107 ff.

[15] A. Gärtner 2009, S.53 ff.