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LCD

 

[Abk. für Liquid Crystal Display, dt. Flüssigkristallbildschirm] das, flach gebauter Bildschirm, der für die Darstellung Flüssigkristalle benutzt. In einfacher Form kommen diese Anzeigen bei vielen Uhren, Taschenrechnern und Geräten zum Einsatz, in aufwendigeren Formen als Bildschirme von Mobilcomputern sowie zunehmend auch von Desktop-Computern.

 

Die LCD-Technik macht sich die ungewöhnliche optische Eigenschaft von (lichtdurchlässigen) Flüssigkristallen zunutze, bei geeigneter Ausrichtung der Moleküle die Polarisation von durchgehendem polarisiertem Licht (Licht, das nur in einer Ebene schwingt) zu ändern. In Verbindung mit Polarisationsfolien (sie zwingen normalem, unpolarisiertem Licht beim Durchgang eine Schwingungsebene auf und lassen weiter nur solches polarisiertes Licht passieren, das in einer bestimmten Ebene schwingt) wird damit Lichtdurchlässigkeit und -undurchlässigkeit eines Mediums, also hell und dunkel erzeugt. Prinzipiell wird folgendes Verfahren angewendet: Die Flüssigkristallschicht ist zwischen zwei Polarisationsfolien eingeschlossen. Dabei stehen die Polarisationsebenen der beiden Folien senkrecht zueinander: Fällt normales Licht durch die eine Polarisationsfolie, wird es so polarisiert, dass es die zweite Folie nicht mehr passieren kann. Dies entspricht dem Zustand »dunkel«. Für den Zustand »hell« wird mithilfe elektrischer Felder die Flüssigkristallschicht so manipuliert, dass sich die Polarisation zwischen den Folien ändert, womit Durchlässigkeit auch durch die zweite Folie erreicht wird. Der genutzten optischen Eigenschaft liegt ein besonderer Aufbau der Flüssigkristalle zugrunde: Sie bestehen aus stäbchenförmigen Molekülen, die parallel ausgerichtet sind. Die elektrischen Ladungen dieser Moleküle sind innerhalb des Moleküls ungleich verteilt. Die Moleküle lassen sich damit durch elektrische Felder ausrichten. Darüber hinaus zeigen sie richtungsabhängige Lichtbrechungseigenschaften. Diese führen in letzter Konsequenz bei einer bestimmten Molekülausrichtung zu einer Änderung der Polarisation.

 

Einfache Flüssigkristallbildschirme für Taschenrechner, Digitaluhren usw. bestehen aus einer Flüssigkristallschicht, die zwischen zwei Platten eingeschlossen ist. Die obere Platte ist transparent (Kunststoff oder Glas), während die untere mit einer Spiegelfolie bedeckt ist, die das einfallende Umgebungslicht reflektiert und so das Ablesen der Anzeige ermöglicht.

 

Direkt über und unter der Flüssigkristallschicht befinden sich Leiterbahnen aus durchscheinendem Material, die so geformt sind und so übereinander liegen, dass sie die gewünschte Verteilung von elektrischen Feldern für die Anzeige von Zahlensegmenten, Buchstaben oder Symbolen erzeugen können (Siebensegmentdisplay). Liegt an einem oberen und einem unteren Leiter eine Spannung an, entsteht dort, wo sie sich kreuzen bzw. wo sie übereinander liegen, das elektrische Feld, das die Flüssigkristalle dreht und damit deren optische Eigenschaften ändert. Ein solcher steuerbarer Flüssigkristallbereich heißt auch Flüssigkristallzelle; er entspricht einem einzelnen Bildpunkt. Die beiden Polarisationsfolien befinden sich über bzw. unter der Flüssigkristallschicht.

 

Aufwendige Flüssigkristallbildschirme, die als Ausgabegerät für Computer dienen, sind im Prinzip ähnlich wie einfache LCDs aufgebaut. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sie über eine eigene Beleuchtung verfügen, meist eine Hintergrundbeleuchtung. Zudem sind die transparenten Leiterbahnen über und unter der Flüssigkristallschicht sehr fein in Form von parallelen Bahnen ausgeführt, die in der einen Schicht waagerecht und in der anderen senkrecht verlaufen.

 

Im Lauf der Entwicklung haben sich zwei Typen von Flüssigkristallbildschirmen herausgebildet: solche mit passiver Matrix (Passivmatrix) und solche mit aktiver Matrix (Aktivmatrix; Matrix ist ein anderer Ausdruck für das Gitter, das aus den parallelen Leiterbahnen gebildet ist). Vereinfacht gesagt handelt es sich bei Passivmatrix-Bildschirmen um ältere Typen, bei denen nicht jede einzelne LCD-Zelle mit einer separaten Leitung angesprochen wird, was zu einer Reihe von Nachteilen führt. Aktivmatrix-Schirme verfügen demgegenüber an jedem Bildpunkt zusätzlich über ein aktives Element, nämlich mindestens einen Transistor, was dort erlaubt, die Spannung genau zu regeln und rasch zu schalten.

 

Die positiven Eigenschaften von LCD-Anzeigen sind eine sehr geringe Bautiefe, geringe Betriebsspannungen, erheblich günstigerer Energieverbrauch als beiBildröhren oder auch LED-Anzeigen. Alle Bildpunkte lassen sich einzeln ansteuern. Bei vielen LCDs ist das Bild bereits bei einer Vertikalfrequenz von etwa 60 Hz stabil und flimmerfrei, weil die Spannung, die an den aktivierten Zellen anliegt, noch eine kurze Zeit erhalten bleibt. Diesen Vorteilen stehen einige Nachteile gegenüber. So lassen sich die Veränderungen der Lichtbrechung nur innerhalb eines relativ engen Betrachtungswinkels erkennen; je größer der Winkel wird, desto undeutlicher erscheint das Bild. Zudem ist, zumindest bei einfacher Bauweise, das Kontrastverhältnis (Kontrast) ungünstig und die Helligkeit ist oft nicht gleichmäßig verteilt. Bei Farb-LCDs bleibt die Farbtreue meist relativ gering. Generell wird die Qualität der Darstellung stark vom Umgebungslicht beeinflusst (z. B. starke Beeinträchtigung durch auffallendes Sonnenlicht). Und schließlich reagieren LCD-Zellen relativ träge, sodass bewegte Objekte unscharf und verwischt erscheinen.

 

Vor allem im Lauf der letzten zehn Jahre konnte die Qualität der LCD-Darstellung erheblich verbessert werden. Von besonderer Bedeutung waren dabei:

 

- bessere Beleuchtung: Durch die Verwendung von mehr und kleineren Leuchtröhren zur Hintergrundbeleuchtung (auch variiert als Seiten- oder Eckenbeleuchtung) konnten Helligkeit und Kontrast deutlich erhöht werden; zudem wurde ein größerer Betrachtungswinkel möglich. Mittlerweile werden LCDs mit derartiger Zusatzbeleuchtung allmählich von Elektrolumineszenz-Bildschirmen abgelöst. Deren Bildzellen enthalten ein Material, das bei Anlegen einer Spannung aufleuchtet; sie erzeugen ein besonders helles und scharfes Bild. Außerdem erlauben sie eine besonders geringe Bautiefe, weil auf zusätzliche Lichtquellen verzichtet werden kann.

 

- stärkere Drehung der Flüssigkristalle: Bei den ältesten Flüssigkristallanzeigen wurde das Verfahren Twisted (TN) eingesetzt, bei dem die Flüssigkristalle um 90 Grad gedreht wurden. Deutlich verbesserte Eigenschaften erzielte man mit Anzeigen des Typs Super Twisted Nematic (STN), bei dem die Moleküle um 180 Grad gedreht sind. Weitere Verbesserungen des Kontrasts brachten dann die LCD-Typen DSTN (Double Super Twisted Nematic) und TSTN (Triple Super Twisted Nematic), bei denen die Flüssigkristallmoleküle noch stärker gedreht sind.

 

- Folien: Das Aufbringen dünner Folien (Retard-Folie) führt dazu, dass sich die Lichtbrechung verändert, der Betrachtungswinkel vergrößert wird und der Kontrast sich erhöht.

 

- Farbfähigkeit: LCD-Anzeigen waren ursprünglich monochrom. Auf der Grundlage feinerer Strukturen, größerer Helligkeit und besseren Kontrasts wurde in den 1990er-Jahren auch die Farbdarstellung möglich. Sie beruht im Prinzip darauf, dass drei Flüssigkristallzellen zusammengefasst und mit Farbfiltern versehen werden (Tripel aus je einer roten, einer grünen und einer blauen Zelle). Die Farbtöne entstehen dann durch Zusammenwirken der drei Zellen, die jeweils verschiedene Anteile der Grundfarben beisteuern können. Zu dieser Technik gehört etwa CSTN (Color Super Twisted Nematic).

 

- TFT-Bildschirme: Unter der Flüssigkristallschicht befindet sich für jeden Bildpunkt mindestens ein Transistor. Dabei handelt es sich um äußerst kleine Dünnfilmtransistoren (engl. thin film transistor, TFT), die als Folienschichten auf das Glas aufgedampft werden. Sie erzeugen sehr kleine Bildpunkte, was besonders hohe Bildschirmauflösungen erlaubt. Jeder der Transistoren lässt sich einzeln ansteuern, auch in unterschiedlichen Stärken bzw. mit unterschiedlich vielen Impulsen, also in verschiedenen Helligkeiten. Entsprechend dieser Ansteuerung erzeugt der Transistor ein elektrisches Feld in der darüber liegenden LCD-Zelle, das deren Lichtbrechungseigenschaften verändert. Dieses aktive Ansteuern sorgt für klare, scharfe Bilder mit hohem Kontrast, die sich zudem nicht so träge ändern wie auf herkömmlichen LCDs (fast kein Verwischen mehr). Das Bild lässt sich innerhalb eines relativ großen Betrachtungswinkels gut ablesen. Bei Farb-TFT-Bildschirmen sitzen unter jeder LCD-Zelle drei Transistoren, jeder mit einem anderen Farbfilter (rot, grün, blau). Sie sind entweder als Dreieck (Delta) oder aber in Streifen (Vertical Stripe) angeordnet. Ein Nachteil von TFT-Bildschirmen besteht darin, dass einzelne Bildpunkte dauerhaft schwarz oder dauerhaft hell bleiben, wenn ein Transistor ausfällt. Beim heutigen Stand der Technik ist dies pro Bildschirm etwa 2- bis 15-mal zu erwarten. Dem Ausfallrisiko wird oft dadurch begegnet, dass es in den Bildpunkten Reservetransistoren gibt. Trotzdem sind vereinzelte Dunkel- oder Hellstellen (so genannte Pixelfehler) auch heute noch regelmäßig anzutreffen (IPS, MVA). Insgesamt führte die Einführung der TFT-Bildschirme zu einer beträchtlichen Steigerung der Darstellungsqualität. Nachdem der Preis für solche Bildschirme in den letzten Jahren stark gefallen war, wurden hohe Verkaufszahlen erreicht. Es zeichnet sich sogar der Trend ab, dass TFT-Bildschirme in Zukunft die auf der Bildröhre basierenden herkömmlichen Monitore ablösen.

 

 

 

LCD-/TFT-Bildschirme sollten immer mit ihrer Nennauflösung betrieben werden, also mit einer Bildschirmauflösung, die genau den tatsächlich vorhandenen Bildpunkten entspricht. Bei allen anderen Auflösungen werden Bildpunkte zusammengefasst bzw. für errechnete Zwischenwerte verwendet, was in der Regel zu Verzerrungen und anderen Qualitätsverlusten führt.

LCD

 

[elsiː'diː, Abkürzung für englisch liquid crystal display], Flüssigkristallanzeige.