Wie funktioniert LCD?
Wenn Sie sich überhaupt mit Displays auskennen, von Laptops bis hin zu Digitaluhren, sind Sie höchstwahrscheinlich schon mit dem LCD, kurz für Liquid Crystal Display, in Berührung gekommen. LCD-Bildschirme und LCD-Technologien haben in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen, die insbesondere die zuvor beliebte Kathodenstrahlröhre (CRT) überholt, da die Feinheiten unter der Oberfläche des Displays in Qualität und Effizienz weiterentwickelt wurden.
Weitere Informationen zur LCD-Technologie finden Sie hier:
Was sind Flüssigkristalle?
LCD-Panels können als Flachbildschirme kategorisiert werden. Was sie von anderen Anzeigetechnologien unterscheidet, ist die Schicht aus Flüssigkristallmaterial im Inneren. In dieser dünnen Schicht werden Flüssigkristallmoleküle zwischen zwei Glassubstraten ausgerichtet. Auf den Innenflächen jedes dieser Substrate befinden sich Elektroden, die Ladungsträger wie Elektronen steuern, die dann mit den Flüssigkristallen interagieren und ein elektrisches Feld erzeugen, das sie durchzieht; dies wiederum kann die Ausrichtung der Kristalle verändern und auch das Gesamtverhalten der Moleküle verändern. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Substrats werden Polarisatoren verwendet, um den Lichtdurchgang zu steuern und das Gesamtbild des Displays zu beeinflussen.
Wie funktionieren Flüssigkristallanzeigen?
Im Gegensatz zu CRT-Monitoren können LCD-Monitore nicht selbst leuchten, und benötigen daher eine Lichtquelle: die Hintergrundbeleuchtung. Diese Hintergrundbeleuchtung besteht am häufigsten aus den bekannten LEDs, die für lichtemittierende Dioden stehen. Ausgehend von der Hintergrundbeleuchtung wird Licht durch den hinteren Polarisator und das hintere Substrat in die Flüssigkristalle geleitet. Nun können sich die Lichtwellen auf vielfältige Weise verhalten. Die in LCD-Displays verwendete Hintergrundbeleuchtung kann eine LED-Hintergrundbeleuchtung (Light Emitting Diode) oder eine CCFL-Hintergrundbeleuchtung (Cold Cathode Fluorescent Lamp) sein. LED-Hintergrundbeleuchtung verbraucht weniger Strom, was immer beliebter wird, während CCFL für große LCD-Displays wie große LCD-Fernseher kostengünstiger ist. In letzter Zeit wird die Quantenpunkttechnologie verwendet, um den LCD-Kontrast zu erhöhen.
Elektroden sind die steuernden Faktoren des Flüssigkristallverhaltens und damit auch des Lichtverhaltens. Indem ein Strom in die Kristallschicht geleitet oder nicht geleitet wird, kann das Licht in einer Weise durch die Flüssigkristalle hindurchtreten oder nicht, die einen Durchgang durch den Polarisator ermöglicht. Aufgrund dieser Rolle sind Elektroden in LCDs bestehen oft aus Indium-Zinn-Oxid (ITO). ITO hat gute leitende Eigenschaften und kann auch für eine transparente Elektrode sorgen, die heute für das Erscheinungsbild von Displays unerlässlich ist.
Wie die Elektroden die Ausrichtung des Flüssigkristalls beeinflussen, kann je nach verwendeter Ausrichtungsmethode variieren (verdreht nematik, domänenübergreifend, in der Ebene switching). Beispielsweise sind verdrillte nematische Flüssigkristalle verdrillt orientiert, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist, das dann das durch die Schicht hindurchtretende Licht polarisiert; Wenn die Elektroden das Feld vollständig anlegen, richtet sich die Verdrillung auf, polarisiert das Licht nicht mehr und lässt kein Licht durch. Bei jedem dieser Ausrichtungstypen die Elektroden sind innerhalb der Struktur unterschiedlich platziert, wodurch die Eigenschaften des Displays wie Breite des Betrachtungswinkels, Stromverbrauch und Reaktionszeit geändert werden. Trotz dieser unterschiedlichen Ausrichtungsmethoden bleibt der Zweck der Flüssigkristallschicht derselbe: das Licht zu polarisieren, so dass das polarisierte Licht zur Oberfläche des Displays durchdringt. Durch die Polarisation des von der Hintergrundbeleuchtung übertragenen Lichts spielen die Flüssigkristallmoleküle eine Rolle dabei, wie viel Licht durch die Polarisationsfilter geht, ob alles, kein Licht oder ein Teil davon.
Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von HamRadioSchool.com
Bei Farbdisplays gibt es einen zusätzlichen Schritt zwischen der Polarisation und der Wechselwirkung mit dem Polarisator. Nach der Polarisation in der Kristallschicht durchläuft das Licht einen RGB-Farbfilter (Rot-Grün-Blau). LCD-Displays arbeiten, indem sie einzelne Pixel verwenden, um visuelle Elemente anzuzeigen, die sich bewegen oder stationär sind. Jedes Pixel zeigt eine vom RGB-Farbfilter gemischte Farbe an, wobei der Filter jeder Farbe einem der Unterpixel des Pixels zugeordnet ist. In den Subpixeln wird der Lichtgrad bestimmt, wodurch der Hervorhebungsgrad seiner jeweiligen Farbe beeinflusst wird. Wenn die Gruppen von Subpixeln unter einem Pixel kombiniert werden, werden die RGB-Farben auf eine bestimmte Weise gemischt, um eine Pixelfarbe zu erzeugen, die dann mit anderen Pixeln zusammenarbeitet, um schließlich das auf dem Anzeigegerät zu sehende Bild zu erzeugen.
Im Gegensatz zu CRT ist das Einbrennen von LCD-Displays wiederherstellbar.
Wie wird ein LCD-Bildschirm hergestellt?
Um ein LCD aufzubauen, werden die beiden Glassubstrate vorbereitet. Auf einem Substrat wird typischerweise ITO abgeschieden, um eine transparente, aber dennoch leitfähige Schicht (die Elektrodenschicht) zu bilden. Als nächstes wird Silizium zusammen mit den Transistorteilen oben auf der ITO-Schicht abgeschieden. Auf der anderen Ebene wird der Farbfilter mit RGB-Farbpunkten erstellt. Flüssigkristall wird dann in kleinen Mengen in die Transistorzellen aus der ersten Schicht getropft und als Klebstoff verwendet, wenn die beiden Glassubstrate zusammengefügt werden, um die Transistorzellen exakt auf die Farbfilter auszurichten. Zuletzt wird die Polarisatorfolie auf beide Schichten aufgetragen
Welche Arten und Verwendungen von LCDs gibt es?
Seit der Entwicklung des ersten LCD, Matrixtechnologien, die die Kommunikation zwischen den Pixeln und dem allgemeinen Signal an das Display organisieren, haben sich weiterentwickelt, um höhere Auflösungen, schnellere und schärfere Displays zu ermöglichen. Vor der Entwicklung der Aktivmatrix wurde die Passivmatrix verwendet. Das Passivmatrix-LCDs verwendete keine aktiven Treiberschaltungen, um die Informationen der Pixel beizubehalten, und wenn ein Bild aufgefrischt werden sollte, wurde nur dann ein Signal gesendet. Dies führte zu langsamen und verschmierten Anzeigen, wenn sich die angezeigten Bilder änderten oder sich bewegten. Allerdings ist der Eingang von aktiv Matterices Displays revolutionierte die Display-Branche. Bewegte Bilder waren jetzt viel klarer und konnten schneller auf wechselnde Bilder reagieren, was eine bessere Anzeigequalität ermöglichte. Aufgrund der aktiven und unabhängigen Wartung der Treiberschaltungen innerhalb jedes Pixels erwiesen sich Aktivmatrix-LCDs (AMLCD) als äußerst attraktiv für Verbraucher und wurden so zur dominierenden Technologie für hochauflösende Bildschirme wie Computermonitore, Fernseher und Smartphones.
AMLCDs werden am häufigsten mit Dünnschichttransistoren aufgebaut (TFT). Die Transistoren in einem TFT-LCD ermöglichen die aktive Aufrechterhaltung des Signals innerhalb eines Pixels ohne Interferenz mit benachbarten Pixeln, was sie zu einem wesentlichen Bestandteil der meisten AMLCDs macht. Jedes Pixel ist ein kleiner Kondensator mit einer Schicht aus isolierendem Flüssigkristall, die zwischen transparenten, leitfähigen ITO-Schichten eingebettet ist.
Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Flüssigkristallschicht auszurichten, und jede dieser Techniken erzeugt eine andere Art von LCD. Zum Beispiel die TN LCD, als eine der billigeren, aber auch schnelleren Optionen, hat sich in Gaming-Displays als sehr nützlich erwiesen, bei denen schnelle Bildwiederholraten und Reaktionszeiten gefragt sind.
Die LCD-Technologie hat auch in der Automobilindustrie Anwendung gefunden (Auto-Armaturenbretter und Bildschirmanzeigen) und die medizinische Industrie (radiologische Bildgebung).
Vergleich der LCD-Technologie: damals & heute
Wie bereits erwähnt, benötigen LCDs eine Hintergrundbeleuchtung, um das Display und seine Pixel zu beleuchten. Dies ist seit den ersten LCDs in den 1960er Jahren der Fall. Für Jahrzehnte danach waren Displays in Größe und Auflösung eher begrenzt. Farben waren nicht so dynamisch.
In den 1980er Jahren wurden großformatige Displays hergestellt, wie zum Beispiel das erste 14-Zoll-Vollfarb-TFT-LCD. Seitdem hat sich die Technologie mit der Vielfalt der verbesserten Smartphones und Fernsehbildschirme schnell zu dem entwickelt, was wir heute sehen.
In den letzten Jahren wurde die organische LED (OLED) ist in seiner Darstellungsart und seinem Potenzial erheblich gewachsen. OLED-Displays haben Vorteile, die LCDs nicht haben. Entweder mit kleinen Molekülen oder Polymere, die OLED benötigt keine Hintergrundbeleuchtung; vielmehr hat jedes Pixel seine eigenen organischen Lichterzeugungsfähigkeiten. Dies reduziert nicht nur die Dicke des OLED im Vergleich zum LCD, sondern ermöglicht auch tiefere Schwarztöne und höhere Kontrastverhältnisse. Strukturell sind die beiden Displays jedoch abgesehen von der Hintergrundbeleuchtung ähnlich, da sie beide entweder passive oder aktive Matrizen verwenden können, beide oft TFT-Schichten enthalten und beide transparent gemacht werden können. Die OLED hat gegenüber dem LCD noch einen weiteren Vorteil in Bezug auf die Struktur; ohne die Hintergrundbeleuchtung kann es flexibel gemacht werden, was neuere, fortschrittlichere Displays wie in faltbaren Smartphones ermöglicht.