Ein LCD-Bildschirm enthält eine dünne Schicht aus Flüssigkristallmaterial, die zwischen zwei Elektroden auf Glassubstraten angeordnet ist, mit zwei Polarisatoren auf jeder Seite. Ein Polarisator ist ein optischer Filter, der Lichtwellen einer bestimmten Polarisation durchlässt, während er Lichtwellen anderer Polarisationen blockiert. Die Elektroden müssen transparent sein, daher ist das beliebteste Material ITO (Indium Tin Oxide).

Da LCD selbst kein Licht emittieren kann, wird normalerweise eine Hintergrundbeleuchtung hinter einem LCD-Bildschirm platziert, um in der dunklen Umgebung gesehen zu werden. Die Lichtquellen für die Hintergrundbeleuchtung können LED (Light Emitting Diode) oder CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamps) sein. Die LED-Hintergrundbeleuchtung ist am beliebtesten. Wenn Sie ein Farbdisplay wünschen, können Sie natürlich eine Farbfilterschicht zu einer LCD-Zelle machen. Der Farbfilter besteht aus RGB-Farbe. Sie können auch ein Touchpanel vor einem LCD hinzufügen.

Abb. 1 Aufbau des LCD-Displays

Wie funktionieren LCDs?

Die erste LCD-Panel-Technologie in Massenproduktion heißt TN (Twisted Nematic). Das Prinzip der LCDs besteht darin, dass sich die Moleküle in der LCD-Zelle um 90 Grad verdrehen, wenn kein elektrisches Feld an die Flüssigkristallmoleküle angelegt wird. Wenn das Licht entweder von Umgebungslicht oder von der Hintergrundbeleuchtung den ersten Polarisator passiert, wird das Licht polarisiert und mit der Flüssigkristall-Molekülschicht verdreht. Wenn es den zweiten Polarisator erreicht, wird es blockiert. Der Betrachter sieht, dass das Display schwarz ist.

Wenn ein elektrisches Feld an die Flüssigkristallmoleküle angelegt wird, werden sie aufgedreht.  Wenn das polarisierte Licht die Schicht der Flüssigkristallmoleküle erreicht, geht das Licht direkt durch, ohne verdreht zu werden. Wenn es den zweiten Polarisator erreicht, passiert es auch, der Betrachter sieht das Display hell.

Da die LCD-Technologie elektrische Felder anstelle von elektrischem Strom verwendet (Elektronen durchläuft), hat sie einen geringen Stromverbrauch.

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Abb. 2 Funktionsweise von LCDs

 

Die Grundlagen von LCD-Displays

Das einfachste oben vorgestellte LCD wird als Passivmatrix-LCD bezeichnet, das hauptsächlich in Low-End- oder einfachen Anwendungen wie Taschenrechnern, Verbrauchszählern, frühen Digitaluhren, Weckern usw. zu finden ist.  Passiv-Matrix-LCDs haben viele Einschränkungen, wie den engen Betrachtungswinkel, die langsame Reaktionsgeschwindigkeit, die Helligkeit, aber es ist großartig für den Stromverbrauch.

Um die Nachteile zu beheben, entwickelten Wissenschaftler und Ingenieure die Aktivmatrix-LCD-Technologie. Am weitesten verbreitet ist die TFT (Thin Film Transistor) LCD-Technologie. Auf Basis von TFT-LCD werden noch modernere LCD-Technologien entwickelt. Das bekannteste ist IPS (In Plane Switching) LCD.  Es hat einen superweiten Betrachtungswinkel, eine hervorragende Bildqualität, eine schnelle Reaktion, einen großartigen Kontrast, weniger Einbrennfehler usw.

IPS-LCDs werden häufig in LCD-Monitoren, LCD-TVs, Iphones, Pads usw. verwendet. Samsung hat sogar die LED-Hintergrundbeleuchtung zu QLED (Quantum Dot) revolutioniert, um LEDs überall dort auszuschalten, wo kein Licht benötigt wird, um tiefere Schwarztöne zu erzeugen.

Abb. 3 Aktives TFT-Farbdisplay

Verschiedene Arten von LCDs

• • – Twisted-Nematic-Display:  Das TN (Twisted Nematic)-LCDs Produktion kann am häufigsten erfolgen und verschiedene Arten von Displays in allen Branchen verwendet werden. Diese Displays werden am häufigsten von Spielern verwendet, da sie billig sind und im Vergleich zu anderen Displays eine schnelle Reaktionszeit haben. Der Hauptnachteil dieser Displays besteht darin, dass sie eine geringe Qualität sowie teilweise Kontrastverhältnisse, Blickwinkel und Farbwiedergabe aufweisen. Für den täglichen Betrieb sind diese Geräte jedoch ausreichend.

 

• • – In-Plane-Switching-Anzeige:  IPS-Displays gelten als die besten LCDs, da sie eine gute Bildqualität, höhere Betrachtungswinkel, lebendige Farbpräzision und -unterschiede bieten. Diese Displays werden hauptsächlich von Grafikdesignern verwendet und in einigen anderen Anwendungen benötigen LCDs die maximal möglichen Standards für die Wiedergabe von Bild und Farbe.

 

• • – Vertikale Ausrichtungstafel: Die vertikale Ausrichtung (VA) Panels fallen überall in der Mitte zwischen Twisted Nematic und In-Plane-Switching-Panel-Technologie. Diese Panels haben die besten Blickwinkel sowie die Farbwiedergabe mit hochwertigeren Funktionen im Vergleich zu TN-Displays. Diese Panels haben eine geringe Reaktionszeit. Diese sind jedoch viel sinnvoller und für den täglichen Gebrauch geeignet.

 

• • – Die Struktur dieses Panels erzeugt im Vergleich zum Twisted-Nematic-Display tiefere Schwarztöne sowie bessere Farben. Und mehrere Kristallausrichtungen können im Vergleich zu TN-Displays bessere Betrachtungswinkel ermöglichen. Diese Displays kommen mit einem Kompromiss, da sie im Vergleich zu anderen Displays teuer sind. Außerdem haben sie langsame Reaktionszeiten und niedrige Bildwiederholraten.

 

• • – Advanced Fringe Field Switching (AFFS):  AFFS-LCDs bieten im Vergleich zu IPS-Displays die beste Leistung und eine breite Palette an Farbwiedergabe. Die Anwendungen von AFFS sind sehr fortschrittlich, da sie die Farbverzerrung reduzieren können, ohne den weiten Betrachtungswinkel zu beeinträchtigen. Normalerweise wird dieses Display sowohl in hochmodernen als auch professionellen Umgebungen wie in den praktikablen Flugzeugcockpits verwendet.

 

• • – Passiv- und Aktiv-Matrix-Displays: Die LCDs vom Passiv-Matrix-Typ arbeiten mit einem einfachen Raster, so dass Ladung an ein bestimmtes Pixel auf dem LCD geliefert werden kann. Eine Glasschicht ergibt Spalten, während die andere Reihen ergibt, die unter Verwendung eines klaren leitfähigen Materials wie Indium-Zinn-Oxid gestaltet sind. Das Passiv-Matrix-System hat große Nachteile, insbesondere ist die Reaktionszeit langsam und die Spannungssteuerung ungenau. Die Reaktionszeit des Displays bezieht sich hauptsächlich auf die Fähigkeit des Displays, das angezeigte Bild aufzufrischen.

 

• - LCDs vom Aktivmatrixtyp sind hauptsächlich von TFT (Dünnfilmtransistoren) abhängig. Diese Transistoren sind kleine Schalttransistoren sowie Kondensatoren, die innerhalb einer Matrix über einem Glassubstrat angeordnet sind. Wenn die richtige Zeile aktiviert ist, kann eine Ladung genau die Spalte hinunter übertragen werden, so dass ein bestimmtes Pixel adressiert werden kann, da alle zusätzlichen Zeilen, die die Spalte schneidet, ausgeschaltet sind, einfach der Kondensator neben dem angegebenen Pixel wird aufgeladen .

 

Vorteile gegenüber anderen Displays

LCD-Technologien haben große Vorteile von leicht, dünn und geringem Stromverbrauch, was Wandfernseher, Laptops, Smartphones und Pads möglich machte. Auf seinem Weg zum Fortschritt hat es die Konkurrenz vieler Display-Technologien ausgelöscht. Wir sehen keine CRT-Monitore auf unseren Schreibtischen und keine Plasmabildschirme mehr bei uns zu Hause. LCD-Technologien dominieren jetzt den Display-Markt. Aber jede Technologie hat ihre Grenzen.

LCD-Technologien haben langsame Reaktionszeiten, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, eingeschränkten Blickwinkeln, Hintergrundbeleuchtung ist erforderlich. Konzentrieren Sie sich auf LCD-Nachteile, wurde die OLED-Technologie (Organic Light Emitting Diodes) entwickelt. Einige High-End-Fernseher und Mobiltelefone verwenden jetzt AMOLED-Displays (Active Matrix Organic Light Emitting Diodes).

Diese Spitzentechnologie bietet eine noch bessere Farbwiedergabe, klare Bildqualität, besseren Farbraum und weniger Stromverbrauch im Vergleich zur LCD-Technologie. Bitte beachten Sie, dass OLED-Displays AMOLED und PMOLED (organische lichtemittierende Dioden mit passiver Matrix). Was Sie wählen müssen, ist AMOLED für Ihren Fernseher und Ihr Mobiltelefon anstelle von PMOLED.

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