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TFT-LCD-Struktur
Für eine detailliertere Erklärung der TFT-LCD-Struktur oder von LCDs im Allgemeinen, lesen Sie bitte TFT-LCD-Grundkenntnisse or Einführung in LCDs.
Das TFT-LCD oder Dünnschichttransistor-Flüssigkristallanzeige, ist eine beliebte Form der Anzeigetechnologie, die häufig in Computermonitoren und anderen gängigen Gerätebildschirmen verwendet wird. Dieses Anzeigemodul, oder genauer gesagt LCD-Modul, besteht aus drei Schlüsselschichten. Die tiefste Schicht, die der Rückseite des Geräts am nächsten liegt, besteht aus dem ersten Polarisator, einem Glassubstrat, Pixelelektroden und TFTs. Die oberflächlichste Schicht ist dieser Schicht ähnlich, da sie auch ein Glassubstrat, einen Polarisator und (in einigen Matrizen) Elektroden aufweist; die Reihenfolge dieser Komponenten ist jedoch im Vergleich zur anderen Schicht (der Polarisator ist der Oberfläche am nächsten) umgedreht, und in dieser Schicht befindet sich ein RGB-Farbfilter. Zwischen diesen beiden Schichten existiert eine Schicht aus Flüssigkristallmolekülen, die Ladungen und Energie zur Oberfläche des TFT-LCD transportiert. Die Kristallmoleküle können auf verschiedene Weise ausgerichtet werden, um die Betrachtungseigenschaften des LCD-Bildschirms zu verändern.
Als Aktivmatrix-LCD-Gerät bestehen die einzelnen Pixel des TFT-LCDs aus roten, grünen und blauen Subpixeln, die jeweils über einen eigenen TFT und darunter liegende Elektroden verfügen. Diese Subpixel werden einzeln und aktiv angesteuert, daher der Name Active-Matrix; Dies ermöglicht dann eine reibungslosere und schnelle Reaktionszeit. Die Aktivmatrix ermöglicht auch größere Anzeigemodi, die die Qualität von Farbe, Bildwiederholfrequenz und Auflösung auch bei Erhöhung des Seitenverhältnisses beibehalten.
Innerhalb der Pixel, aus denen das TFT-LCD-Display besteht, spielen Elektroden eine Rolle beim Leiten des Stromkreises zwischen ihnen. Wenn sie auf beiden Innenseiten der beiden Glassubstrate geschichtet sind, erzeugen die Elektroden zusammen mit dem TFT einen elektrischen Pfad innerhalb der Flüssigkristallschicht. Es gibt außer auf der Oberfläche und der Rückseite des Geräts auch andere Elektrodenanordnungen, die die Wirkung des elektrischen Pfads zwischen den Substraten verändern (wird später in diesem Artikel erörtert). Dieser Weg wirkt auf die Kristalle durch sein elektrisches Feld, das eines der TFT-Konzepte ist, das für den geringen, minimierten Stromverbrauch von TFTs verantwortlich ist und sie so effizient und attraktiv macht.
Wenn das elektrische Feld mit den Flüssigkristallmolekülen interagiert, können sich die Moleküle auf verschiedene Weise ausrichten und ändern, wie das Licht von den Rücklicht des Geräts (hinter dem hintersten Polarisator) an die Oberfläche. Da sich LCD-Bildschirme nicht selbst beleuchten können, wird eine Hintergrundbeleuchtung benötigt, um eine Beleuchtung bereitzustellen, die der TFT-LCD-Komplex dann manipuliert. Die Flüssigkristalle polarisieren das Licht unterschiedlich stark, und folglich lässt der Oberflächenpolarisator unterschiedliche Lichtstärken durch und steuert so die Farbe und Helligkeit des Pixels.
TN (Twisted Nematic) Typ TFT LCD
Obwohl es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, die Kristallmoleküle auszurichten, ist die Verwendung einer verdrillten nematischen (TN) dazu eine der ältesten, gebräuchlichsten und billigsten Optionen für die LCD-Technologie. Es verwendet das elektrische Feld zwischen den Elektroden, die mit einer auf der Oberflächensubstratschicht und der anderen auf der Rückseitensubstratschicht organisiert sind, um die Flüssigkristalle zu manipulieren.
Wenn kein elektrisches Feld die Struktur der Kristalle beeinflusst, gibt es eine 90-Grad-Verdrehung in der Ausrichtung. Diese Drehung ermöglicht es dem Licht, sich durch die Schicht zu bewegen, wobei das Licht beim Durchgang polarisiert wird, um dann durch den Oberflächenpolarisator zu gehen.
Wird ein elektrisches Feld angelegt, kann die Verdrillung in der Kristallstruktur der Moleküle abgewickelt und dadurch begradigt werden. In diesem Fall wird das Licht nicht polarisiert und kann den Oberflächenpolarisator nicht passieren, wodurch ein schwarzes Pixel angezeigt wird. Es ist auch möglich, ein Zwischenbild des vollständig beleuchteten oder vollständig undurchsichtigen Pixels zu erstellen; Wenn das Licht teilweise polarisiert ist (das elektrische Feld richtet die Kristallausrichtung nicht vollständig aus), wird ein Licht mit mittlerer Leuchtdichte von den LED-Hintergrundbeleuchtungen durch den Polarisator emittiert.
Obwohl dies eine der billigsten Optionen für die Anzeigetechnologie ist, hat sie ihre eigenen Probleme. Das TN-TFT-LCD hat im Vergleich zu anderen Typen keine Top-Reaktionszeiten und bietet keinen so breiten Betrachtungswinkel wie andere TFT-LCDs mit unterschiedlichen Ausrichtungsmethoden. Ein Betrachtungswinkel ist die Richtung, in der ein Bildschirm betrachtet werden kann, bevor das angezeigte Bild in Bezug auf Licht und Farbe nicht richtig zu sehen ist. TN-Displays haben meist Probleme mit vertikalen Blickwinkeln, haben aber auch etwas eingeschränkte horizontale Blickwinkel. Diese Betrachtungswinkelbegrenzung von TN-LCDs wird als Graustufeninversionsproblem bezeichnet.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Problem der Graustufeninversion zu beheben.
Im Allgemeinen nimmt die Bildqualität insgesamt ab, wenn der Betrachtungswinkel nicht ideal ist. Dinge wie das Kontrastverhältnis (das Luminanzverhältnis zwischen dem hellsten Weiß und dem dunkelsten Schwarz) und die Lesbarkeit des Bildschirms werden aufgrund dieses Problems nicht beibehalten.
Unter den Methoden der Flüssigkristallausrichtung ist TN nur eine Option für die LCD-Technologie. Es gibt verschiedene andere übliche Möglichkeiten, die Kristalle für einen weiten Betrachtungswinkel auszurichten, wie beispielsweise die vertikale Ausrichtung mit mehreren Domänen oder das Umschalten in der Ebene. Darüber hinaus wurde aufgrund der Fülle an TN-Geräten auch etwas namens O-Film eingeführt, um mit TN-Bildschirmen zu koppeln, damit Benutzer nicht ganz neue Geräte kaufen müssen.
MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) TFT-LCD
Einfach ausgedrückt, teilt diese Methode die Zelle unter jedem Pixel in mehrere Domänen auf. Durch die Teilung können Moleküle in derselben Zelle unterschiedlich ausgerichtet werden, und wenn Benutzer ihre Ansichten des Displays ändern, gibt es unterschiedliche Kristallrichtungsausrichtungen, die es ermöglichen, die Displayeigenschaften über diese Winkel wie hohe Helligkeit und hoher Kontrast zu erhalten . Dies löst das Problem der sogenannten vertikalen Monodomänenausrichtung.
Obwohl der MVA dem TN weitgehend ähnlich ist, hat er ein bemerkenswertes Merkmal in seiner Zelle, das TN-Zellen nicht haben: Glasvorsprünge. Zwischen den sandwichartig angeordneten Elektroden richten schräge Glasvorsprünge das Licht, das sich innerhalb der Schicht ausbreitet, neu aus, so dass es beim Austritt aus dem Oberflächenpolarisator in eine Vielzahl von Richtungen wandert, um den Bedarf an einem breiten Betrachtungswinkel zu befriedigen.
Bei den jüngsten Entwicklungen des MVA-TFT-LCDs haben sich Kontrastverhältnis, Helligkeit und Reaktionszeiten verbessert. Das Kontrastverhältnis, das bei der ersten Entwicklung im Jahr 300 1:1997 betrug, wurde auf 1000:1 verbessert. In ähnlicher Weise hat die Reaktionszeit, die durch Anstiegs- (schwarz zu weiß) und Abfallzeit (weiß zu schwarz) gekennzeichnet ist, Zeiten erreicht, die das menschliche Auge am schnellsten verarbeiten kann, was die Eignung von MVA-basierten Displays für bewegte Bilder demonstriert.
IPS (In-Panel Switching) TFT-LCD
Eine weitere Lösung für das durch TN verursachte Graustufeninversionsproblem ist die IPS LCD. In Bezug auf die Vorteile des IPS ist es dem MVA ziemlich ähnlich. Aber strukturell, anstatt Oberflächen- und Rückseitenelektroden zu haben, platziert das IPS beide Elektroden auf dem Rückseitensubstrat. Dies zwingt die Moleküle dann dazu, bei eingeschaltetem elektrischem Feld die Orientierung zu wechseln, was als Ebenenschaltung bekannt ist, und sich parallel zu den Substraten auszurichten und nicht senkrecht wie bei TN-Bauelementen. In diesem Fall ist eine hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich, da das Licht mehr Leistung benötigt, um die gleiche Displayhelligkeit zu erzeugen, die der TN mit weniger Licht von der Quelle möglicherweise erreichen kann.
Bei dieser Art der Ausrichtung wurden im Vergleich zum TN Blickwinkel in viel breiteren Richtungen beibehalten. In letzter Zeit haben IPS-Displays verbesserte Eigenschaften wie die Reaktionszeit, um die IPS-Bildschirme für Verbraucher attraktiver zu machen. Diese Art von TFT-LCD wird jedoch tendenziell mehr kosten als TN-Geräte.
TN vs. O-Film vs. MVA vs. IPS-TFT-LCD
Das TN-TFT-LCD hat zwar die geringsten Kosten, aber das hat seinen Grund. O-Filme, MVAs und IPS-TFT-LCDs haben aufgrund ihrer komplexeren Technologien, die den Betrachtungswinkel verbessern, um die Auflösung und die allgemeine Anzeigequalität beizubehalten, höhere Kosten.
Insbesondere der O-Film ist einzigartig, da er, anstatt die Flüssigkristall-Ausrichtungstechnologie zu ändern, zu relativ geringen Kosten den Oberflächenpolarisator eines TN-Geräts gegen einen speziellen Film austauschen kann, um den Betrachtungswinkel zu erweitern. Durch die Kombination mit TN kann es den Blickwinkel nur geringfügig verbessern.
IPS hat das größte Potenzial für einen verbesserten Betrachtungswinkel und erreicht höhere mögliche Winkel als alle anderen Optionen. Bei IPS gibt es jedoch einen höheren Stromverbrauch als das normale TN-Gerät, da dieses Gerät eine hellere Hintergrundbeleuchtung benötigt.
Der MVA ist dem IPS-TFT-LCD im Winkel nur geringfügig weniger nahe. Was es jedoch hat, ist eine viel schnellere Reaktionszeit, wie bereits erwähnt.
All diese Technologien sind praktikable Optionen, abhängig von den Wünschen des Verbrauchers und der Preisklasse. MVA- und IPS-TFT-LCDs sind in der Regel praktischer für Verbraucherprodukte wie LCD-Monitore und Telefonbildschirme, während TN- und O-Film-LCDs in industrielle Anwendungen übergehen können. Nichtsdestotrotz werden mit dem Wachstum der IPS- und MVA-LCDs ihre Anwendungen erweitert.
AFFS (Advanced Fringe Field Switching) TFT-LCD
Das AFFS ähnelt im Konzept dem IPS; beide richten die Kristallmoleküle parallel zum Substrat aus, was die Betrachtungswinkel verbessert. Das AFFS ist jedoch fortschrittlicher und kann den Stromverbrauch besser optimieren. Vor allem hat AFFS eine hohe Lichtdurchlässigkeit, was bedeutet, dass weniger Lichtenergie in der Flüssigkristallschicht absorbiert wird und mehr zur Oberfläche übertragen wird. IPS-TFT-LCDs haben normalerweise niedrigere Transmissionsgrade, daher ist eine hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich. Dieser Transmissionsunterschied liegt im kompakten, maximierten aktiven Zellenraum des AFFS unter jedem Pixel begründet.
Seit 2004 hat Hydis, der das AFFS entwickelt hat, das AFFS an das japanische Unternehmen Hitachi Displays lizenziert, wo Leute komplizierte AFFS-LCD-Panels entwickeln. Hydis hat verbesserte Anzeigeeigenschaften wie die Lesbarkeit des Bildschirms im Freien, was ihn für seine Hauptanwendung, die Displays von Mobiltelefonen, noch attraktiver macht.
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