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LCD / TFT - Technik und Anwendung

Moderne Flachbildschirme basieren auf der TFT/LCD Technologie. LCD steht dabei für die Verwendung von Flüssigkristallen in den einzelnen Bildpunkten des Bildschirms und TFT für kleinste Transistor-Elemente, welche die Ausrichtung der Flüssigkristalle und damit deren Lichtdurchlässigkeit steuern.

TFT = T hin F ilm T ransistor = Dünnfilm-Transistor
LCD = L iquid C ristal D isplay = Flüssigkristall-Display

Ein Flachbildschirm-Display besteht aus Bildpunkten (Pixel). Jeder Bildpunkt wiederum besteht aus drei LCD-Zellen (Sub-Pixel), entsprechend den Farben Rot, Grün und Blau. Ein 15-Zoll Bildschirm enthält etwa 800'000 Bildpunkte oder ungefähr 2.4 Millionen LCD-Zellen.

Exkurs: Eine Flüssig-Kristall Zelle (LCD-Zelle) funktioniert ähnlich wie eine Polaroid-Sonnenbrille: Hält man zwei Polaroidgläser übereinander und beginnt, sie gegeneinander zu verdrehen, so sieht man zunächst immer weniger und dann gar nichts mehr. Dieser Effekt kommt deshalb zustande, weil Polaroidglas nur für Lichtwellen durchlässig ist, die in einer bestimmten Ebene schwingen. Werden zwei solcher Gläser übereinander gehalten und um 90 Grad gegeneinander verdreht, so kann ein Teil des Lichts zwar noch durch das erste Glas hindurchgelangen, jedoch nicht mehr durch das zweite; denn dieses steht nun 'quer' zu den ankommenden Lichtwellen und filtert sie heraus.

Eine LCD-Zelle funktioniert nach dem gleichen Prinzip: Sie besteht aus zwei gegeneinander um 90° verdrehten 'Polaroidgläsern', durch welche also kein Licht hindurchgelangen kann. Dazwischen befindet sich eine Schicht aus Flüssigkristallen, welche die natürliche Eigenschaft hat, die Schwingungsebene von Licht zu drehen. Die Flüssigkristall-Schicht ist gerade so dick, dass das Licht, welches durch das erste 'Polaroidglas' hindurchgelangt, um 90° zurückgedreht wird, und damit auch durch das zweite 'Polaroidglas' gelangen kann, also für den Betrachter sichtbar wird. Werden die Flüssigkristall-Moleküle nun durch Anlegen einer Spannung aus ihrer natürlichen Position weggedreht, so gelangt weniger Licht durch die Zelle hindurch und der Bildpunkt wird dunkel. Die Spannung wird durch ein TFT-Element (Dünn-Film-Transistor) erzeugt, welches zu jeder LCD-Zelle gehört. Das Licht für das LCD-Display entsteht im hinteren Teil des Bildschirmgehäuses durch kleine Fluoreszenzröhren, wie sie im grösseren Massstab zur Raumbeleuchtung benutzt werden.
lcd1Ein LCD nutzt die optische Eigenschaft kleiner Kristalle, Licht in einem bestimmten Winkel abzulenken. Eine LCD-Zelle besteht aus zwei gegeneinander um 90° verdrehten Polarisationsfolien durch die per se kein Licht hindurch gelangen würde. Dazwischen befindet sich jedoch eine Schicht Flüssigkristalle, die so bemessen ist, daß sie im Urzustand Lichtwellen genau um 90° zurückdreht. Der Betrachter nimmt das Licht der am hinteren Teil des Monitors befindlichen Leuchtstoffröhren als "volles Leuchten" wahr.

 

lcd2Durch Anlegen einer Spannung können die Flüssigkristalle jedoch dahingehend beeinflusst werden, daß sich ihr Abstrahlwinkel verändert, was wiederum für die LCD-Zelle eine verminderte Lichtdurchlässigkeit bis hin zur kompletten Undurchlässigkeit bedeutet. Diese stufenlos regelbare Spannung wird auf einer mit Transistoren besetzte Folie -dem TFT-Element- erzeugt.

 

tft Im TFT-Element wird nicht nur die Gesamthelligkeit, sondern gleichzeitig die Farbwiedergabe des Bildes geregelt. Das Licht für jeden Bildpunkt durchläuft eine Farbzelle, die aus 3 nebeneinander liegenden Farbfiltern (Rot, Grün, Blau) bestehen. Jeder Filter ist mit einem separat ansteuerbaren Transistor ausgestattet - ein TFT mit 1024 x 768 Bildpunkten besitzt also genau 3 x 1024 x 768 Transistoren - der die Lichtdürchlässigkeit jedes Farbbestandteils regelt. Durch additive Farbmischung entsteht so eine von beispielsweise 16 Mio. verschiedenen Farbpixelvarianten aus denen sich das dann das Gesamtbild zusammensetzt.


Einsatz eines TFT / LCD Bildschirms

info

 Für eine Anwendung als Informations-Display am Point of Interest (POI) sind Bildschirme mit LCD/TFT Technik bestens geeignet. Eine hohe Kontrastschärfe und vernünftige Farbqualität sind für die meisten Informations-Darstellungen ausreichend.
Zudem zählen ein geringer Platzbedarf, eine verminderte Strahlenemission, sowie ein reduzierter Stromverbrauch zu den Vorteilen, die LCD’s auch als "Digitaler Verkäufer" - sprich: kombiniertes Werbe- und Informationsmedium - am Point of Sales (POS) zur Ersten Wahl der Mittel zählen lassen.

Die Wiedergabe von Videosignalen, DVD’s oder Bildschirmpräsentationen sind auch gerade noch mit den Reaktionszeiten eines LCD/TFT-Displays vereinbar. Bei schnellen Bewegungen bei Fernsehbildern (z.B. Sport), PC- oder Videospielen, sind jedoch
Plasmabildschirme besser geeignet, die ihre Stärken neben einer schnellen Reaktionszeit vor allem in der brillianten Leuchtkraft und der originären Farbwiedergabe ausspielen.

Erklärung der wichtigsten Begriffe

Interpretation der Bilddiagonale

Bei Röhrenmonitoren ist die sichtbare Diagonale immer kleiner als die eigentliche Röhrendiagonale. Die Panels der TFTs besitzen hingegen keinen Rand. Die Angabe der Diagonale ist deshalb mit der sichtbaren Diagonale gleichzusetzen. So besitzt zum Beispiel ein 15,1-Zoll-Flachbildschirm in etwa eine gleichgroße sichtbare Bilddiagonale wie ein 17-Zoll-Röhrenmonitor.

Betrachtungswinkel

Immer noch ein Kriterium, denn nicht jeder "Flachmann" besitzt Betrachtungswinkel, wie man sie von Röhrenmonitoren gewohnt ist. Da das Licht der Hintergrundbeleuchtung erst Polarisationsfilter, Flüssigkeitskristalle und die sogenannten Alignment Layers durchdringen muß, unterliegt es einer gewissen Ausrichtung, d.h. der größte Anteil tritt senkrecht aus dem Panel aus. Schaut man in das Display von der Seite, erscheint es für den Betrachter dunkler oder mit Farbverfälschungen. Dieser Effekt mag bei Geldautomaten sicherlich von Vorteil sein, jedoch nicht im allgemeinen Einsatz. Erst seit einem reichlichen Jahr setzen die Hersteller verbesserte Technologien ein, um den Blickwinkel zu verbessern. IPS (In-Plane-Switching), MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) oder TN+Film (Twisted Nematic + Retardation Film) gehören derzeit zu den fortschrittlichsten unter ihnen. Diese können den Blickwinkel auf 160 Grad und mehr vergrößern, was ungefähr dem der Röhrenmonitore entspricht. Der maximale Blickwinkel für den Kontrast wird an der Stelle erreicht, an der der Abfall des Kontrastverhältnisses auf ein Zehntel des Ausgangswertes (ausgehend von senkrechter Betrachtung) entsteht.

Kontrastverhältnis

Das Kontrastverhältnis ergibt sich aus dem maximalen und dem minimalen Wert der Helligkeit. Je höher der Wert, desto besser. Röhrenmonitore haben damit kein Problem, denn sie erreichen mit Kontrastverhältnissen von 500:1 und mehr Werte, die fotorealistisch wirken. Ein schwarzes Bild auf einem Röhrenmonitor zu zaubern ist auch keine Kunst. Man schaltet einfach den Elektronenstrahl an der gewünschten Stelle ab. Anders hingegen verhält es sich bei TFTs. Die Leuchtstoffröhren für die Hintergrundbeleuchtung können in ihrer Helligkeit kaum verändert werden und sind während des Betriebs immer an. Für ein "Schwarzbild" müssen also die Flüssigkeitskristalle dem Back Light den Weg versperren. Physikalisch ist dies jedoch nicht perfekt möglich - etwas Licht kommt immer durch. Auch hier feilen noch die Hersteller herum. Akzeptabel für das menschliche Auge sind Werte ab 250:1.

Helligkeit

Hier haben TFTs eindeutig die Nase vorn. Die maximale Helligkeit wird prinzipiell von den eingesetzten Leuchtstoffröhren (Hintergrundbeleuchtung) bestimmt. Helligkeitswerte zwischen 200 und 250 Candela pro Quadratmeter sind kein Problem. Ein helleres Licht macht sowieso keinen Sinn (obwohl technisch machbar), da sonst das Display "blenden" würde. Bei CRTs liegt das Maximum in der Helligkeit bei 100 bis 120 cd/m². Höhere Werte sind kaum drin, da dafür enorme Beschleunigungsspannungen für die Elektronenkanone erzeugt werden müßten, was natürlich auch negative Auswirkungen in punkto Strahlenemission und Lebensdauer des Phosphors hat.

Pixelfehler

Diese entstehen durch defekte Transistoren, machen sich durch störende Farbpunkte auf dem Display bemerkbar. Durch den Defekt eines Transistors wird an der betroffenen Stelle entweder nie Licht durchgelassen oder der Punkt bleibt immer an. Störend wirken sich solche Pixelfehler dann aus, wenn sie sich an einer Stelle häufen. Leider gibt es keinen Standard, der die maximal erlaubte Anzahl bzw. die Häufung der Pixelfehler regelt. Jeder Hersteller hat dafür eine eigene Definition. In der Regel sind drei bis fünf Pixelfehler normal. Wer darauf Wert legt, sollte sich schon beim Kauf überzeugen, denn diese Farbpunkte entstehen bereits während der Fertigung und sind nicht mehr zu revidieren. Ein Trostpflaster: nachträglich kommt es nicht mehr zu einer Zunahme solcher Defekte, vorausgesetzt man drückt nicht mit dem Finger oder anderen Gegenständen auf dem Panel herum.

Reaktionszeit (Response Time)

Besonders bei der Wiedergabe von bewegten Bildern haben noch viele TFTs Probleme. Die Gründe dafür sind die langen Reaktionszeiten (Response Time) der Flüssigkristalle. Diese liegen heutzutage noch zwischen 20 und 30 Millisekunden. Hier der Vergleich: Ein Standard-Kinofilm produziert 25 Bilder pro Sekunde, d.h. ein Einzelbild bzw. Frame sollte für die Dauer von 40 Millisekunden angezeigt werden. Die ernorme Trägheit der Flüssigkeitskristalle führt dazu, dass schnelle Sequenzen wie zum Beispiel der Flug eines Kampfjets durch ein Tal oder die Laufschrift im Abspann des Films etwas "verwischen". Generell reicht die Reaktionszeit jedoch aus, um nicht sagen zu müssen, dass TFTs für die Videowiedergabe unbrauchbar wären.

Farbqualität - Die Aufbereitung der analogen Eingangssignale

Im Gegensatz zu digitalen Flachbildschirmen müssen jene Modelle, die mit dem Standard-VGA-Stecker ausgerüstet sind, die analogen Bildsignale erst wieder in die "digitale Sprache" zurück übersetzen. Dies kann zu Verlusten führen. Einige Hersteller setzen nach wie vor auf minderwertige A/D-Wandler, die maximal nur 18 Bit (3 x 6 Bit für Rot, Grün und Blau) auflösen können. Damit sind nur 262.144 Farben (Pseudo-RGB) darstellbar. Für True Color sind jedoch mindestens 16,7 Millionen Farben erforderlich.

Entscheidungshilfen beim Kauf:

Helligkeit
~ 200 cd/m²
Kontrastverhältnis ~ 300 : 1
Pixelfehler
<= 5
Betrachtungswinkel ~ 140 Grad

 

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