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LCD

Liquid Crystal Display – Ein LCD oder Flüssigkristallanzeige ist ein Display, dessen Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird.

Flüssige Kristalle im virtuellen Physik-Labor

Flüssigen Kristalle finden immer mehr wichtige Anwendungen

Displays mit Durchblick

Anzeigen mit OLED leuchten brillant, waren bisher aber eher undurchsichtig

Dots und Pixel

Ob Computer Monitor oder HDTV, alles reduziert sich auf Dots und Pixel

Surface-conduction Electron-emitter Display

High-Tech aus Asien macht Plasma und LCD Fernsehern Konkurrenz

Reaktionszeit

Reaktionszeit der Garant für einen schnellen Bildwechsel

LCD-TV

LCD-TV ist die dominierende Technologie am Display-Markt

Beschreibung

Ein LCD besteht aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Helligkeit ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht, das mit einer Hintergrundbeleuchtung und Polarisationsfiltern erzeugt wird.

Soll ein LCD beliebige Inhalte darstellen können, sind die Segmente in einem gleichmäßigen Raster angeordnet. Bei Geräten, die nur bestimmte Zeichen darstellen sollen, haben die Segmente oft eine speziell darauf abgestimmte Form, so insbesondere bei der Sieben-Segment-Anzeige zur Darstellung von Zahlen.

Eine Weiterentwicklung ist das Aktiv-Matrix-Display, das zur Ansteuerung eine Matrix von Dünnschichttransistoren (Thin Film Transistor, kurz TFT) enthält. Bei LCD-Geräten ist diese Technik derzeit vorherrschend.

Das LCD findet Verwendung an vielen elektronischen Geräten, etwa in der Unterhaltungselektronik, an Messgeräten, Mobiltelefonen, Digitaluhren und Taschenrechnern. Auch Head-Up-Displays und Videoprojektoren arbeiten mit dieser Technik.

Geschichte:
Schon 1904 veröffentlichte Otto Lehmann sein Hauptwerk Flüssige Kristalle. Im Jahre 1911 beschrieb Charles Mauguin die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen. 1936 patentierte die Marconi Wireless Telegraph Company die erste praktische Anwendung der Technologie, das Flüssigkristall-Lichtventil. 1962 erschien die erste wichtige englischsprachige Publikation über Molekulare Struktur und Eigenschaften von Flüssigkristallen (Original: Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals) von George William Gray.

Pionierarbeiten über Flüssigkristalle wurden in den späten 1960er Jahren vom britischen Radar Research Establishment in Malvern geleistet. Das dortige Team unterstützte die fortschreitenden Arbeiten von George William Gray, der mit seinem Team an der Universität Hull in Kingston upon Hull (England) schließlich flüssigkristalline Cyanobiphenyl-Verbindungen synthetisierte, die die Anforderungen bezüglich Stabilität und Temperaturverhalten des LCD erfüllte.

Das erste funktionierende LCD basierte auf dem dynamischen Streumodus (Dynamic scattering mode, DSM) und wurde 1968 in den USA von einer Gruppe bei der Radio Corporation of America (RCA) unter der Leitung von George H. Heilmeier eingeführt. Heilmeier gründete die Firma Optel, die das LCD nach diesem Prinzip entwickelte.

Am 4. Dezember 1970 meldeten Martin Schadt und Wolfgang Helfrich, damals im Central Research Laboratory der Firma Hoffmann-LaRoche tätig, das erste Patent über die nematische Drehzelle (TN-Zelle, Schadt-Helfrich-Zelle) in der Schweiz an. In Deutschland wurde das Patent allerdings nicht erteilt.

Am 22. April 1971 reichte James Fergason von der Kent State Universität (USA) in den USA seine Patentanmeldung über den twisted nematic field effect in Flüssigkristallen ein und stellte 1971 in seiner Firma ILIXCO, die heute (2005) LXD Incorporated heißt, die erste LCD-Geräte mit dieser Technologie her. Sie ersetzten schnell die schlechteren DSM-Typen.

Passive-Matrix-LCD:
Bei Passiv-Matrix-LCD werden die Bildelemente im Zeitmultiplexbetrieb angesteuert, d.h. jedes Bildelement ist direkt und permanent mit einer Ansteuerschaltung verbunden, deren Ausgang einen geringen Widerstand hat. Deshalb baut sich die zum Zeitpunkt der Adressierung aufgebrachte Ladung relativ schnell wieder ab und muss in der folgenden Bildperiode (frame) wieder erneuert werden. Dieser Wechsel in der elektrischen Ansteuerung führt zu ausgeprägten Modulationen der optischen Antwort der Anzeige (sog. frame response).

Aktiv-Matrix-LCD:
Bei Adressierung und Ansteuerung über eine Matrix mit aktiven Bauelementen bei Aktiv-Matrix-LCD wird zum Zeitpunkt der Adressierung eine Ladung auf das Bildelement (pixel) aufgebracht, dem meist noch ein zusätzlicher Kondensator parallelgeschaltet ist (Speicherkondensator). Nach dem Aufbringen der Ladung, deren Höhe der Dateninformation entspricht, wird das aktive Bauelement (meist ein Dünnfilmtransistor, Thin-Film-Transistor TFT)) wieder in den hochohmigen Zustand geschaltet, wodurch die Ladung und somit die Ansteuerung während einer Bildperiode im Wesentlichen erhalten bleibt.

Diese Art der Ansteuerung bewirkt bei Aktiv-Matrix-Displays eine höhere effektive Spannung über dem Bildelement, damit eine höhere Aussteuerung des Flüssigkristalls, und damit ein verbesserter Kontrast und eine reduzierte Abhängigkeit des Kontrastes von der Betrachtungsrichtung.

Vor- und Nachteile:
Vorteile des LCD gegenüber der Kathodenstrahlröhre (CRT) sind

- geringere Stromaufnahme (insbesondere bei nicht hinterleuchteten Displays), die durchschnittliche auf die Displaygröße umgerechnete Leistungsaufnahme beträgt für CRTs, LCD-Geräten und Plasmabildschirme etwa 450 bis 700 W/m². Unabhängig vom Bildinhalt wird das LCD über die gesamte Anzeigenfläche konstant beleuchtet. Trotz dieser prinzipiellen Schwäche ist die Lichtausbeute (luminous efficacy) beim LCD mit typisch 2 lm/W bis 4 lm/W noch immer etwa doppelt so hoch wie bei PDPs mit Filterscheibe (normaler Auslieferzustand).
- Strahlungsarmut: Das LCD strahlt keine Röntgenstrahlung und wenig Magnetfelder ab. Elektrische Felder werden abgestrahlt und enthalten ebenso wie bei CRTs die Bildinformation (sog. kompromittierende Abstrahlung, Problem Abhörsicherheit, s. Van-Eck-Phreaking).
- absolut flimmerfreies, verzerrungsfreies, scharfes Bild
- geringeres Gewicht sowie
- geringe Einbautiefe.

Beliebt ist das LCD auch bei Personen, die Elektrosmog minimieren möchten, da das LCD gegenüber Kathodenstrahlmonitoren schwächere elektromagnetische Felder emittieren.

Im Gegensatz zu Anzeigegeräten mit Kathodenstrahlröhre wird der LCD in der Praxis nicht durch Magnetfelder (z. B. Erdmagnetfeld, Magnetfeld von Oberleitungen und NMR-Geräten, Transformatoren oder Lautsprechern) beeinträchtigt.

Ein Problem war lange Zeit (mindestens bis zur Entwicklung von mit TFTs angesteuertem LCD) der geringe Kontrast und die langen Schaltzeiten. Die Farbwiedergabe des LCD (der darstellbare Farbraum, color gamut) kann durch Anpassung der Hinterleuchtung sogar extremen Anforderungen gerecht werden (extended gamut, multi-primary display, etc.). Allerdings kann das LCD im Gegensatz zu CRTs nur eine endliche Zahl an Farben darstellen. Die Zahl entspricht zwar bei den meisten modernen LCD-Geräten mit 224 dem, was die meisten Grafikkarten erzeugen können, bei analoger Datenübertragung können aber trotzdem zwei unterschiedliche Farben der Grafikkarte gleich dargestellt werden. Außerdem können manche Grafikkarten auch mehr Farben erzeugen, was jedoch selten genutzt wird. Ein weiteres Problem war der eingeschränkte Bereich von Betrachtungsrichtungen mit konstantem Kontrast und gleichbleibendem Farbeindruck; neuere Techniken wie IPS und MVA, PVA sowie die Anwendung von doppelbrechenden Kompensationsfolien (retarder sheets) schafften hier Abhilfe. Diese Nachteile existieren weiterhin, sind aber bei weitem nicht mehr so gravierend wie früher. Da jeder Pixel eine eigene kleine Einheit darstellt, kommt es produktionsbedingt zu vereinzelten Fehlern (Pixelfehler): Pixel, die durchgängig nur in einer Farbe leuchten oder die vorgegebene Farbe fehlerhaft wiedergeben. Je nach Anzahl der fehlerhaften Pixel werden die Displays in verschiedene Fehlerklassen eingestuft, die dann auch verschiedene Preisklassen bedeuten.

Bei der Herstellung wird die physikalische Bildauflösung festgelegt, die Ansteuerung mit einem Signal anderer Auflösung kann zu Qualitätsverlusten führen. Ein TFT-LCD liefert im Vergleich zu einem CRT-Bildschirm ein viel schärferes Bild allerdings nur in seiner konstruktionsbedingten physikalischen Auflösung. Signale geringerer Auflösung müssen interpoliert werden und erscheinen verschwommen. Alternativ lässt sich das Bild auch mit schwarzen Rändern zentriert in voller Schärfe darstellen (bei digitalem Anschluss lässt sich das üblicherweise im Grafikkartentreiber einstellen).

Die Hintergrundbeleuchtung beim LCD (durch sog. Kaltkathodenröhren) wird gefiltert, um die Grundfarben der Pixel (z.B rot, grün und blau) zu gewinnen. Dabei muss ein Kompromiss zwischen Helligkeit und Farbwiedergabequalität gefunden werden. Die Farben vom LCD sind aber keineswegs weniger gesättigt als bei der CRT- oder Plasmabildschirmtechnologie.

Ein Grund dafür, warum Röhrenmonitore (CRT) in Tests oft besser abschneiden als Flachbildschirme ist keinesfalls der bessere Schwarzwert im Dunkelraum bzw. der Kontrast zu den hellen Bildstellen wenn kein Umgebungslicht auf den Bildschirm fällt, sondern die bessere Wiedergabe von bewegten Bildinhalten.

Die Leuchtstoffröhren der Hintergrundbeleuchtung beim LCD haben eine begrenzte Lebensdauer (100.000 Stunden). Allerdings lässt auch die Emission von Röhrenmonitoren im Laufe des Betriebs nach.

Schaltzeiten und Techniken:
Die Reaktionszeit eines modernen LCD liegt derzeit bei 8 ms (schnellste Reaktionszeit liegt bei 1 ms). Hierbei ist die Reaktionszeit die Zeitspanne, die bei der Änderung der Leuchtdichte (Helligkeit) eines Bildbereiches von 10 % nach 90 % verstreicht; hierbei sind 0 % und 100 % die Leuchtdichten der stationären (eingeschwungenen) Zustände. Die Bildaufbauzeit nach ISO 13406-2 ist die Summe der Schaltzeiten von Hell nach Dunkel (oder umgekehrt) und wieder zurück. Aufgrund des asymptotischen Schaltverlaufs werden jedoch nach ISO 13406-2 Schaltzeiten von <3 ms benötigt, um sichtbare Schlierenbildung zu vermeiden.

Bewegungsunschärfe:
Bei Hold-Type Displays wie LCD, Plasma- und OLED-Bildschirmen bleibt der Zustand eines Pixels für die Dauer einer Bildperiode bestehen, bis die angelegte Spannung im Zuge des Bildaufbaus eines neuen Bildes geändert wird (Erhaltungsdarstellung). Da das Auge bei der Verfolgung eines bewegten Bildinhalts die Helligkeit über die Zeit integriert, ist einerseits die empfundene Helligkeit höher, andererseits kommt es aber auch zum Verwischen von bewegten Bildinhalten. Dies fällt besonders bei der Darstellung schnell bewegter Szenen auf und wird deshalb auch als Bewegungsunschärfe (auch engl. motion blur) bezeichnet. Beim heutigen LCD ist diese Bewegungsunschärfe schon erheblich reduziert. Die Reaktionszeit von grau nach grau (engl. gray to gray) liegt durchschnittlich bei 6 ms.

Ansätze zur Optimierung:
Viskosität: Der Bewegungsunschärfe versucht man unter anderem dadurch entgegenzuwirken, dass man die Schaltzeiten des LCD weiter reduziert, vor allem durch eine Reduktion der Viskosität der eingesetzten Flüssigkristallmaterialien. Dabei ist zu beachten, dass selbst bei unendlich schnellem Schalten durch die Erhaltungsdarstellung beim LCD (hold-type display) Bewegungsunschärfen entstehen.
Überspannung: Bei der Overdrive-Technik wird an die LCD-Zelle kurzzeitig eine Spannung angelegt, die höher ist als die für den eigentlichen Helligkeitswert erforderliche. Dadurch richten sich die Kristalle schneller aus. Das nächste Bild muss hierzu zwischengespeichert werden. Diese Information wird zusammen mit an das jeweilige Display speziell angepassten Korrekturwerten verwendet, um die genaue Zeit berechnen zu können, während der die Überspannung anliegen darf, ohne dass das jeweilige Pixel übersteuert wird. Das funktioniert jedoch nicht bei der Rückstellung des Kristalls: da es nicht weniger als keine Spannung gibt (die Ansteuerung erfolgt mit Wechselspannung), muss das Kristall passiv relaxieren. Durch die Zwischenspeicherung wird das Bild etwa zwei bis fünf Takte verspätet angezeigt. Dieser Versatz kann sich beim Betrachten von Filmen durch Bild-Ton-Asynchronität bemerkbar machen (der Ton eilt dem Bild voraus). Auch bei Computerspielen, die schnelle Reaktionen des Spielers verlangen, macht sich die Bildpufferung negativ bemerkbar.
Black Stripe Insertion: Um der Bewegungsunschärfe aufgrund der Erhaltungsdarstellung entgegenzuwirken, können die Pixel bzw. das gesamte Display auch kurzzeitig dunkel geschaltet werden. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die Ansteuerung der Pixel deutlich schneller erfolgen muss. Es kann zum Bildflimmern kommen, außerdem sinkt die effektive Bildhelligkeit. Daher sind hier Bildwiederholraten von mindestens 85 Hz sowie eine um das Tastverhältnis Auszeit/Leuchtzeit hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich.
Blinking Backlight: Bei der Verwendung von LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Geräten lässt sich diese Methode einfacher als Black Stripe Insertion realisieren, da hierbei nicht die Pixel schneller angesteuert werden müssen, sondern für Pixelbereiche bzw. das gesamte Display die Hintergrundbeleuchtung für den Bruchteil einer Vollbilddauer ausgeschaltet werden kann.
Scanning Backlight: Hierbei wird das LCD nicht mit weißem Licht, sondern nacheinander von roten, grünen und blauen Primärlichtern (häufig per LED) beleuchtet. Da beim LCD mit zeitsequentieller Ansteuerung mit den Primärfarben keine helligkeitreduzierenden Farbfilter erforderlich sind und hohe Leuchtdichten vorhanden sind, lässt sich der Helligkeitsverlust durch die Sequenzabfolge leichter kompensieren. Zudem kann ein einzelnes Pixel alle Grundfarben anzeigen, anstatt das Pixel durch das Zusammenspiel von benachbarten Subpixeln zu interpolieren, wodurch die erzielbare Auflösung steigt.
Vorverzerrung (Inverse Filtering): Hierbei wird aus den Daten des aktuellen und nächsten Bildes die Integration des Auges aus dem jeweils nächstem Bild herausgerechnet. Dazu werden ebenfalls die genauen Schalteigenschaften des jeweiligen Paneltyps benötigt.
Literatur zur Bewegungsunschärfe

Einsatzmöglichkeiten:
In Digitaluhren und Taschenrechnern wird das LCD schon länger verwendet. Diese einfarbigen Displays ohne Hintergrundbeleuchtung zeichnen sich durch geringsten Stromverbrauch und sehr hohe Lebensdauer aus und finden alternativlos überall dort Anwendung, wo ein langer wartungsfreier Betrieb erforderlich ist. Verbreitung fanden der LCD über weitere tragbare oder batteriegespeiste Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks und ähnliches.

Es ist abzusehen, dass der LCD die Kathodenstrahlröhre auch in deren Stammgebieten, wie PC-Monitore und Fernseher, verdrängen werden. Diese Annahmen stützen sich vor allem auf die ständige Verbesserung der LCD-Technik und Beseitigung ihrer Schwächen. Außerdem wurden 2003 bereits mehr LCD-Geräte als herkömmliche Röhrenmonitore für PCs verkauft.

Umweltschutz:
Die LCD-Technologie hat in den letzten Jahren insbesondere durch die Entwicklung von Flachbildschirmen einen enormen Aufschwung erlebt. Große Produktionsstätten für Flachbildschirme wurden zunächst in Japan errichtet. Schon bald setzte jedoch die Abwanderung der Industrie in die neuen asiatischen Industrienationen ein, in denen billige Arbeitskräfte und üppige staatliche Förderung lockte. Derzeit befindet sich der Schwerpunkt der Flachbildschirmindustrie in Taiwan und insbesondere Korea. In Korea betreiben die dort ansässigen weltweit größten Flachbildschirmhersteller Samsung, LG, Philips und Chi Mei Optoelectronics (CMO) die zur Zeit größten LCD-Produktionsstätten. Die Wanderung der Industrie geht jedoch weiter. Auf der Suche nach noch kostengünstigeren Produktionsstandorten hat der Boom inzwischen auch China erreicht. Produktionsstätten zur Herstellung hochwertiger Flachbildschirme sind derzeit im Aufbau.

Aus der Sicht des Klimaschutzes ist die LCD-Fertigung problematisch, da in der traditionellen Produktion sehr große Mengen klimagefährdende Substanzen eingesetzt werden. Im wichtigen Arrayprozess, in dem die TFT-Steuermatrix großflächig auf dünne Glasscheiben aufgebracht wird, werden z. B. potente Treibhausgase wie Schwefelhexafluorid.

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