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Grundlagen der LCD-Technologie

Inhaltsverzeichnis

Die Anfänge

Abb.1: F. Reinitzer
Abb.1: F. Reinitzer [1]

Flüssigkristalle wurden 1888 vom österreichischen Botaniker Friedrich Reinitzer erstmals entdeckt. Er beschrieb das prächtige Farbenspiel des Cholesterylbenzoats beim Schmelzen und Erstarren. Bei seinen Untersuchungen stellte er fest, dass dieser Stoff anscheinend zwei Schmelzpunkte hat. Bei 145,5°C wurde die Verbindung flüssig, blieb aber milchig-trüb. Erst bei Temperaturen von über 178,5°C wurde die Flüssigkeit klar. Damit war die flüssigkristalline Phase entdeckt. Schnell wurde die Abhängigkeit optischer Eigenschaften der trüben Flüssigkeit von der Orientierung der Moleküle und der Polarisation des Lichtes nachgewiesen. In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts galten die flüssigen Kristalle als „erforscht“ und die Wissenschaftsgemeinde verlor ihr Interesse an diesen Stoffen.

Abb. 2: Cholesterylbenzoat
Abb. 2: Cholesterylbenzoat [2]

Nach einem Dornröschenschlaf bis in die 60er Jahre setzte eine hektische Forschungstätigkeit um die flüssigen Kristalle ein. Schon früh erkannte man das Potential der Flüssigkristalle in Anzeigen, aber erst um die Jahrtausendwende war die Technologie soweit, dass LCDs (Liquid Crystal Displays) zusammen mit Plasma-Displays der klassischen Kathodenstrahlröhre ernsthafte Konkurrenz machen konnte.

Abb. 3: Die drei Phasen von LCs (oben) und die simulierte Ladungsverteilung im LC-Molekül
Abb. 3: Die drei Phasen von LCs (oben) und die simulierte Ladungsverteilung im LC-Molekül [3]

Flüssigkristalle (Liquid Crystals = LCs) sind nahezu transparente Substanzen, die die Eigenschaften sowohl von fester als auch von flüssiger Materie aufweisen. Licht, das durch Flüssigkristalle geht, folgt der Ausrichtung der Moleküle, aus denen sie besteht - ein Merkmal fester Materie. In den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass eine elektrische Aufladung der Flüssigkristalle, deren molekulare Ausrichtung und somit auch den Weg, den das Licht durch sie nimmt, verändern kann. Dies ist ein Merkmal von Flüssigkeiten. Die für Displays geeigneten Flüssigkristalle sind organische Stoffe, die aus langen stäbchenförmigen (kalamatischen) oder scheibchenförmigen (diskotischen) Molekülen bestehen. Nur durch ihre längliche Form sind diese Moleküle in der Lage elektrische Ladungen zu trennen und sich wie Dipole zu verhalten. Im natürlichen Zustand richten sich die Moleküle längs ihrer Achsen lose in eine Richtung geordnet (nematische Phase) oder in Schichten (smektische oder cholestrische Phase) aus. In einem elektrischen Feld jedoch richten sie sich entsprechend der elektrostatischen Ladungsverteilung im Molekül aus. In Displays werden Mischungen von bis zu 25 verschiedenen Flüssigkristallsorten verwendet.

LCD-Anzeigen

Abb. 4 TN-LCD-Zelle
Abb. 4 TN-LCD-Zelle

Die einfachste Flüssigkristallzelle ( Schadt-Helfrich-Zelle ) verwendet zwei mit parallelen Mikrorillen versehene Glasplatten (= Orientierungsschichten). Die Richtung der Rillen in den Platten ist um 90° zueinander gedreht. Die Außenseiten der Glasplatten sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (ITO = Indium-Zinn-Oxidschicht) überzogen. Dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Entsprechend der Richtung der Rillen im Glas richten sich nun die Moleküle des Flüssigkristalls aus. Durch die 90°-Verdrehung der Glasplatten ordnen sich die Moleküle schraubenförmig („ twisted“) an. Einfallendes Licht wird ebenfalls um 90° gedreht.
Um nun ein Lichtventil zu erhalten, wird diese Flüssigkristallzelle mit Polarisationsfiltern versehen. Ein Polarisationsfilter (oder Polfilter) besteht aus einem transparenten Material (Glas, Folie), auf das allerfeinste parallele Linien aufgebracht sind. Die Wellen des natürlichen, gestreuten Lichts sind in zufälligen Winkeln zueinander ausgerichtet. Das Polarisationsfilter blockiert nun alle Lichtwellen außer denen, die exakt in der Vorzugsrichtung(= Richtung der Linien) des Filters liegen. Dieses „polarisierte Licht“ kann den Filter passieren. Zwei um 90° zueinander verdrehte Polarisationsfilter blockieren alles Licht. Licht kann das zweite Polarisationsfilter nur dann passieren, wenn sich dessen Linien absolut parallel zu denen des ersten Filters befinden oder wenn das Licht selber in die Richtung der Linien des zweiten Filters gedreht wird.
Eine typische Twisted  Nematic (TN) Flüssigkristallanzeige besteht aus einer Schadt-Helfrich-Zelle mit zwei senkrecht (90°) zueinander ausgerichteten Polfiltern. Die Flüssigkristallzelle befindet sich zwischen den Polfiltern. Die Linien des ersten Polfilters müssen sich in der gleichen Richtung wie die Mikrorillen der ersten Orientierungsschicht verlaufen und die Linien des zweiten Filters in der gleichen Richtung wie die Rillen in der zweiten Orientierungsschicht. Das einfallende Licht wird vom ersten Polfilter polarisiert. Entlang der Flüssigkristallmoleküle wird das Licht um 90 Grad gedreht und kann durch das in Phase stehende zweite Polfilter hindurchtreten. Die Zelle erscheint hell.
Legt man jetzt eine Spannung an die Elektrodenschichten, richten sich die Moleküle vertikal (senkrecht zu den Elektrodenoberflächen) aus und lassen das Licht ungedreht passieren.  Infolgedessen wird es vom zweiten Polfilter gesperrt. Die LC-Zelle erscheint dunkel.
Die Höhe der an die LC-Zelle angelegten Ansteuerspannung beeinflusst die Stärke der Ausrichtung der LC-Moleküle. Hierdurch kann die Menge des durchgelassenen Lichts und somit die Helligkeit der Zelle bestimmt werden. 

Seit 1971 werden Flüssigkristalle industriell in Anzeigeelementen eingesetzt. LCDs (Liquid Crystal Display = Flüssigkristallanzeige) funktionieren transmissiv, d.h. die Anzeige lässt unterschiedliche Mengen eines weißen Lichts konstanter Intensität(= Hintergrundbeleuchtung) durch ein aktives Filter passieren. Rote, grüne und blaue Elemente eines Pixels erhält man einfach durch Filtern des weißen Lichtes.
In der praktischen Anwendung wird diese parallele Ausrichtung durch das Einbringen des Flüssigkristalls zwischen mit parallelen Mikrorillen („Orientierungsschichten“) versehenen Glasplatten extrem verstärkt.

Passive Matrix Display

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von LCD-Anzeigen unterscheiden: Passive Matrix und Active Matrix-Displays.

Abb. 5: Prinzip Passive Matrix Display
Abb. 5: Prinzip Passive Matrix Display

Passive LCD-Anzeigen werden lediglich mit den zwei oben erwähnten Elektroden angesteuert. Die Elektroden sind Streifen aus transparenten ITO, die um 90° zueinander gedreht verlaufen. Dadurch entsteht eine Kreuzmatrix, über die sich jede LC-Zelle einzeln ansteuern lässt. Die Adressierung übernehmen Logik- und Treiberschaltungen separat von der Anzeige. Da bei dieser Art der Ansteuerung keine Speicherung der Ladung in der LC-Zelle stattfindet, kehren die Flüssigkristallmoleküle allmählich in ihren Ursprungszustand zurück. Deshalb muss jede Zelle in regelmäßigen Abständen erneut angesteuert werden.
Passive LCD Anzeigen haben relativ hohe Reaktionszeiten und eignen sich nicht für TV-Anwendungen. Vorteilhaft ist, dass keine Treiber- oder Schaltkomponenten wie Transistoren auf dem Glassubstrat benötigt werden. Ein Helligkeitsverlust durch Abschattung durch diese Elemente tritt also nicht auf.

Active-Matrix TFT-Anzeigen

Aktive Matrix-Anzeigen verwenden zur Ansteuerung jeder Zelle jeweils einen Transistor ( Dünnschichttransistor = Thin Film Transistor= TFT) und, als Ladungsspeicher, einen Kondensator. Dadurch, dass mit Hilfe des Kondensators größere Ladungen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können, steigt die Leuchtdichte der Zelle. Als Transistormaterial kommt amorphes oder polykristallines Silizium zur Anwendung. Displays mit Transistoren aus amorphen Silizium erfordern bei der Herstellung keine hohen Temperaturen. Die verwendeten Gläser für die Substrate sind relativ kostengünstig. Die nichtkristalline Struktur hemmt aber die Elektronenbewegung und macht leistungsfähige Treiberschaltungen notwendig. Bei der Herstellung von Displays mit Transistoren aus polykristalinem Silizium müssen wegen der hohen Prozesstemperaturen teure Quarz- oder Spezialgläser eingesetzt werden. Dafür ist der Aufwand bei den Treiberschaltungen wesentlich geringer. Diese können sogar mit auf dem Display mit integriert werden.

IPS

Bei der IPS- (In Plane Switching) Technologie sind die Elektroden nicht übereinander, sondern nebeneinander in einer Ebene auf dem Glassubstrat angeordnet. Das elektrische Feld durchdringt die LC Moleküle horizontal. Diese richten sich so parallel zur Bildschirmoberfläche aus, was den Blickwinkel wesentlich erhöht. Ein Nachteil von IPS ist, dass pro Zelle zwei Transistoren benötigt werden. Dieses reduziert die transparente Fläche und macht eine hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich.

Abb. 8: Aufbau IPS-LCD
Abb. 8: Aufbau IPS-LCD

VA und MVA

Die VA-(Vertical Alignment) und die MVA-(Multi-domain Vertical Alignment-) Technologie setzt weiterentwickelte Flüssigkristalle ein. Es werden spezielle Flüssigkristalle verwendet, die sich ohne elektrisches Feld vertikal, also senkrecht zur Bildschirmoberfläche, ausrichten. Das polarisierte Licht kann passieren, wird aber vom Frontpolarisator blockiert. Die Zelle ist also ohne Ansteuerung schwarz. Da alle Moleküle, auch die an den Rändern des Substrates, gleichmäßig vertikal ausgerichtet sind, ist der so erzeugte Schwarzwert aus allen Blickwinkeln sehr hoch. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, neigen sich die LC-Moleküle horizontal. Die Zelle erscheint hell. Die Helligkeit ist jedoch bei jedem Blickwinkel unterschiedlich. Blickt man senkrecht auf die Zelle, sieht man aufgrund der Doppelbrechung der gekippten Flüssigkristalle nur einen Teil des Lichtes. Blickt man in Kipprichtung der LC-Moleküle auf den Bildschirm gibt es keine Doppelbrechung und die Zelle erscheint schwarz. Schaut man gegen die Kipprichtung, erreicht die Doppelbrechung ihr Maximum. Die Zelle erscheint mit hoher Helligkeit. Bei MVA wird das Problem der Blickwinkelabhängigkeit dadurch gelöst, dass jede Zelle in mehrere Bereiche (Domains) aufgeteilt wird und in jedem Bereich die LC-Moleküle eine andere Kipprichtung erhalten. Erreicht wird dieses mit feinen Vorsprüngen auf der Glasoberfläche, die den LC-Molekülen eine Vorneigung geben. 

Abb.: 9 VA-Zelle (Single-Domain)
Abb.: 9 VA-Zelle (Single-Domain)
Abb.: 10 MVA-Zelle (Multi-Domain)
Abb.: 10 MVA-Zelle (Multi-Domain)

Schaltzeiten von LCD-Zellen

Die hohe Reaktionszeit von LCD-Displays bildete von je her ein großes Problem. Durch die relative hohe Viskosität des Flüssigkristalls schalten die LCD-Zellen recht langsam um. Bei schnellen Bewegungen im Bildinhalt führt dieses zu einer Schlierenbildung. Durch geeignete Maßnahmen (niedrigviskoser Flüssigkristall und modifizierte Ansteuerung der LCD-Zellen (Overdrive) sind diese Probleme meist schon gelöst. Die Reaktionszeit moderner LCDs liegt derzeit bei etwa 8 ms (schnellste Reaktionszeitliegt 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 nachISO 13406-2 ist die Summe der Schaltzeiten von Hell nach Dunkel (oder umgekehrt) und wieder zurück. Aufgrund des asymptotischen Schaltverlaufs werden jedoch Schaltzeiten von <3 ms benötigt, um sichtbare Schlierenbildung zu vermeiden.

Overdrive

Die Overdrive -Technik verkürzt die Schaltzeiten von LCD-Zellen. Hierzu wird an die LCD-Zelle kurzzeitig eine höhere Spannung angelegt, als die für den eigentlichen Helligkeitswert erforderlich wäre. Durch die kurze Überspannung ( Overshot) werden die trägen Flüssigkristalle regelrecht aus ihrer Lage gerissen und richten sich wesentlich schneller aus. Für diese Prozessstufe muss das Bild zwischengespeichert werden. Zusammen mit an das jeweilige Display speziell angepassten Korrekturwerten (die jeweilige Höhe der Spannung ist vom Gamma des Displays abhängig und wird über Look-Up-Tabellen gesteuert vom Signalprozessor für jedes Pixel berechnet) wird aus der Bildinformation die genaue Zeit berechnet, die die Überspannung anliegen darf, ohne dass das jeweilige Pixel übersteuert wird. Die Rückstellung des Kristalls in die neutrale Position erfolgt passiv. Durch die Zwischenspeicherung wird das Bild etwa zwei bis fünf Halbbilder verspätet angezeigt. Diese Verzögerung kann sich durch eine störende Asynchronität zwischen Ton und Bild bemerkbar machen, was durch eine digitale Verzögerung des Tons im Audiosignalweg ausgeglichen werden muss.

Abb. 11: Prinzip Overdrive
Abb. 11: Prinzip Overdrive

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto "F. Reinitzer": Lizenz: Gemeinfrei, Quelle: http://www.personal.kent.edu/~mgu/pictures/reinitzer.jpg

[2] Struktur "Cholesterylbenzoat": Lizenz: Public Domain über Wikimedia Commons, Quelle:„Cholesterylbenzoat“ von NEUROtiker (talk)   http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cholesterylbenzoat.svg#mediaviewer/Datei:Cholesterylbenzoat.svg

[3] Abbildung "LC-Phasen/Ladungsverteilung": Quelle: Merck Pressefoto "00755LOW_LC-PHASES.JPG"
http://www.merck.de/de/presse/download_galerie/chemie_overview/chemie.html

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