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Flachbildschirme (TFT-Display)

Ein ausführlicher Einblick in den Aufbau, Vor- und Nachteilen und Geschichte von TFT-Bildschirmen.


Autor: Francisco Hidalgo (Chester1)
Datum: 08-12-2003, 22:17:34
Referenzen: siehe Text.
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Einleitung

Moderne Flachbildschirme funktionieren mit der sogenannten TFT-Technik. Die Abkürzung steht für "Thin Film Transistor", zu Deutsch: Dünnfilm-Transistor. Sie ist die heute übliche Variante der sogenannten Flüssigkristall- oder LC-Displays (LCD: Liquid Crystal Diaplay) und ist zum Beispiel in den meisten Notebooks zu finden. Dabei entsteht die leuchtende Darstellung eines Flachbildschirms durch das Zusammenspiel von mehreren sehr dünnen, übereinander gelegten Schichten. Ein wichtiger Effekt dabei ist die Polarisation von Licht.

Dazu zuerst ein wenig Physik: Eine Lichtwelle schwingt immer nur in einer bestimmten Ebene. Das normale Tageslicht oder das Licht einer Neonröhre, einer Glühbirne oder eines Computermonitors bestehen aus einer Unmenge von Lichtwellen, die jedoch in beliebiger Richtung schwingen können. Polarisation heißt nun, dass aus diesem Licht-Mischmasch diejenigen Lichtwellen heraus gefiltern werden, die in einer bestimmten Richtung schwingen. Ein Polarisationsfilter lässt nur diese Lichtwellen durch, alle anderen verschluckt er. Laserlicht besteht zum Beispiel aus polarisiertem Licht.




Licht im Gleichschritt: Von normalem gemischten Licht, das in allen möglichen Richtungen schwingt, lässt ein Polarisationsfilter nur die Anteile durch, die in einer bestimmten Ebene schwingen.

Man kann auch schon polarisiertes Licht durch einen Polarisationsfilter schicken. Dann tritt ein anderer Effekt auf: Je weniger sich die Schwingungsrichtung des Lichts von der Richtung des Filters unterscheidet, um so mehr Licht lässt der Filter hindurch. Licht, das in genau der gleichen Richtung schwingt, passiert den Filter vollständig. Licht, das senkrecht dazu schwingt, wird völlig verschluckt. Licht, das in einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad zum Filter schwingt, wird nur teilweise durchgelassen. Die Lichtmenge, die dabei ungehindert passieren kann, ist proportional zum Winkel zwischen Filter und Lichtwelle.




Lichtblockade: Fällt polarisiertes Licht durch den Filter, tritt ein anderer Effekt in den Vordergrund. Durch das Blockieren bestimmter Lichtanteile verringert sich die Lichtmenge.

Genug der Physik. Doch jetzt sollten Sie die Funktionsweise eines TFT-Displays besser verstehen, denn genau diese Effekte bilden die Grundlage des Flachbildschirms. Sie werden gezielt zur Steuerung der Lichtmenge eines Bildpunktes einsetzen.

Die Schichten eines TFT-Displays

Der grundlegende Aufbau eines LC-Displays sieht folgendermaßen aus:




Der grundsätzliche Aufbau eines TFT-Displays: das Licht der Hintergrundbeleuchtung passiert eine ganze Reihe von Schichten wie beispielsweise Polarisationsfilter, Flüssigkristalle und Farbfilter.

Die wichtigsten Schichten im einzelnen:
  • Die Hintergrundbeleuchtung: Diese hintere Schicht liefert einfach nur das Licht, um das Bild leuchten zu lassen. Die einzelnen Lichtwellen sind beliebig ausgerichtet.
  • Der erste Polarisationsfilter: Er filtert das Licht, so dass es nur in einer Richtung schwingt.
  • Die Flüssigkristall-Schicht: besteht aus Tausenden winziger Transistoren und aus Flüssigkristallen. Die Farbe eines Bildpunktes setzt sich immer aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammensetzt. Deswegen besteht ein Bildpunkt für den Betrachter technisch gesehen aus drei Farbzellen. Jeder dieser Farbzellen besitzt einen eigenen Transistor, der die Flüssigkristalle dieser Zelle steuert.



Drei ergeben eins: Jeder Bildpunkt setzt sich aus drei Farbzellen in den Grundfarben zusammen. Zusammen ergeben sie den gewünschten Farbton.
  • Die Flüssigkristalle sind spiralig gedrehte Moleküle. Je nach Strom, den der Transistor liefert, verdreht sich die Spirale eines Flüssigkristalls stärker oder schwächer und kann so verschiedene Drehwerte zwischen 0 und 90 Grad annehmen. Was hat das mit dem Licht zu tun? Das polarisierte Licht wandert entlang der Spiraldrehung durch den Flüssigkristall hindurch. Verlässt es ihn am anderen Ende, ist die Schwingungsebene in genau dem Winkel gedreht, die der Flüssigkristall durch seine Verdrehung vorgibt.
  • Der Farbfilter: Das Licht fällt nun durch den Farbfilter der Farbzelle und wird dadurch rot, grün oder blau eingefärbt. Die Polarisation des Lichts bleibt davon unberührt.
  • Der zweite Polarisationsfilter: Nun muss das Licht durch die nächste Schicht, den zweiten Polarisationsfilter. Hier nun nutzt das Display den geschilderten zweiten Effekt eines Polarisationsfilters aus und steuert die Lichtmenge einer Farbzelle. Denn das zuvor von den Flüssigkristallen um einen bestimmten Winkel gedrehte Licht kann nun - abhängig vom Winkel - nur in einer bestimmten Menge den Filter passieren.

    Sie erinnern sich: Je mehr das einfallende Licht in der Filterebene schwingt, um so mehr Licht lässt der Filter durch. Auf diese Weise steuert ein TFT-Transistor die Lichtmenge pro Zelle. Für den Betrachter mischen sich die Farben und die Helligkeitswerte zu einem einzigen wahrnehmbarem Bildpunkt mit einer ganz bestimmten Farbe zusammen - ganz nach den Gesetzen der Farblehre. Lassen die drei Filter jeweils das gesamte Licht durch, so ergibt sich ein weißer Bildpunkt. Verschlucken sie hingegen die Lichtwellen vollständig, so zeigt das Display an dieser Stelle einen schwarzen Punkt. Dazwischen liegen alle möglichen Farbkombinationen.
Dazu kommen noch weitere Schichten, die beispielsweise für eine bessere Streuung des Lichts sorgen oder einfach nur Trägerschichten für elektrische Leitungen oder Kristalle sind.

Vom einfachen LCD zum TFT-Display

Übrigens haben Botaniker bereits im Jahre 1898 Flüssigkristalle entdeckt, die bei Temperaturveränderung ihre optische Eigenschaften verändern. Die ersten LC-Displays kamen jedoch erst in den 70er Jahren auf den Markt - in Taschenrechnern und Uhren. Bis zum ersten Laptop mit schwarzweißem LC-Display dauerte es noch bis Mitte der 80er Jahre.

Bei den ersten Farb-Displays arbeiteten mit der sogenannten DSTN-Technik (Double Super Twisted Nematic). Die Spannung, die die Flüssigkristalle ausrichteten, lieferten hier nicht Transistoren, sondern ein feines, engmaschiges Metallnetz, das sich direkt über der Kristallschicht befand. Im Schnittpunkt von senkrechten und waagrechten Metallfäden richteten sich die Flüssigkristalle beim Anlegen einer Spannung aus und erzeugen den Bildpunkt (Matrixsteuerung). Diese Displays hießen "passive" Displays - im Gegensatz zu den "aktiven" TFT-Displays. Die Technik, die auch heute noch in billigen Notebooks verwendet wird, ist noch träge und kann Bewegungen nicht sehr gut darstellen. Bewegt man die Maus schnell auf diesen Displays, zieht der Mauszeiger eine Spur über den Bildschirm (Nachleuchteffekt). Da sich die elektrischen Felder des Metallnetzes zudem nicht exakt begrenzen lassen, werden auch benachbarte Bildpunkte beeinflusst (Überstrahleffekt). Die Folge sind verringerter Helligkeit und Kontrast.

Mit der heutigen TFT-Technik ist ein neuer Standard erreicht: Jeder Unterbildpunkt verfügt über einen eigenen Steuertransistor. Das erlaubt wesentlich genauer begrenzte elektrische Felder. Das Ergebnis sind bessere Farbreinheit und eine hohe Leuchtstärke. Bei einigen TFT-Varianten können die Hersteller auch auf eine Polarisationsfolie verzichten. Das verbessert den Blickwinkel: Der Betrachter muss nicht mehr gerade auf den Bildschirm schauen, sondern kann im Winkel zwischen 145 oder sogar 160 Grad auf das Display blicken. Damit stehen Flachbildschirme den Röhrenmonitoren nur wenig nach. Auch der Bildaufbau geht inzwischen schneller vonstatten. Die so genannte Ansprechzeit liegt beim TFT-Display bei 30 bis 50 Millisekunden. Ein Röhrenmonitor kommt im Vergleich dazu auf 20 Millisekunden. Die alten LC-Displays lagen noch bei 300 Millisekunden.

Warum Flachbildschirme so teuer sind

Mit etwa 250 EUR für einen 15-Zoll-Flachbildschirm ist inzwischen die untere Preisgrenze erreicht. Die Hersteller verkünden unisono: wesentlich billiger können Flachbildschirme vorerst nicht werden. Der stolze Preis für den Flachmann - immerhin sind im Vergleich zum 17-Zoll-Röhrenmonitor etwa 150 EUR zusätzlich zu berappen - wird bleiben. Apples Cinema Display beispielsweise hat eine Auflösung von 1600 x 1024 Bildpunkten.




Groß und teuer: Apples "Cinema Display" fürs Heimkino im Flachformat.

Der hohe Preis erklärt sich aus der Produktionsweise: denn für jeden Bildpunkt auf dem Display müssen je drei Transistoren aufgebracht werden, die den Farbpunkt zusammen mischen. Bei einer LCD-Auflösung von 1024 x 768 Bildpunkten ergibt das 786.432 Transistoren pro Farbe, mal drei macht 2.359.296 Bildpunkte. Das erklärt den hohen Ausschuss bei der TFT-Produktion. Ein TFT-Display wird ähnlich wie bei der Chip-Fertigung aus einer großen Folie heraus gestanzt. Dabei muss man eine Fläche mit intakten Bildpunkten finden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Transistor bei dieser gewaltigen Menge von über zwei Millionen fehlerhaft ist, ist relativ groß. Denn wenn nur ein Transistor ausfällt, ist der gesamte Bildpunkt defekt. Die Farbe stimmt an dieser Stelle nicht mehr. Der hohe Produktionsausschuss erklärt den hohen Preis der funktionstüchtigen Displays.

Flachbildschirme und Röhrenmonitor im Vergleich

Flachbildschirme haben im Vergleich zum Röhrenmonitor einige Vorteile zu bieten: sie liefern ein flimmerfreies Bild und sind frei von geometrischen Verzerrungen. Heutige moderne Monitore bauen das Bild etwa 75 Mal in der Sekunde auf. Bei alten oder fehlerhaften Geräten, die eine Frequenz von weniger als 70 Hertz zeigen, nimmt das Auge ein auf die Dauer unangenehmes Flimmern wahr. Außerdem führt das elektromagnetische Feld eines Röhrenmonitors dazu, dass der Anwender einem Mini-Bombardement von Staubteilchen ausgesetzt ist. Wer lange Zeit vor dem Röhrenmonitor sitzt, dem tränen bald die Augen. Zwar senden auch Flachbildschirme elektromagnetische Strahlung aus. Die aber ist so gering, dass sie gesundheitlich keine Rolle spielt.

Bei einem Röhrengerät können sich auch direkt neben dem Bildschirm aufgestellte Lautsprecherboxen auf das Bild auswirken: Sind sie nicht entsprechend abgeschirmt, stören ihre elektromagnetischen Felder den Bildaufbau, da sie die Elektronenstrahlen ablenken, die das Bild auf die Scheibe "schreiben". Auch das kann bei TFT-Displays nicht vorkommen.

Der sichtbarste Vorteil aber ist: ein TFT-Monitor kommt mit wenig Platz aus. Die Schreibtischfläche ist deshalb nicht durch den Bildschirm dominiert. Insbesondere in Berufen, die mindestens 21"-Zoll-Monitore verlangen, etwa Konstruktionszeichner oder Architekten, ist der Röhrenbildschirm ein echter Platzkiller. Aber TFT-Displays haben auch Nachteile in der Anzahl der Farben, die sie darstellen können. Billigere oder ältere Geräte beherrschen keine 16 Millionen Farben oder zumindest nicht in allen Auflösungen. Bei etwa 266.000 Farben ist die Palette dieser Flachen erschöpft. Unter Grafikern oder in der Vorbereitung für den Druck etwa von Broschüren und Zeitschriften reicht das nicht aus.




Der Blick von der Seite zeigt es: ein Flachbildschirm (links) benötigt wesentlich weniger Stellfläche als ein normaler Monitor.

Ein großes Problem ist die Bildschirmauflösung. Bei Röhrenmonitoren ist sie im Prinzip beliebig einstellbar. Bei LCDs wird sie durch die physikalische Auflösung vorgegeben. Besitzt das Display 1024 x 786 Punkten, ist das die maximal einstellbare Auflösung. In dieser Auflösung ist das Bild auch scharf gestochen, wie man es von einem LCD erwartet. Eine geringere Auflösung - bei Röhrenmonitoren kein Problem - ist problematisch. Das merkt man besonders bei Computerspielen, die oft eine Auflösung von 640 x 480 Bildpunkten erfordern. Dann verkleinert sich die Anzeige auf diese Fläche und hat einen unschönen schwarzen Rand. Das gleichen die Hersteller dadurch aus, dass sie das "kleine" Bild wieder sehr aufwändig auf die physikalische Auflösung hochrechnen. Das führt in der Regel nur bei ganzzahligen Verhältnissen zu befriedigenden Ergebnissen. Dann werden die Pixel einfach in doppelter Größe dargestellt.

Bei nicht ganzzahligen Skalierungen schlagen die Nachteile der TFT-Technik voll durch. Denn dann ist nicht mehr eine eindeutige Zuordnung der Bildpunkte möglich, und die Elektronik rundet auf die Zahl der verwendeten Pixel. Bei Flächen ist das in der Regel kein Problem. Doch bei feinen Linien und bei Schriften führt dies oft zu hässlichen Effekten.




Rundungsfehler: Bildauflösungen, die nicht einem ganzzahligen Vielfachen der physikalischen Auflösung entsprechen, können bei LCDs zu hässlichen Ergebnissen führen (unteres Bild).

Übrigens: Der 15-Zoll-Flachbildschirm entspricht in der Größe dem 17-Zoll-Röhrenmonitor. Der Grund: Ein Röhrenmonitor kann prinzipbedingt nicht den vollen Bildschirm ausnutzen - am Rand kommt es immer zu Verzerrungen, die das Chassis verdeckt (siehe Fette, Pich, Rindl: http://www.computerchannel.de/.


Bl00dy
Rookie
Beitrag vom:
07-09-2007, 13:08:53

Super

Sehr gut gemacht.dafür ein dickes Lob.

Ein kleiner fehler bei der Geschichte:
Flüssigkristalle wurden schon 1888 entdeckt

1888 entdeckte der österreichische Botaniker Friedrich Reinitzer (s. Bild) das Phänomen der flüssigen Kristalle. Er hatte in seinem Laboratorium beobachtet, dass Cholesterinbenzoat bei 145 °C schmilzt, aber nicht direkt in eine klare Schmelze übergeht, sondern zunächst ein milchig-trübes Aussehen zeigt. Erst bei 179 °C wird die Schmelze klar und durchsichtig...

Aber sonst super!!

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