Hallo,
anbei ein kleiner Roman zu Deiner Frage. Was ich Dir auf jedenfall rate, vergleiche bitte die Geräte vorher vor Ort bevor Du dich entscheidest. Es gibt trotz identischen Daten auf den einzelnen Datenblättern erhebliche unterscheide bei der Bildqualität.
So und nun zu dem eigendliche Thema:
Wie funktionieren LCD-Displays ?
Moderne TFTs sind das Ergebnis einer aufwendigen technologischen Entwicklung und mittlerweile extrem leistungsfähig. Um die aktuellen Technologien und ihre Vor- und Nachteile verstehen und vergleichen zu können, muß man ihre Vorgeschichte und den spannenden Weg zu den heutigen Hightech-Displays kennen.
Technologien für digitale Farbpanels gibt es etliche, durchgesetzt haben sich jedoch nur einige wenige. Den Anfang machte als Notebook-Display das STN-LCD (Super Twisted Nematic) dessen Grundprinzip auch heute noch aktuell ist. Als Lichtquelle dient eine Hintergrundbeleuchtung, die aus Leuchtstoffröhren besteht. Sie sind meist hinter, manchmal aber auch seitlich oder über der Anzeige angebracht und werden durch Reflexion gleichmäßig auf die gesamte Anzeigefläche verteilt. Vor der Hintergrundbeleuchtung befindet sich ein horizontaler Polarisationsfilter, der nur die horizontal ausgerichteten (polarisierten) Anteile des Lichtes hindurch läßt. Unter Polarisation versteht man hier die Ausrichtung der Schwingungsebene der elektrischen Feldkomponente einer elektromagnetischen Welle.
Der richtige Dreh: die TN-Zelle
Vor dem ersten Polfilter befinden sich die eigentlichen Flüssigkristallzellen (Twisted Nematic=TN-Zelle) und davor wieder ein Polarisationsfilter, diesmal in vertikaler Ausrichtung. Ohne die TN-Zelle könnten durch die beiden Polarisationsfilter kein Licht dringen, da sowohl die horizontalen, wie auch vertikalen Elemente des Lichtes abgeblockt würden. In der TN-Zelle befinden sich jedoch die Flüssigkristall-Moleküle, die innerhalb der Zelle eine Drehung von 90 Grad aufweisen, sofern die Zelle nicht unter Strom steht. Die Kristalle haben die Fähigkeit das Licht zu leiten und in seiner Polarisation zu steuern. Es "folgt", vereinfacht erklärt, der Windung der Kristalle und so dreht sich die Polarisationsrichtung des Hintergrundlichtes um genau 90 Grad. Dadurch kann es durch den zweiten, vertikalen Polfilter hindurch.
Legt man nun eine Spannung an die Zelle an, verlieren die Kristalle ihre Ordnung und können das Licht zwar leiten aber nicht mehr drehen. Die beiden Polfilter sperren das Licht: der entsprechende Pixel bleibt dunkel. Damit läßt sich bereits ein einfaches Monochrom-Display aufbauen.
16,7 Millionen Farben: Jeder Pixel braucht drei Subpixel
Soll Farbe ins Spiel kommen wird jeder Pixel noch einmal in drei Subpixel unterteilt. Jeder dieser Subpixel besitzt einen Farbfilter, entweder Rot, Grün oder Blau. Der Aufwand ein solches Farbdisplay anzusteuern ist dann natürlich dreimal so groß, da dreimal so viele Pixel notwendig sind. Die unterschiedlichen Leuchtintensitäten der einzelnen Farben (bis zu 256 Nuancen pro Subpixel = 16,77 Millionen darstellbare Farben pro Pixel) werden durch verschiedene Spannungen und dadurch bedingte Abweichungen in der Verdrehung der Kristalle erreicht. Letztendlich wird also die Lichtleitfähigkeit jeder einzelnen Zelle jedes Subpixels gesteuert.
Mehr Kontrast: 270- statt 90 Grad-Drehung
Untersuchungen hatten ergeben, daß durch eine Drehung der Flüssigkeitskristalle um 90 Grad mehr Kontrast verlorengeht, als durch eine Drehung um 270 Grad. Die Super Twisted Nematic-Zelle (STN-LCD), welche die Polarisation des Lichtes um 270 Grad dreht und mehr Kontrast bietet, wurde entwickelt. Sie hatte allerdings einen Nachteil: sie neigte zu Farbverschiebungen. Doch auch dieses Problem war schnell im Griff: wenn eine zweite STN-Zelle umgekehrt angeordnet hinter die erste geschaltet wird, verschwindet die Farbverfälschung. Die neue Zelle nannte man DSTN (Dual Super Twisted Nematic). Allerdings ist diese etwas langsam, wodurch sich Geisterlinien bilden. Neueste DSTN-Entwicklungen zeigen dieses Phänomen allerdings nicht mehr so stark, wie früher.
Schneller, heller, kontrastreicher: von der TN-Zelle zum TFT-Display
Kontraststärker, farbenfroher und vor allem schneller sind TFT-(Thin Film Transistor)-Displays. Die höhere Geschwindigkeit ist vor allem für verziehungsfreie bewegte Darstellungen, Seitenrollen oder schnelle Cursorbewegung ohne Nachleuchten sehr wichtig. TFT-Displays genügt eine dünnere nematische Schicht (die Flüssigkristall-Schicht zwischen den Polfiltern). Sie sind deshalb von vorn herein wesentlich kontraststärker, benötigen dadurch nur einen Drehwinkel von 90 Grad und kommen ohne farbkompensierende zweite Zelle aus. Das Kontrastverhältnis moderner TFT-Displays liegt bei mehr als 300:1.
Weitere Vorteile sind die störungsfreie Funktion und die schnelle Ansprechgeschwindigkeit der Zellen. Bisher wurden nämlich die Zellenspannungen der Transistoren von außerhalb des Displays über Leiterbahnen zugeführt und gesteuert. Das führte zu Störungen, sogenannten Übersprechungen: die extrem dicht liegenden Leiterbahnen beeinflußten sich gegenseitig. Es entstanden bei großem Kontrast Geisterbilder und Farbraumeinschränkungen. Deshalb sind beim TFT-Display die steuernden Transistoren als sogenannte Dünnfilmtransistoren direkt an jedem Subpixel aufgedampft. Viele Steuerleitungen entfallen dadurch.
Mit der direkten Ansteuerung am Subpixel sind TFT-Displays fast 10-mal so schnell wie DSTN-Modelle. Letztere brauchten ca. 200 Millisekunden für einen Bildaufbau, wodurch der Mauszeiger sogar bei langsameren Bewegungen nachzieht. TFTs brauchen hingegen nur noch etwa 35 Millisekunden und sind dadurch sogar videofähig.
Hohe Qualität nur bei absoluter Perfektion in der Fertigung
Diese Technologie erfordert schon bei VGA-Auflösung fast eine Million Transistoren. Bei 1280 x 1024 Pixel sind es bereits ca. vier Millionen Transistoren. Die Ausstoßraten der Produktion sind relativ gering, da bereits fünf bis zehn Transistorfehler (Missing-Dots) pro Display als sichtbare Qualitätsminderung gelten. Deshalb sind TFT-Displays die teuersten LCD-Displays.
Qualitätsmindernd wirkt sowohl bei DSTN- als auch bei der TFT-Technologie die Tatsache, daß der seitliche Einblickwinkel stark begrenzt ist. Schuld daran sind die nicht immer parallel zueinander ausgerichteten Kristalle. Es entsteht Streulicht, "fehlgeleitetes" Licht, das die Display-Zellen schräg durchdringt. Es kommt zu einer unterschiedlichen Abschwächung des schräg durch die Flüssigkristallschicht laufenden Lichtes, was für die bekannten Farbverfremdungen und Kontrastveränderungen bei seitlichem Einblickwinkel sorgt.
Eine harte Nuß für die Entwickler: der begrenzte Blickwinkel
Abhilfe schafften Super-TFTs. Sie sind auch unter S-TFTs bekannt und basieren auf der IPS-Technologie (In Plane Switching) und erweitern den Betrachtungswinkel auf mehr als 60 Grad in jede Richtung. Heutige SuperFine TFT-Monitore von NEC weisen sogar einen Einblickwinkel von 85 Grad in jede Richtung auf. Der Grund: die stabförmigen Kristalle der S-TFTs sind in jedem Betriebszustand absolut parallel zueinander ausgerichtet. Sie liegen bei dieser Technologie zwischen zwei gleichermaßen horizontal ausgerichteten Polfiltern. Im spannungslosen Zustand sind die länglichen Kristalle im rechten Winkel zu den Polarisationsfiltern ausgerichtet. Durch die polarisierende Wirkung der Kristalle kommt kein Hintergrundlicht auf die Frontscheibe. Je nach anliegender Spannung kippen die Kristalle immer mehr bis sie parallel zu den Filtern liegen und dann das meiste Licht durchlassen.
IPS- oder S-TFT: 60 bis 85 Grad Blickwinkel in jede Richtung
Durch die genau homogene Ausrichtung kommt es zu keinem Streulicht, was den großen seitlichen Blickwinkel ermöglicht. Der Nachteil der S-TFTs: an den Elektroden der Zellen, die das Spannungsfeld verursachen, wird das Feld gekrümmt. Die Kristalle liegen hier nicht ganz parallel zueinander und erzeugen etwas Streulicht. Dieses wird durch eine schwarze Maske für die inhomogenen Bereiche eliminiert. Allerdings machen diese Maske und die Tatsache, daß die Elektroden direkt im Lichtweg liegen eine starke Hintergrundbeleuchtung notwendig. Ein weiterer Nachteil der S-TFTs bleibt aber bestehen: sie sind etwas langsamer als TFTs, da der Aufbau des speziellen Spannungsfeldes länger dauert. Zukünftige Entwicklungen werden jedoch auch diese Eigenschaft weiter verbessern.
Schnelles MVA: jeder Subpixel wird nochmals unterteilt
Eine neuere Entwicklung heißt MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) und soll auch bei großen Blickwinkeln kontrastreich, hell und farbenfroh bleiben ohne deshalb an Geschwindigkeit einzubüßen. Wie bei der S-TFT-Technologie stehen die MVA-Flüssigkeitskristalle ohne Spannung senkrecht zu den Polfiltern und kippen bei steigender Spannung in eine parallele Lage. Bei MVA-Zellen wird allerdings weniger Aufwand bezüglich des Spannungsfeldes und einer Homogenisierung der Kristalle betrieben. Das heißt sie kippen nicht parallel zueinander, sondern in die verschiedensten Richtungen. Streulicht entsteht. Um diesen Effekt zu neutralisieren, ist jede Zelle in mehrere Bereiche - Domains - unterteilt. Diese Subdomains liegen schräg zueinander und zur Display-Oberfläche. Aus physikalischen Gründen drehen sich die Flüssigkeitskristalle der verschiedenen Subdomains unter Spannung immer gegeneinander. Dadurch heben sich die Streulichtfehler bei seitlichem Blick auf die in mehrere Subdomains unterteilte Pixel wieder auf. Farben und Kontrast sind auch bei großem Blickwinkel konstant. Es kommt zu keinem Helligkeitsverlust, wie bei IPS. MVAs sind wegen des "einfacheren" Feldes auch wesentlich schneller.
Zwei Nachteile haben aber auch diese Super-Zellen: sie sind noch teurer als TFT und S-TFT und können Schwarz nicht so gut darstellen, wie IPS-Zellen.
Trotz dieser Einschränkungen haben es die LCD-Displays im Laufe ihrer kurzen Entwicklungszeit weit gebracht. Moderne Modelle können ohne weiteres mit CRTs konkurrieren und übertreffen diese sogar bezüglich Helligkeit, Linearität, Bildschärfe und viele weitere Eigenschaften/Vorteile wie geringerer Energieverbrauch, bessere Ergonomie etc.
Grüße
Rolf
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