Ein Flüssigkristallbildschirm (LCD, Liquid Crystal Display) ist ein Bildschirm, bei dem spezielle Flüssigkristalle genutzt werden, die die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen können. Flüssigkristallbildschirme stellen die zurzeit dominante Flachbildschirm-Technologie dar, auch wenn andere Techniken teils große Vorteile aufweisen.
Anzeigetypen
Die einfache Flüssigkristall-Zelle
Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch Eigenschaften von Festkörpern aufweisen.
Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement besteht aus der "Schadt-Helfrich-Zelle": Die Innenseiten zweier Glasplatten sind mit einer transparenten Elekrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Die Moleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche.
Außerdem sind die äußeren beiden Platten mit um 90 Grad zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet.
Auf der Rückseite befindet sich ein Spiegel, der das einfallende Licht zurückwirft.
(Je nach Einsatzgebiet kann das Display anstelle des Spiegels eine weiße Hintergrundbeleuchtung haben)
Daraus ergibt sich, dass die Flüssigkristalle schraubenförmig angeordnet sind, bei einer um 90 Grad gedrehten Schraube (auch Verdrillwinkel von 90 Grad genannt) spricht man von TN = Twisted Nematic (engl.: twisted = verdreht).
Einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in die Flüssigkeit polarisiert. Durch die Verdrillung der Molekülflächen folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Licht den gegenübergesetzten Filter passieren kann und die Zelle hell erscheint. Im Ruhezustand ist das Display durchsichtig, diese Anordnung wird auch Normally-White-Mode genannt.
Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden an, so tritt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes eine Drehung der Moleküle ein, sodass sie sich senkrecht zu den Elektrodenoberflächen ausrichten. Die Verdrillung ist damit aufgehoben, die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr geändert und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren.
Die Funktion ist auch umkehrbar: ordnet man die Polarisationsfilter parallel an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und mit Spannung hell. Man spricht vom Normally-Black-Mode, welcher wegen schlechteren Kontrasts selten verwendet wird.
Die Schadt-Helfrich-Zelle ist ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Display kann theoretisch aus beliebig vielen solcher Zellen bestehen. Beim Taschenrechner stellt eine 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem TFT-Monitor stellen drei Zellen zusammen gerade mal einen Pixel dar.
Weiterentwicklungen
Bei STN-Displays (Super-Twisted-Nematic) wird der Verdrillwinkel der Moleküle auf 180-270° erhöht. Dadurch kann ein höherer Kontrast als bei herkömmlichen TN-Displays erreicht werden.
Bei TFT-Anzeigen können Aktiv-Matrix-Displays und Passiv-Matrix-Displays unterschieden werden. Die älteren Passiv-Matrix-Displays werden lediglich mit den beiden oben erwähnten Elektroden angesteuert, das heißt es findet keine elektrische Ladungsspeicherung statt. Daher kehren die Moleküle des Flüssigkristalls mit der Zeit wieder in ihren Ursprungszustand zurück, und die TN-Zelle muss in regelmäßigen Zeitabständen erneut angesteuert werden. Bei Displays mit einer hohen Anzahl von Zellen erfolgt deshalb eine elektrische Ladungsspeicherung über einen zusätzlichen Kondensator in jeder Zelle. Zur direkten Ansteuerung eines jeden Kondensators existiert daher in jeder Zelle ein Transistor (ein so genannter Thin-Film-Transistor TFT), der die angelegte Spannung auf den gerade angesprochenen Kondensator durchschaltet. Da bei dieser Anordnung jede Zelle des Displays ein aktives Bauelement enthält, werden diese Displays als Aktiv-Matrix-Displays bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe des Kondensators größere Ladungen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können, steigt die mittlere Leuchtdichte einer Zelle und damit der Kontrast des Displays.
Bei der IPS-(In Plane Switching-)Technologie befinden sich die Elektroden nebeneinander, in einer Ebene, parallel zur Displayoberfläche. Bei angelegter Spannung drehen sich die Moleküle in der Bildschirmebene, die für TN-Displays typische Schraubenform entfällt. IPS verbessert die so genannte Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes.
Vor- und Nachteile
Die Vorteile der LCDs sind: geringer Stromverbrauch, Strahlungsfreiheit, absolut flimmerfreies, verzerrungsfreies, scharfes Bild, geringes Gewicht sowie geringe Einbautiefe.
Ein großer Nachteil waren lange Zeit (bis zur Entwicklung des TFT) ein schwacher Kontrast und lange Schaltzeiten. Ein weiteres Problem war der geringe Betrachtungswinkel; neuere Techniken wie IPS schafften hier Abhilfe. Außerdem muss bei der Herstellung die Bildauflösung festgelegt werden, die Verwendung einer anderen Auflösung kann zu Qualitätsverlusten führen. Ein TFT-Bildschirm liefert im Vergleich zu einem CRT-Bildschirm ein viel schärferes Bild - allerdings nur in seiner nativen Auflösung, während geringere Auflösungen, die interpoliert werden müssen, entsprechend verschwommener dargestellt werden. Darüber hinaus ist die Herstellung relativ teuer.
Einsatzmöglichkeiten
In einfachen Digitaluhren und Taschenrechnern werden LCDs schon länger verwendet, Bereiche, die wenig Platz und Strom kosten sollen. Verbreitung fanden sie über weitere tragbare Geräte wie etwa Mobiltelefone, Notebooks und ähnlichem.
Typische Auflösungen bei Computer-Flachbildschirmen sind 1024x768 (XGA = eXtended Graphics Array, 15"), 1280x1024 (SXGA = Super XGA, 17" oder 19"), 1400x1050 (SXGA+ = SXGA Plus, bei manchen Notebooks) oder 1600x1200 Pixel (UXGA = Ultra XGA, 21").
In Zukunft werden die LC-Displays auch nach und nach die Kathodenstrahlröhre in dessen Stammgebieten, PC-Monitor und Fernseher, verdrängen. Für PCs wurden 2003 bereits mehr LCDs als herkömmliche Röhrenmonitore (CRTs) verkauft. [1]
Alternativen
Plasmabildschirme stellen eine weitere Möglichkeit dar, Flachbildschirme zu realisieren. Auch wenn sie äußerlich TFT-Monitoren gleichen, ist ihre Funktion - Zünden von Edelgasen fürs Aufleuchten - eine andere.
Für große Displays stellen sie wegen ihrer Leuchtkraft eine Alternative dar. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs und schlechter Einsatzfähigkeit für kleine Displays sind sie im mobilen Bereich keine Konkurrenz.
OLEDs (Organic Light Emitting Device (Organische, Licht emittierende Baugruppe)) sind eine der Zukunftstechniken, die früher oder später eventuell LCDs ablösen können. Es sind dünne Glasscheiben oder Plastikfolien, die mittels Ink-Jet Technik (Druckprinzip wie bei einem Tintenstrahlducker) mit organischen Vebindungen (polymere Verbindungen) bedruckt werden und anschliessend versiegelt werden. Durch geeignete Treiber-Bausteine (Halbleiter, engl. Semiconductor)werden OLEDs zum Leuchten angeregt. Extrem dünn sind sie praktisch überall einsetzbar - noch einige Jahre Forschungszeit vorausgesetzt. Das grösste Problem der OLEDs sind die hohe Empfindlichkeit gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit, die das polymere Material durch chemische Reaktion zersetzen.