Ausarbeitung LC-Displays

Funktion von LCDs

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Funktion von LCDs

Allgemeines

LCDs (Liquid Crystal Display) sind wie der Name schon sagt, Flüssigkristallbilschirme. Sie erzeugen ihr Bild, indem sie, abhängig von der angelegten Spannung, die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen. Um das gewünschte Bild anzuzeigen ist es notwendig, dass jedes einzelne Segment des Bildschirms seine Helligkeit unabhängig von den anderen ändern kann. Dies ist bei LCDs der Fall. Für die Anzeige beliebiger Bilder sind die Segmente eines LCD's gleichmäßig in Pixel angeordnet. Ist jedoch klar, dass ein einfaches, klar bestimmtes Bild angezeigt werden soll (z.B. Anzeige eines Taschenrechners mit 7-Segment), sind die Segmente genau auf die gewünschte Form abgestimmt. Unterschieden wird zwischen Aktiv-Matrix Bildschirmen und Passiv-Matrix Bildschirmen.

Passiv- / Aktiv-Matrix-Displays

Matrix

Matrix, Urheber: Jonas Balko

Bei Passiv-Matrix-Displays wird jeder Bildpunkt (z.B. Pixel) direkt und permanent mit einer Ansteuerschaltung (siehe Bild) verbunden. Wegen des geringen Ausgangs-Widerstands dieser Schaltung baut sich die Ladung relativ schnell wieder ab und muss für die nächste Bildperiode wieder neu aufgebaut werden.

Da der Strom beim Ansteuern nicht hoch sein darf, kommt es zu einem geringen Kontrast. Denn ein hoher Strom führt dazu, dass benachbarte Flüssigkristalle ebenfalls angesteuert werden, was zu Fehlern in der Bildwiedergabe führt.

Um diesen Mangel zu beseitigen, wurden die Aktiv-Matrix-Displays erfunden. Hier ist jedem Bildpunkt noch ein Kondensator parallel geschaltet, der die Ladung bis zur nächsten Ansteuerung aufrecht erhält. Außerdem enthalten Aktiv-Matrizen Dünnschichttransistoren (TFT), die den Strom direkt am Pixel verstärken und somit den Kontrast erhöhen und eine genaue Ansteuerung der Punkte ermöglichen.

Anzeigetypen und grundlegende Funktion

Bei LCDs gibt es viele verschiedene Anzeigetypen:

Der Grund für die Vielfalt der Anzeigetypen ist der ständige Versuch den perfekten, fehlerfreien Display zu bauen. Dabei stehen vor allem im Vordergrund das Kontrastverhältnis (Verhältnis zwischen schwarz und weiß), die Reaktionszeit (Zeit, die ein Pixel benötigt, um seinen Zustand zu wechseln) und die Blickwinkelabhängigkeit (nicht das gleiche Bild sichtbar von allen Blickwinkeln wegen Lichtbrechung der Kristalle) der Displays zu verbessern.

Die grundlegenden Funktionen sind jedoch bei allen Varianten ähnlich.

Flüssigkristall

Flüssigkristall, Quelle: Wikipedia,
Urheber: Minutemen, Lizenz: GNU

LCDs enthalten organische Verbindungen, die Flüssigkristalle. Diese haben sowohl die Eigenschaften von Kristallen (Doppelbrechung) als auch die Eigenschaften von Flüssigkeiten (geringer Widerstand).

Die Flüssigkristallmoleküle befinden sich zwischen zwei Glasplatten und richten sich dort parallel zu einer vorgegebenen Richtung an. Diese vorgegebene Richtung kommt von den Glasplatten, deren Oberfläche so bearbeitet ist, dass die Vorzugsrichtungen um 90 (TN) zueinander gedreht sind und somit den Flüssigkristallen eine schraubenähnliche Form verleihen. Zudem sind die Glasplatten mit 90 zueinander gedrehten Polarisationsfiltern beschichtet.

Hinter dieser Anordnung befindet sich die Hintergrundbeleuchtung (weißes Licht, das möglichst gleichmäßig auf die Anordnung strahlt) und / oder ein Reflektor.

Vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht wird das eintretende unpolarisierte Licht linear polarisiert. Damit wird ihm eine feste Richtung vorgegeben. Durch die schraubenähnliche Form der Flüssigkristallmoleküle wird die Polarisationsrichtung des Lichts verdreht. Es kann somit den zweiten Polarisationsfilter passieren, wodurch die Zelle lichtdurchlässig wird. Das Display ist somit im Ruhezustand, d.h. ohne angelegte Spannung, durchsichtig. Deshalb nennt man diese Betriebsart Normally-White-Mode.

Wird eine elektrische Spannung angelegt, so richten sich die Moleküle des Flüssigkristalls am elektrischen Feld aus und verändern ihre Verdrillung. Somit wird auch die Polarisationsrichtung des Lichts verändert und es kann den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren (es wird absorbiert).

Bei parallel zueinander gerichteten Polarisationsfiltern sind die Zellen ohne Spannung nicht hell, sondern dunkel und werden erst mit angelegter Spannung transparent (Normally-Black-Mode).

DSTN

links: Urheber: Jonas Balko, rechts: Quelle: Wikipedia, Urheber: Heimoponnath, Lizenz: GNU

Um Farbbilder darzustellen, besteht ein Bildelement (Pixel) jeweils aus drei Teilbildelementen (Subpixel) für die Grundfarben Grün, Rot und Blau. Man verwendet hierbei die DSTN-Technik, bei der zwei STN-Schichten (Verdrillungswinkel von 180 bis 270, durch Dichroismus verändert) vorliegen.

Eine der beiden STN-Zellen ist aktiv (anliegende Spannungsquelle) und die andere passiv (ohne Spannungsquelle). Bei der aktiven Zelle wird der Flüssigkristall um 240 gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bei der passiven Zelle 240 mit dem Uhrzeigersinn. Die beiden Zellen sind 90 gegeneinander gedreht.

Der Dichroismus (je nach Richtung der Lichtwelle werden bestimmte Farben absorbiert) bewirkt eine Farbaufspaltung des Lichtes. Welche Farbe entsteht (Grün, Rot oder Blau), entscheidet sich durch die Polarisation und die Folienorientierung am Strahlenaustritt.

Liegt an der aktiven Zelle keine Spannung an, wird der Bildschirm an dieser Stelle schwarz. Bei voller Spannung wird der Bildschirm an dieser Stelle weiß. Durch genaues Justieren der Spannung werden die Farben dargestellt.