Wie funktioniert ein LCD-Display?

LCD Display

Wenn wir ein Tablet oder einen Laptop benutzen, schauen wir in der Regel auf ein LCD-Display. Aber auch in anderen Alltagsgegenständen wie e-Zigaretten wird immer häufiger ein Display verbaut. In der Regel ist uns nicht bewusst, dass hinter dem Bild, das auf dem Bildschirm angezeigt wird, eine interessante Technologie steckt. Bei der Erörterung dieses Themas ist es unmöglich, nicht in die Vergangenheit zurückzugehen, genauer gesagt ins Jahr 1888, als Friedrich Reintzner, ein österreichischer Chemiker und Botaniker, bei seinen biologischen Forschungen das entdeckte, was Sie jetzt sehen – Flüssigkristalle. Es folgten weitere Forschungen, bei denen entdeckt wurde, dass sich ihre optischen Eigenschaften steuern lassen. Im Jahr 1936 wurde ihre praktische Anwendung patentiert, 1964 entstand der erste Flüssigkristallbildschirm und 4 Jahre später entwickelte George Heilmeier den ersten LCD-Bildschirm mit dynamischer Streuung. Ein Jahr später entdeckte James Fergason den TN-Effekt (twisted neumatic).

Der nächste große Schritt auf dem Weg zum perfekten Bild war die 1972 patentierte TFT-Technologie, die zunächst eher sporadisch eingesetzt wurde – 1982 fand ein solcher Bildschirm seinen Weg in einen Taschenfernseher und 1986 in einen Projektor. In einem Computer-Monitor, oder genauer gesagt in einem 10-Zoll-Laptop, erschien er erst 1989 und kostete, bagatelle, 2.000 Dollar. Die nächsten Bildschirmgenerationen waren IPS, das 1994 erschien, MVA (1996) und PVA (1998).

Wie funktioniert ein LCD-Display?

Die heute weit verbreiteten LCDs (Flüssigkristallbildschirme) zeigen ein Bild an, das aus Millionen einzelner Zellen besteht, was sich in der Auflösung niederschlägt. Sie beruhen alle auf mehreren Phänomenen: der Polarisation des Lichts, die 1808 von E. Malus entdeckt wurde, und der Tatsache, dass Flüssigkristalle die Polarisation von zuvor polarisiertem Licht übertragen und verändern können, dass sich die Struktur eines solchen Kristalls verändert, wenn eine Spannung angelegt wird, und dass es transparente Stoffe gibt, die Elektrizität leiten. Kurz gesagt, die Idee hinter LCDs besteht darin, die Änderung der Polarisation des Lichts aufgrund von Änderungen der Ausrichtung des Flüssigkristalls unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes auszunutzen.

Das Funktionsprinzip aller LCD-Bildschirme ist sehr ähnlich, unabhängig von der genauen Technologie, mit der sie hergestellt werden. Sie basieren alle auf vier Grundelementen – einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem Analysator, Elektroden und Zellen mit darin eingebetteten Flüssigkristallen. Das Licht wird außerhalb der Hintergrundbeleuchtung erzeugt, da bei LCD-Matrizen die Flüssigkristalle nicht leuchten, anders als bei LED-, oLED- oder AMOLED-Bildschirmen, die Leuchtdioden verwenden.

Bei LCDs passiert das Licht zwei senkrecht zueinander stehende Polarisatoren und eine Schicht aus Flüssigkristallen. Diese Schicht kann den Lichtstrom blockieren oder seine Polarisation verändern. Schließlich wird das Licht durch Farbfilter geleitet, die ihm eine bestimmte Farbe verleihen.

Die Rolle der Flüssigkristalle

Das grundlegende Element, ohne das Sie diesen Text beispielsweise auf einem Computerbildschirm nicht lesen könnten, sind Flüssigkristalle. Dabei handelt es sich in der Regel um organische Stoffe, die sich in einem flüssigkristallinen Zustand befinden. Dieser Zustand bedeutet, dass die Substanz eine einzigartige Kombination der Eigenschaften von flüssigen und kristallinen Strukturen aufweist, d. h. Liquidität in Verbindung mit Ordnungsmäßigkeit. Dies impliziert eine Anisotropie bestimmter physikalischer Eigenschaften dieser Stoffe. Dazu gehören die dielektrischen und optischen Eigenschaften. Die Moleküle solcher Stoffe haben eine längliche Form. Ihre physikalischen Eigenschaften werden durch ihre Verteilung im Raum bestimmt. Unter den flüssigkristallinen Strukturen gibt es smektische, cholesterische und nematische Typen. Bei LCD-Bildschirmen wird letzteres in Form einer dünnen Schicht zwischen zwei Elektroden verwendet. Ihre Wechselwirkungen führen zur Bildung molekularer Strukturen, von denen zwei die wichtigsten sind: eine planare Struktur mit parallel zu den Elektroden angeordneten flüssigkristallinen Teilchen, wie sie in LCDs verwendet wird, und eine homöotrope Struktur.

Arten von LCD-Displays

LCD-Bildschirme können in zwei Gruppen unterteilt werden: passive und aktive. Die erstgenannten werden im Prinzip nicht mehr verwendet. Sie sind fast ausschließlich in Uhren und Taschenrechnern zu finden, aber vor nicht allzu langer Zeit wurden sie auch in Laptops verwendet. Aktive Matrizen, die aus Dünnschichttransistoren (TFT) aufgebaut sind, haben ihnen gegenüber den Vorteil, dass der Zustand aller Pixel nicht jedes Mal aufgefrischt werden muss, denn einmal gespeichert, bleibt der Zustand einer Zelle so lange erhalten, bis sich der zugehörige Kondensator entlädt. Mit solchen Matrizen lassen sich höhere Kontraste erzielen und größere Bildschirme bauen als mit passiven Konstruktionen.

Und an dieser Stelle kommen wir zum Kern des Themas, nämlich der IPS-Matrix. Die Matrizen lassen sich in mehrere Typen unterteilen – TN, MVA, PVA und IPS. Sie sind ähnlich, aber wie in solchen Fällen üblich, steckt der Teufel im Detail. Bei diesen Angaben handelt es sich um die Rotationsachsen der Flüssigkristalle, die in jedem der genannten Matrixtypen verwendet werden.

TN (Twisted Nematic) verwendet Kristalle, bei denen das Anlegen einer Spannung die bereits erwähnte Drehung der Teilchen in eine Position senkrecht zu den Elektrodenebenen bewirkt. MVA (Multidomain Vertical Alignment) basiert auf der Verdrehung der Partikel, die in nahezu jede Richtung ausgerichtet werden können. PVA (Patterned Vertical Alignment) basiert auf einem Prinzip, das dem der MVA sehr ähnlich ist, unterscheidet sich aber von der MVA durch den technologischen Prozess der Siebherstellung.

 
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