WIS / HWV Luzern

Wintersemester 1996 / 97

 Semesterarbeit Informationstechnologie

 Aktiv-Matrix Flachbildschirm

7. Januar 1997

(c) by Gerig Pascal und Bosshard Stefan

 

1. Geschichte und Zukunft des FlüssigkristallBildschirmes

Neben den herkömmlichen und klassischen Bildschirmröhren, die allgemein viel Platz in Anspruch nehmen und sich nicht beliebig vergrössern lassen, da die Geräte sonst zu tief und zu schwer werden, wurde eine Alternative gesucht und entwickelt, die auch für tragbare Laptops bzw. Notebooks eingesetzt werden kann. Die einzige Lösung war somit ein "Flachbildschirm", der folgende Merkmale aufweist: gute Qualität, leicht, geringer Energieverbrauch und "robust" .

 

Die erste Alternative war die Entwicklung eines Flüssigkristall Displays LCD (Liquid Cristal Display), d.h. es entstand das Passivmatrix-Verfahren. Um 1980 kam die Idee auf, die Pixel über jeweils einen eigenen Transistor anzusteuern, damit sich Reaktionsgeschwindigkeit und Kontrast erhöhen. Die daraus entstandenen Aktivmatrixdisplays, den sogenannten TFT Flachbildschirmen, wurden zum "Verkaufsschlager".

 

Bis zum Jahr 2000 erwartet man, dass Aktivmatrixbildschirme auf dem Computer- und Fernsehmarkt, die Kathodenstrahl-Bildschirme überflügeln werden. Im Moment sind die relativ hohen Herstellerkosten noch ein Hemmnis, vor allem weil die Ausschussrate recht hoch ist. Angesichts des äusserst umsatzträchtigen Marktes arbeiten jedoch viele Firmen an verbesserten Herstellungsverfahren, wodurch die Preise in Zukunft weiter sinken dürften.

 

 

In der Forschung wird an einer ganzen Reihe neuer Techniken für Flüssigkristall-Flachbildschirme gearbeitet. Dazu gehören:

 

• ferroelektrische Flüssigkristalle (FLC), deren Zellen nicht aufgefrischt werden müssen und die einen besseren Betrachtungswinkel als die herkömmlichen LCDs bieten, weil die FLC-Moleküle immer parallel zum Bildschirm liegen

• polymerdispersierte Flüssigkristalle (PDLC), die nicht zwischen zerbrechlichen, schweren Glasplatten, sonder in einem flexiblen Trägermaterial (Polymer) enthalten sind

Seit wenigen Monaten sind auf Fachmessen auch schon andere Techniken, neben den herkömmlichen Flüssigkristallbildschirmen zu sehen. Nämlich die Plasmatechnologie, mittels einem Verfahren der Gasentladung, das noch bessere Qualität verspricht.

 

Wir denken, dass sich diese interessante Entwicklung im Bereiche der Arbeitsplatzergonomie auszahlen wird - man denke nur an den Gesundheitsaspekt unserer Augensehkraft, die heutzutage noch immer durch das "Flimmern" belastet wird!

 

 

 2. Aktivmatrix bzw. TFT Technologie

 

 

Allgemeine Beschreibung:

  

Ein Flüssigkristallbildschirm (englisch: liquid cristal display; LCD) verwendet zur Anzeige in Glasflächen eingeschlossene organische Substanzen, sogenannte Flüssigkristalle, deren molekulare Eigenschaften denen fester Kristalle ähneln. Beim Anlegen einer Spannung richten sich die Flüssigkristalle in Richtung des elektrischen Feldes aus und bekommen dadurch andere optische Eigenschaften (Wechsel zwischen Lichtdurchlässigkeit und Lichtundurchlässigkeit, wodurch ein angesteuerter Bildpunkt dem Betrachter hell oder dunkel/farbig erscheint).

 

Es wird unterschieden zwischen Passiv- und Aktiv-Matrix-Technologie.

Das Passivverfahren ist im grundegenommen die erste und somit auch ältere Technologie. Statt Licht auszustrahlen, reflektieren passive LCD-Bildschirme (engl.: passive-matrix display) dieses. Aus diesem Grunde verfügen diese aber auch nur über eine geringe Leuchtstärke und Bildauffrischungsrate. Weil die angelegte Schwellenspannung zur Ausrichtung der Flüssigkristalle nicht sehr hoch ist, kann der einzelne Bildpunkt nicht so exakt wie beim Kathodenstrahlbildschirm angesteuert werden. Dadurch können sich bei Verwendung einer Maus negative Effekte (Schmieren und Verschwinden des Cursors) ergeben.

 

Bei aktiven LCD-Bildschirmen (Aktiv-Matrix-Bildschirm; engl. active-matrix display) werden die einzelnen Bildpunkte über Dünnfilmtransistoren individuell aktiviert und deaktiviert. Sie heissen deshalb auch TFT-Bildschirme (von engl.: thin film transistor). Durch eine besonders hohe Beweglichkeit der Kristalle und die präzise Ansteuerung werden die Reaktionszeiten verkürzt und Schattenbildeffekte vermieden. Die erhöhte Bildwiederholrate macht den Gebrauch einer Maus unproblematisch. Bei Farbschirmen stellen drei übereinanderliegende Schichten die Grundfarben (Rot, Grün, Blau) dar. Für jede Farbzelle steht ein eigener Transistor zur Verfügung.

  

 

Technische Erklärung

 Bild fehlt leider..

 

Legende technische Erklärung

 

Die Hintergrundbeleuchtung, spezifischer das von einer fluoreszierenden Platte ausgesandte Licht, tritt in alle Richtungen schwingend aus (unpolarisiert) .

 

Ein Polarisationsfilter vor der Lichtplatte lässt nur die Lichtwellen durch, die mehr oder weniger horizontal schwingen.

 

Ein farbiger Bildpunkt entsteht durch Mischung von rotem, grünen und blauem Licht (Grundfarben). Jeder Bildpunkt bzw. die drei Grundfarben werden durch einen Dünnfilmtransistor einzeln gesteuert, d.h. Spannung angelegt oder nicht (on/off - Zustand, siehe Punkt 4.). Diese Dünnfilmtransistoren (Vielzahl einzelner Transistoren, die in einem hauchdünnen "Film" angeordnet sind), die auf einem transparenten Glassubstrat liegen, werden durch das von der Grafikkarte gelieferte Videosignal angesteuert.

 

 

Das Flüssigkristallmaterial bzw. deren Zellen bestehen aus stabförmigen ungeordneten Molekülen (off-Zustand), die durch Anlegen einer Spannung eine Spirale bilden (on-Zustand). Bei der höchsten Spannung sind die Moleküle am Zeilenende um 90 Grad gegenüber dem Zeilenanfang verdreht.

 

Zellen mit geringerer Spannung drehen das Licht um den Winkel zwischen 0 und 90 Grad, abhängig von der Spannungshöhe (4 a). Licht, das auf Spannungslose Zellen trifft, bleibt unverändert (4 b).

 

 

Flüssigkristallzellen durchdringendes Licht wird durch einen von drei Farbfiltern (für Rot, Grün und Blau) geleitet.

 

Die farbigen Lichtstrahlen werden durch einen zweiten Polarisationsfilter geleitet, der so ausgerichtet ist, dass nur Lichtwellen hindurchgehen, die mehr oder weniger vertikal schwingen. Das Licht, das durch eine vollständig unter Spannung stehende Flüssigkristallzelle geleitet wurde (90 Grad gedreht), ist jetzt so ausgerichtet, dass es verlustlos den zweiten Filter passieren kann (6 a). Das nicht gedrehte Licht kann diesen Filter nicht passieren (6 b)!

 

Beim hier gezeigten Beispiel werden vom roten Strahl (7 a) 100 Prozent und vom grünen (7 b) 50 Prozent emittiert. Der blaue Strahl (7 c) wird ganz blockiert. Das Resultat sieht für das menschliche Auge wie ein einzelner hellbrauner Punkt aus.

 

3. Vergleich

 

 

Vergleich TFT-Bildschirme gegenüber Kathodenstrahlbildröhren

 

Vorteile:

brauchen weniger Strom

geringe Wärmeemission

geringere Abmessungen

geringes Gewicht

sehr flacher Bildschirm

stossunempfindlich

Strahlenemissionen (Magnetfelder und Röntgenstrahlen) nicht vorhanden

unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen

gleiche Qualität jedoch ohne Flimmern und Verzerrungen

 

Nachteile:

Betrachtung aus seitlichem Winkel nur mit starken Einschränkungen möglich

 

Vergleich Aktiv gegenüber Passiv-Matrix

 

Vorteile:

durch die besonders hohe Beweglichkeit der Kristalle und die präzise

Ansteuerung werden die Reaktionszeiten verkürzt und

Schattenbildeffekte vermieden

Leistungsstärker

besserer Kontrast und Farbauflösung

externe Lichtverhältnisse haben weniger Einfluss auf die Bilderkennbarkeit

für grafische Anwendungen leistungsstärker

 

Nachteile:

teurer

höherer Stromverbrauch

 

4. Einsatzmöglichkeiten

 

Passivmatrix-Bildschirme sind aufgrund ihrer Einfachheit und ihres geringen Stromverbrauchs bei preisgünstigen, tragbaren Rechnern weit verbreitet. Ausserdem bei elektronischen Terminplanern, 3 D-Brillen, Uhren, Taschenrechnern etc.

 

 

Aktivmatrix-Bildschirme werden vorwiegend bei hochwertigen Laptops und Notebooks eingesetzt. Ausserdem bei Overhead Projektoren und immer mehr auch als Desktop Monitore. Zudem ist es relativ einfach, diese Displays berührungsempfindlich zu machen, sodass sie auf Fingerdruck reagieren oder mit einem Stift geschriebene Eingaben entgegennehmen können.

 

  

5. Herstellungsfakten und -zahlen

 

Beschreibung des Rohstoffs Flüssigkristall: organische Substanzen (die vor etwa hundert

Jahren entdeckt wurden) aus langgestreckten Molekülen; sie stellen Flüssigkeiten mit kristallinen Strukturen dar und besitzen durch elektrische Spannung veränderbare optische Eigenschaften.

 

Japanische Produzenten beherrschen den Markt der Flachdisplay-Herstellung, werden jedoch durch den Markteintritt koreanischer Hersteller nun konkurrenziert. Ausserdem fördert die US-Regierung dahingehende Bestrebungen der heimischen Industrie, um den japanischen Vorsprung einzuholen.

 

Wird nur einer von fast einer Million Bildpunkten falsch geschaltet oder bei der Fertigung zerstört, ist der Bildschirm nicht mehr brauchbar.

PIXELVISION als Beispiel produziert monatlich 100 16-Zoll Aktiv-Matrixbildschirme - bei 90 Prozent Ausschuss. Ab 21-Zoll geht die Fertigungsausbeute sogar noch extremer zurück!

 

Sharp als einer der weltweit führenden Hersteller produziert mehr als 150'000 Panels pro Monat!

 

Der Anteil der Bildschirmkosten an den Gesamtkosten von Notebook-PCs liegt bei etwa 30 Prozent.

 

 

 

 

6. Spezifikation

 

 

 

Entwicklungsvergleich von serienmässigen TFT-Farbbildschirmen in Notebooks:

 

 

 

 

 

 

TFT-Prototypen reichen sogar bis zu einer Grösse von 28-Zoll.

 

 

7. Marktübersicht

  

1995 verfügten rund 80 Prozent der ausgelieferten Notebook-PCs über einen Farbschirm (1992 nur ein Drittel), jeweils knapp die Hälfte davon in aktiver und passiver LCD-Technik.

 

 

 

 

 

Bei Flachbildschirmen haben Flüssigkristallanzeigen einen Marktanteil von 85 Prozent.

 

Weltweit dürften rund 5 Mio. Aktiv-Matrixbildschirme abgesetzt worden sein.

 

 

 

8. Literaturquellen

 

Brockhaus: Der Brockhaus; Leipzig / Mannheim, 6. Auflage, 1994

Datalux International Ltd, West Sussex

Fachzeitschrift: Elektronik 3/1996, 6/1996, 15/1996, 23/1996

Fischer P.: Computer Lexikon; Kilchberg, 1. Auflage, 1997

Hansen: Wirtschaftsinformatik I; Stuttgart / Jena, 7. Auflage, 1996

Möschwitzer A.: Computertechnik Lexikon

Nührmann D.: Das grosse Werkbuch Elektronik

Sautter D. und Weinerth H.: Lexikon Elektronik und Mikroelektronik

tewi-Verlag: Computer-Einsichten

http://www.br-online.de/wissenschaft/wimfs/tm0495.html

http://www.edv.agrar.tu-muenchen.de/dvs/edvgw/e03_63.htm

http://www.interest.de/pclexikon/30202.html

http://www.nec.com/cgi-bin/showdoc.exe?type=press&docid=960806

Diverse Computerzeitschriften