Flachbildschirme

Anfang 1999 war es endlich so weit. Die zweite Generation von Flachbildschirmen (TFTs) hat in den Geschäften der Computerhändler Einzug gefunden. Im Gegensatz zur ersten Generation brauchen sie sich nicht mehr vor den Röhrenmonitoren (CRTs) zu verstecken. Im Gegensatz, Schärfe und Brillanz der TFTs sind den herkömmlichen Displays haushoch überlegen. Ein einziger Schwachpunkt bleibt jedoch bestehen, es ist der des eingeschränkten Blickwinkels von Flachbildschirmen. Aber auch auf diesem Gebiet haben die meisten Hersteller bedeutende Erfolge zu verzeichnen, indem sie verbesserte Panels verbauen, deren Abstrahlcharakteristik fast schon der von Standardmonitoren entspricht. Ein weiteres Argument für die TFTs ist ihr verringerte Platzbedarf und ihr minimaler Stromverbrauch.

Ergonomie und Diagonale

Aus ergonomischen Gesichtspunkten bieten TFTs viele Vorteile: Zum einen emittieren sie weitaus weniger elektromagnetische Strahlung als Röhrenmonitore. Andererseits sind die praktisch flimmerfrei - ein entscheidendes Kriterium für ermüdungsfreies Arbeiten.

Verwirrung tritt allerdings aufgrund der Größenangaben für die Diagonale auf. Bei Flachbildschirmen entspricht der sichtbare Bereich uneingeschränkt der Fläche des Panels. Auf einem 15-Zoll TFT stehen somit tatsächlich 38,1 Zentimeter für das Bild zur Verfügung.

Im Gegensatz dazu wird der äußere Rand bei CRTs vom Gehäuse verdeckt. Auf einem 17-Zöller sind daher im Durchschnitt etwas mehr als 40 Zentimeter (15,9 Zoll) für das Bild nutzbar.

15-Zoll-TFTs lassen sich aus diesen Gründen am ehesten mit 17-Zoll-Röhrenmonitoren vergleichen. Zudem liegt bei beiden die typische Auflösung bei 1024 x 768 Bildpunkten.

TFT-Technologie

Abb.1.: Durch den linken Polarisationsfilter dringt Licht durch. Dieses passiert auch die linke Alignment-Schichte. Zwischen den Alignment-Schichten (innere Schichten) ist keine Spannung angelegt, was bedeutet, das sich die Moleküle nicht drehen. Es folgt daraus, dass das Licht den rechten Polarisationsfilter nicht passieren kann.

TFT-Bildschirme gehören zur Kategorie der Flüssigkristall-Displays (LCDs). Im Gegensatz zu Plasma-Displays, deren Zellen das Licht aussenden, kommt bei der TFT-Technologie eine Hintergrundbeleuchtung (Backlight) zum Einsatz, die in der Regel aus Leuchtstoffröhren besteht

Vor der Hintergrundbeleuchtung befindet sich ein Polarisationsfilter, der nur gerichtetes Licht durchlässt. Davor ist wiederum eine Lage aus Flüssigkristallzellen installiert, die gemeinsam mit einem zweiten Filter auf das gerichtete Licht wie eine Blende wirkt.

Abb.2.: In diesem Falle dringt das Licht wiederum durch den ersten Polarisationsfilter. Im Gegensatz zu Abb.1. wird hier aber eine Spannung zwischen den Alignment-Layern angelegt. Dies führt dazu, dass die Moleküle im elektrischen Feld ausgerichtet werden, sie drehen sich. Der Lichtstrahl wird entlang der LCD-Moleküle weitergeleitet, was dazu führt, dass das Licht den rechten Polarisationsfilter passieren kann.

Das Licht wird entlang von LCD-Molekülen weitergeleitet. Liegt an der sogenannten Alignment-Schichte keine Spannung an, so wird das Licht zwischen den beiden Polarisationsfiltern absorbiert (Abb.1. Blendeneffekt). Liefert hingegen der Dünnfilm-Transistor eine Spannung, so richten sich die Kristalle bzw. Moleküle aus. Aus dem Hintergrund dringt dann Licht durch die Zelle, abhängig vom Grad der Drehung (Abb.2.). Bei einer Drehung von 90° leuchtet die Zelle mit voller Intensität.

Daraus folgt: Je nachdem, ob Spannung an den Kristall angelegt wird oder nicht, gelangt das Licht der Hintergrundbeleuchtung durch die Blende hindurch. Auf diese Art werden einzelne Bildpunkte (auch Pixel, Zelle oder Transistor) eines LCD-Bildschirmes sozusagen EIN und AUS geschaltet.

Jede einzelne Zelle besitzt zusätzlich einen Farbfilter. Zum Einsatz kommen dafür die Farben Rot, Grün und Blau. Ohne Farbfilter wäre hingegen nur eine Schwarzweiß-Darstellung möglich.

unterschiedliche Blickwinkel: Bei TFT muss das Licht erst Polarisationsfilter passieren. Das dadurch gebündelte Licht kann sich nicht nach allen Seiten hin ausbreiten. Im Vergleich zu einem Röhrenmonitor führt dies zu einem eingeschränkten Blickwinkel. Dieser betrug bei Paneln der ersten Generation horizontal nur 70° bis 90° und vertikal nur 35° bis 45°. Die verbesserten Flachbildschirme der zweiten Generation schaffen nun horizontal schon 110° bis 160° und vertikal schon 90° bis 160°.

verschiedene Fertigungsverfahren

Alle Panel-Hersteller beherrschen das Fertigungsverfahren "Twisted Nematic and Retardiation Film", kurz TN+Film, welches zu den Aktivmatrix-Verfahren zählt. Im Vergleich zu dem von Sharp entwickelten Standardverfahren ist der aufgebrachte Film der einzige unterschied. Dieser erhöht den horizontalen Blickwinkel auf circa 140 Grad. Durch die günstigen Herstellungskosten und die hohe Ausbeute hat diese Fertigungstechnologie auf den höchsten Marktanteil von 60 Prozent gebracht. Neben diesem heute Standardverfahren zu Herstellung von Activematrix-Displays gibt es auch noch die Vertreter der Passivmatrix-Panele und zwei weitere unterschiedliche Aktivmatrix-Verfahren.

Passivmatrix: Bei einer Passivmatrix (Super Twisted Nematic, STN) wird das Flüssigkristall durch eine zweidimensionale Leitungsmatrix angesteuert. Dort wo sich horizontale und vertikale Leitungen kreuzen, kann durch anlegen der Spannung der Kristall ausgerichtet und so das Pixel 'erzeugt' werden. Die Steuerung einer Passivmatrix ist dabei recht träge. Auch die elektrischen Spannungsunterschiede, mit denen das elektrische Feld punktuell zur Bewegung des Flüssigkristalles erzeugt und variiert wird, sind nur gering. Deshalb sind schnelle Bildwechsel, Cursorbewegungen und andere Bildänderungen, z.B. scrollen von Text, mit Schattenbildern versehen. Auch der Kontrast und die maximale Farbtiefe sind sehr stark eingeschränkt. Bei dem jüngsten Stand der Passivmatrix-Technik (Double Super Twisted Nematic, DSTN) wurden durch eine zweifache, trickreiche Ansteuerung diese Effekte gemildert, aber längst nicht beseitigt.

Aktivmatrix: An die Qualität eines Aktivmatrix-LCDs reicht das Passivmatrix-LCD also auch nach den jüngsten Entwicklungen noch nicht heran. Beim Aktivmatrix-Verfahren stehen Dünnfilmtransistoren (Thin-Film-Transistors, TFT) hinter jedem Bildpunkt. Die Transistoren können sehr schnell adressiert und hoch getaktet werden. Hohe Farbtiefen und rasche Bildwechsel sind deshalb kein Problem. Außerdem sind die Transistoren in der Lage, die Spannung, die an den Kristall angelegt wird, zu verstärken. Auch diese Eigenschaft ist sehr günstig für schnelle Bildwechsel, hohe Farbtiefen und Kontrast. Jedoch sind die Produktionskosten für Aktivmatrix-LCDs deutlich höher als die von Passivmartix-LCDs. Das ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß die Produktionsausbeute durch defekte Transistoren geschmälert wird. In den letzten Jahren ist die Technologie und Produktion allerdings immer weiter verbessert worden.

IPS (In Plane Switching): NEC und Hitachi bieten neben den TN+Film-Displays sogenannte IPS-Bildschirme an. Der Blickwinkel kann dann bis zu 170 Grad betragen und ist fast so hoch wie bei herkömmlichen Röhrenmonitoren. Jedoch ist die Reaktionszeit bei IPS länger als bei Standard-TFTs.

IPS Funktionsweise: Die beiden Polarisationsfilter sind in gleicher Durchlaßrichtung angebracht. Die waagrecht liegenden Flüssigkristall-Moleküle blockieren im Ruhezustand durch ihre Ausrichtung die Hintergrundbeleuchtung. Wird eine Spannung angelegt, rotieren die Moleküle horizontal um 90° und lassen somit das Backlight durch.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment): Fujitsu ist der einzige Hersteller, der einige Modell nach dem MVA Verfahren produziert. Der Blickwinkel ist bei MVA-Verfahren beinahe so gut wie bei ISP-Displays. Im Ruhezustand (Schwarz) stehen die Moleküle senkrecht zur Glasplatte. Wird an die Elektroden eine Spannung angelegt, gehen diese in eine horizontale Stellung über. Um alle Graustufen korrekt anzuzeigen ist eine Pixelzelle in mehrere Bereiche aufgeteilt (deshalb auch der Name Multi-Domain). Die Moleküle können über die Domains genau gesteuert werden.

Blickwinkel nach Fertigungsverfahren

TFT Display im Zusammenspiel mit dem Grafikchip

Eine weitere Unterscheidung der Flachbildschirme kann man durch die Signalübertragung treffen. Bei den einen handelt es sich um analoge Vertreter, bei den anderen um digitale. Vor allem die Funktionsweise eines analogen TFT-Displays ist eigentlich absurd. Der Grafikchip im PC, der von der Existenz des TFTs nichts weiß, konvertiert die digitalen Bildinformationen in analoge Signale, da ein Röhrenmonitor darauf ausgelegt ist. Flachbildschirme hingegen steuern intern das Panel digital pixelorientiert an und müssen die analogen Signale erst wieder redigitalisieren. Das macht das analoge Display zwar kompatibel zu normalen Grafikkarten, führt aber zu einem Verlust an Bildqualität.

Eine Alternative sind TFT Displays mit digitaler Datenübertragung, die zusammen mit speziellen Grafikkarten erhältlich sind. Dabei muß jedoch auch erkannt werden, dass normale Protokolle zur Datenübertragung nicht mehr ausreichen. Deshalb wurden zwei nicht kompatible Lösungen entwickelt.

LVDS-Protokoll (Low Voltage Differential Signaling): Hersteller wie Silicon Graphics und Number Nine setzten auf das LVDS-Protokoll, welches im sogenannten Open-LDI-Standard festgelegt ist. Da die Monitore immer höhere Auflösungen und Farben darstellen müssen auch mehr Signale vom Computer an den Monitor geliefert werden. Dazu müßten bei gleichbleibender Technik dickere Kabel verwendet werden, da die Bandbreite erhöht werden müßte. Als Lösung wurde eben LVDS entwickelt, welches es erlaubt RGB Signale zu multiplexen und daher weniger Leiter in einem Kabel bei gleicher Menge an Signalen zu verwenden. Weiters kann man mit dem LVDS-Protokoll eine Kabellänge von bis zu 10 Metern verwenden.

DFP-Lösung (Panellink): Der Grafikkartenhersteller ATI hat mit der Gründung der Digital Flat Panel Group Fakten geschaffen. Mittlerweile wird dieser Quasi-Standard selbst von der VESA akzeptiert. Die Vorteile sind, dass alle verwendeten Schnittstellen und Buchsen bereits billig am Markt erhältlich sind. Einzige Mankos sind die maximale Kabellänge von nur drei Metern und die auf 1280 x 1024 Pixel begrenzte Auflösung. Displays ab 17 Zoll lassen sich damit nicht optimal ansteuern.

Quellen:   PC Professionell 2/99, Seite 120 ff.

Eizo Online, www.eizo.de