Wie funktioniert der LCD-Bildschirm?

Im heutigen digitalen Zeitalter sind TFT-LCD-Bildschirme allgegenwärtig und versorgen Geräte wie Smartphones, Laptops, Fernsehgeräte und digitale Beschilderungen.

Im heutigen digitalen Zeitalter sind TFT-LCD-Bildschirme allgegenwärtig und werden in Geräten wie Smartphones, Laptops, Fernsehern und Digital Signage eingesetzt. Dieser Blog soll ein umfassendes Verständnis für die Funktionsweise von TFT-LCD-Bildschirmen vermitteln, indem er ihren Aufbau, ihren Betrieb und die wichtigsten beteiligten Komponenten untersucht.

I. Aufbau von TFT-LCD-Bildschirmen

TFT-LCD-Bildschirme bestehen aus mehreren Schichten, die zusammenarbeiten, um lebendige und dynamische Bilder zu erzeugen. Zu diesen Schichten gehören:

● Substratschichten

Glassubstrate: Bei TFT-LCD-Bildschirmen werden in der Regel zwei Glassubstrate verwendet, die zusammen ein Display bilden. Diese Glassubstrate bieten mechanischen Halt und dienen als Grundlage für andere Schichten.

Transparente Elektroden: Auf die Glassubstrate werden dünne Schichten aus transparentem, leitfähigem Material, wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), aufgebracht. Diese Elektroden ermöglichen die Anwendung von elektrischen Feldern zur Steuerung der Flüssigkristalle.

● Aktive Matrixstruktur

Dünnschichttransistoren (TFTs): Auf einem der Glassubstrate wird eine Anordnung von Dünnfilmtransistoren aus Halbleitermaterialien wie amorphem Silizium (a-Si) oder Niedertemperatur-Polysilizium (LTPS) hergestellt. Jeder TFT fungiert als Schalter und steuert die an die einzelnen Pixel angelegte Spannung.

Farbfilter-Array: Auf dem TFT-Array befindet sich eine Farbfilterschicht. Sie besteht aus roten, grünen und blauen Farbfiltern, die in einem präzisen Muster angeordnet sind, das den Subpixeln der einzelnen Pixel entspricht.

Flüssigkristallschicht: Zwischen den Glassubstraten befindet sich eine Schicht aus Flüssigkristallen. Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die ihre Ausrichtung in Abhängigkeit von elektrischen Feldern ändern können. Sie wirken als Lichtmodulationsmedium und steuern die Lichtmenge, die durch das Display gelangt.

II. Funktionsweise eines TFT-LCD-Bildschirms

● Hintergrundbeleuchtung

Kaltkathoden-Leuchtstofflampe (CCFL): Herkömmliche TFT-LCD-Bildschirme verwenden CCFL-Röhren als Hintergrundbeleuchtung. Diese Röhren emittieren weißes Licht, das durch die Schichten dringt und die Grundbeleuchtung erzeugt.

Licht emittierende Dioden (LED): Mit dem technologischen Fortschritt sind LED-Hintergrundbeleuchtungen zur Norm geworden. LEDs bieten eine höhere Energieeffizienz, eine bessere Farbwiedergabe und dünnere Formfaktoren.

● Pixel-Steuerung

TFT-Transistoren und Spannungssteuerung: Jedes Pixel auf dem Display ist mit einem TFT-Transistor verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an den Transistor können die Flüssigkristallmoleküle im entsprechenden Pixel ausgerichtet oder verdreht werden, wodurch der Durchgang von Licht gesteuert wird.

Adressierung einzelner Pixel: Die TFT-Transistoren sind in einem Matrixmuster angeordnet. Durch selektive Aktivierung der Transistoren können elektrische Signale an bestimmte Pixel gesendet werden, was eine präzise Steuerung des Verhaltens der einzelnen Pixel ermöglicht.

● Farbwiedergabe

RGB-Farbmodell: TFT-LCD-Bildschirme verwenden das RGB-Farbmodell, bei dem jedes Pixel aus roten, grünen und blauen Subpixeln besteht. Durch Variation der Intensität jedes Subpixels kann eine breite Palette von Farben erzeugt werden.

Subpixel-Anordnung: Die Subpixel werden in einem bestimmten Muster, in der Regel RGB, horizontal oder vertikal angeordnet, um die gewünschte Farbwiedergabe und Pixeldichte zu erreichen.

III. Arbeitsprinzip von TFT-Transistoren

● Dünnschichttransistor (TFT)

TFTs aus amorphem Silizium (a-Si): Diese TFTs werden üblicherweise in TFT-LCD-Bildschirmen verwendet. Sie werden durch Aufbringen einer Schicht aus amorphem Silizium auf ein Glassubstrat hergestellt. A-Si-TFTs sind zwar kostengünstig, haben aber eine langsamere Reaktionszeit und eine geringere Elektronenbeweglichkeit.

Niedertemperatur-Polysilizium (LTPS) TFTs: LTPS-TFTs bieten im Vergleich zu a-Si-TFTs eine höhere Elektronenbeweglichkeit und schnellere Reaktionszeiten. Sie werden aus Polysilizium hergestellt, das bei niedrigen Temperaturen abgeschieden wird, was zu einer kristallineren Struktur führt.

● Aktive und passive Matrix

Aktiv-Matrix-TFT-LCDs: Bei Aktivmatrix-Displays wird für jedes Pixel ein eigener Transistor verwendet. Dies gewährleistet eine präzise Steuerung des Verhaltens jedes Pixels und ermöglicht schnellere Bildwiederholraten und eine bessere Bildqualität.

Passiv-Matrix-TFT-LCDs: Passiv-Matrix-Displays verwenden eine Matrix von Elektroden, um Zeilen und Spalten von Pixeln anzusteuern. Sie leiden jedoch unter langsameren Reaktionszeiten, begrenzter Auflösung und niedrigeren Kontrastverhältnissen.

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IV. Flüssigkristallschicht und Pixelbetrieb

● Flüssigkristall-Ausrichtung

Nematische Flüssigkristalle: Der am häufigsten in TFT-LCD-Bildschirmen verwendete Flüssigkristalltyp ist der nematische Flüssigkristall. Nematische Flüssigkristalle richten sich parallel zu dem angelegten elektrischen Feld aus, wenn eine Spannung anliegt.

Ausrichtungsschichten: Ausrichtungsschichten werden auf die Innenflächen der Glassubstrate aufgebracht, um die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu steuern. Diese Schichten gewährleisten eine einheitliche Ausrichtung und verhindern unerwünschte Effekte wie Geisterbilder oder Farbverschiebungen.

● Pixel-Zustände

Verdrillt nematisch (TN): Bei einem TN-Display verdrehen sich die Flüssigkristallmoleküle zwischen zwei Glassubstraten, um die Polarisation des Lichts, das sie durchläuft, zu steuern. Durch Variation der an den TFT-Transistor angelegten Spannung kann der Verdrehungswinkel der Flüssigkristallmoleküle eingestellt werden, was die Kontrolle über den Lichtdurchgang ermöglicht.

In-Plane Switching (IPS): IPS-Displays verwenden eine andere Technik zur Ausrichtung der Flüssigkristalle. In diesem Fall richten sich die Flüssigkristallmoleküle horizontal zwischen den Glassubstraten aus, wenn keine Spannung angelegt wird. Durch Anlegen einer Spannung richten sich die Moleküle vertikal aus und modulieren so die Lichtdurchlässigkeit.

Vertikale Ausrichtung (VA): VA-Displays haben Flüssigkristallmoleküle, die sich senkrecht zu den Glassubstraten ausrichten, wenn keine Spannung vorhanden ist. Das Anlegen einer Spannung bewirkt, dass sich die Moleküle horizontal ausrichten, wodurch der Lichtdurchgang gesteuert wird.

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V. Ansteuerung von Signalen und Adressierung von Pixeln

● Abtastmethoden

Zeilenweise Abtastung: Bei dieser Methode wird die Anzeige sequentiell, Zeile für Zeile, von oben nach unten abgetastet. Jede Pixelreihe wird nacheinander aktiviert, um ein vollständiges Bild zu erzeugen.

Zeitmultiplexverfahren (TDM): Bei TDM wird die Anzeige in mehrere Zeitschlitze aufgeteilt. Die Pixel werden zyklisch adressiert, wobei während jedes Zeitschlitzes schnell zwischen verschiedenen Zeilen oder Spalten gewechselt wird.

● Spannungssteuerung

Analoge Spannungssteuerung: Bei früheren TFT-LCD-Bildschirmen wurde die an die einzelnen Pixel angelegte Spannung mit Hilfe der analogen Spannungssteuerung eingestellt. Diese Methode ermöglichte sanfte Abstufungen von Helligkeit und Farbe.

Impulsbreitenmodulation (PWM): PWM ist eine weit verbreitete Technik, bei der die an die einzelnen Pixel angelegte Spannung schnell ein- und ausgeschaltet wird. Durch Anpassung des Tastverhältnisses kann die durchschnittliche Spannung am Pixel gesteuert werden, was zu unterschiedlichen Helligkeitsstufen führt.

VI. Schlussfolgerung

TFT-LCD-Bildschirme haben die Anzeigetechnologie revolutioniert und bringen lebendige Bilder und beeindruckende Erlebnisse in verschiedene Geräte, die wir täglich benutzen. Wenn wir den Aufbau, die Funktionsweise und die wichtigsten Komponenten von TFT-LCD-Bildschirmen verstehen, erhalten wir einen Einblick in ihre bemerkenswerten Fähigkeiten und können das technische Wunderwerk hinter diesen Bildschirmen würdigen. Im Zuge des technischen Fortschritts werden TFT-LCD-Bildschirme zweifelsohne eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der visuellen Kommunikation spielen.