LCD-Monitor

LCD steht für Liquid Cristal Display, was übersetzt Flüssigkristallbildschirm heißt. Diese Art von Anzeige nutzen wir im alltäglichen Leben, ohne uns ihrer Anwesenheit bewusst zu sein. So befinden sie sich beispielsweise in allen Handys, Taschenrechnern, Digitaluhren oder neueren Projektoren. Im PC Bereich wird diese Technik ebenfalls eingesetzt, vornehmlich als Monitor, wobei wir zwei Arten unterscheiden. Einmal das LCD selbst und dessen modernere Erweiterung als TFT (Thin Film Transistor). Fortführend wollen wir uns primär mit dem LCD Monitor und dessen Technik an sich beschäftigen.

 

LCD Technologie

1.  Was sind Flüssigkristalle

Jeder kennt die drei Zustandsformen in denen Substanzen vorliegen können. Die feste Phase, in der die Moleküle einen fest definierten Platz im Raster besitzt und die einzelnen Atome sich nur in einem sehr geringen Rahmen durch Schwingungen bewegen. In der flüssigen Phase besitzen die Moleküle keine Fernordnung mehr und können sich durch Translation bewegen. In der Gasphase sind schließlich die letzten Wechselwirkungen aufgehoben und die Moleküle dehnen sich komplett im Raum aus, bis sie die maximale Entropie besitzen.

Der Botaniker Reinitzer hat 1888 am Cholesterinbezoat festgestellt, dass die Probe bei 145,5 °C schmilzt aber milchig trüb bleibt. Erst bei einer Temperatur von 178,5 °C wurde die Probe klar. Beim Abkühlen wiederholte sich der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge. Zwischen 145,5 °C und 178,5 °C besaß die Probe die viskosen/fließenden Eigenschaften von Flüssigkeiten und zusätzlich die optischen/lichtbrechenden Eigenschaften von Kristallen. Aus diesem Grund mussten die Verbindung im flüssigen Zustand eine gewisse Ordnung ausbilden und da sie sowohl die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Kristallen besitzen, bezeichnete man sie als Flüssigkristalle.
 

2. Das Funktionsprinzip

Während herkömmliche Bildschirme Licht aus Phosphor mit unterschiedlichen Emissionsspektren (Rot/Grün/Blau) aufgrund der Anregung eines Elektronenstrahls emittieren, wird bei LCD das Licht einer Hintergrundbeleuchtung durch die LCD-Zelle geschaltet. Das heißt, die LCD-Zelle ist bezüglich der Lichtemission als passiv anzusehen. Licht wird in unpolarisierter Form auf den so genannten hinteren Polarisator (Polarizer) gegeben, dort wird das Licht polarisiert (in eine bestimmte Richtung ausgerichtet).

  

Flüssigkristalle lassen sich in der nematischen Phase aufgrund ihrer Molekülstruktur an geeignet beschaffenen Oberflächen (Ausrichtungslagen [Alignment Layer], z.B. in einer Richtung gebürstete Folien) ausrichten und aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften spiralförmig verdrehen, wenn sie zwischen 2 um 90° verdrehte Ausrichtungslagen eingebracht werden. Diese Anordnung nennt man Twisted Nematic (TN) bei einem Verdrehwinkel von 90°, bei 270° Super Twisted Nematic (STN). Wird zwischen den beiden Lagen ein elektrisches Feld angelegt, so richten sich die stabförmigen Moleküle entlang der Feldrichtung aus.

  

Trifft nun vom hinteren Polarisator polarisiertes Licht auf die spiralförmig angeordneten Flüssigkristalle, so wird dieses Licht entsprechend dem Verdrehwinkel der Moleküle in seiner Polarisationsrichtung gedreht. So trifft es auf den vorderen Polarisator (Analyzer), der um 90° zum hinteren verdreht ist. Das Licht kann somit zum Betrachter durchdringen. Das Licht folgt auch dann der Orientierung der Flüssigkristalle, wenn diese aufgrund eines elektrischen Feldes senkrecht zur hinteren und vorderen Lage der LCD-Zelle stehen. Damit steht es am vorderen Polarisator 90° zu diesem und kann somit nicht zum Betrachter durchdringen.

  

3. Woher kommt die Farbe?

Da für die Hintergrundbeleuchtung normalerweise weißes Licht verwendet wird, muss zur Darstellung von Farbbildern dieses noch mit geeigneten Farbfiltern gefiltert werden. Hierzu erhält jeder darzustellende Pixel (Bildpunkt) drei sog. Sub-Pixel mit den Farben Rot, Grün und Blau ('Farbe aus Weiß' Prinzip). Heute wird bei LCD üblicherweise die so genannte Streifenstruktur (RGB-Stripe) verwendet.

4. Ansteuerung der einzelnen LCD-Zellen

Bei Passivmatrix-LCD werden die einzelnen LCD-Zellen durch eine matrixförmige Anordnung von Zeilen- und Spalten-Elektroden angesteuert. Man kann somit an jedem Knotenpunkt ein elektrisches Feld erzeugen, welches dann die Flüssigkristalle beeinflusst.

Prinzipiell bedingt ist dabei, dass jede einzelne Zelle nur mit 1/(Auflösung) der gesamten Zeit der Bilddarstellung angesteuert wird. Da für den Rest der Zeit die Zellen im spannungslosen Zustand sind, müssen die Flüssigkristalle entsprechend träge eingestellt werden, um ein Rückkippen während der restlichen Zeit und damit Kontrastverluste und Flimmereffekte zu vermeiden. Eine Maßnahme zur Vermeidung von solchen Effekten ist die Unterteilung des Display in 2 horizontal geteilte Hälften (so genannte Dual Scan Display), um die Bilddauer zu halbieren bzw. die Frequenz mit der eine Zelle angesteuert wird zu verdoppeln. Ein weiterer Effekt vor allem bei Passivmatrix-LCD ist das so genannte Übersprechen zwischen den einzelnen Zellen, was sich als 'Fahnenziehen' bemerkbar macht. Aufgrund der Matrixstruktur der Ansteuerung und der Kapazität der LCD-Zellen sind solche Effekte zwar durch verbesserte Elektrodenmaterialien und Ansteuermethoden optimierbar, jedoch nicht vermeidbar. Die Zeilen- und Spalten-Elektroden sind aus transparentem Material (ITO Indium Zinn Oxid) um maximale Lichttransmission zu gewährleisten.

Auflösung

Es gibt unterschiedlich große LCD Monitore, von 12" bis 18" Diagonale. Die Grafikkarten liefern unterschiedlich hohe Auflösungen von 640x480 bis 1600x1024 Bildpunkten. Welche Auflösung ist nun für welche Monitordiagonale das Optimum?

Die Auflösung wird in dpi (dots per inch) angegeben. Diese Einheit gibt an, wieviele Bildpunkte auf einer Länge von einem Zoll (25,4mm) dargestellt werden. Zum Beispiel, hat ein Monitor die sichtbare Fläche von 280 x 210mm (15") und stellt eine Auflösung von 1024x768 Bildpunkten dar, dann hat er eine Auflösung von 1024 : 280 x 25,4 = 93dpi.
So kann man auch die Kantenlänge der einzelnen Bildpunkte herausfinden: 280/1024 = 0,27mm.

Windows arbeitet intern mit einer Auflösung von 96dpi, d.h. Windows geht von einer Pixelgröße (Pixel = Bildpunkt) von 25,4mm : 96 = 0,265mm aus. Damit der Windowsdesktop nun nicht zu klein oder zu groß dargestellt wird, sollte die Pixelgröße zwischen 0,23mm und 0,30mm (= 0,265mm ± 0,035mm) liegen, perfekt sind natürlich 0,265mm bei 96dpi.

Monitor

sichtbare Fläche

mögliche Auflösung

 dpi

Bewertung

12,1" LCD

246x184mm

800  x  600 bei 0,30mm
1024 x 768 bei 0,24mm

85dpi
105dpi

zu wenig Bildpunkte
gut

13,3" LCD

270x202mm

1024 x 768 bei 0,265mm

96dpi

perfekt

14,1" LCD

286x215mm

1024 x 768 bei 0,28mm

90dpi

sehr gut

15" LCD

305x229mm

1024 x 768 bei 0,30mm
1400 x 1050 bei 0,21mm
1600 x 1200 bei 0,19mm

85dpi
117dpi
133dpi

große, leicht lesbare Darstellung
viel zu kleine Darstellung
nicht mehr lesbar

15,7" LCD

307x246mm

1280 x 1024 bei 0,24mm

105dpi

sehr gut, trotz hoher Auflösung

17" LCD

340x271mm

1280 x 1024 bei 0,265mm

96dpi

perfekt, aber nur sehr wenige
17" LCDs sind für Video gut
geeignet

17,3" LCD

370x236mm (16:10)

1600 x 1024 bei 0,23mm

110dpi

sehr gut, trotz hoher Auflösung
perfekt für Video

18,1" LCD

359x287mm

1280 x 1024 bei 0,28mm

90dpi

sehr gut


Vor- und Nachteile

Nachfolgend sollen kurz die wichtigsten Vor- und Nachteile eines LCD Monitors im Vergleich zu einem normalen Röhrenmonitor (CRT) aufgelistet werden.

                              Positiv

Negativ

  • sehr platzsparend, insbesondere große   LCDs
  • geringers Gewicht
  • hohe Leuchtdichte 
  • keine Geometrie- und Konvergenzfehler
  • scharfes, glasklares Bild
  • niedriger Stromverbrauch
  • geringe Wärmeabgabe
  • flimmerfrei trotz niedriger Bildwiederholfrequenz
  • unempfindlich gegen Störeinflüsse
  • lange Kabel möglich bei digitalen LCDs
  • Strahlenemission praktisch nicht vorhanden
  • Winkelabhängigkeit von Kontrast und Farben
  • passive LCD teilweise leistungsschwach bei graphischen Anwendungen
  • mäßige Bildqualität unterhalb der Standardauflösung
  • geringere Schaltgeschwindigkeit von hell zu dunkel
  • Steckverbindungswirrwarr bei digitalen LCDs

Quellen:

www.bananapage.de/frame.htm
www.guenthoer.de/lcd/lcd.htm