Display-Technologie: In Zukunft flach

Bild 1: Die wichtigsten Flachdisplaytechnologien

Neue Technologien ermöglichen die Realisierung flacher Fernseher und Computermonitore. Zu den vielversprechendsten Technologien zählen die Plasma-, die Flüssigkristall- und die Elektroluminessenzanzeigen.

Mit immensem Forschungsaufwand arbeiten zur Zeit in erster Linie japanische, aber auch amerikanische und deutsche Firmen und Forschungsinstitute an neuen Verfahren für flache Bildschirme.

LCD-Technologie

Das durch Taschenrechner und digitale Armbanduhren wohl bekannteste Verfahren ist die Flüssigkristalltechnologie. Hierbei befindet sich ein ‘Flüssigkristall‘ zwischen zwei Glasplatten. Dieses Flüssigkristall ist eine organische Flüssigkeit, die in einem elektrischen Feld ihre mechanische Struktur ändert, d.h. die Moleküle dieser Flüssigkeit werden gedreht. Durch die Ausnutzung der Polarisierbarkeit von Licht kann nur eine Anzeige gebaut werden.

Licht hat Welleneigenschaften. Einen Lichtstrahl kann man sich vereinfacht als ein um die Strahlachse schwingendes Wellenbündel vorstellen (Bild 1). Dieses Wellenbündel schickt man nun durch einen Polarisationsfilter. Dieser ist wie ein Gitter aufgebaut und läßt nur die Wellen hindurch, die in Gitterrichtung schwingen. Das hinter dem ersten Polarisationsfilter austretende Licht ist polarisiert. Nun folgt das Flüssigkristall und dann der zweite Polarisationsfilter, der nur Licht durchläßt, das im 90°-Winkel zum Licht, das aus dem ersten Filter austritt, polarisiert ist. Ohne Ansteuerung der Flüssigkristalle gelangt also kein Licht durch das Display. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung kann nun ein elektrisches Feld aufgebaut werden, und die Flüssigkristalle verursachen durch ihre innere Struktur eine Drehung der Polarisationsebene (Twist), so daß jetzt Licht z.B. von einer Hintergrundbeleuchtung durch das Display fallen kann. Die LCDs in Taschenrechnern oder Armbanduhren arbeiten reflektiv, d.h. hier fällt das Licht nicht durch das LCD (transmissiv) sondern wird auf der LCD-Rückseite von einem Spiegel zurückgeworfen und noch einmal durch das LCD geschickt. Mit der LCD-Technologie lassen sich sehr dünne Anzeigen bauen, die auch beim Stromverbrauch sehr bescheiden sind. Daher werden bei den meisten Rechnern reflektive LCDs eingesetzt, so daß auch die stromschluckende Hintergrundbeleuchtung eingespart werden kann. Die daraus resultierende schlechte Bildqualität wird oft in Kauf genommen (Blau-Grün-Displays etc.). Hochwertige Laptops verwenden daher LCDs mit Hintergrundbeleuchtung, so daß auch schwarzweiße Bilder möglich werden.

Der Nachteil bei LCDs ist die begrenzte Geschwindigkeit, da im Flüssigkristall eine mechanische Änderung stattfindet.

Plasmadisplay

Die Anzeigefunktion bei Plasmadisplays basiert darauf, daß sich z.B. Neon durch Anlegen einer Spannung zum Leuchten anregen läßt. Das Prinzip ist mit dem der Neonröhren verwandt. Im Gegensatz zum LCD ist allerdings der Stromverbrauch größer.

EL-Displays

Elektrolumineszenzdisplays basieren darauf, daß bestimmte Phosphore in einem Wechselstromfeld Licht aussenden. Der Stromverbrauch ist etwas größer als bei LCDs. Sie werden wie die LCDs auch für exklusive Laptop-Computer eingesetzt und sind wie die Plasmadisplays selbstleuchtend.

Farbe, Kontrast, Graustufen und hohe Auflösung

Die prinzipiellen Verfahren für alle drei genannten Displaytypen sind erforscht. Alle Displays sind auch schon kommerziell erhältlich. An anderen Verfahren für extrem schnelle Displays wird geforscht. Aber es gibt doch noch (fast) keine Fernseher oder Computer mit großflächigen Flachanzeigen, könnte man einwenden. Was ist also das Problem? Zunächst einmal müssen Voraussetzungen wie hoher Kontrast und Graustufen erfüllt sein. Bei LCDs ist das Kontrastproblem mittlerweile gelöst. Fast alle Hersteller bieten entsprechende FTN, NTN oder DST-Anzeigen an, die sich durch einen hohen Kontrast auszeichnen. Dies wird durch neue Flüssigkristalle oder Zusatzfilterscheiben/-folien erreicht. Die Zeit der nur direkt von vorne und nur bei richtiger Beleuchtung ablesbaren LCDs dürfte in Kürze vorbei sein. Plasma- und EL-Displays bieten grundsätzlich einen ausreichenden Kontrast. Jedoch schon bei Graustufen wird es schwieriger. Bei LCDs kann man die Trägheit der Kristalle nutzen und durch schnelles Hin- und Herschalten die Moleküle in einer Mittelstellung halten. Farben erreicht man durch Filter aus organischen Chemikalien.

Die größten Probleme bereiten den Herstellern die Produktion großflächiger Anzeigen mit hoher Auflösung. Die einzelnen Bildpunkte müssen angesteuert werden. Normalerweise geschieht dies im Multiplex, d.h. die Punkte werden nacheinander ähnlich einer Bildröhre angesteuert. Man nutzt auch hier die Trägheit der Kristalle. Bei großen Anzeigen wird es schwierig. Die Bildschirm muß schnell genug sein, um auch Animationen zeigen zu können. Gleichzeitig verringert sich aber der Kontrast bei schneller Ansteuerung. Man kann durch Kompromisse, neue Kristalle und den Trick, ein Display wie mehrere anzusteuern, heute Displays mit ca. 1024 x 768 Pixeln in schwarzweiß oder 640 x 400 Pixeln in Farbe fertigen. Der Trick bei der Ansteuerung ist der, daß der Bildinhalt gleichzeitig an mehreren Stellen erneuert wird und daher mehr Punkte bei gleicher Zykluszeit erneuert werden können. Schon bei Anzeigen mit 640 x 400 Pixeln (für ATARI ST) ist dies der Fall. Der Trend geht hierbei dahin, auf dem Displayglas jedem Pixel eine durchsichtige Ansteuerschaltung zuzuordnen, die es eigenständig ansteuert. Man spricht dann von aktiven LCDs. Diese bereits in kleinen Pocketfemsehern verbreiteten LCDs machen Schluß mit den oben genannten Problemen beim Kontrast und erlauben den Einsatz schnellerer Flüssigkristalle. Jedes Pixel speichert quasi seinen Zustand.

Das andere Problem ist grundsätzlich die Herstellung großer Panele. Die sehr engen Fertigungstoleranzen und schwierige Prozeßschritte im Vakuum sorgen bei großen LCD (1024 x 768 Pixel) für Ausschuß mit einem Anteil von über 80%. Sobald diese Probleme gelöst sind, rückt der flache Großbildfernseher in greifbare Nähe. Mitte der 90er Jahre ist hierbei mit den ersten Produkten zu rechnen.

Bei den den EL-Displays liegen die Probleme ähnlich. Auch hier gibt es bereits Labormuster mit Farbe und Vorseriengeräte mit Auflösungen von 1024 x 800 Pixeln (monochrom) etc. Auch hier bereitet die Produktion großflächiger Displays mit hohen Auflösungen noch Probleme. Das Kontrastproblem wie bei LCDs tritt hier nicht auf. EL- und Plasmadisplays können entsprechend schnell refreshed (Neuschreiben der Pixelinformation) werden, daß Flimmerfreiheit und schnelle Anzeigen erreicht werden.

Wann kommt der Durchbruch?

In einigen Bereichen haben sich Flachdisplays bereits durchgesetzt. Wo andere Anzeigen nicht in Frage kommen, z.B. aus Platz, Stromverbrauchs- oder Gewichtsgründen, d.h. bei Laptops/portablen Messystemen etc. nicht in Frage kommen, werden sie eingesetzt.

Außerdem sind LCDs für Schulungen als Overheadprojektoraufsatz sehr beliebt. Die ewigen Probleme mit schweren, teueren und schwierig zu justierenden Videoprojektoren gehören der Vergangenheit an. Der Durchbruch wird wie immer durch die Preise und den Ansteueraufwand kommen. Wie leicht zu ahnen ist, gestaltet sich der Ansteueraufwand z.B. bei passiven LCDs sehr groß. Bei der Verwendung mit herkömmlichen Videoausgängen (z.B. ATARI ST) wird das Videosignal zuerst digitalisiert (Bild 2). Es darf trotz veränderlichem Videosignal kein Pixel verfehlt werden, denn diese Displays haben keine Zusatzfläche.

Das beim ATARI ST manchmal etwas weiter links oder rechts stehende Bild verursacht ohne Korrekturschaltung einen schwarzen Streifen links oder rechts (bzw. oben oder unten) und fehlende Pixel. Alle Pixel müssen genau in der Pixelmitte digitalisiert werden, sonst sind Flackern oder Randunschärfen die Folge.

Die digitalisierten Bilddaten werden in einen Speicher geschrieben. Dieser wird entsprechend den Vorgaben des LCDs ausgelesen, d.h. bei 640 x 400 Pixel-LCDs werden pro Zugriff je 4 Pixel für die obere und untere LCD-Hälfte ausgelesen. Bei wirklicher Graustufenfähigkeit - einfache Kontroller erzeugen Graustufen durch ein Pixelraster bei verminderter Auflösung - muß die komplette Grauinformation für jedes Pixel gespeichert und der Bildschirm entsprechend dieser Information getaktet werden.

Nach und nach kommen für all diese Aufgaben Spezialchips auf den Markt, so daß bei Verfügbarkeit größerer LCDs auch das Ansteuerproblem gelöst sein dürfte. Bei Plasma- und EL-Displays ist die Ansteuerung teilweise einfacher, doch auch hierfür werden bereits integrierte Bausteine angeboten.

Vielleicht bieten die Computer der Zukunft auch direkte Anschlußmöglichkeiten für LCDs. Dadurch entfiele der Digitalisierungs- und Speicherungsaufwand. Der LCD-Monitor würde durch weniger eigene Elektronik - genau wie der ATARI-Laserdrucker - preisgünstiger werden.

Bild 2: Ansteuerung eines Grafik-LCDs (640x400 Punkte)


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