Flüssigkristallanzeigetechnologie (Teil 1)

Die Flüssigkristallanzeige (LCD) dominiert aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Anforderungen an die Geräteherstellung und ihrer hohen Kosteneffizienz weiterhin den Markt für Display-Panels. LCDs sind passive Displays, deren Bauelemente aus zwei Hauptmodulen bestehen: dem Flüssigkristallpanel und dem Hintergrundbeleuchtungsmodul. Das Hintergrundbeleuchtungsmodul emittiert eine weiße Lichtquelle, deren Farbe und Helligkeit von dem Flüssigkristallpanel für jedes Pixel moduliert werden, wodurch letztendlich ein bewegtes Farbbild entsteht.

Das Hintergrundbeleuchtungsmodul besteht aus LEDs und optischen Folien. Das punktförmige Licht der LEDs wird durch die optischen Folien gestreut und homogenisiert, um eine gleichmäßige Flächenlichtquelle zu erzeugen, die das Flüssigkristallpanel ausleuchtet. Das weiße Licht ist eine Mischung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau. Nach dem Durchgang durch das Flüssigkristallpanel werden durch das Zusammenwirken der Flüssigkristallschalter, die den einzelnen Subpixelzellen zugeordnet sind, spezifische Farben und Helligkeiten erzeugt. Ein komplettes 4K-Panel, bestehend aus etwa 24,88 Millionen Subpixelzellen, bildet ein Bild.

Der Aufbau des Flüssigkristallpanels ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Neben den Glassubstraten mit verschiedenen Funktionsschichten bestehen die Schichten von unten nach oben aus: dem unteren Polarisator, der Treiberschaltung des Dünnschichttransistors (TFT), der Flüssigkristallschicht, dem Farbfilter (CF) und dem oberen Polarisator.

Wie der Name schon sagt, sind Flüssigkristalle kristalline Substanzen mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften. Sie vereinen die Fließeigenschaften von Flüssigkeiten mit den Vektoreigenschaften von Kristallen und besitzen dadurch einzigartige mechanische, optische und elektrische Eigenschaften. Wie die folgende Abbildung zeigt, bewirkt das Flüssigkristallpanel durch das Zusammenspiel von Flüssigkristallen und oberen sowie unteren Polarisatoren das Schalten und Dimmen des einfallenden Hintergrundlichts und erzeugt so unterschiedliche Helligkeitsstufen (Graustufen). In Kombination mit dem Farbfilter lassen sich so verschiedene Farben und Helligkeitsstufen erzeugen.

Welche Veränderungen treten also auf, wenn Hintergrundbeleuchtung auf das Flüssigkristallpanel trifft?

Zunächst werden die untere und obere Schicht des Flüssigkristallpanels mit senkrecht zueinander angeordneten Polarisatoren versehen. Anschließend wird die Fläche entsprechend der Pixelauflösung in unzählige Zellen unterteilt. Jedes Pixel ist wiederum in rote, grüne und blaue Subpixelzellen gegliedert. Jede Zelle verfügt von unten nach oben über eine eigene Elektrode, eine Flüssigkristallschicht und eine Farbfilterschicht. Die oberen und unteren Polarisatoren bilden zusammen mit dem Flüssigkristall ein „Gate“, das den Ein-/Aus-Zustand der Lichtdurchlässigkeit dieser Zelle sowie die Intensität des durchgelassenen Lichts steuert. Die unterschiedlichen Lichtintensitäten, die durch die drei Subpixelzellen hindurchtreten, mischen sich nach dem Durchlaufen der roten, grünen und blauen Farbfilter in unterschiedlichen Anteilen und erzeugen so die Anzeigefarbe und Helligkeit des Pixels.

Wie funktioniert dieses kombinierte Gatter?

Die Hintergrundbeleuchtung ist, ähnlich wie natürliches Licht, eine transversale elektromagnetische Welle. Die Schwingungsrichtung der Partikel verläuft senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Das bedeutet, dass die Schwingungsrichtung des Lichts stets in der xy-Ebene liegt und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z-Achse) verläuft. Wenn Hintergrundbeleuchtungsstrahlen auf den unteren Polarisator des Flüssigkristallpanels treffen, kann nur Licht, das in Richtung des Polarisationsgitters (y-Achse) schwingt, diesen passieren. Dadurch entsteht linear polarisiertes Licht mit einer spezifischen Schwingungsrichtung. Wie in Abbildung 3 dargestellt, durchdringt das polarisierte Licht die Flüssigkristallschicht und die CF-Schicht, ohne seine Schwingungsrichtung zu ändern, wenn die Pixelelektrode auf dem TFT-Substrat nicht angesteuert wird, und erreicht den oberen Polarisator. Da die Gitterrichtung des oberen Polarisators jedoch senkrecht zur y-Achse (x-Achse) verläuft, kann das in y-Richtung schwingende polarisierte Licht den oberen Polarisator nicht passieren. Dies führt zu einem dunklen Bild auf der Vorderseite des Bildschirms.

Wird die Elektrode des TFT-Schaltkreises mit Strom versorgt, rotieren die Flüssigkristallmoleküle. Das aus dem unteren Polarisator austretende polarisierte Licht erfährt durch die Flüssigkristallmoleküle eine Drehung der Polarisationsrichtung. Mit spezifischen Einstellungen für die Dicke der Flüssigkristalle und den Drehwinkel lässt sich die Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts exakt um 90° drehen. In diesem Moment verläuft die Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts parallel zur x-Achse und ist mit der Gitterrichtung des oberen Polarisators ausgerichtet, sodass es diesen passieren kann. Bildet die Schwingungsrichtung einen Winkel zur Gitterrichtung, kann die Energiekomponente der Lichtwelle entlang der Gitterrichtung den Polarisator passieren, wodurch die ursprüngliche Lichtintensität abgeschwächt wird. Durch Ändern der Spannung an der TFT-Elektrode lässt sich der Drehwinkel der Flüssigkristalle anpassen und somit die Intensität des durch den oberen Polarisator transmittierten Lichts steuern.

Die elektrooptischen Eigenschaften von Flüssigkristallen

Warum kann ein elektrisches Feld Flüssigkristalle zur Rotation versetzen? Und warum verändert die Rotation von Flüssigkristallen die Schwingungsrichtung von polarisiertem Licht?

Wie in der Abbildung unten dargestellt, besitzen Flüssigkristallmoleküle eine stabförmige Struktur und die für Kristalle typische Anisotropie. Sie weisen entlang ihrer Längs- und Querachse unterschiedliche elektrooptische Effekte, Dielektrizitätskonstanten und Brechungsindizes auf. Diese Eigenschaften können genutzt werden, um die Intensität des einfallenden Lichts für jede Pixelzelle zu verändern und so Farbe und Graustufen zu erzeugen.

Dielektrische Anisotropie von Flüssigkristallen

Die Dielektrizitätskonstante (ε) von Flüssigkristallmolekülen unterscheidet sich entlang ihrer Längs- und Querachse. Ist die Dielektrizitätskonstante parallel zur Längsachse größer als senkrecht dazu (ε_// > ε_⊥), spricht man von einem positiv-dotierten Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie, der sich für die parallele Ausrichtung eignet. Bei ε_// < ε_⊥ handelt es sich um einen negativ-dotierten Flüssigkristall mit negativer dielektrischer Anisotropie, der nur in vertikaler Ausrichtung den gewünschten elektrooptischen Effekt erzielen kann. Wird ein externes elektrisches Feld angelegt, bestimmt die positive oder negative dielektrische Anisotropie die Drehrichtung der Flüssigkristallmoleküle – parallel oder senkrecht zum Feld – und damit die Lichtdurchlässigkeit. Die in TFT-LCDs üblicherweise verwendeten VA-Flüssigkristalle gehören größtenteils zum Typ mit negativer dielektrischer Anisotropie. Im elektrischen Feld polarisieren die Flüssigkristallmoleküle, wodurch sich ihre Längsachsen senkrecht zum Feld neigen. IPS verwendet üblicherweise positiv getaktete Flüssigkristalle, während einige ADS Pro-Panels negativ getaktete Flüssigkristalle verwenden.

Doppelbrechung von Flüssigkristallen

Flüssigkristallmoleküle weisen Doppelbrechung und optische Drehung auf; der Brechungsindex (n) unterscheidet sich entlang der langen und kurzen Achse. Der Brechungsindex entlang der langen Achse beträgt n_O, entlang der kurzen Achse n_E.

Da die Brechungsindizes unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die Lichtgeschwindigkeiten. Bei der Rotation von Flüssigkristallen verändern sich die Lichtgeschwindigkeiten entlang der Längs- und Querachse, was zu einer Phasenverschiebung zwischen dem austretenden ordentlichen (O) und außerordentlichen (E) Strahl im Vergleich zum einfallenden Zustand führt – ein Phänomen, das als Phasenverzögerung bezeichnet wird. Beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Flüssigkristall überlagern sich die O- und E-Strahlungsvektoren und erzeugen eine neue, gedrehte Schwingungsrichtung. Durch eine spezielle Gestaltung der optischen Weglänge und des Rotationswinkels lässt sich die Phasenverschiebung zwischen den austretenden O- und E-Strahlen auf die halbe Wellenlänge einstellen. Dadurch dreht sich die Phase des austretenden Lichts um 90° gegenüber dem einfallenden Licht, sodass es den oberen Polarisator passieren kann. Unterschiedliche Rotationswinkel der Flüssigkristalle bestimmen unterschiedliche Phasenverschiebungen zwischen den O- und E-Strahlen und steuern somit die Intensität des transmittierten Lichts.

Arten von Flüssigkristallanzeigen

Basierend auf der Rotationsart der Flüssigkristalle werden sie in drei Typen unterteilt: TN (Twisted Nematic), IPS (In-Plane Switching) und VA (Vertical Alignment). TN-LCD-Panels wurden als erste und kostengünstigste eingesetzt. Aufgrund ihrer nativen 6-Bit-Farbtiefe (geringer Farbraum) und der sehr niedrigen Betrachtungswinkel sind sie jedoch praktisch vom Markt für gängige LCD-Displays verschwunden. Aktuelle Standard-LCD-Displays verwenden hauptsächlich IPS- und VA-Panels.

Wie in der Abbildung dargestellt, sind die Flüssigkristallmoleküle in IPS-Displays horizontal angeordnet. Die positiven und negativen Pixelelektroden befinden sich auf derselben horizontalen Ebene des TFT-Substrats. Im stromlosen Zustand durchdringt das polarisierte Licht, das den unteren Polarisator passiert, den Flüssigkristall ohne Änderung der Polarisationsrichtung. In diesem Zustand ist die Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts senkrecht zur Gitterrichtung des oberen Polarisators, und Licht kann den Flüssigkristall nicht passieren. Wird der Flüssigkristall mit Strom versorgt, rotieren die Flüssigkristallmoleküle aufgrund des elektrischen Feldes in der horizontalen Ebene (In-Plane-Switching). Aufgrund der Doppelbrechung spaltet sich das polarisierte Licht in zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf. Beim Austritt aus dem Flüssigkristall weisen diese beiden polarisierten Lichtstrahlen eine Phasendifferenz auf und rekombinieren zu einem neuen polarisierten Licht. Dieses polarisierte Licht durchdringt anschließend den Farbfilter, wobei das Licht jeder Subpixelzelle die Farben Rot, Grün und Blau darstellt. Das den Farbfilter durchdringende polarisierte Licht erreicht den oberen Polarisator. Durch die Ablenkung des Lichts durch die Flüssigkristalle in einen neuen Winkel weist jedes Subpixel einen anderen Drehwinkel auf. Die Komponenten des polarisierten Lichts, deren Winkel relativ zum oberen Polarisationsgitter unterschiedlich sind, passieren dieses und erzeugen so rote, grüne und blaue Farben unterschiedlicher Intensität in jeder Subpixelzelle. Diese drei Farben unterschiedlicher Intensität mischen sich zum gewünschten Farbpixel. Die Farben von 24.883.200 Subpixelzellen (3840 × 2160 × 3) ergeben zusammen die Farben von 8.294.400 Pixeln (3840 × 2160) und erzeugen so ein Einzelbild eines 4K-Auflösungsbildes. Die Flüssigkristalle verändern sich mit der Frequenz des elektrischen Feldes und damit kontinuierlich den Schwingungswinkel des polarisierten Lichts. So entsteht Bild für Bild, bis schließlich die Videodarstellung erreicht ist.

Das Funktionsprinzip von VA-Displays entspricht dem von IPS-Panels. Wie Abbildung 6 zeigt, unterscheidet sich die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle von der in IPS-Panels. Bei VA-Displays sind die Flüssigkristallmoleküle vertikal ausgerichtet, und die positiven und negativen Pixelelektroden befinden sich auf der oberen bzw. unteren Ebene, wodurch ein elektrisches Feld in vertikaler Richtung erzeugt wird.

Wird keine Spannung an die Elektroden angelegt, sind die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zu den oberen und unteren Substraten ausgerichtet. Linear polarisiertes Licht, das den unteren Polarisator passiert, breitet sich parallel zur Längsachse der Flüssigkristallmoleküle aus, sodass sich sein Polarisationszustand nicht ändert und es den oberen Polarisator nicht passieren kann. Das vom menschlichen Auge wahrgenommene Bild ist dunkel. Bei keiner oder geringer Spannung durchdringt polarisiertes Licht die Flüssigkristallmoleküle entlang ihrer Längsachse. Aufgrund der Doppelbrechung der Flüssigkristalle wird polarisiertes Licht entlang der Längsachse praktisch nicht abgelenkt und kann daher den oberen Polarisator nicht passieren. Dies führt zu einem sehr dunklen Bild, einem hohen Kontrastverhältnis und exzellenter Bildschärfe. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, rotieren die Flüssigkristallmoleküle unter dem Einfluss des vertikalen elektrischen Feldes, wobei sich ihre Längsachsen senkrecht zum Feld neigen. Die Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichts erfahren in der Flüssigkristallschicht eine Phasenverzögerung. Nach dem Verlassen der Flüssigkristallschicht rekombinieren die Komponenten des polarisierten Lichts, und der Polarisationszustand des Lichts ändert sich. Die Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts jeder Subpixelzelle wird schließlich entsprechend der eingestellten Spannung in verschiedene Winkel gedreht. Nach dem Durchgang durch den Farbfilter und den oberen Polarisator entstehen Subpixelfarben unterschiedlicher Intensität. Die roten, grünen und blauen Subpixelfarben mit ihren unterschiedlichen Intensitätsverhältnissen mischen sich zur eingestellten Pixelfarbe und erzeugen so schließlich ein vollständiges Bild für die Anzeige.