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TFT-LCD: Die Technik hinter Flachbildschirmen

Er ist stilvoll, edel und hat eine bezaubernde Qualität: Der TFT-Bildschirm. Sind sie die Zukunft oder nur der Übergang zu einer noch neueren Technologie? Wie funktioniert eigentlich solch ein Bildschirm und ist es ratsam sich jetzt so ein dünnes technisches Wunderwerk anzuschaffen?

Strukturierung des Artikels:

1. Entstehungsgeschichte des Thin Film Transistors
2. Der große Bruder: Der CRT(Röhren)-Bildschirm
3. TFT-LCD - Das bedeutet es genau
4. Die Schwäche von TFT-Displays
5. Die Vorteile der TFT-Technik
6. Die Zukunft der TFTs/Fazit

Die Flüssigkristalltechnik entstand im vorletzten Jahrhundert. Genauer: Im Jahre 1888 entdeckte ein Botaniker, dass organische Substanzen bei unterschiedlicher Temperatur verschiedene optische Eigenschaften aufwiesen. Erst in der Mitte der 70er Jahre konnte die LCD-Technik (Liquid Chrystal Display) in digitale Uhren, Telefone und Taschenrechner verbaut werden. Die ersten richtigen Monitor wurden dann in monochromer Ausführung Mitte der 80er Jahre eingesetzt. Diese waren leider nicht nur zweifarbig (Schwarz/Grün) sondern eigneten sich überhaupt nicht für bewegte Bilder - der Schmiereffekt war zu groß. Man konnte noch relativ lange das Pixel leuchten sehen, auch wenn es schon längst nicht mehr aktiv (schwarz) sein sollte. Auch die Tatsache, dass sich zwei Pixel, also Bildpunkte, gegenseitig beeinflussten führte zu einer sehr unscharfen und fehlerhaften Darstellung. Man griff zu Plasmadisplays, die bis auf die Monochromdarstellung, keine solcher Nebeneffekte vorzuweisen hatten - allerdings war der Stromverbrauch zu hoch, so dass das Laptop an der Steckdose angeschlossen werden musste. Diese LCD-Bildschirme wurden passive Flachbildschirme bzw. DSTN (Double Super Twistet Nematic, beschreibt die Tatsache, dass LCDs in Gittern angeordnet sind. An jedem Knotenpunkt des Gitters ist ein Pixel) genannt.

Doch auch Plasmabildschirme konnten sich nicht durchsetzen, da der Punktabstand zwischen den Pixeln zu groß war - feine Auflösungen, wie sie der PC benötigt, sind somit unmöglich zu realisieren. Selbst heute gibt es noch in Billig-Notebooks DSTN-Displays, weshalb Sie also vorsichtig beim Kauf eines Schnäppchens sein sollten! Bei Officeanwendungen bemerkt man die Reaktionszeit von 300ms z.B. nur, wenn ein Fenster geschlossen wird - es wird dann langsam unsichtbar. Für Spiele, Videos und Animationen ist diese Technik aber gänzlich ungeeignet. Fazit: Finger weg von dieser Steinzeittechnik!

Die heutzutage erhältlichen Flachbildschirme basieren allesamt auf der Thin Film Transistor (TFT) - Technik. Solche aktiven Flachbildschirme sind in der Lage Pixel vollständig getrennt voneinander darzustellen und mit geringem Stromverbrauch zurecht zu kommen. Durch die schnelle Elektronik ist es auch möglich Bewegungen ohne Schlieren zu übertragen. Auch der Betrachtungsgrad wurde erhöht: Man kann nun aus verschiedenen Winkeln die Inhalte eines TFT-Monitors betrachten.

Um die Technik von TFT-Bildschirmen vollständig verstehen zu können ist es notwendig den Röhrenmonitor etwas besser kennen zu lernen. Hier wird ein Elektronenstrahl (Cathode Ray) in der Bildröhre (Tube) erzeugt, der auf eine Schicht fällt - diese wird zum Leuchten angeregt. Ablenkspulen sorgen dafür, dass die Strahlen an die richtige Stelle des Bildschirms gebracht werden. Dies geschieht in einem gewissen Intervall: Hier kommt der Begriff Bildwiederholrate ins Spiel, der die Wiederholung dieses Vorgangs angibt. Bei guten Monitoren geschieht dies zwischen 85 und 120 mal in der Sekunde. 60 bis 75 Hz werden vom menschlichen Auge als Flimmern war genommen, was zu Kopfschmerzen und auf Dauer zu Sehschwäche führt. TFT-Bildschirme kennen diese Schwäche nicht, da es hier Zustände von Pixeln gibt, die nur aktualisiert werden, wenn sie geändert werden - also wenn sich ein Menü in Windows aufklappt.

Hier hängt auch die größe von CRT (Cathode Ray Tube) Monitore ab, denn diese Aktualisierung des Bildes verlangt eine Menge, aufeinander abgestimmte, Elektronik die nunmal in Gehäusen im Bereich von 15 bis 30 KG (oder mehr) resultiert. Diese (Leucht-)Schicht auf die die Elektronen gelenkt werden wird auch Lochmaske genannt, die man mit einem großen Sieb oder Gitter vergleichen kann. Durch die einzelnen Löcher des Monitors wird das Licht gelassen, weshalb man ganz genau die Helligkeit oder Farbe/Schwarz (Loch geöffnet/geschlossen) regulieren kann. Über jedes dieser Öffnungen wird nun je ein Farbfilter für Rot/Gelb/Blau gelegt. Bei einer Auflösung von 1280x1024x3 (Es sind drei Farbfilter) muss die Monitorelektronik sehr gut zusammenspielen um bei 100 Hz immer noch ein scharfes Bild liefern zu können. Das das nicht immer klappt sehr ihr an schlechten Monitoren, die bei ergonomischen Frequenzen Geometriefehler und Unschärfe aufweisen.

Die korrekte Bezeichnung für Flachbildschirme ist TFT-LCD, weshalb wir erst einmal lernen müssen, was ein LCD ist bevor die Technik TFT erklärt wird. Das Luiquid Chrystal Display besteht aus vielen kleinen Kristallen und wie wir wissen sind diese starre, schwer zu spaltende Gebilde aus einer dichten zusammenhängenden Gitterstruktur. Reinitzer entdeckte diese Moleküle (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff) die bei Zimmertemperatur als Feststoff vorliegen. Das Verhalten und die Ausrichtung dieser Moleküle ist abhängig von der Temperatur und von elektromagnetischen Kräften, wobei man, verständlicherweise, lieber Moleküle aussucht die nicht von der Temperatur abhängen. Kristallmoleküle sind im Übrigen in jedem Aggregatszustand (flüssig oder fest) geometrisch exakt angeordnet.

Bei einem LCD Display fällt also Licht auf einen Spiegel und die Flüssigkristalle lassen das Licht entweder durch oder nicht - so entstehen dunkle Stellen auf dem Display.

Eine, für TFT-LCDs essentielle, Eigenschaft von Licht ist, dass es sich wellenförmig durch den Raum bewegt. TFT-Bildschirme lenken das, von Leuchtstofflampen produzierte, Licht an alle Stellen des Bildschirmes. Ein Bildpunkt enthält mehrere Schichten: Die erste Schicht ist die Polarisationsfolie Nr. 1, die nur das Licht durchlässt, das in eine Richtung schwingt. Es folgen nun die Liquid Chrystals, die elektrisch um 90° gedreht oder gelassen werden und so den Lichtstrahl entweder durchlassen oder ablenken (und somit ist der Pixel nicht beleuchtet). Wenn die Lichtwellen nicht durchgelassen werden sollen, werden Kondensatoren benutzt um die LCs parallel zum Licht anreihen zu lassen. Somit können die Wellen NICHT durch die, um 90° gedrehte, zweite Polarisationsfolie. Durch die elektrische Stärke kann man bestimmen, wie stark das Licht gedreht wird bzw. wie hoch die Itensität der Lichtwellen an einem Punkt sein soll - somit kann auch die Helligkeit praktisch stufenlos eingestellt werden. Das OSD (On Screen Display) steuert somit die Stärke der Transistoren, die die LCs ausrichten - somit wird entschieden wieviel Licht durchgelassen wird. Transistoren erzeugen elektrische Felder, die eben diese Anordnung der LCs steuern, und von der Monitorelektronik an sich gesteuert sind - was eine sehr komplexe Operation ist. Solch ein Transistor sitzt an einer dieser Lichtöffnungen und ist nur ein Bruchteil so groß, wie diese. Daher der Begriff Dünn-Film-Transistor (TFT).

Hinter der zweiten Folie wird das durchgelassene Licht durch die Farbfilter gejagt, die den Anteil von Rot, Gelb und Blau bestimmen.Also pro Pixel benötigt man 3 Transistoren pro Farbfilter - bei der Auflösung 1280x1024 (Ein Transistor für einen Pixel muss zusätzlich vorhanden sein) sind das fast 4 Millionen Transistoren, die gesteuert werden müssen. Folgende Darstellung hilft dem Verständnis auf die Sprünge:

Klicken Sie auf das Bild für eine vergrößerte Darstellung

Doch die Spitzentechnologie ist nicht nur als Durchbruch in der Monitorindustrie zu sehen. Vorallem ist der Preis ein, zwar schwindender aber immer noch vorhandener, Aspekt der TFT-LCD-Technik: Unter 400€ bekommt man keinen vernünftigen Flachbildschirm mit aktzeptabler Größe, da die Elektronik (z.B.dank Ansteuerung von Millionen von Transistoren auf kleinstem Raum) sehr teuer ist und die Ausschussrate in der Herstellung extrem hoch ist: Wenn ein Pixel ausfällt (was oftmals passiert) kann der Monitor ausgemustert werden - denn ein Display mit einem schwarzen, auffallenden Punkt kann nicht verkauft werden. Deshalb kann ein TFT-Monitor (noch nicht) zum gleichen Preis wie ein Röhrenbildschirm über die Ladentheke gehen, da hier die Fehleranfälligkeit bei der Produktion wesentlich geringer ist.

Ein Nachteil von etwas billigeren Monitoren ist die Tatsache, dass Farben etwas zu blass dargestellt werden, was an der Hintergrundbeleuchtung liegt. Dieses weiße Licht kann nicht alle Farben in voller Stärke anzeigen, wobei auch die Schwäche bei den Farbfiltern liegt, die nicht naturgetreu sind. Bei modernen TFT-Bildschirmen für mehr als ca. 400€ ist dieses Problem allerdings kaum bzw. überhaupt nicht mehr fest zu stellen. Wichtig ist dies z.B. für CAD/CAE Anwender bzw. Programmen die exakte Farbdarstellung benötigen.

Wenn Sie Ihre Bildschirmauflösung öfter wechseln, dann sollte von einem TFT-Bildschirm abgeraten werden, denn dieser bietet lediglich EINE Auflösung. Ein 17 Zoll Bildschirm bietet meistens 1280x1024 - wenn Sie die Auflösung auf 800x600 herunterstellen wird diese auf 1280x1024 hochgerechnet, was einen hässlichen schwarzen Rahmen und eine, etwas unscharfe, Darstellung zur Folge hat. 3D-Spieler sollten deshalb beachten, dass Ihre Grafikkarte das Spiel in dieser hohen Auflösung noch ruckelfrei darstellen kann. Dies wird Interpolation genannt - beim Kauf sollte unbedingt auf die Qualität des dafür zuständigen Chips geschaut werden: Testen Sie im Handel alle Auflösungen durch und richten Sie danach die Kaufentscheidung - wenn Sie wirklich einen TFT möchten und trotzdem öfter die Auflösung ändern.

Besonders bei mobilen Geräten wie Notebooks ist die TFT-Technik noch nicht komplett ausgereift: Viel Licht verpufft an den Polarisationsfolien und Farbiltern - der Stromverbrauch könnte wesentlich geringer sein, wobei hier von keinem Nachteil gesprochen werden kann, da CRT-Monitore wesentlich mehr Strom verbrauchen als die TFT-Pendanten.

Leider sind TFT-Bildschirme auch druckempfindlich: Ich schätze, dass bei einem zu festen Druck die Folien zusammengedrückt werden und die Transistoren beschädigt werden, was zu einer fehlerhaften Lichtumleitung führt - schwarze Stellen auf dem Display sind die Folge.

Die positive Seite liegt klar auf der Hand: TFT-Bildschirme sind durch die separate Ansteuerung der Pixel gestochen scharf und liefern ein brilliantes Bild. Dadurch ist auch eine perfekte Bildgeometrie (also keine Konvergenzfehler) garantiert, wobei auch das geringe Gewicht für sich spricht: Es ist wesentlich einfacher einen 17 TFT-LCD-Bildschirm mit ca. 5 KG als einen 25 KG (gleich großen) CRT-Boliden zu transportieren.

Desweiteren sind TFT-Displays sehr gut und gleichmäßig beleuchtet, so dass das Auge nicht auf unterschiedliche Helligkeitsstufen reagieren muss. Für Spieler wichtig ist, dass TFT-Bildschirme mittlerweile eine sehr geringe Ansprechzeit haben - die Pixelmatrix (also die einzelnen Pixel als verdrahtetes Netz vorgestellt) wird nach ca. 15 bis 30ms angesprochen, während die Werte früher bei 80 bis 300ms lagen. Ein flüssiges Spielen und Betrachten von Videos ist hier ohne Mühe möglich.

Wichtig ist auch zu wissen, wass die dünnen Bildschirme sich nicht von elektromagnetischen Quellen wie z.B. TV-Gerät oder Stromleitungen beeinflussen lassen. CRT-Monitore reagieren mit seltsamen Streifen oder unregelmäßigen Bildstörungen

Schön ist, dass Flachbildschirme nun auch in Sachen Blickwinkel einen ordentlichen Zahn zugelegt haben. Man kann nun auch seitlich aufs Display sehen und trotzdem jede Einzelheit erkennen - auch wenn das Bild von der Seite bei einigen Displays sehr leicht verdunkelt wirkt. Dies sollte kaum stören! Dies ist durch ein elektrisches Feld möglich, dass die Kristallmoleküle so anordnet, dass das Licht beim Austreten in alle Richtungen abstrahlt.

Diese vollständig unterschiedliche Monitortechnik schlägt sich in der weitgehenden Emissionsfreiheit (Strahlungsfreiheit) von TFT-LCDs nieder. Deshalb wird sich der TFT-Monitor, nicht nur wegen des Platzbedarfes, gegen die veraltete Röhrentechnik durchsetzen.

Wichtig zu wissen ist: Vergleichen Sie die Größe eines TFTs nicht direkt mit den Zollangaben der CRT-Variante. Ein 17 Zoll TFT-LCD entspricht den Maßen (ohne Gehäuse) der sichtbaren Fläche eines 19 Zoll CRT-Monitors.

    TFT wird wahrscheinlich aber nur ein Zwischenschritt sein: Es gibt Prototypen einer neuen Polymere-Displaygeneration, die ebenfalls elektrisch zum Leuchten angeregt werden, weshalb es auf dem TFT-Grundgerüst basieren wird. In sehr kleinen Displays wird diese Technik bereits eingesetzt, wobei sie weit entfernt von einem Desktop-Bildschirm ist. Ziel soll es sein einen Bildschirm zum Einrollen zu entwickeln - also man arbeitet damit, faltet ihn zusammen und steckt ihn sich in die Hosentasche. Das so genannte E-Paper könnte z.B. die Zeitung ablösen, da man die Daten praktisch täglich zu jeder Stunde und sogar in jeder Minute aktualisieren kann: Man liest noch den Landesteil während die Schlagzeile sich verändert und man hier weiterlesen kann. Auch animierte Bilder oder gar Live-Videos vom Ort des Geschehens sollen möglich sein! Doch das ist noch Zukunftsvision, die aber vielleicht zur Realität wird....

    Fazit: Wir empfehlen das Nach-Weihnachtsgeschäft abzuwarten, da hier die Preise für gute TFTs fallen werden und so die 17 und 19 Monitore in bezahlbare Regionen sinken. Der Vorteil liegt auf der Hand: Man hat ein edles, leichtes und Platz sparendes Gerät auf dem Schreibtisch, dass eine gestochen scharfe Bildqualität liefert und zudem sehr schonend mit der Umwelt und den Augen umgeht.

     

     

     

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