Flüssigkristallanzeige

Reflektierende verdrillte nematische Flüssigkristallanzeige

1. Polarisierende Filterfolie mit vertikaler Achse zur Polarisierung des einfallenden Lichts.
2. Glassubstrat mit ITO-Elektroden. Die Form dieser Elektroden bestimmt die Formen, die erscheinen, wenn die LCD-Anzeige eingeschaltet wird. Die auf die Oberfläche geätzten vertikalen Rillen sind glatt.
3. Verdrillter nematischer Flüssigkristall.
4. Glassubstrat mit gemeinsamer Elektrodenschicht (ITO) mit horizontalen Rillen, die mit dem Horizontalfilter ausgerichtet sind.
5. Polarisierende Filterschicht mit horizontaler Achse zum Sperren/Durchlassen von Licht.
6. Reflektierende Oberfläche, die das Licht zum Betrachter zurückstrahlt. (Bei einer hintergrundbeleuchteten LCD-Anzeige wird diese Schicht durch eine Lichtquelle ersetzt oder ergänzt). ⓘ

Eine Flüssigkristallanzeige (LCD) ist ein Flachbildschirm oder ein anderes elektronisch moduliertes optisches Gerät, das die lichtmodulierenden Eigenschaften von Flüssigkristallen in Kombination mit Polarisatoren nutzt. Flüssigkristalle emittieren kein Licht direkt, sondern verwenden eine Hintergrundbeleuchtung oder einen Reflektor, um Bilder in Farbe oder Schwarzweiß zu erzeugen. LCDs sind für die Anzeige beliebiger Bilder (wie bei einer allgemeinen Computeranzeige) oder fester Bilder mit geringem Informationsgehalt, die angezeigt oder verborgen werden können, erhältlich. Zum Beispiel: Voreingestellte Wörter, Ziffern und Siebensegmentanzeigen, wie in einer Digitaluhr, sind alles gute Beispiele für Geräte mit diesen Anzeigen. Sie verwenden dieselbe Grundtechnologie, mit dem Unterschied, dass beliebige Bilder aus einer Matrix von kleinen Pixeln bestehen, während andere Anzeigen größere Elemente haben. Je nach Anordnung des Polarisators können LCDs entweder normal ein- (positiv) oder ausgeschaltet (negativ) sein. Ein LCD-Display mit positiver Hintergrundbeleuchtung hat beispielsweise schwarze Buchstaben auf einem Hintergrund in der Farbe der Hintergrundbeleuchtung, ein LCD-Display mit negativer Hintergrundbeleuchtung hat einen schwarzen Hintergrund, wobei die Buchstaben die gleiche Farbe wie die Hintergrundbeleuchtung haben. Bei weißen und blauen LCDs werden optische Filter hinzugefügt, um ihnen ihr charakteristisches Aussehen zu verleihen. ⓘ

LCDs werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in LCD-Fernsehern, Computermonitoren, Instrumententafeln, Cockpit-Displays in Flugzeugen sowie in der Innen- und Außenbeschilderung. Kleine LCD-Bildschirme werden häufig in LCD-Projektoren und tragbaren Geräten wie Digitalkameras, Uhren, Digitaluhren, Taschenrechnern und Mobiltelefonen, einschließlich Smartphones, eingesetzt. LCD-Bildschirme werden auch in Unterhaltungselektronikprodukten wie DVD-Playern, Videospielgeräten und Uhren verwendet. LCD-Bildschirme haben die schweren, sperrigen Kathodenstrahlröhren-Bildschirme (CRT) in fast allen Anwendungen ersetzt. LCD-Bildschirme sind in einer breiteren Palette von Bildschirmgrößen erhältlich als CRT- und Plasmabildschirme, und zwar von winzigen Digitaluhren bis hin zu sehr großen Fernsehempfängern. LCD-Bildschirme werden allmählich durch OLED-Bildschirme ersetzt, die leicht in verschiedene Formen gebracht werden können und eine kürzere Reaktionszeit, eine größere Farbskala, einen praktisch unendlichen Farbkontrast und Betrachtungswinkel, ein geringeres Gewicht bei einer bestimmten Bildschirmgröße und ein schlankeres Profil aufweisen (da OLED-Bildschirme ein einziges Glas- oder Kunststoffpaneel verwenden, während LCD-Bildschirme zwei Glaspaneele verwenden; die Dicke der Paneele nimmt mit der Größe zu, wobei die Zunahme bei LCD-Bildschirmen deutlicher zu spüren ist) und einen potenziell geringeren Stromverbrauch haben (da der Bildschirm nur bei Bedarf "eingeschaltet" ist und keine Hintergrundbeleuchtung vorhanden ist). OLEDs sind jedoch aufgrund der sehr teuren Elektrolumineszenzmaterialien oder Phosphore, die sie verwenden, bei einer bestimmten Displaygröße teurer. Aufgrund der Verwendung von Leuchtstoffen brennen OLED-Bildschirme außerdem ein und es gibt derzeit keine Möglichkeit, OLED-Bildschirme zu recyceln, während LCD-Bildschirme recycelt werden können, obwohl die für das Recycling von LCDs erforderliche Technologie noch nicht weit verbreitet ist. Ein Versuch, die Wettbewerbsfähigkeit von LCDs aufrechtzuerhalten, sind Quantenpunkt-Bildschirme, die als SUHD, QLED oder Triluminos vermarktet werden. Dabei handelt es sich um Bildschirme mit blauer LED-Hintergrundbeleuchtung und einer Quantenpunkt-Verbesserungsfolie (QDEF), die einen Teil des blauen Lichts in rotes und grünes Licht umwandelt und eine ähnliche Leistung wie ein OLED-Bildschirm zu einem niedrigeren Preis bietet, aber die Quantenpunktschicht, die diesen Bildschirmen ihre Eigenschaften verleiht, kann noch nicht recycelt werden. ⓘ

Da LCD-Bildschirme keine Phosphore verwenden, brennen sie nur selten ein, wenn ein statisches Bild über einen längeren Zeitraum auf einem Bildschirm angezeigt wird, z. B. der Tabellenrahmen für den Flugplan einer Fluggesellschaft auf einem Hallenschild. LCD-Bildschirme sind jedoch anfällig für das Nachleuchten von Bildern. Der LCD-Bildschirm ist energieeffizienter und kann sicherer entsorgt werden als ein CRT-Bildschirm. Aufgrund seines geringen Stromverbrauchs kann er in batteriebetriebenen elektronischen Geräten effizienter eingesetzt werden als ein CRT-Bildschirm. Bis 2008 überstieg der jährliche Absatz von Fernsehgeräten mit LCD-Bildschirmen weltweit den Absatz von CRT-Geräten, und die CRT wurde für die meisten Zwecke überflüssig. ⓘ

Flüssigkristallbildschirm (Touchscreen) eines Tablet-PCs ⓘ

Flüssigkristallanzeige auf der Rückseite einer Digitalkamera ⓘ

Kombination aus Ziffernanzeige und Skalenanzeige auf der nicht selbst leuchtenden Flüssigkristallanzeige eines Digitalmultimeters ⓘ

Interna eines handelsüblichen TFT-Monitors. Leuchtröhren mit Diffusorelementen, TFT-Folie mit Ansteuerplatine ⓘ

Ein Full-HD-Flüssigkristallmonitor ⓘ

Eine Flüssigkristallanzeige oder ein Flüssigkristallbildschirm (englisch liquid crystal display, kurz: LCD oder LC-Display) ist eine Anzeige oder ein Bildschirm (engl. display), dessen Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird. ⓘ

LCDs bestehen aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Transparenz ändern können. Dazu wird mit elektrischer Spannung in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht. Polarisiertes Licht wird mittels Polarisationsfiltern erzeugt, welche entweder einfallendes Umgebungslicht bei reflektierenden Anzeigen oder Licht einer Hintergrundbeleuchtung bei Anzeigen im Transmissionsmodus filtern. Soll ein Display beliebige Inhalte darstellen können, sind die Segmente in einem gleichmäßigen Raster angeordnet (siehe Pixel). Bei Geräten, die nur bestimmte Zeichen darstellen sollen, haben die Segmente oft eine speziell darauf abgestimmte Form, so bei der Sieben-Segment-Anzeige zur Darstellung von Zahlen (siehe auch Matrixanzeige). Eine Weiterentwicklung ist das Aktiv-Matrix-Display, das zur Ansteuerung eine Matrix von Dünnschichttransistoren (engl. thin-film transistor, TFT) enthält. Bei Flachbildschirmen dominiert diese Technik seit etwa 2005. ⓘ

LCDs finden Verwendung an vielen elektronischen Geräten, etwa in der Unterhaltungselektronik, an Messgeräten, Mobiltelefonen, Digitaluhren und Taschenrechnern. Auch bestimmte Head-up-Displays und Videoprojektoren arbeiten mit dieser Technik. ⓘ

Allgemeine Merkmale

Ein LCD-Bildschirm, der als Anzeigetafel für Reisende verwendet wird ⓘ

Jedes Pixel eines LCD-Bildschirms besteht in der Regel aus einer Schicht von Molekülen, die zwischen zwei transparenten Elektroden, häufig aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), und zwei Polarisationsfiltern (Parallel- und Senkrechtpolarisatoren) angeordnet sind, deren Übertragungsachsen (in den meisten Fällen) senkrecht zueinander stehen. Ohne den Flüssigkristall zwischen den Polarisationsfiltern würde das Licht, das durch den ersten Filter fällt, durch den zweiten (gekreuzten) Polarisator blockiert werden. Bevor ein elektrisches Feld angelegt wird, wird die Orientierung der Flüssigkristallmoleküle durch die Ausrichtung an den Oberflächen der Elektroden bestimmt. In einem Twisted-Nematic-Bauelement (TN) stehen die Richtungen der Oberflächenausrichtung an den beiden Elektroden senkrecht zueinander, so dass sich die Moleküle in einer spiralförmigen Struktur anordnen oder verdrehen. Dies führt zu einer Drehung der Polarisation des einfallenden Lichts, und das Bauelement erscheint grau. Wenn die angelegte Spannung groß genug ist, sind die Flüssigkristallmoleküle in der Mitte der Schicht fast vollständig unverdrillt und die Polarisation des einfallenden Lichts wird beim Durchgang durch die Flüssigkristallschicht nicht gedreht. Dieses Licht ist dann hauptsächlich senkrecht zum zweiten Filter polarisiert und wird somit blockiert, so dass das Pixel schwarz erscheint. Durch die Steuerung der Spannung, die an die Flüssigkristallschicht in jedem Pixel angelegt wird, kann das Licht in unterschiedlichen Mengen durchgelassen werden, wodurch verschiedene Graustufen entstehen. ⓘ

Die chemische Formel der in LCDs verwendeten Flüssigkristalle kann variieren. Die Formeln können patentiert sein. Ein Beispiel ist eine Mischung aus 2-(4-Alkoxyphenyl)-5-alkylpyrimidin und Cyanobiphenyl, die von Merck und Sharp Corporation patentiert wurde. Das Patent, das diese spezielle Mischung abdeckte, ist abgelaufen. ⓘ

Die meisten Farb-LCD-Systeme verwenden die gleiche Technik, wobei Farbfilter zur Erzeugung roter, grüner und blauer Subpixel eingesetzt werden. Die LCD-Farbfilter werden in einem fotolithografischen Verfahren auf großen Glasplatten hergestellt, die später mit anderen Glasplatten, die ein TFT-Array, Abstandshalter und Flüssigkristalle enthalten, verklebt werden, so dass mehrere Farb-LCDs entstehen, die dann voneinander getrennt und mit Polarisatorplatten laminiert werden. Es werden rote, grüne, blaue und schwarze Fotoresists (Fotolacke) verwendet. Alle Resists enthalten ein fein gemahlenes Pigment, dessen Partikel nur 40 Nanometer groß sind. Der schwarze Fotolack wird als erstes aufgetragen; dadurch entsteht ein schwarzes Gitter (in der Branche als schwarze Matrix bezeichnet), das die roten, grünen und blauen Subpixel voneinander trennt, das Kontrastverhältnis erhöht und verhindert, dass Licht von einem Subpixel auf andere umliegende Subpixel durchdringt. Nachdem das schwarze Resist in einem Ofen getrocknet und durch eine Fotomaske mit UV-Licht belichtet wurde, werden die unbelichteten Bereiche abgewaschen, wodurch ein schwarzes Gitter entsteht. Anschließend wird derselbe Vorgang mit den restlichen Resisten wiederholt. Auf diese Weise werden die Löcher im schwarzen Gitter mit den entsprechenden farbigen Resists aufgefüllt. Eine andere Methode zur Farberzeugung, die in frühen Farb-PDAs und einigen Taschenrechnern verwendet wurde, bestand darin, die Spannung in einem super-twisted nematic LCD zu variieren, wobei die variable Verdrehung zwischen enger beieinander liegenden Platten eine variierende Doppelbrechung verursacht und so den Farbton verändert. Sie waren in der Regel auf 3 Farben pro Pixel beschränkt: Orange, Grün und Blau. ⓘ

LCD in einem Rechner von Texas Instruments, bei dem der obere Polarisator aus dem Gerät entfernt und aufgesetzt wurde, so dass die oberen und unteren Polarisatoren senkrecht zueinander stehen. Dadurch werden die Farben invertiert. ⓘ

Die optische Wirkung eines TN-Bauelements im eingeschalteten Zustand ist weit weniger von Schwankungen der Bauelementedicke abhängig als im ausgeschalteten Zustand. Aus diesem Grund werden TN-Displays mit geringem Informationsgehalt und ohne Hintergrundbeleuchtung in der Regel zwischen gekreuzten Polarisatoren betrieben, so dass sie im spannungslosen Zustand hell erscheinen (das Auge reagiert viel empfindlicher auf Schwankungen im dunklen Zustand als im hellen Zustand). Die meisten LCDs aus dem Jahr 2010, die in Fernsehgeräten, Monitoren und Smartphones verwendet werden, verfügen über hochauflösende Matrixanordnungen von Pixeln zur Anzeige beliebiger Bilder mit Hintergrundbeleuchtung vor dunklem Hintergrund. Wenn kein Bild angezeigt wird, werden andere Anordnungen verwendet. TN-LCDs werden zu diesem Zweck zwischen parallelen Polarisatoren betrieben, während IPS-LCDs über gekreuzte Polarisatoren verfügen. In vielen Anwendungen haben IPS-LCDs die TN-LCDs ersetzt, insbesondere in Smartphones. Sowohl das Flüssigkristallmaterial als auch das Material der Ausrichtungsschicht enthalten ionische Verbindungen. Wenn ein elektrisches Feld einer bestimmten Polarität über einen längeren Zeitraum angelegt wird, wird dieses ionische Material von den Oberflächen angezogen und verschlechtert die Leistung des Geräts. Dies wird entweder durch das Anlegen eines Wechselstroms oder durch die Umkehrung der Polarität des elektrischen Feldes bei der Ansteuerung des Geräts vermieden (die Reaktion der Flüssigkristallschicht ist unabhängig von der Polarität des angelegten Feldes identisch). ⓘ

Eine Casio Alarm Chrono Digitaluhr mit LCD ⓘ

Anzeigen für eine geringe Anzahl einzelner Ziffern oder fester Symbole (wie bei Digitaluhren und Taschenrechnern) können mit unabhängigen Elektroden für jedes Segment realisiert werden. Im Gegensatz dazu werden vollalphanumerische oder variable grafische Anzeigen in der Regel mit Pixeln realisiert, die in einer Matrix angeordnet sind, die aus elektrisch verbundenen Zeilen auf der einen Seite der LC-Schicht und Spalten auf der anderen Seite besteht, was die Adressierung jedes Pixels an den Kreuzungspunkten ermöglicht. Die allgemeine Methode der Matrixadressierung besteht darin, eine Seite der Matrix sequentiell zu adressieren, indem z. B. die Zeilen einzeln ausgewählt und die Bildinformationen auf der anderen Seite zeilenweise auf die Spalten angewendet werden. Einzelheiten zu den verschiedenen Matrixadressierungsschemata finden Sie unter passiv- und aktivmatrixadressierte LCDs. ⓘ

LCDs und OLED-Displays werden in Reinräumen hergestellt, wobei Techniken aus der Halbleiterfertigung übernommen und große Glasscheiben verwendet werden, deren Größe im Laufe der Zeit zugenommen hat. Mehrere Displays werden gleichzeitig hergestellt und dann aus der Glasscheibe, auch Mutterglas oder LCD-Glassubstrat genannt, geschnitten. Durch die Vergrößerung können mehr oder größere Displays hergestellt werden, ähnlich wie bei der Halbleiterherstellung mit immer größeren Wafern. Die Glasgrößen sind wie folgt:

Generation	Länge [mm]	Höhe [mm]	Jahr der Einführung	Referenzen ⓘ
GEN 1	200–300	200–400	1990
GEN 2	370	470
GEN 3	550	650	1996–1998
GEN 3.5	600	720	1996
GEN 4	680	880	2000–2002
GEN 4.5	730	920	2000–2004
GEN 5	1100	1250–1300	2002–2004
GEN 5.5	1300	1500
GEN 6	1500	1800–1850	2002–2004
GEN 7	1870	2200	2003
GEN 7.5	1950	2250
GEN 8	2160	2460
GEN 8.5	2200	2500	2007–2016
GEN 8.6	2250	2600	2016
GEN 10	2880	3130	2009
GEN 10.5 (auch bekannt als GEN 11)	2940	3370	2018

Bis zur Generation 8 konnten sich die Hersteller nicht auf eine einheitliche Mutterglasgröße einigen, so dass verschiedene Hersteller leicht unterschiedliche Glasgrößen für dieselbe Generation verwendeten. Einige Hersteller haben Mutterglasplatten der Generation 8.6 verwendet, die nur geringfügig größer sind als die der Generation 8.5, so dass mehr 50- und 58-Zoll-LCDs pro Mutterglas hergestellt werden können, insbesondere 58-Zoll-LCDs, bei denen 6 Stück auf einem Mutterglas der Generation 8.6 gegenüber nur 3 Stück auf einem Mutterglas der Generation 8.5 hergestellt werden können, was den Ausschuss erheblich verringert. Auch die Dicke des Mutterglases nimmt mit jeder Generation zu, so dass größere Muttergläser besser für größere Displays geeignet sind. Ein LCD-Modul (LCM) ist ein gebrauchsfertiges LCD mit einer Hintergrundbeleuchtung. Eine Fabrik, die LCD-Module herstellt, stellt also nicht notwendigerweise auch LCDs her, sondern baut sie möglicherweise nur zu Modulen zusammen. LCD-Glassubstrate werden von Unternehmen wie AGC Inc., Corning Inc. und Nippon Electric Glass hergestellt. ⓘ

In Flüssigkristalldisplays verwendete Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch von Festkörpern aufweisen. Sie sind einerseits mehr oder weniger fluide als eine Flüssigkeit, andererseits zeigen sie Eigenschaften wie Doppelbrechung. ⓘ

Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement lässt sich mit der Schadt-Helfrich-Zelle (nematische Drehzelle, engl. twisted nematic, TN-Zelle) realisieren. In nebenstehender Darstellung sind nur die Bestandteile der unteren Hälfte einer solchen Drehzelle nummeriert. Die Bezugsnummern (x) sind in dieser Beschreibung eingefügt. Die Innenseiten zweier sehr dünner Glasplatten (Substrate) (4) sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) (3) überzogen, dazwischen befindet sich die Flüssigkristallschicht (1) von weniger als 10 Mikrometer Dicke. Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, nämlich parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid (2) beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche. Die Vorzugsrichtungen der beiden Substratplatten sind um 90° zueinander verdreht. Bei der Herstellung handgefertigter Prototypen kann man zum Bürsten Polystyrolschaum oder mit samtartigen Textilien beschichtete Walzen benutzen. ⓘ

Taschenrechner, dessen Polarisationsfilter entnommen und 90° gedreht über das Display gelegt wurde. ⓘ

Zusätzlich sind die beiden Substratplatten (4) mit um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern (5) beschichtet. Auf der Rückseite dieser Anordnung kann sich ein Spiegel (6) befinden (Reflektor oder Transreflektor), der das einfallende Licht zurückwirft (reflexive Betriebsart). In der transmissiven Betriebsart befindet sich anstelle des Reflektors eine Beleuchtungseinheit hinter dem Anzeigeelement. ⓘ

Ordnet man die Polarisationsfilter parallel zueinander an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und wird erst mit zunehmender Spannung transparent. Man spricht dann vom Normally-Black-Mode. Die Schadt-Helfrich-Zelle ist also (wie andere Flüssigkristallanzeigen auch) ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Bildschirm kann aus beliebig vielen solcher Zellen (Bildelemente, Pixel) bestehen. Beim Taschenrechner stellt eine einfache 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem farbfähigen Bildschirm werden pro Bildelement (Pixel) drei Teilbildelemente (Subpixel) für die Grundfarben Rot, Grün und Blau verwendet. ⓘ

Geschichte

Die Ursprünge und die komplexe Geschichte der Flüssigkristallbildschirme aus der Sicht eines Insiders der Anfangszeit wurden von Joseph A. Castellano in Liquid Gold: The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry" beschrieben. Ein weiterer Bericht über die Ursprünge und die Geschichte von LCD aus einer anderen Perspektive bis 1991 wurde von Hiroshi Kawamoto veröffentlicht und ist im IEEE History Center erhältlich. Eine Beschreibung der Schweizer Beiträge zur LCD-Entwicklung, verfasst von Peter J. Wild, findet sich im Engineering and Technology History Wiki. ⓘ

Hintergrund

Im Jahr 1888 entdeckte Friedrich Reinitzer (1858-1927) die flüssigkristalline Natur von Cholesterin aus Karotten (d.h. zwei Schmelzpunkte und Erzeugung von Farben) und veröffentlichte seine Ergebnisse auf einer Sitzung der Wiener Chemischen Gesellschaft am 3. Mai 1888 (F. Reinitzer: Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins, Monatshefte für Chemie (Wien) 9, 421-441 (1888)). 1904 veröffentlichte Otto Lehmann sein Werk "Flüssige Kristalle" (Liquid Crystals). 1911 experimentierte Charles Mauguin erstmals mit Flüssigkristallen, die zwischen Platten in dünnen Schichten eingeschlossen waren. ⓘ

1922 beschrieb Georges Friedel die Struktur und die Eigenschaften von Flüssigkristallen und teilte sie in drei Typen ein (Nematik, Smektik und Cholesterik). 1927 entwickelte Vsevolod Frederiks das elektrisch geschaltete Lichtventil, den so genannten Fréedericksz-Übergang, der den wesentlichen Effekt der gesamten LCD-Technologie darstellt. 1936 patentierte die Marconi Wireless Telegraph Company die erste praktische Anwendung der Technologie, das "Liquid Crystal Light Valve". 1962 wurde die erste größere englischsprachige Publikation Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals von Dr. George W. Gray veröffentlicht. 1962 entdeckte Richard Williams von RCA, dass Flüssigkristalle einige interessante elektrooptische Eigenschaften haben, und er realisierte einen elektrooptischen Effekt, indem er durch Anlegen einer Spannung Streifenmuster in einer dünnen Schicht aus Flüssigkristallmaterial erzeugte. Dieser Effekt beruht auf einer elektrohydrodynamischen Instabilität, die im Flüssigkristall so genannte "Williams-Domänen" bildet. ⓘ

Der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) wurde 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden und 1960 vorgestellt. Aufbauend auf ihrer Arbeit mit MOSFETs entwickelte Paul K. Weimer bei RCA 1962 den Dünnfilmtransistor (TFT). Dabei handelte es sich um einen MOSFET-Typ, der sich von den Standard-MOSFETs unterschied. ⓘ

1960s

1964 gelang George H. Heilmeier, der damals in den RCA-Laboratorien an dem von Williams entdeckten Effekt arbeitete, die Umschaltung von Farben durch die feldinduzierte Neuausrichtung dichroitischer Farbstoffe in einem homöotropisch orientierten Flüssigkristall. Praktische Probleme mit diesem neuen elektrooptischen Effekt veranlassten Heilmeier, weiter an Streueffekten in Flüssigkristallen zu arbeiten und schließlich die erste funktionsfähige Flüssigkristallanzeige zu entwickeln, die auf dem von ihm so genannten dynamischen Streumodus (DSM) basiert. Das Anlegen einer Spannung an eine DSM-Anzeige schaltet die ursprünglich klare, transparente Flüssigkristallschicht in einen milchig-trüben Zustand. DSM-Anzeigen konnten sowohl im transmissiven als auch im reflektiven Modus betrieben werden, erforderten jedoch einen beträchtlichen Stromfluss für ihren Betrieb. George H. Heilmeier wurde in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen und wird für die Erfindung der LCDs verantwortlich gemacht. Heilmeiers Arbeit ist ein IEEE-Meilenstein. ⓘ

In den späten 1960er Jahren leistete das britische Royal Radar Establishment in Malvern, England, Pionierarbeit auf dem Gebiet der Flüssigkristalle. Das Team des RRE unterstützte die laufenden Arbeiten von George William Gray und seinem Team an der Universität Hull, die schließlich die Cyanobiphenyl-Flüssigkristalle entdeckten, die die richtigen Stabilitäts- und Temperatureigenschaften für die Anwendung in LCDs hatten. ⓘ

Die Idee einer TFT-basierten Flüssigkristallanzeige (LCD) wurde 1968 von Bernard Lechner von RCA Laboratories entwickelt. Lechner, F.J. Marlowe, E.O. Nester und J. Tults demonstrierten das Konzept 1968 mit einer 18x2-Matrix-LCD mit dynamischem Streumodus (DSM), die diskrete Standard-MOSFETs verwendete. ⓘ

1970s

Am 4. Dezember 1970 wurde der verdrillte nematische Feldeffekt (TN) in Flüssigkristallen von Hoffmann-LaRoche in der Schweiz zum Patent angemeldet (Schweizer Patent Nr. 532 261), wobei Wolfgang Helfrich und Martin Schadt (damals für die Zentralen Forschungslaboratorien tätig) als Erfinder aufgeführt wurden. Hoffmann-La Roche lizenzierte die Erfindung an den Schweizer Hersteller Brown, Boveri & Cie, seinen damaligen Joint-Venture-Partner, der in den 1970er Jahren TN-Displays für Armbanduhren und andere Anwendungen für die internationalen Märkte herstellte, darunter auch für die japanische Elektronikindustrie, die bald die ersten digitalen Quarz-Armbanduhren mit TN-LCDs und zahlreiche andere Produkte produzierte. James Fergason, der mit Sardari Arora und Alfred Saupe am Kent State University Liquid Crystal Institute zusammenarbeitete, meldete am 22. April 1971 ein identisches Patent in den Vereinigten Staaten an. 1971 stellte das Unternehmen von Fergason, ILIXCO (heute LXD Incorporated), LCDs auf der Grundlage des TN-Effekts her, die die minderwertigen DSM-Typen aufgrund von Verbesserungen durch niedrigere Betriebsspannungen und geringeren Stromverbrauch bald ablösten. Tetsuro Hama und Izuhiko Nishimura von Seiko erhielten im Februar 1971 ein US-Patent für eine elektronische Armbanduhr, die ein TN-LCD enthielt. Im Jahr 1972 wurde die erste Armbanduhr mit TN-LCD auf den Markt gebracht: Die Gruen Teletime, eine Uhr mit vierstelliger Anzeige. ⓘ

1972 wurde das Konzept der Aktivmatrix-Dünnschichttransistoren (TFT) für Flüssigkristallanzeigen in den Vereinigten Staaten von T. Peter Brodys Team bei Westinghouse in Pittsburgh, Pennsylvania, als Prototyp entwickelt. 1973 demonstrierten Brody, J. A. Asars und G. D. Dixon in den Westinghouse Research Laboratories die erste Dünnschichttransistor-Flüssigkristallanzeige (TFT LCD). Seit 2013 verwenden alle modernen hochauflösenden und hochwertigen elektronischen Bildschirme TFT-basierte Aktivmatrix-Displays. Brody und Fang-Chen Luo demonstrierten 1974 die erste flache Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige (AM LCD), woraufhin Brody 1975 den Begriff "Aktivmatrix" prägte. ⓘ

1972 führte die nordamerikanische Rockwell Microelectronics Corp die Verwendung von DSM-LCDs für Taschenrechner ein, die von Lloyds Electronics Inc. vermarktet wurden. Die Sharp Corporation folgte 1973 mit DSM-LCDs für Taschenrechner und 1975 mit massenproduzierten TN-LCDs für Uhren. Andere japanische Unternehmen übernahmen bald eine führende Position auf dem Markt für Armbanduhren, wie z. B. Seiko mit seiner ersten 6-stelligen TN-LCD-Quarz-Armbanduhr und Casio mit der Casiotron". Farb-LCDs, die auf Guest-Host-Interaktion basieren, wurden 1968 von einem Team bei RCA erfunden. Ein besonderer Typ eines solchen Farb-LCDs wurde in den 1970er Jahren von der japanischen Sharp Corporation entwickelt, die Patente für ihre Erfindungen erhielt, z. B. ein Patent von Shinji Kato und Takaaki Miyazaki im Mai 1975, das dann von Fumiaki Funada und Masataka Matsuura im Dezember 1975 verbessert wurde. TFT-LCDs, die den 1972 von einem Westinghouse-Team entwickelten Prototypen ähnelten, wurden 1976 von einem Sharp-Team, bestehend aus Fumiaki Funada, Masataka Matsuura und Tomio Wada, patentiert und 1977 von einem Sharp-Team, bestehend aus Kohei Kishi, Hirosaku Nonomura, Keiichiro Shimizu und Tomio Wada, verbessert. Diese TFT-LCDs waren jedoch noch nicht für den Einsatz in Produkten geeignet, da die Probleme mit den Materialien für die TFTs noch nicht gelöst waren. ⓘ

1980s

1983 erfanden Forscher des Forschungszentrums von Brown, Boveri & Cie (BBC) in der Schweiz die super-twisted nematic (STN) Struktur für passivmatrixadressierte LCDs. H. Amstutz et al. wurden in den entsprechenden Patentanmeldungen, die am 7. Juli 1983 und am 28. Oktober 1983 in der Schweiz eingereicht wurden, als Erfinder aufgeführt. Die Patente wurden in der Schweiz CH 665491, in Europa EP 0131216, U.S. Patent 4,634,229 und in vielen anderen Ländern erteilt. 1980 gründete Brown Boveri ein 50/50-Joint-Venture mit dem niederländischen Unternehmen Philips, genannt Videlec. Philips verfügte über das erforderliche Know-how, um integrierte Schaltkreise für die Steuerung großer LCD-Bildschirme zu entwickeln und zu bauen. Darüber hinaus hatte Philips einen besseren Zugang zu den Märkten für elektronische Bauteile und beabsichtigte, LCDs in neuen Produktgenerationen von Hi-Fi-Geräten, Videogeräten und Telefonen einzusetzen. 1984 erfanden die Philips-Forscher Theodorus Welzen und Adrianus de Vaan ein Video-Speed-Drive-Verfahren, das die langsame Reaktionszeit von STN-LCDs löste und hochauflösende, qualitativ hochwertige und ruckelfreie Videobilder auf STN-LCDs ermöglichte. 1985 lösten die Philips Erfinder Theodorus Welzen und Adrianus de Vaan das Problem der Ansteuerung von hochauflösenden STN-LCDs mit Niederspannungselektronik (auf CMOS-Basis) und ermöglichten so den Einsatz von qualitativ hochwertigen LCD-Panels (hohe Auflösung und Videogeschwindigkeit) in batteriebetriebenen tragbaren Produkten wie Notebooks und Mobiltelefonen. 1985 erwarb Philips 100 % des Unternehmens Videlec AG mit Sitz in der Schweiz. Danach verlagerte Philips die Produktionslinien von Videlec in die Niederlande. Jahre später produzierte und vermarktete Philips erfolgreich komplette Module (bestehend aus LCD-Bildschirm, Mikrofon, Lautsprechern usw.) in Großserienproduktion für die boomende Mobiltelefonindustrie. ⓘ

Die ersten LCD-Farbfernseher wurden in Japan als Handheld-Fernseher entwickelt. Im Jahr 1980 begann die Forschungs- und Entwicklungsgruppe von Hattori Seiko mit der Entwicklung von LCD-Farbfernsehern für die Hosentasche. 1982 brachte Seiko Epson den ersten LCD-Fernseher auf den Markt, die Epson TV Watch, eine Armbanduhr, die mit einem kleinen Aktivmatrix-LCD-Fernseher ausgestattet war. Die Sharp Corporation führte 1983 das Punktmatrix-TN-LCD ein. 1984 brachte Epson den ET-10 auf den Markt, den ersten vollfarbigen LCD-Fernseher für die Hosentasche. Im selben Jahr führte Citizen Watch den Citizen Pocket TV ein, einen 2,7-Zoll-LCD-Farbfernseher mit dem ersten kommerziellen TFT-LCD. 1988 stellte Sharp einen 14-Zoll-Aktivmatrix-TFT-LCD-Fernseher vor, der vollfarbig und voll beweglich war. Dies führte in Japan zur Gründung einer LCD-Industrie, die großformatige LCDs, einschließlich TFT-Computermonitore und LCD-Fernseher, entwickelte. Epson entwickelte die 3LCD-Projektionstechnologie in den 1980er Jahren und lizenzierte sie 1988 für den Einsatz in Projektoren. Der VPJ-700 von Epson, der im Januar 1989 auf den Markt kam, war der weltweit erste kompakte, vollfarbige LCD-Projektor. ⓘ

1990s

1990 konzipierten Erfinder unter verschiedenen Bezeichnungen elektrooptische Effekte als Alternativen zu LCDs mit verdrilltem nematischen Feldeffekt (TN- und STN-LCDs). Ein Ansatz war die Verwendung von Interdigitalelektroden auf nur einem Glassubstrat, um ein elektrisches Feld im Wesentlichen parallel zu den Glassubstraten zu erzeugen. Um die Eigenschaften dieser In-Plane-Switching-Technologie (IPS) in vollem Umfang nutzen zu können, waren weitere Arbeiten erforderlich. Nach gründlicher Analyse wurden Details vorteilhafter Ausführungsformen von Günter Baur et al. in Deutschland angemeldet und in verschiedenen Ländern patentiert. Das Fraunhofer-Institut ISE in Freiburg, an dem die Erfinder arbeiteten, überträgt diese Patente an die Merck KGaA in Darmstadt, einen Lieferanten von LC-Substanzen. 1992, kurz danach, arbeiten Ingenieure bei Hitachi verschiedene praktische Details der IPS-Technologie aus, um die Dünnschichttransistoranordnung als Matrix zu verschalten und unerwünschte Streufelder zwischen den Pixeln zu vermeiden. ⓘ

Hitachi verbesserte auch die Blickwinkelabhängigkeit weiter, indem die Form der Elektroden optimiert wurde (Super IPS). NEC und Hitachi sind die ersten Hersteller von Aktivmatrix-LCDs, die auf der IPS-Technologie basieren. Dies ist ein Meilenstein für die Einführung großformatiger LCDs mit akzeptabler visueller Leistung für Flachbildschirme für Computer und Fernsehen. 1996 entwickelte Samsung die optische Strukturierungstechnik, die Multi-Domain-LCDs ermöglicht. Multi-Domain und In-Plane-Switching bleiben in der Folge bis 2006 die dominierenden LCD-Designs. In den späten 1990er Jahren begann die LCD-Industrie, sich von Japan in Richtung Südkorea und Taiwan und später nach China zu verlagern. ⓘ

2000er-2010er Jahre

2007 übertraf die Bildqualität von LCD-Fernsehern die von Röhrenfernsehern (CRT). Im vierten Quartal 2007 übertrafen LCD-Fernseher zum ersten Mal die CRT-Fernseher bei den weltweiten Verkäufen. Laut Displaybank wird der Anteil der LCD-Fernseher an den 200 Millionen Fernsehgeräten, die 2006 weltweit ausgeliefert werden, voraussichtlich 50 % betragen. Im Oktober 2011 kündigte Toshiba ein LCD-Panel mit einer Auflösung von 2560 × 1600 Pixeln auf einem 6,1-Zoll-Panel (155 mm) an, das sich für die Verwendung in einem Tablet-Computer eignet, insbesondere für die Anzeige chinesischer Schriftzeichen. In den 2010er Jahren setzte sich auch das TGP-Verfahren (Tracking Gate-line in Pixel) durch, bei dem die Ansteuerungsschaltung von den Rändern des Bildschirms in den Bereich zwischen den Pixeln verlagert wird, was schmale Ränder ermöglicht. LCDs können transparent und flexibel gemacht werden, aber sie können kein Licht ohne Hintergrundbeleuchtung ausstrahlen wie OLED und microLED, die andere Technologien sind, die ebenfalls flexibel und transparent gemacht werden können. Spezielle Folien können verwendet werden, um den Betrachtungswinkel von LCDs zu vergrößern. ⓘ

Im Jahr 2016 entwickelte Panasonic IPS-LCDs mit einem Kontrastverhältnis von 1.000.000:1, die es mit OLEDs aufnehmen können. Diese Technologie wurde später als Dual-Layer-, Dual-Panel- oder LMCL-LCDs (Light Modulating Cell Layer) in die Massenproduktion eingeführt. Bei dieser Technologie werden zwei Flüssigkristallschichten statt einer verwendet, und sie kann zusammen mit einer Mini-LED-Hintergrundbeleuchtung und Quantenpunktplatten eingesetzt werden. ⓘ

Beleuchtung

Da LCDs kein eigenes Licht erzeugen, benötigen sie externes Licht, um ein sichtbares Bild zu erzeugen. Bei einem transmissiven LCD-Typ befindet sich die Lichtquelle auf der Rückseite des Glasstapels und wird als Hintergrundbeleuchtung bezeichnet. Aktiv-Matrix-LCDs sind fast immer hintergrundbeleuchtet. Passive LCDs können von hinten beleuchtet sein, aber viele verwenden einen Reflektor auf der Rückseite des Glasstapels, um das Umgebungslicht zu nutzen. Transflektive LCDs kombinieren die Eigenschaften eines hintergrundbeleuchteten transmissiven Displays und eines reflektiven Displays. ⓘ

Die gängigsten Implementierungen der LCD-Hintergrundbeleuchtungstechnologie sind:

18 parallele CCFLs als Hintergrundbeleuchtung für einen 42-Zoll (106 cm) LCD-Fernseher ⓘ

• CCFL: Der LCD-Bildschirm wird entweder von zwei Kaltkathoden-Leuchtstofflampen beleuchtet, die an gegenüberliegenden Kanten des Bildschirms angebracht sind, oder von einer Anordnung paralleler CCFLs hinter größeren Bildschirmen. Ein Diffusor (aus PMMA-Acrylplastik, auch als Wellen- oder Lichtleiterplatte bekannt) verteilt das Licht dann gleichmäßig über den gesamten Bildschirm. Viele Jahre lang wurde fast ausschließlich diese Technik verwendet. Im Gegensatz zu weißen LEDs haben die meisten CCFLs ein gleichmäßiges weißes Lichtspektrum, was zu einer besseren Farbskala für das Display führt. Allerdings sind CCFLs weniger energieeffizient als LEDs und erfordern einen etwas kostspieligen Inverter, um die vom Gerät verwendete Gleichspannung (in der Regel 5 oder 12 V) in die für die Beleuchtung einer CCFL erforderlichen ≈1000 V umzuwandeln. Die Dicke der Invertertransformatoren schränkt auch ein, wie dünn die Anzeige gemacht werden kann.
• EL-WLED: Der LCD-Bildschirm wird von einer Reihe weißer LEDs beleuchtet, die an einem oder mehreren Rändern des Bildschirms angebracht sind. Ein Lichtdiffusor (Lichtleiterplatte, LGP) wird dann verwendet, um das Licht gleichmäßig über das gesamte Display zu verteilen, ähnlich wie bei kantenbeleuchteten CCFL-LCD-Hintergrundbeleuchtungen. Der Diffusor besteht entweder aus PMMA-Kunststoff oder aus Spezialglas. PMMA wird in den meisten Fällen verwendet, weil es robust ist, während Spezialglas verwendet wird, wenn die Dicke des LCD-Bildschirms im Vordergrund steht, weil es sich bei Erwärmung oder Feuchtigkeit nicht so stark ausdehnt, wodurch LCDs nur 5 mm dick sein können. Quantenpunkte können als Quantenpunkt-Verbesserungsfilm (QDEF) auf dem Diffusor oder auf dem Farbfilter des LCDs platziert werden und so die normalerweise verwendeten Resists ersetzen. Seit 2012 ist dieses Design das beliebteste bei Desktop-Computermonitoren. Es ermöglicht die dünnsten Bildschirme. Einige LCD-Monitore, die diese Technologie verwenden, verfügen über eine Funktion namens dynamischer Kontrast, die von den Philips-Forschern Douglas Stanton, Martinus Stroomer und Adrianus de Vaan erfunden wurde. Mithilfe von PWM (Pulsweitenmodulation, einer Technologie, bei der die Intensität der LEDs konstant gehalten wird, die Helligkeitsanpassung jedoch durch die Variation eines Zeitintervalls des Blinkens dieser Lichtquellen mit konstanter Lichtintensität erreicht wird) wird die Hintergrundbeleuchtung auf die hellste Farbe gedimmt, die auf dem Bildschirm erscheint, während gleichzeitig der LCD-Kontrast auf das maximal erreichbare Niveau angehoben wird, wodurch das 1000: Das Kontrastverhältnis des LCD-Bildschirms von 1:1 kann auf verschiedene Lichtintensitäten skaliert werden, was zu den "30000:1"-Kontrastverhältnissen führt, die man in der Werbung für einige dieser Monitore sieht. Da Computerbildschirme in der Regel irgendwo im Bild ein volles Weiß aufweisen, wird die Hintergrundbeleuchtung in der Regel mit voller Intensität betrieben, so dass diese "Funktion" bei Computermonitoren meist nur ein Marketing-Gag ist. Bei Fernsehbildschirmen jedoch erhöht sie das wahrgenommene Kontrastverhältnis und den Dynamikbereich drastisch, verbessert die Blickwinkelabhängigkeit und reduziert den Stromverbrauch herkömmlicher LCD-Fernseher drastisch.
• WLED-Anordnung: Das LCD-Panel wird von einer ganzen Reihe weißer LEDs beleuchtet, die sich hinter einem Diffusor hinter dem Panel befinden. LCDs, die diese Implementierung verwenden, haben in der Regel die Möglichkeit, die LEDs in den dunklen Bereichen des angezeigten Bildes zu dimmen oder ganz auszuschalten, wodurch das Kontrastverhältnis des Bildschirms effektiv erhöht wird. Die Präzision, mit der dies möglich ist, hängt von der Anzahl der Dimmzonen des Bildschirms ab. Je mehr Dimmzonen, desto präziser die Dimmung, mit weniger offensichtlichen Blooming-Artefakten, die als dunkelgraue Flecken inmitten der unbeleuchteten Bereiche des LCDs sichtbar sind. Seit 2012 wird dieses Design vor allem bei gehobenen LCD-Fernsehern mit größeren Bildschirmen eingesetzt.
• RGB-LED-Anordnung: Ähnlich wie die WLED-Anordnung, nur dass der Bildschirm mit einer vollständigen Anordnung von RGB-LEDs beleuchtet wird. Während mit weißen LEDs beleuchtete Bildschirme in der Regel einen schlechteren Farbumfang haben als mit CCFL beleuchtete Bildschirme, haben mit RGB-LEDs beleuchtete Bildschirme einen sehr großen Farbumfang. Diese Implementierung ist vor allem bei professionellen Grafikbearbeitungs-LCDs beliebt. Im Jahr 2012 kosteten LCDs dieser Kategorie in der Regel mehr als 1000 $. Seit 2016 sind die Kosten in dieser Kategorie drastisch gesunken, und solche LCD-Fernseher haben das gleiche Preisniveau erreicht wie die früheren 28-Zoll (71 cm) CRT-basierten Kategorien.
• Monochrome LEDs: Rote, grüne, gelbe oder blaue LEDs werden in den kleinen passiven monochromen LCDs verwendet, die typischerweise in Uhren und Kleingeräten eingesetzt werden.
• Mini-LED: Die Hintergrundbeleuchtung mit Mini-LEDs kann über tausend Full-area Local Area Dimming (FLAD)-Zonen unterstützen. Dies ermöglicht tiefere Schwarztöne und ein höheres Kontrastverhältnis. (Nicht zu verwechseln mit MicroLED.) ⓘ

Heutzutage werden die meisten LCD-Bildschirme mit einer LED-Hintergrundbeleuchtung anstelle der traditionellen CCFL-Hintergrundbeleuchtung entwickelt, wobei diese Hintergrundbeleuchtung dynamisch mit den Videoinformationen gesteuert wird (dynamische Hintergrundbeleuchtungssteuerung). Die Kombination mit der dynamischen Hintergrundbeleuchtungssteuerung, die von den Philips-Forschern Douglas Stanton, Martinus Stroomer und Adrianus de Vaan erfunden wurde, erhöht gleichzeitig den Dynamikbereich des Bildschirmsystems (auch als HDR, High Dynamic Range Television oder Full-area Local Area Dimming (FLAD) bezeichnet). ⓘ

Die LCD-Hintergrundbeleuchtungssysteme werden durch das Aufbringen optischer Folien, wie z. B. einer prismatischen Struktur (Prismenfolie), um das Licht in die gewünschten Betrachterrichtungen zu lenken, und reflektierender polarisierender Folien, die das polarisierte Licht, das zuvor vom ersten Polarisator des LCDs (erfunden von den Philips-Forschern Adrianus de Vaan und Paulus Schaareman) absorbiert wurde, wiederverwerten, hocheffizient gemacht, was im Allgemeinen durch die Verwendung sogenannter DBEF-Folien erreicht wird, die von 3M hergestellt und geliefert werden. Verbesserte Versionen der Prismenfolie haben eher eine wellenförmige als eine prismatische Struktur und führen seitlich Wellen in die Struktur der Folie ein, während sie gleichzeitig die Höhe der Wellen variieren, um noch mehr Licht auf den Bildschirm zu lenken und Aliasing oder Moiré zwischen der Struktur der Prismenfolie und den Subpixeln des LCDs zu reduzieren. Eine wellenförmige Struktur lässt sich leichter in Massenproduktion herstellen als eine prismatische mit herkömmlichen Diamant-Werkzeugmaschinen, die für die Herstellung der Walzen verwendet werden, mit denen die wellenförmige Struktur in Kunststoffplatten eingeprägt wird, wodurch Prismenplatten entstehen. Auf beiden Seiten der Prismenplatte wird eine Diffusorplatte angebracht, um das Licht der Hintergrundbeleuchtung gleichmäßig zu verteilen, während hinter der Lichtleiterplatte ein Spiegel angebracht wird, um das gesamte Licht nach vorne zu lenken. Die Prismenplatte mit den Streuscheiben wird oben auf die Lichtleiterplatte gelegt. Die DBEF-Polarisatoren bestehen aus einem großen Stapel einachsig orientierter doppelbrechender Folien, die den zuvor absorbierten Polarisationsmodus des Lichts reflektieren. Solche reflektierenden Polarisatoren mit uniaxial orientierten polymerisierten Flüssigkristallen (doppelbrechende Polymere oder doppelbrechender Klebstoff) wurden 1989 von den Philips-Forschern Dirk Broer, Adrianus de Vaan und Jörg Brambring erfunden. Die Kombination aus solchen reflektierenden Polarisatoren und einer dynamischen LED-Hintergrundbeleuchtungssteuerung macht die heutigen LCD-Fernseher weitaus effizienter als die CRT-basierten Geräte, was zu einer weltweiten Energieeinsparung von 600 TWh (2017) führt, was 10 % des Stromverbrauchs aller Haushalte weltweit oder dem Zweifachen der Energieproduktion aller Solarzellen der Welt entspricht. ⓘ

Dank der LCD-Schicht, die die gewünschten hochauflösenden Bilder mit blitzschneller Videogeschwindigkeit unter Verwendung von Elektronik mit sehr geringem Stromverbrauch in Kombination mit LED-basierten Hintergrundbeleuchtungs-Technologien erzeugt, ist die LCD-Technologie zur vorherrschenden Display-Technologie für Produkte wie Fernsehgeräte, Desktop-Monitore, Notebooks, Tablets, Smartphones und Mobiltelefone geworden. Obwohl konkurrierende OLED-Technologien auf den Markt drängen, verfügen diese OLED-Displays nicht über die HDR-Fähigkeiten wie LCDs in Kombination mit 2D-LED-Hintergrundbeleuchtungstechnologien, weshalb der jährliche Markt für solche LCD-basierten Produkte immer noch schneller wächst (in Bezug auf das Volumen) als OLED-basierte Produkte, während die Effizienz von LCDs (und Produkten wie tragbaren Computern, Mobiltelefonen und Fernsehern) sogar noch weiter verbessert werden kann, indem verhindert wird, dass das Licht in den Farbfiltern der LCDs absorbiert wird. Solche reflektierenden Farbfilterlösungen werden von der LCD-Industrie noch nicht eingesetzt und haben es nicht weiter als bis zu Laborprototypen gebracht. Sie werden wahrscheinlich von der LCD-Industrie eingeführt werden, um die Effizienz im Vergleich zu OLED-Technologien zu erhöhen. ⓘ

Verbindung zu anderen Schaltkreisen

Ein rosafarbener Elastomeranschluss, der ein LCD-Panel mit Leiterbahnen auf der Platine verbindet, neben einem Zentimeterlineal. Die leitenden und isolierenden Schichten in dem schwarzen Streifen sind sehr klein. ⓘ

Ein Standard-Fernsehbildschirm, ein modernes LCD-Panel, hat über sechs Millionen Pixel, die alle einzeln über ein in den Bildschirm eingebettetes Drahtnetz mit Strom versorgt werden. Die feinen Drähte oder Bahnen bilden ein Gitter mit vertikalen Drähten über den gesamten Bildschirm auf der einen Seite des Bildschirms und horizontalen Drähten über den gesamten Bildschirm auf der anderen Seite des Bildschirms. In diesem Gitter hat jedes Pixel einen positiven Anschluss auf der einen Seite und einen negativen Anschluss auf der anderen Seite. Die Gesamtanzahl der Drähte, die für einen 1080p-Bildschirm benötigt werden, beträgt also 3 x 1920 vertikal und 1080 horizontal, also insgesamt 6840 Drähte horizontal und vertikal. Das sind drei für Rot, Grün und Blau und 1920 Pixelspalten für jede Farbe, also insgesamt 5760 Drähte in vertikaler Richtung und 1080 Drahtreihen in horizontaler Richtung. Für ein Panel mit einer Breite von 28,8 Zoll (73 Zentimeter) bedeutet dies eine Drahtdichte von 200 Drähten pro Zoll entlang der horizontalen Kante. ⓘ

Das LCD-Panel wird von LCD-Treibern mit Strom versorgt, die werkseitig sorgfältig an den Rand des LCD-Panels angepasst werden. Die Treiber können mit verschiedenen Methoden installiert werden, die gängigsten sind COG (Chip-On-Glass) und TAB (Tape-automated bonding). Diese Grundsätze gelten auch für Smartphone-Bildschirme, die viel kleiner sind als Fernsehbildschirme. Bei LCD-Bildschirmen werden in der Regel dünn beschichtete metallische Leiterbahnen auf einem Glassubstrat verwendet, um die Zellschaltungen für den Betrieb des Bildschirms zu bilden. In der Regel ist es nicht möglich, das Panel durch Löttechniken direkt mit einer separaten kupfergeätzten Leiterplatte zu verbinden. Stattdessen werden anisotrope leitfähige Folien oder, bei geringerer Dichte, elastomere Steckverbindungen verwendet. ⓘ

Passiv-Matrix

Prototyp einer Passiv-Matrix STN-LCD mit 540×270 Pixeln, Brown Boveri Research, Schweiz, 1984 ⓘ

Monochrome und später farbige Passiv-Matrix-LCDs waren Standard in den meisten frühen Laptops (obwohl einige wenige Plasmabildschirme verwendeten) und im ursprünglichen Nintendo Game Boy bis Mitte der 1990er Jahre, als Farb-Aktiv-Matrix in allen Laptops Standard wurde. Der kommerziell erfolglose Macintosh Portable (1989 auf den Markt gebracht) war einer der ersten Laptops mit einem Aktivmatrix-Display (allerdings noch monochrom). Passiv-Matrix-LCDs werden auch in den 2010er Jahren noch für Anwendungen verwendet, die weniger anspruchsvoll sind als Laptops und Fernsehgeräte, wie z. B. preiswerte Taschenrechner. Sie werden vor allem bei tragbaren Geräten verwendet, bei denen weniger Informationen angezeigt werden müssen, der geringste Stromverbrauch (keine Hintergrundbeleuchtung) und niedrige Kosten erwünscht sind oder die Ablesbarkeit bei direktem Sonnenlicht erforderlich ist. ⓘ

Ein Vergleich zwischen einer leeren Passiv-Matrix-Anzeige (oben) und einer leeren Aktiv-Matrix-Anzeige (unten). Ein Passiv-Matrix-Display ist daran zu erkennen, dass der leere Hintergrund grauer erscheint als das schärfere Aktiv-Matrix-Display, dass an allen Rändern des Bildschirms Nebel auftritt und dass die Bilder auf dem Bildschirm zu verblassen scheinen. ⓘ

Bildschirme mit passiver Matrixstruktur verwenden die super-twisted nematic STN (1983 vom Brown Boveri Research Center, Baden, Schweiz, erfunden; wissenschaftliche Details wurden veröffentlicht) oder die double-layer STN (DSTN)-Technologie (letztere behebt ein Farbverschiebungsproblem der ersteren) sowie color-STN (CSTN), bei denen die Farbe durch einen internen Filter hinzugefügt wird. STN-LCDs wurden für die Passiv-Matrix-Adressierung optimiert. Sie weisen einen schärferen Schwellenwert für die Kontrast-Spannungs-Kennlinie auf als die ursprünglichen TN-LCDs. Dies ist wichtig, da die Pixel auch im nicht selektierten Zustand mit Teilspannungen beaufschlagt werden. Das Übersprechen zwischen aktivierten und nicht aktivierten Pixeln muss richtig gehandhabt werden, indem die Effektivspannung der nicht aktivierten Pixel unter der von Peter J. Wild 1972 entdeckten Schwellenspannung gehalten wird, während aktivierte Pixel Spannungen über der Schwelle ausgesetzt sind (die Spannungen nach dem "Alt & Pleshko"-Ansteuerungsschema). Die Ansteuerung solcher STN-Displays nach dem Alt & Pleshko-Ansteuerungsschema erfordert sehr hohe Zeilenadressierungsspannungen. Welzen und de Vaan erfanden ein alternatives Ansteuerungsschema (ein Nicht-"Alt & Pleshko"-Ansteuerungsschema), das viel niedrigere Spannungen erfordert, so dass die STN-Anzeige mit Niederspannungs-CMOS-Technologien angesteuert werden kann. ⓘ

STN-LCDs müssen kontinuierlich aufgefrischt werden, indem während eines Bildes gepulste Spannungen mit einer Polarität und während des nächsten Bildes Impulse mit entgegengesetzter Polarität abgegeben werden. Die einzelnen Pixel werden von den entsprechenden Zeilen- und Spaltenschaltungen angesprochen. Diese Art der Anzeige wird als passiv-matrixadressiert bezeichnet, da das Pixel seinen Zustand zwischen den Auffrischungen ohne den Nutzen einer ständigen elektrischen Ladung beibehalten muss. Mit zunehmender Anzahl von Pixeln (und dementsprechend von Spalten und Zeilen) wird diese Art der Anzeige immer weniger praktikabel. Langsame Reaktionszeiten und schlechter Kontrast sind typisch für passivmatrixadressierte LCDs mit zu vielen Pixeln, die nach dem "Alt & Pleshko"-Ansteuerungsschema betrieben werden. Welzen und de Vaan erfanden auch ein Nicht-RMS-Ansteuerungsschema, das es ermöglicht, STN-Displays mit Videoraten anzusteuern und flüssige bewegte Videobilder auf einem STN-Display anzuzeigen. Citizen hat diese Patente unter anderem lizenziert und mehrere STN-basierte LCD-Taschenfernseher erfolgreich auf den Markt gebracht. ⓘ

Wie ein LCD mit Aktiv-Matrix-Struktur funktioniert ⓘ

Bistabile LCDs müssen nicht ständig aufgefrischt werden. Ein Neuschreiben ist nur bei Änderungen der Bildinformationen erforderlich. Im Jahr 1984 erfanden HA van Sprang und AJSM de Vaan eine STN-Anzeige, die in einem bistabilen Modus betrieben werden konnte, was extrem hochauflösende Bilder mit bis zu 4000 Zeilen oder mehr bei nur geringen Spannungen ermöglichte. Da sich ein Pixel in dem Moment, in dem neue Informationen in dieses Pixel geschrieben werden müssen, entweder im Ein- oder im Aus-Zustand befinden kann, ist die Adressierungsmethode dieser bistabilen Displays recht komplex, ein Grund, warum diese Displays nicht auf den Markt kamen. Das änderte sich, als im Jahr 2010 "stromlose" (bistabile) LCDs verfügbar wurden. Potenziell kann die Passiv-Matrix-Adressierung mit Geräten verwendet werden, wenn ihre Schreib-/Lösch-Eigenschaften geeignet sind, was bei E-Books der Fall war, die nur Standbilder anzeigen müssen. Nachdem eine Seite auf das Display geschrieben wurde, kann das Display von der Stromversorgung getrennt werden, wobei die Bilder lesbar bleiben. Dies hat den Vorteil, dass solche E-Books über lange Zeiträume mit nur einer kleinen Batterie betrieben werden können. ⓘ

Hochauflösende Farbbildschirme, wie moderne LCD-Computermonitore und -Fernseher, verwenden eine Aktivmatrixstruktur. Die Elektroden, die mit der LC-Schicht in Kontakt stehen, sind mit einer Matrix aus Dünnfilmtransistoren (TFTs) versehen. Jedes Pixel hat seinen eigenen Transistor, so dass jede Spaltenzeile auf ein Pixel zugreifen kann. Wird eine Zeilenleitung ausgewählt, werden alle Spaltenleitungen mit einer Reihe von Pixeln verbunden, und an alle Spaltenleitungen werden Spannungen angelegt, die der Bildinformation entsprechen. Anschließend wird die Zeile deaktiviert und die nächste Zeile ausgewählt. Bei einem Auffrischungsvorgang werden alle Zeilenzeilen nacheinander ausgewählt. Aktivmatrix-adressierte Bildschirme sehen heller und schärfer aus als passivmatrix-adressierte Bildschirme derselben Größe und haben im Allgemeinen schnellere Reaktionszeiten, was zu wesentlich besseren Bildern führt. Sharp stellt bistabile reflektierende LCDs mit einer 1-Bit-SRAM-Zelle pro Pixel her, die nur wenig Strom zur Aufrechterhaltung eines Bildes benötigt. ⓘ

Segment-LCDs können auch Farbe haben, indem sie Field Sequential Color (FSC LCD) verwenden. Diese Art von Displays hat ein passives Hochgeschwindigkeits-Segment-LCD-Panel mit einer RGB-Hintergrundbeleuchtung. Die Hintergrundbeleuchtung wechselt schnell die Farbe, so dass sie für das bloße Auge weiß erscheint. Der LCD-Bildschirm ist mit der Hintergrundbeleuchtung synchronisiert. Um beispielsweise ein Segment rot erscheinen zu lassen, wird es nur eingeschaltet, wenn die Hintergrundbeleuchtung rot ist, und um ein Segment magentafarben erscheinen zu lassen, wird es eingeschaltet, wenn die Hintergrundbeleuchtung blau ist, und bleibt eingeschaltet, wenn die Hintergrundbeleuchtung rot wird, und wird ausgeschaltet, wenn die Hintergrundbeleuchtung grün wird. Um ein Segment schwarz erscheinen zu lassen, wird das Segment immer EINgeschaltet. Ein FSC-LCD teilt ein Farbbild in drei Bilder auf (ein rotes, ein grünes und ein blaues) und zeigt diese der Reihe nach an. Aufgrund der Persistenz des Sehens erscheinen die 3 monochromatischen Bilder als ein Farbbild. Ein FSC-LCD benötigt ein LCD-Panel mit einer Bildwiederholfrequenz von 180 Hz, und die Reaktionszeit ist im Vergleich zu normalen STN-LCD-Panels, die eine Reaktionszeit von 16 Millisekunden haben, auf nur 5 Millisekunden reduziert. FSC-LCDs enthalten einen Chip-On-Glass-Treiber-IC und können auch mit einem kapazitiven Touchscreen verwendet werden. ⓘ

Samsung hat bereits 2002 UFB-Displays (Ultra Fine & Bright) eingeführt, die den superdoppelbrechenden Effekt nutzen. Es hat die Leuchtdichte, die Farbskala und den größten Teil des Kontrasts eines TFT-LCD, verbraucht aber laut Samsung nur so viel Strom wie ein STN-Display. Es wurde in einer Reihe von Samsung-Mobiltelefonmodellen verwendet, die bis Ende 2006 hergestellt wurden, als Samsung die Produktion von UFB-Displays einstellte. UFB-Displays wurden auch in bestimmten Modellen von LG-Mobiltelefonen verwendet. ⓘ

Bei Passiv-Matrix-Displays werden die Bildelemente (ein Segment oder ein Symbol) im Zeitmultiplexbetrieb angesteuert. Das heißt, dass jedes Bildelement direkt und permanent mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, deren Ausgang einen geringen Widerstand hat. Deshalb baut sich die zum Zeitpunkt der Adressierung aufgebrachte Ladung relativ schnell wieder ab und muss in der folgenden Bildperiode (engl. frame) wieder erneuert werden. Dieser Wechsel in der elektrischen Ansteuerung führt zu ausgeprägten Modulationen der optischen Antwort der Anzeige (sog. frame response). ⓘ

Bei Adressierung und Ansteuerung über eine Matrix mit aktiven Bauelementen bei Aktiv-Matrix-Displays wird zum Zeitpunkt der Adressierung eine Ladung auf das Bildelement aufgebracht, dem meist noch ein zusätzlicher Kondensator parallelgeschaltet ist (Speicherkondensator). Nach dem Aufbringen der Ladung, deren Höhe der Dateninformation entspricht, wird das aktive Bauelement (meist ein Dünnschichttransistor, TFT) wieder in den hochohmigen Zustand geschaltet, wodurch die Ladung und somit die Ansteuerung während einer Bildperiode im Wesentlichen erhalten bleibt. Diese Art der Ansteuerung bewirkt bei Aktiv-Matrix-Displays eine höhere effektive Spannung über dem Bildelement, damit eine höhere Aussteuerung des Flüssigkristalls und damit einen verbesserten Kontrast und eine reduzierte Abhängigkeit des Kontrastes von der Betrachtungsrichtung. ⓘ

Aktiv-Matrix-Technologien

Ein 1,8-Zoll-TFT-Farb-LCD von Casio, das in der digitalen Kompaktkamera Sony Cyber-shot DSC-P93A verwendet wird ⓘ

Aufbau eines Farb-LCDs mit kantenbeleuchteter CCFL-Hintergrundbeleuchtung ⓘ

Verdrillte nematische (TN)

Twisted-Nematic-Displays enthalten Flüssigkristalle, die sich in unterschiedlichem Maße verdrehen und aufdrehen, um Licht durchzulassen. Wenn keine Spannung an eine TN-Flüssigkristallzelle angelegt wird, dringt polarisiertes Licht durch die um 90 Grad verdrehte LC-Schicht. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung verdrehen sich die Flüssigkristalle, wodurch sich die Polarisation ändert und der Lichtweg blockiert wird. Durch die richtige Einstellung der Spannung kann fast jede Graustufe oder Transmission erreicht werden. ⓘ

In-Ebene-Schaltung (IPS)

In-Plane-Switching ist eine LCD-Technologie, bei der die Flüssigkristalle in einer Ebene parallel zu den Glassubstraten ausgerichtet werden. Bei dieser Methode wird das elektrische Feld über gegenüberliegende Elektroden auf demselben Glassubstrat angelegt, so dass die Flüssigkristalle im Wesentlichen in derselben Ebene neu ausgerichtet (geschaltet) werden können, obwohl Streufelder eine homogene Neuausrichtung verhindern. Dies erfordert zwei Transistoren für jeden Bildpunkt anstelle des einzigen Transistors, der für eine herkömmliche Dünnschichttransistoranzeige (TFT) benötigt wird. Die IPS-Technologie wird in Fernsehgeräten, Computermonitoren und sogar in tragbaren Geräten eingesetzt. IPS-Displays gehören zur Familie der LCD-Bildschirmtypen. Die anderen beiden Typen sind VA und TN. Vor der Einführung von LG Enhanced IPS im Jahr 2009 führten die zusätzlichen Transistoren dazu, dass ein größerer Übertragungsbereich blockiert wurde, so dass eine hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich war und mehr Strom verbraucht wurde, was diese Art von Bildschirm für Notebooks weniger wünschenswert machte. Derzeit verwendet Panasonic eine verbesserte Version von eIPS für seine großformatigen LCD-TV-Produkte sowie Hewlett-Packard für sein WebOS-basiertes TouchPad-Tablet und sein Chromebook 11. ⓘ

Nahaufnahme einer Ecke eines IPS-LCD-Panels ⓘ

Super In-Plane Switching (S-IPS)

Super-IPS wurde später nach dem In-Plane-Switching mit noch besseren Reaktionszeiten und Farbwiedergabe eingeführt. ⓘ

M+ oder RGBW-Kontroverse

Im Jahr 2015 kündigte LG Display die Einführung einer neuen Technologie namens M+ an, bei der neben den regulären RGB-Punkten auch weiße Subpixel in die IPS-Panel-Technologie integriert werden. ⓘ

Der Großteil der neuen M+-Technologie wurde bei 4K-Fernsehern eingesetzt, was zu einer Kontroverse führte, nachdem Tests gezeigt hatten, dass die Hinzufügung eines weißen Subpixels anstelle der herkömmlichen RGB-Struktur die Auflösung um etwa 25 % verringern würde. Dies bedeutet, dass ein 4K-Fernseher nicht den vollen UHD-TV-Standard darstellen kann. Die Medien und Internetnutzer nannten diese Fernseher später wegen des weißen Subpixels "RGBW". Obwohl LG Display diese Technologie für den Einsatz in Notebook-Displays, Outdoor-Geräten und Smartphones entwickelt hat, wurde sie auf dem TV-Markt populärer, da die angekündigte 4K UHD-Auflösung immer noch nicht in der Lage ist, eine echte UHD-Auflösung zu erreichen, die von der CTA als 3840x2160 aktive Pixel mit 8-Bit-Farbe definiert wird. Dies wirkt sich negativ auf die Textdarstellung aus und macht sie etwas unschärfer, was besonders auffällt, wenn ein Fernseher als PC-Monitor verwendet wird. ⓘ

IPS im Vergleich zu AMOLED

2011 behauptete LG, das Smartphone LG Optimus Black (IPS-LCD (LCD NOVA)) habe eine Helligkeit von bis zu 700 nits, während der Konkurrent nur ein IPS-LCD mit 518 nits und ein doppeltes Aktivmatrix-OLED-Display (AMOLED) mit 305 nits habe. LG behauptet außerdem, dass das NOVA-Display 50 Prozent effizienter ist als herkömmliche LCDs und nur 50 Prozent des Stroms von AMOLED-Displays verbraucht, wenn es Weiß auf dem Bildschirm erzeugt. Wenn es um das Kontrastverhältnis geht, schneidet das AMOLED-Display aufgrund der zugrundeliegenden Technologie immer noch am besten ab, da die Schwarzwerte als pechschwarz und nicht als dunkelgrau dargestellt werden. Am 24. August 2011 kündigte Nokia das Nokia 701 an und behauptete, es verfüge über das hellste Display der Welt mit 1000 nits. Der Bildschirm verfügte auch über Nokias Clearblack-Schicht, die das Kontrastverhältnis verbessert und es näher an das der AMOLED-Bildschirme bringt. ⓘ

Dieses Pixel-Layout findet sich in S-IPS-LCDs. Eine Chevron-Form wird verwendet, um den Sichtkegel (Bereich der Blickrichtungen mit gutem Kontrast und geringer Farbverschiebung) zu erweitern. ⓘ

Erweiterte Streufeldumschaltung (AFFS)

Bis 2003 unter dem Namen Fringe Field Switching (FFS) bekannt, ist Advanced Fringe Field Switching ähnlich wie IPS oder S-IPS und bietet eine bessere Leistung und einen größeren Farbumfang bei hoher Leuchtkraft. AFFS wurde von Hydis Technologies Co., Ltd, Korea (ehemals Hyundai Electronics, LCD Task Force) entwickelt. Bei Notebook-Anwendungen mit AFFS werden Farbverfälschungen minimiert und gleichzeitig ein breiterer Betrachtungswinkel für eine professionelle Anzeige beibehalten. Farbverschiebungen und -abweichungen, die durch Streulicht verursacht werden, werden durch die Optimierung der weißen Farbskala korrigiert, wodurch auch die Weiß-/Graureproduktion verbessert wird. Im Jahr 2004 lizenzierte Hydis Technologies Co., Ltd. AFFS an das japanische Unternehmen Hitachi Displays. Hitachi verwendet AFFS für die Herstellung von High-End-Panels. Im Jahr 2006 lizenzierte HYDIS AFFS an die Sanyo Epson Imaging Devices Corporation. Kurz darauf führte Hydis eine Weiterentwicklung des AFFS-Displays mit hoher Durchlässigkeit ein, die HFFS (FFS+) genannt wird. Im Jahr 2007 führte Hydis AFFS+ mit verbesserter Außenlesbarkeit ein. AFFS-Panels werden hauptsächlich in den Cockpits der neuesten Verkehrsflugzeuge eingesetzt. Seit Februar 2015 wird es jedoch nicht mehr hergestellt. ⓘ

Vertikale Ausrichtung (VA)

Vertikal ausgerichtete Displays sind eine Form von LCDs, bei denen sich die Flüssigkristalle auf natürliche Weise vertikal zu den Glassubstraten ausrichten. Wenn keine Spannung angelegt wird, bleiben die Flüssigkristalle senkrecht zum Substrat und erzeugen eine schwarze Anzeige zwischen gekreuzten Polarisatoren. Wird eine Spannung angelegt, verschieben sich die Flüssigkristalle in eine gekippte Position, so dass das Licht durchgelassen wird und je nach Stärke der durch das elektrische Feld erzeugten Neigung eine Graustufenanzeige entsteht. Das Display hat einen tieferen schwarzen Hintergrund, ein höheres Kontrastverhältnis, einen größeren Betrachtungswinkel und eine bessere Bildqualität bei extremen Temperaturen als herkömmliche Twisted-Nematic-Displays. Im Vergleich zu IPS sind die Schwarzwerte immer noch tiefer, was ein höheres Kontrastverhältnis ermöglicht, aber der Betrachtungswinkel ist enger, wodurch Farb- und insbesondere Kontrastverschiebungen deutlicher werden. ⓘ

Blauer Phasenmodus

Blue-Phase-Mode-LCDs wurden Anfang 2008 in Form von technischen Mustern vorgestellt, sind aber noch nicht in der Massenproduktion. Die physikalischen Eigenschaften von Blue-Phase-Mode-LCDs legen nahe, dass sehr kurze Schaltzeiten (≈1 ms) erreicht werden können, so dass möglicherweise eine zeitlich sequenzielle Farbsteuerung möglich ist und teure Farbfilter überflüssig werden würden. ⓘ

Qualitätskontrolle

Einige LCD-Bildschirme haben defekte Transistoren, was zu dauerhaft leuchtenden oder nicht leuchtenden Pixeln führt, die gemeinhin als "stuck pixels" bzw. "dead pixels" bezeichnet werden. Im Gegensatz zu integrierten Schaltkreisen (ICs) sind LCD-Panels mit einigen defekten Transistoren in der Regel noch brauchbar. Die Richtlinien der Hersteller bezüglich der akzeptablen Anzahl defekter Pixel variieren stark. Samsung verfolgte einmal eine Null-Toleranz-Politik für in Korea verkaufte LCD-Monitore. Seit 2005 hält sich Samsung jedoch an die weniger restriktive Norm ISO 13406-2. Andere Unternehmen sind dafür bekannt, dass sie bis zu 11 tote Pixel in ihren Richtlinien tolerieren. ⓘ

Die Richtlinien zu toten Pixeln werden zwischen Herstellern und Kunden oft heftig diskutiert. Um die Akzeptanz von Defekten zu regeln und den Endverbraucher zu schützen, hat die ISO die Norm ISO 13406-2 herausgegeben, die 2008 mit der Veröffentlichung der ISO 9241, insbesondere ISO-9241-302, 303, 305, 307:2008 Pixelfehler, obsolet wurde. Allerdings hält sich nicht jeder LCD-Hersteller an die ISO-Norm, und die ISO-Norm wird häufig unterschiedlich ausgelegt. Bei LCD-Panels ist die Wahrscheinlichkeit von Defekten größer als bei den meisten ICs, weil sie größer sind. Ein 300 mm großes SVGA-LCD weist beispielsweise 8 Fehler auf, während ein 150 mm großer Wafer nur 3 Fehler hat. Allerdings sind 134 der 137 Dies auf dem Wafer akzeptabel, während die Ablehnung des gesamten LCD-Panels eine Ausbeute von 0 % bedeuten würde. In den letzten Jahren ist die Qualitätskontrolle verbessert worden. Ein SVGA-LCD-Panel mit 4 fehlerhaften Pixeln wird in der Regel als fehlerhaft angesehen, und die Kunden können einen Austausch gegen ein neues Panel verlangen. ⓘ

Einige Hersteller, vor allem in Südkorea, wo einige der größten LCD-Panel-Hersteller wie LG ansässig sind, bieten inzwischen eine Null-Pixel-Garantie an, d. h. ein zusätzliches Screening-Verfahren, mit dem die A"- und B"-Panels bestimmt werden können. Viele Hersteller würden ein Produkt selbst bei einem einzigen defekten Pixel ersetzen. Auch wenn es solche Garantien nicht gibt, ist die Lage der defekten Pixel wichtig. Ein Bildschirm mit nur wenigen defekten Pixeln kann inakzeptabel sein, wenn die defekten Pixel nahe beieinander liegen. LCD-Bildschirme weisen auch Mängel auf, die als Clouding (oder seltener als Mura) bekannt sind und die ungleichmäßigen Flecken bei der Veränderung der Leuchtdichte beschreiben. Dies ist vor allem in dunklen oder schwarzen Bereichen der angezeigten Szenen sichtbar. Seit 2010 geben die meisten Hersteller von hochwertigen Computer-LCD-Bildschirmen an, dass ihre Produkte keine Fehler aufweisen. ⓘ

Die Reaktionszeit moderner LCDs liegt derzeit zwischen 1 ms und 5 ms. Hierbei ist die Reaktionszeit die Zeitspanne, die bei der Änderung der Leuchtdichte (Helligkeit) eines Bildbereiches von 10 % nach 90 % verstreicht; hierbei sind 0 % und 100 % die Leuchtdichten der stationären (eingeschwungenen) Zustände. Die Bildaufbauzeit nach ISO 13406-2 ist die Summe der Schaltzeiten von Hell nach Dunkel (oder umgekehrt) und wieder zurück. Aufgrund des asymptotischen Schaltverlaufs werden jedoch nach ISO 13406-2 Schaltzeiten von < 3 ms benötigt, um sichtbare Schlierenbildung zu vermeiden. ⓘ

"Leistungslose (bistabile) Displays

Das von Qinetiq (früher DERA) entwickelte zenithale bistabile Gerät (ZBD) kann ein Bild ohne Stromzufuhr aufrechterhalten. Die Kristalle können in einer von zwei stabilen Ausrichtungen ("schwarz" und "weiß") vorliegen, und Strom wird nur zum Wechseln des Bildes benötigt. ZBD Displays ist ein Spin-off-Unternehmen von QinetiQ, das sowohl Graustufen- als auch Farb-ZBD-Geräte herstellt. Kent Displays hat ebenfalls ein "stromloses" Display entwickelt, das polymerstabilisierte cholesterische Flüssigkristalle (ChLCD) verwendet. Im Jahr 2009 demonstrierte Kent die Verwendung eines ChLCD, das die gesamte Oberfläche eines Mobiltelefons bedeckt und es ermöglicht, die Farbe zu wechseln und diese Farbe auch dann beizubehalten, wenn der Strom abgeschaltet wird. ⓘ

Im Jahr 2004 demonstrierten Forscher der Universität Oxford zwei neue Arten von bistabilen LCDs ohne Stromverbrauch, die auf bistabilen Zenithal-Techniken basieren. Mehrere bistabile Technologien, wie das 360°-BTN und das bistabile Cholesterin, hängen hauptsächlich von den Volumeneigenschaften des Flüssigkristalls (LC) ab und verwenden eine standardmäßige starke Verankerung mit Ausrichtungsfilmen und LC-Mischungen, die den traditionellen monostabilen Materialien ähneln. Andere bistabile Technologien, z. B. die BiNem-Technologie, beruhen hauptsächlich auf den Oberflächeneigenschaften und benötigen spezielle Materialien mit schwacher Verankerung. ⓘ

Spezifikationen

• Auflösung Die Auflösung eines LCD-Bildschirms wird durch die Anzahl der Spalten und Zeilen von Pixeln ausgedrückt (z. B. 1024×768). Jedes Pixel besteht in der Regel aus 3 Unterpixeln, einem roten, einem grünen und einem blauen. Dies war eines der wenigen Leistungsmerkmale von LCD-Bildschirmen, die bei verschiedenen Modellen gleich blieben. Es gibt jedoch neuere Modelle, die die Subpixel unter den Pixeln aufteilen und Quattron hinzufügen, um die wahrgenommene Auflösung eines Bildschirms effizient zu erhöhen, ohne die tatsächliche Auflösung zu erhöhen - mit gemischten Ergebnissen.
• Räumliche Leistung: Bei Computermonitoren oder anderen Bildschirmen, die aus sehr geringer Entfernung betrachtet werden, wird die Auflösung häufig in Form von Punktabständen oder Pixeln pro Zoll ausgedrückt, wie es auch in der Druckindustrie üblich ist. Die Anzeigedichte variiert je nach Anwendung, wobei Fernsehgeräte im Allgemeinen eine niedrige Dichte für die Betrachtung aus großer Entfernung und tragbare Geräte eine hohe Dichte für Details im Nahbereich aufweisen. Der Betrachtungswinkel eines LCD-Bildschirms kann je nach Bildschirm und Verwendungszweck von Bedeutung sein, da die Einschränkungen bestimmter Bildschirmtechnologien dazu führen, dass der Bildschirm nur aus bestimmten Winkeln genau angezeigt wird.
• Zeitliche Leistung: Die zeitliche Auflösung eines LCD-Bildschirms gibt an, wie gut er wechselnde Bilder darstellen kann, bzw. die Genauigkeit und die Anzahl der Male pro Sekunde, die der Bildschirm die ihm gegebenen Daten zeichnet. LCD-Pixel blinken nicht zwischen den Einzelbildern, so dass LCD-Monitore unabhängig von der Bildwiederholfrequenz kein durch die Bildwiederholung verursachtes Flimmern aufweisen. Eine niedrigere Bildwiederholfrequenz kann jedoch zu visuellen Artefakten wie Geisterbildern oder Verschmierungen führen, insbesondere bei schnell bewegten Bildern. Die Reaktionszeit der einzelnen Pixel ist ebenfalls wichtig, da alle Bildschirme eine gewisse inhärente Latenzzeit bei der Anzeige eines Bildes haben, die groß genug sein kann, um visuelle Artefakte zu erzeugen, wenn sich das angezeigte Bild schnell ändert.
• Farbleistung: Es gibt mehrere Begriffe, die verschiedene Aspekte der Farbleistung eines Bildschirms beschreiben. Die Farbskala ist der Bereich der darstellbaren Farben und die Farbtiefe ist die Feinheit, mit der der Farbbereich unterteilt ist. Die Farbskala ist ein relativ einfaches Merkmal, wird aber in Marketingmaterialien nur selten erwähnt, außer auf professioneller Ebene. Ein Farbbereich, der über den auf dem Bildschirm dargestellten Inhalt hinausgeht, hat keine Vorteile, daher werden Bildschirme nur so hergestellt, dass sie innerhalb oder unterhalb des Bereichs einer bestimmten Spezifikation arbeiten. Es gibt weitere Aspekte der LCD-Farbe und des Farbmanagements, wie Weißpunkt und Gammakorrektur, die beschreiben, welche Farbe Weiß ist und wie die anderen Farben im Verhältnis zu Weiß dargestellt werden.
• Helligkeit und Kontrastverhältnis: Das Kontrastverhältnis ist das Verhältnis der Helligkeit eines voll eingeschalteten Pixels zu einem voll ausgeschalteten Pixel. Der LCD-Bildschirm selbst ist nur ein Lichtventil und erzeugt kein Licht; das Licht kommt von einer Hintergrundbeleuchtung, die entweder fluoreszierend ist oder aus einer Reihe von LEDs besteht. Die Helligkeit wird in der Regel als die maximale Lichtleistung des LCDs angegeben, die je nach Transparenz des LCDs und der Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung stark variieren kann. Eine hellere Hintergrundbeleuchtung ermöglicht einen stärkeren Kontrast und einen höheren Dynamikbereich (HDR-Displays sind in der Spitzenleuchtdichte abgestuft), aber es gibt immer einen Kompromiss zwischen Helligkeit und Stromverbrauch. ⓘ

Vor- und Nachteile

Einige dieser Aspekte beziehen sich auf Vollbildschirme, andere auf kleine Displays wie bei Uhren usw. Viele der Vergleiche beziehen sich auf Röhrenbildschirme. ⓘ

Vorteile

• Sehr kompakt, dünn und leicht, insbesondere im Vergleich zu sperrigen, schweren CRT-Bildschirmen.
• Geringer Stromverbrauch. Abhängig von der eingestellten Bildschirmhelligkeit und dem angezeigten Inhalt verbrauchen die älteren Modelle mit CCFT-Hintergrundbeleuchtung in der Regel weniger als die Hälfte des Stroms, den ein CRT-Monitor gleicher Größe verbrauchen würde, und die modernen Modelle mit LED-Hintergrundbeleuchtung benötigen in der Regel 10-25 % des Stroms, den ein CRT-Monitor verbrauchen würde.
• Geringe Wärmeabgabe während des Betriebs aufgrund des niedrigen Stromverbrauchs.
• Keine geometrische Verzerrung.
• Die Möglichkeit, je nach Hintergrundbeleuchtungstechnologie ein geringes oder gar kein Flimmern zu haben.
• In der Regel kein Flimmern bei der Bildwiederholfrequenz, da die LCD-Pixel ihren Zustand zwischen den Bildwiederholungen beibehalten (die in der Regel mit 200 Hz oder schneller erfolgen, unabhängig von der Bildwiederholfrequenz des Eingangs).
• Scharfes Bild ohne Ausbluten oder Verschmieren, wenn es mit nativer Auflösung betrieben wird.
• Emittiert im Gegensatz zu CRT-Monitoren fast keine unerwünschte elektromagnetische Strahlung (im extrem niederfrequenten Bereich).
• Kann in fast jeder Größe und Form hergestellt werden.
• Keine theoretische Auflösungsgrenze. Wenn mehrere LCD-Panels zusammen verwendet werden, um eine einzige Leinwand zu schaffen, erhöht jedes zusätzliche Panel die Gesamtauflösung des Bildschirms, was gemeinhin als gestapelte Auflösung bezeichnet wird.
• Kann in großen Formaten mit einer Diagonale von über 2 m (80 Zoll) hergestellt werden.
• Maskierungseffekt: Das LCD-Gitter kann die Auswirkungen der Raum- und Graustufenquantisierung überdecken und so den Eindruck einer höheren Bildqualität erwecken.
• Im Gegensatz zu den meisten Farb-Röhrenmonitoren ist das Gerät unbeeinflusst von Magnetfeldern, einschließlich des Erdmagnetfeldes.
• Als inhärent digitales Gerät kann der LCD-Bildschirm digitale Daten von einem DVI- oder HDMI-Anschluss anzeigen, ohne dass eine Umwandlung in analoge Daten erforderlich ist. Einige LCD-Bildschirme verfügen zusätzlich zu DVI und HDMI auch über native Glasfasereingänge.
• Viele LCD-Monitore werden mit einer 12-V-Stromversorgung betrieben, und wenn sie in einen Computer eingebaut sind, können sie über dessen 12-V-Stromversorgung betrieben werden.
• Sie können mit sehr schmalen Rahmen hergestellt werden, so dass mehrere LCD-Bildschirme nebeneinander angeordnet werden können, um wie ein einziger großer Bildschirm zu wirken. ⓘ

Nachteile

• Eingeschränkter Betrachtungswinkel bei einigen älteren oder billigeren Monitoren, was dazu führt, dass Farbe, Sättigung, Kontrast und Helligkeit je nach Position des Benutzers variieren, selbst innerhalb des vorgesehenen Betrachtungswinkels.
• Ungleichmäßige Hintergrundbeleuchtung bei einigen Monitoren (häufiger bei IPS-Typen und älteren TN-Monitoren), was zu Helligkeitsverzerrungen führt, insbesondere an den Rändern ("Backlight Bleed").
• Die Schwarzwerte sind möglicherweise nicht so dunkel wie erforderlich, da einzelne Flüssigkristalle das gesamte Hintergrundlicht nicht vollständig abhalten können.
• Bewegungsunschärfe bei sich bewegenden Objekten, verursacht durch langsame Reaktionszeiten (>8 ms) und Eye-Tracking auf einem Sample-and-Hold-Display, es sei denn, es wird eine Stroboskop-Hintergrundbeleuchtung verwendet. Dieses Stroboskoplicht kann jedoch zu einer Überanstrengung der Augen führen, wie im Folgenden erläutert wird:
• Seit 2012 verwenden die meisten LCD-Hintergrundbeleuchtungen Pulsweitenmodulation (PWM) zum Dimmen des Bildschirms, wodurch der Bildschirm stärker flackert (nicht sichtbar) als bei einem CRT-Monitor mit einer Bildwiederholfrequenz von 85 Hz (da der gesamte Bildschirm stroboskopisch ein- und ausgeschaltet wird und nicht wie bei einem CRT-Monitor der Phosphorpunkt, der kontinuierlich über den Bildschirm läuft und einen Teil des Bildschirms immer leuchten lässt), was bei manchen Menschen zu einer starken Überanstrengung der Augen führt. Leider wissen viele dieser Menschen nicht, dass ihre Augenbelastung durch den unsichtbaren Stroboskopeffekt der PWM verursacht wird. Dieses Problem ist bei vielen Monitoren mit LED-Hintergrundbeleuchtung noch größer, da die LEDs schneller ein- und ausgeschaltet werden als eine CCFL-Lampe.
• Nur eine native Auflösung. Für die Anzeige jeder anderen Auflösung ist entweder ein Video-Scaler erforderlich, was zu Unschärfe und gezackten Rändern führt, oder der Bildschirm wird mit der nativen Auflösung unter Verwendung einer 1:1-Pixelzuordnung betrieben, was dazu führt, dass das Bild entweder nicht den Bildschirm ausfüllt (Letterbox-Anzeige) oder am unteren oder rechten Bildschirmrand verläuft.
• Feste Bittiefe (auch Farbtiefe genannt). Viele billige LCDs können nur 262144 (2¹⁸) Farben darstellen. 8-Bit-S-IPS-Panels können 16 Millionen (2²⁴) Farben darstellen und haben einen deutlich besseren Schwarzwert, sind aber teurer und haben eine langsamere Reaktionszeit.
• Eingabeverzögerung, da der A/D-Wandler des LCD-Monitors wartet, bis jedes Bild vollständig ausgegeben wurde, bevor er es auf den LCD-Bildschirm überträgt. Viele LCD-Monitore führen vor der Anzeige des Bildes eine Nachbearbeitung durch, um die schlechte Farbtreue auszugleichen, was zu einer zusätzlichen Verzögerung führt. Außerdem muss bei der Anzeige von nicht nativen Auflösungen ein Video-Scaler verwendet werden, was zu einer weiteren Verzögerung führt. Skalierung und Nachbearbeitung werden bei modernen Monitoren in der Regel von einem einzigen Chip erledigt, aber jede Funktion, die dieser Chip ausführt, führt zu einer gewissen Verzögerung. Einige Bildschirme verfügen über einen Videospielmodus, der die gesamte oder einen Großteil der Verarbeitung deaktiviert, um die wahrnehmbare Eingabeverzögerung zu verringern.
• Tote oder festsitzende Pixel können während der Herstellung oder nach einer gewissen Nutzungsdauer auftreten. Ein hängengebliebenes Pixel leuchtet selbst auf einem komplett schwarzen Bildschirm in Farbe, während ein totes Pixel immer schwarz bleibt.
• Der Einbrenneffekt ist zwar anders als bei CRT-Bildschirmen und nicht dauerhaft, doch kann ein statisches Bild bei schlecht konstruierten Bildschirmen innerhalb weniger Stunden einbrennen.
• Im Dauerbetrieb kann es bei schlechtem Wärmemanagement zu einer Überhitzung kommen, bei der ein Teil des Bildschirms überhitzt ist und im Vergleich zum Rest des Bildschirms verfärbt aussieht.
• Helligkeitsverlust und wesentlich langsamere Reaktionszeiten in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen. In Umgebungen mit Minusgraden können LCD-Bildschirme ohne zusätzliche Heizung nicht mehr funktionieren.
• Verlust des Kontrasts in Umgebungen mit hohen Temperaturen. ⓘ

Verwendete Chemikalien

In Flüssigkristallen werden mehrere verschiedene Familien von Flüssigkristallen verwendet. Die verwendeten Moleküle müssen anisotrop sein und eine gegenseitige Anziehung aufweisen. Häufig sind polarisierbare stäbchenförmige Moleküle (Biphenyle, Terphenyle usw.). Eine häufige Form ist ein Paar aromatischer Benzolringe mit einer unpolaren Einheit (Pentyl-, Heptyl-, Octyl- oder Alkyloxylgruppe) an einem Ende und einer polaren (Nitril, Halogen) am anderen Ende. Manchmal sind die Benzolringe durch eine Acetylengruppe, Ethylen, CH=N, CH=NO, N=N, N=NO oder eine Estergruppe getrennt. In der Praxis werden eutektische Mischungen mehrerer Chemikalien verwendet, um einen breiteren Temperaturbereich zu erreichen (-10..+60 °C für Low-End- und -20..+100 °C für Hochleistungsdisplays). Die E7-Mischung besteht zum Beispiel aus drei Biphenylen und einem Terphenyl: 39 Gew.-% 4'-Pentyl[1,1'-biphenyl]-4-carbonitril (nematischer Bereich 24..35 °C), 36 Gew.-% 4'-Heptyl[1,1'-biphenyl]-4-carbonitril (nematischer Bereich 30. .43 °C), 16 Gew.-% 4'-Octoxy[1,1'-biphenyl]-4-carbonitril (nematischer Bereich 54..80 °C) und 9 Gew.-% 4-Pentyl[1,1':4',1-terphenyl]-4-carbonitril (nematischer Bereich 131..240 °C). ⓘ

Auswirkungen auf die Umwelt

Bei der Herstellung von LCD-Bildschirmen wird Stickstofftrifluorid (NF₃) als Ätzflüssigkeit für die Herstellung der Dünnschichtkomponenten verwendet. NF₃ ist ein starkes Treibhausgas, das aufgrund seiner relativ langen Halbwertszeit möglicherweise zur globalen Erwärmung beiträgt. Einem Bericht in der Zeitschrift Geophysical Research Letters zufolge sind seine Auswirkungen theoretisch viel größer als die bekannterer Treibhausgasquellen wie Kohlendioxid. Da NF₃ zum damaligen Zeitpunkt noch nicht weit verbreitet war, wurde es nicht in die Kyoto-Protokolle aufgenommen und gilt als "das fehlende Treibhausgas". ⓘ

Kritiker des Berichts weisen darauf hin, dass er davon ausgeht, dass das gesamte produzierte NF₃ in die Atmosphäre freigesetzt würde. In Wirklichkeit wird der größte Teil des NF₃ während der Reinigungsprozesse abgebaut; zwei frühere Studien ergaben, dass nur 2 bis 3 % des Gases nach seiner Verwendung der Zerstörung entgehen. Darüber hinaus wurden in dem Bericht die Auswirkungen von NF₃ nicht mit dem Ersatzstoff Perfluorkohlenwasserstoff verglichen, einem anderen starken Treibhausgas, von dem bei normaler Verwendung 30 bis 70 % in die Atmosphäre entweichen. ⓘ

Anzeigetypen

Schadt-Helfrich-Zelle ⓘ

Vergrößerte Subpixel (TN-Panel) ⓘ

Vergrößerte Subpixel (Multi-Domain-VA-Panel) ⓘ

Super-Twisted Nematic (STN)

Bei (monochromen) STN-Displays (engl. super-twisted nematic) wird der Verdrillwinkel der Moleküle auf 180° bis 270° erhöht. Dadurch kann eine steilere elektro-optische Kennlinie und so eine verbesserte Multiplexbarkeit als bei TN-Displays erreicht werden. Aufgrund verschiedener technischer Beschränkungen gelingt es nur mit einigem Aufwand (doppelte Zelle = DSTN-Zelle, Kompensation mit doppelbrechenden Verzögerungsfolien – retarder sheets), die Darstellung farbneutral zu gestalten (d. h. nur Graustufen zwischen Schwarz und Weiß zu erzeugen). Stattdessen sind die Hellzustände gelblich und die Dunkelzustände fallen dunkelblau (mit Violett-Ton) aus. Eine Weiterentwicklung stellt CSTN (engl. color super-twist nematic) durch die Firma Sharp dar, bei dem Filter in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau vor den Pixeln für die Darstellung von Farben verwendet werden. ⓘ

Triple Super-Twisted Nematic (TSTN; als TN oder Film-TN bezeichnet)

Aufbauschema einer TSTN-Flüssigkristallzelle: Das Licht der Beleuchtung (6) wird polarisiert (2), gefiltert (3), durchquert die hintere Glasscheibe (4), den STN-Flüssigkristall (5), die vordere Glasscheibe (4), die vordere Filterfolie (3), den vorderen Polarisator (2) und tritt schließlich farbig aus (1). ⓘ

Der komplexe Aufbau einer DSTN-Flüssigkristallzelle bedingt einen relativ hohen Aufwand bei ihrer Herstellung. Es wurde deshalb ein neues Verfahren entwickelt, das zu flacheren Displays mit geringerem Gewicht führt. Diese neue Lösung trägt den Namen „Triple Super-Twisted Nematic“-LCD (TSTN). Das Bild zeigt das Aufbauprinzip eines solchen TSTN-Displays. ⓘ

Hier findet sich nur eine STN-LC-Zelle. Die Farbstörungen der normalen STN-Technik werden durch zwei spezielle Folien ausgeglichen, die vor und hinter der Zelle – zwischen Polarisator und Glas – angebracht sind. Diese Folien sind verantwortlich für einen weiteren Namen dieser Technik: FST, für „Film-Super-Twisted“ (gelegentlich werden Displays, in denen nur eine Kompensationsfolie verwendet wird, als FST- bezeichnet, solche mit zwei oder mehr Folien als TST-LCD. Ebenfalls geläufig ist die Bezeichnung FSTN für Film-STN). Der verbesserte Kontrast (bis zu 18:1), das geringere Gewicht und die flachere und weniger aufwendige Bauweise haben TSTN-LC-Displays zum Durchbruch verholfen. In Notebook-Computern wurden solche Displays als „VGA-Bildschirm“ erstmals realisiert. ⓘ

Vertical Alignment (PVA und MVA)

Bei der Patterned-Vertical-Alignment-Technik, auch kurz PVA genannt, handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Multi-Domain-Vertical-Alignment-Technik (MVA) eines Herstellers. Beide Techniken basieren auf einem ähnlichen Verfahren. Die Vorteile von MVA-/PVA-Bildschirmen liegen in einem höheren Kontrast (> 1000:1 ist üblich) als bei einem TN-Bildschirm (< 800:1). Zudem bieten MVA-/PVA-Bildschirme eine große Blickwinkel-Unabhängigkeit. Der Nachteil von MVA/PVA-Bildschirmen ist, dass sie langsamer als TN-Bildschirme und daher für Bewegtbilder – wie bei Spielen und Videos – weniger gut geeignet sind. Zudem liegt der Preis über dem von TN-Bildschirmen. ⓘ

Kontaktierung

Zebrastreifen mit Leitelastomerschichten. ⓘ

Von Beginn an bestand die Aufgabe, die transparenten Leiterbahnen auf beiden LCD-Glassubstraten mit der Ansteuerungselektronik zu verbinden. Dazu wurden neuartige Verbindungstechniken entwickelt. Für Anzeigen mit nicht zu engem Kontaktraster kommen sogenannte Zebras (siehe Leitgummi) zum Einsatz, welche abwechselnd aus isolierenden und leitenden Elastomer„kanälen“ bestehen. In nebenstehender Aufnahme mit einem Vergleichsmaßstab in Zentimeter ist das dunkle Raster des Zebragummis von 180 Mikrometer deshalb nur bei Anklicken des Bildes mit Vergrößerung sichtbar: im rosaroten isolierenden Elastomer-Band befinden sich die schwarzen Leitelemente, separiert durch isolierende Elemente. Durch den Aufbau (die Elemente sind wesentlich kleiner als die zu kontaktierenden Flächen) spielen Lagetoleranzen des Gummis keine Rolle. Der Gummi kann Maßtoleranzen abfedern. Typische Anwendungen sind Displays mit Siebensegmentanzeigen. ⓘ

Früh wurden Lösungen mit Chip-on-Glass erprobt. Dabei wurden auf die Kontakte der Ansteuerungsschaltkreise Lötpunkte aufgebracht, dann der Chip auf den korrespondierenden Kontakten der Anzeige positioniert und daraufhin bei erhöhter Temperatur angelötet. Einen wichtigen Fortschritt bedeutete die Verwendung von flexiblen, dünnen Leiterplatten mit entsprechenden Verbindungsbahnen zur Anzeige, welche ein enges Kontaktraster erlauben. Diese Leiterplatten tragen oft die ICs als Nacktchips (Flip-Chip-Montage), die die digitalen seriellen Datenströme wandeln. ⓘ

Formeln

Die Einschaltzeit $\tau _{\mathrm {on} }$ (zunehmende Spannung) und die Ausschaltzeit $\tau _{\mathrm {off} }$ (abnehmende Spannung) ergibt sich nach den Formeln von Jakeman und Raynes:

${\tau }_{\mathrm {on} }={\frac {\gamma _{1}\ d^{2}}{\epsilon _{0}\Delta \epsilon (U^{2}-U_{\mathrm {th} }^{2})}}{;}~\quad {\tau }_{\mathrm {off} }={\frac {\gamma _{1}\ d^{2}}{k\pi ^{2}}}~~$ mit $~~{U_{\mathrm {th} }}={\pi {\sqrt {\frac {k}{\epsilon _{0}\Delta \epsilon }}}}$ ⓘ

Hierbei ist $\gamma _{1}$ die Rotationsviskosität des Flüssigkristalls, die die „Trägheit“ des Flüssigkristalls auf eine Änderung der Ausrichtung beschreibt; $d$ der Abstand zwischen den Glasplatten (= Dicke der Flüssigkristallschicht); und $k$ die Elastizitätskonstante, welche die „Kraft“ (Drehmoment) der Rückstellung der Kristalle in die ursprüngliche Ausrichtungslage angibt. ⓘ

Beispielsweise beschleunigt ein großes $k$ die Rückstellung des Kristalls in den Ausgangszustand, wirkt jedoch auch der Ausrichtung des Kristalls bei Anlegen einer Spannung entgegen (durch die entsprechend erhöhte Schwellenspannung, $U_{th}$). Auch lassen sich durch eine Verringerung der Schichtdicke, $d$ die Schaltgeschwindigkeiten erhöhen. Wenn die Schichtdicke beispielsweise um 30 % verringert wird ($0{,}7d$) gehen die Schaltzeiten auf etwa die Hälfte zurück (denn $(0{,}7d)^{2}=0{,}49d^{2}$). ⓘ

Bewegungsunschärfe

Bei Hold-Type-Displays wie LCD und OLED-Bildschirmen bleibt der Zustand eines Pixels für die Dauer einer Bildperiode bestehen, bis die angelegte Spannung im Zuge des Bildaufbaus eines neuen Bildes geändert wird (Erhaltungsdarstellung). Da das Auge bei der Verfolgung eines bewegten Bildinhalts (englisch smooth pursuit eye tracking) die „Helligkeit“ über eine Bildperiode integriert, während der Bildinhalt aber fixiert bleibt, kommt es zum Verwischen des Bildes auf der Netzhaut des Betrachters. Dies fällt besonders bei der Darstellung schnell bewegter Szenen auf und wird deshalb als Bewegungsunschärfe (auch engl. motion blur) bezeichnet. Es ist zu beachten, dass selbst bei verschwindend geringen Schaltzeiten, also bei nahezu unendlich schnellem Schalten, wegen der Erhaltungsdarstellung die Bewegungsunschärfe nicht beseitigt wäre, weshalb der Verwischeffekt bei schnellen OLED-Bildschirmen ebenfalls auftritt. ⓘ

Neben dieser prinzipbedingten Unschärfe erzeugt die verzögerte Annahme des Soll-Werts bei einzelnen Pixel-Elemente unerwünschte Effekte („Schlieren“, „Schweif“, „Schmieren“), die ähnlich störend wirken. Bei LCDs ist diese Art der Bewegungsunschärfe mittlerweile erheblich reduziert. Die Reaktionszeit von „grau nach grau“ (engl. gray to gray) liegt durchschnittlich bei 6 ms, dennoch können die Schaltzeiten in extremen Situationen (weiß-nach-schwarz, schwarz-nach-weiß, schwarz-nach-grau) erheblich davon abweichen. ⓘ

Produktion

Die LCD-Technik hat in den letzten Jahren insbesondere durch die Entwicklung von Flachbildschirmen einen enormen Aufschwung erlebt. Große Produktionsstätten für Flachbildschirme wurden zunächst in Japan errichtet. Schon bald setzte jedoch die Abwanderung der Industrie in die neuen asiatischen Industrienationen ein, in denen billige Arbeitskräfte und üppige staatliche Förderung lockte. Derzeit befindet sich der Schwerpunkt der Flachbildschirmindustrie in Taiwan und insbesondere Südkorea. In Südkorea betreiben die dort ansässigen weltweit größten Flachbildschirmhersteller – Samsung, LG Display und Chi Mei Optoelectronics (CMO) – die zurzeit (2008) größten LC-Bildschirm-Produktionsstätten. Noch kostengünstigere Produktionsstandorte haben China erreicht. Produktionsstätten zur Herstellung hochwertiger Flachbildschirme sind dort derzeit (2008) im Aufbau. ⓘ

Umweltschutz

Aus der Sicht des Klimaschutzes wird die Flüssigkristallbildschirmfertigung als problematisch angesehen, da in der traditionellen Produktion große Mengen klimagefährdender Substanzen eingesetzt würden. Im wichtigen „Arrayprozess“, in dem die TFT-Steuermatrix großflächig auf dünne Glasscheiben aufgebracht wird, werden potente Treibhausgase wie Schwefelhexafluorid (SF₆) – GWP 22800 CO₂e – und Stickstofftrifluorid (NF₃) – GWP 17200 CO₂e – in großem Umfang verwendet und in die Atmosphäre freigesetzt, wie eine Studie aus dem Jahre 2008 aufzeigt. ⓘ