Ein Dünnschichttransistor-Flüssigkristallbildschirm ( TFT-LCD ) ist ein Flüssigkristallbildschirm , der Dünnschichttransistortechnologie nutzt , um Bildqualitäten wie Ansteuerbarkeit und Kontrast zu verbessern. [ 1 ] Ein TFT-LCD ist ein Aktivmatrix -LCD, [ 2 ] im Gegensatz zu Passivmatrix -LCDs oder einfachen, direkt angesteuerten LCDs mit wenigen Segmenten (d. h. bei denen die Segmente direkt mit der Elektronik außerhalb des LCDs verbunden sind).

TFT - LCDs werden in Fernsehgeräten , Computermonitoren , Mobiltelefonen , Videospielsystemen , PDAs , Navigationssystemen , Projektoren [ 3 ] und Armaturenbrettern in einigen Automobilen sowie in Motorrädern der mittleren bis oberen Preisklasse eingesetzt .

Geschichte

Im Februar 1957 reichte John Wallmark von RCA eine Patentanmeldung für einen Dünnschicht- MOSFET ein [ 4 ] . Paul K. Weimer , ebenfalls von RCA , setzte Wallmarks Ideen um und entwickelte 1962 den Dünnschichttransistor (TFT), einen MOSFET-Typ, der sich vom herkömmlichen Bulk- MOSFET unterschied. Er wurde aus dünnen Schichten von Cadmiumselenid und Cadmiumsulfid hergestellt .

Die Idee eines TFT-basierten Flüssigkristallbildschirms (LCD) wurde 1968 von Bernard Lechner von den RCA Laboratories entwickelt . 1971 demonstrierten Lechner, F. J. Marlowe, E. O. Nester und J. Tults ein 2×18-Matrix-Display, das von einer Hybridschaltung unter Verwendung des dynamischen Streumodus von LCDs angesteuert wurde. [ 5 ] 1973 entwickelten T. Peter Brody , J. A. Asars und G. D. Dixon bei den Westinghouse Research Laboratories einen CdSe -TFT ( Cadmiumselenid ), mit dem sie den ersten CdSe-Dünnschichttransistor-Flüssigkristallbildschirm (TFT-LCD) demonstrierten. [ 6 ] [ 7 ] Brody und Fang-Chen Luo demonstrierten 1974 den ersten flachen Aktivmatrix-Flüssigkristallbildschirm (AM-LCD) mit CdSe-TFTs, und Brody prägte 1975 den Begriff „ Aktivmatrix “. [ 5 ]

Bis 2013 verwendeten die meisten modernen hochauflösenden und qualitativ hochwertigen elektronischen Anzeigegeräte TFT-basierte Aktivmatrix-Displays. [ 8 ] [ 9 ] [ 6 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Im Jahr 2024 sind TFT-LCDs zwar immer noch dominant, konkurrieren aber mit OLED um Displays mit hoher Helligkeit und hoher Auflösung und mit elektronischem Papier um Displays mit niedrigem Stromverbrauch.

Konstruktion

Ein Diagramm des Pixellayouts

Die in Taschenrechnern und anderen Geräten mit ähnlich einfachen Displays verwendeten Flüssigkristallanzeigen verfügen über direkt angesteuerte Bildelemente. Daher kann eine Spannung problemlos an ein einzelnes Segment dieser Displays angelegt werden, ohne die anderen Segmente zu beeinflussen. Dies wäre für ein großes Display unpraktisch , da es eine große Anzahl von (Farb-)Bildelementen ( Pixeln ) aufweisen und somit Millionen von Verbindungen – sowohl oben als auch unten – für jede der drei Farben (Rot, Grün und Blau) jedes Pixels erfordern würde. Um dieses Problem zu vermeiden, werden die Pixel in Zeilen und Spalten adressiert, wodurch die Anzahl der Verbindungen von Millionen auf Tausende reduziert wird. Die Spalten- und Zeilenleitungen sind mit Transistorschaltern verbunden , einem für jedes Pixel. Die Einweg-Stromleitfähigkeit des Transistors verhindert, dass die an jedes Pixel angelegte Ladung zwischen den Bildaktualisierungen des Displays abgeführt wird. Jedes Pixel ist ein kleiner Kondensator mit einer isolierenden Flüssigkristallschicht, die zwischen transparenten leitfähigen Schichten aus Indiumzinnoxid (ITO) eingebettet ist .

Der Schaltungsaufbau eines TFT-LCDs ähnelt stark dem von Halbleiterprodukten. Anstatt die Transistoren jedoch aus Silizium , das zu einem kristallinen Siliziumwafer geformt wird, herzustellen, bestehen sie aus einem dünnen Film aus amorphem Silizium , der auf eine Glasscheibe aufgebracht wird . Die Siliziumschicht für TFT-LCDs wird typischerweise mittels PECVD- Verfahren abgeschieden. [ 13 ] Die Transistoren belegen nur einen kleinen Teil der Fläche jedes Pixels; der restliche Siliziumfilm wird weggeätzt, um den Lichtdurchgang zu ermöglichen.

Polykristallines Silizium wird mitunter in Displays eingesetzt, die eine höhere TFT-Leistung erfordern. Beispiele hierfür sind kleine, hochauflösende Displays, wie sie etwa in Projektoren oder Suchern zu finden sind. TFTs auf Basis von amorphem Silizium sind aufgrund ihrer geringeren Produktionskosten mit Abstand am weitesten verbreitet, während polykristalline Silizium-TFTs teurer und deutlich schwieriger herzustellen sind. [ 14 ]

Typen

Verdrilltes Nematikum (TN)

TN-Display unter dem Mikroskop, die Transistoren sind unten sichtbar.

Das Twisted-Nematic -Display (TN-Display) zählt zu den ältesten und günstigsten Flüssigkristallanzeigen. TN-Displays zeichnen sich durch schnelle Pixelreaktionszeiten und geringere Schlierenbildung als andere LCD-Typen wie IPS-Displays aus, weisen jedoch eine schwache Farbwiedergabe und eingeschränkte Betrachtungswinkel, insbesondere in vertikaler Richtung, auf. Bei einem nicht senkrechten Blickwinkel verschieben sich die Farben, mitunter sogar bis zur vollständigen Invertierung. Moderne High-End-Produkte nutzen Methoden, um die Schwächen dieser Technologie zu beheben, beispielsweise durch RTC-Technologien (Response Time Compensation/Overdrive) . Moderne TN-Displays können deutlich besser aussehen als ältere Modelle aus früheren Jahrzehnten, insgesamt bieten TN-Displays jedoch im Vergleich zu Technologien wie IPS schlechtere Betrachtungswinkel und eine geringere Farbwiedergabe.

Die meisten TN-Panels können Farben nur mit sechs Bit pro RGB-Kanal, also insgesamt 18 Bit, darstellen und sind daher nicht in der Lage, die 16,7 Millionen Farbtöne (24-Bit- Echtfarben ) abzubilden, die mit 24-Bit-Farbtiefe möglich sind. Stattdessen zeigen diese Panels interpolierte 24-Bit-Farben mithilfe eines Dithering- Verfahrens an, bei dem benachbarte Pixel kombiniert werden, um den gewünschten Farbton zu simulieren. Sie können auch eine Form des temporalen Ditherings namens Frame Rate Control (FRC) verwenden, die mit jedem neuen Frame zwischen verschiedenen Farbtönen wechselt , um einen Zwischenton zu simulieren. Solche 18-Bit-Panels mit Dithering werden mitunter mit der Aussage beworben, sie könnten „16,2 Millionen Farben“ darstellen. Diese Farbsimulationsmethoden sind für viele Menschen sichtbar und werden von manchen als sehr störend empfunden. [ 15 ] FRC fällt besonders bei dunklen Tönen auf, während Dithering die einzelnen Pixel des LCDs sichtbar macht. Insgesamt ist die Farbwiedergabe und Linearität von TN-Panels schlecht. Die Einschränkungen des Farbraums von Bildschirmen (oft als Prozentsatz des NTSC-Farbraums von 1953 angegeben ) sind auch auf die Hintergrundbeleuchtungstechnologie zurückzuführen. Ältere Bildschirme decken üblicherweise nur 10 % bis 26 % des NTSC-Farbraums ab, während modernere Bildschirme mit komplexeren CCFL- oder LED- Phosphor- Technologie oder RGB-LED-Hintergrundbeleuchtung über 100 % des NTSC-Farbraums erreichen können – ein Unterschied, der für das menschliche Auge deutlich sichtbar ist.

Die Lichtdurchlässigkeit eines Pixels eines LCD-Panels ändert sich typischerweise nicht linear mit der angelegten Spannung, [ 16 ] und der sRGB- Standard für Computermonitore erfordert eine spezifische nichtlineare Abhängigkeit der emittierten Lichtmenge von der RGB- Wert.

In-Plane-Switching (IPS)

In-plane switching (IPS) was developed by Hitachi in 1996 to improve on the poor viewing angle and the poor color reproduction of TN panels at that time.[17][18] Its name comes from the main difference from TN panels, that the crystal molecules move parallel to the panel plane instead of perpendicular to it. This change reduces the amount of light scattering in the matrix, which gives IPS its characteristic wide viewing angles and good color reproduction.[19]

Initial iterations of IPS technology were characterised by slow response time and a low contrast ratio but later revisions have made marked improvements to these shortcomings. Because of its wide viewing angle and accurate color reproduction (with almost no off-angle color shift), IPS is widely employed in high-end monitors aimed at professional graphic artists, although with the recent fall in price it has been seen in the mainstream market as well. IPS technology was sold to Panasonic by Hitachi.

Hitachi IPS technology development[20][21]
Name Nickname Year Advantage Transmittance/contrast ratio Remarks
Super TFTIPS1996Wide viewing angle100/100Base levelMost panels also support true 8-bit per channel color. These improvements came at the cost of a higher response time, initially about 50 ms. IPS panels were also extremely expensive.
Super-IPSS-IPS1998Color shift free100/137IPS has since been superseded by S-IPS (Super-IPS, Hitachi in 1998), which has all the benefits of IPS technology with the addition of improved pixel refresh timing.
Advanced Super-IPSAS-IPS2002High transmittance130/250AS-IPS, also developed by Hitachi in 2002, improves substantially on the contrast ratio of traditional S-IPS panels to the point where they are second only to some S-PVAs.
IPS-ProvectusIPS-Pro2004High contrast ratio137/313The latest panel from IPS Alpha Technology with a wider color gamut and contrast ratio matching PVA and ASV displays without off-angle glowing.
IPS alphaIPS-Pro2008High contrast ratioNext generation of IPS-Pro
IPS alpha next genIPS-Pro2010High contrast ratio
LG IPS technology development
Name Nickname Year Remarks
Horizontal IPSH-IPS2007Improves contrast ratio by twisting electrode plane layout. Also introduces an optional Advanced True White polarizing film from NEC, to make white look more natural. This is used in professional/photography LCDs.
Enhanced IPSE-IPS2009Wider aperture for light transmission, enabling the use of lower-power, cheaper backlights. Improves diagonal viewing angle and further reduce response time to 5ms.
Professional IPSP-IPS2010Bietet 1,07 Milliarden Farben (10-Bit-Farbtiefe). Mehr mögliche Ausrichtungen pro Subpixel (1024 statt 256) und eine bessere Farbtiefe.
Hochleistungsfähiges IPS-DisplayAH-IPS2011Verbesserte Farbgenauigkeit, höhere Auflösung und PPI sowie höhere Lichtdurchlässigkeit bei geringerem Stromverbrauch. [ 22 ]

Erweiterte Randfeldumschaltung (AFFS)

Dies ist eine von Boe-Hydis (Korea) entwickelte LCD-Technologie, die auf IPS basiert. Bis 2003 als Fringe Field Switching (FFS) bekannt [ 23 ] , ist Advanced Fringe Field Switching (AFFS) eine Technologie ähnlich IPS oder S-IPS, die überlegene Leistung und Farbsättigung bei hoher Leuchtdichte bietet. Farbverschiebungen und -abweichungen durch Lichtstreuung werden durch Optimierung des Weißraums korrigiert, wodurch auch die Weiß-/Grauwiedergabe verbessert wird. AFFS wurde von Hydis Technologies Co., Ltd., Korea (ehemals Hyundai Electronics, LCD Task Force) entwickelt [ 24 ] .

Im Jahr 2004 lizenzierte Hydis Technologies Co., Ltd. ihr AFFS-Patent an das japanische Unternehmen Hitachi Displays. Hitachi nutzt AFFS zur Herstellung hochwertiger Panels für seine Produktlinie. 2006 lizenzierte Hydis sein AFFS-Patent auch an die Sanyo Epson Imaging Devices Corporation.

Hydis führte 2007 AFFS+ ein, das die Lesbarkeit im Freien verbesserte.

Multi-Domain Vertical Alignment (MVA)

Es erreichte für seine Zeit eine schnelle Pixelreaktionszeit, weite Betrachtungswinkel und einen hohen Kontrast, allerdings auf Kosten von Helligkeit und Farbwiedergabe. Moderne MVA-Panels bieten weite Betrachtungswinkel (nur die S-IPS-Technologie ist noch besser), einen guten Schwarzwert, eine gute Farbwiedergabe und -tiefe sowie schnelle Reaktionszeiten dank Reaktionszeitkompensation ( RTC). Bei schräger Betrachtung verschieben sich die Farben bei MVA-Panels, jedoch deutlich weniger als bei TN-Panels.

Es gibt mehrere auf MVA basierende Technologien der "nächsten Generation", darunter P-MVA und AMVA von AU Optronics sowie S-MVA von Chi Mei Optoelectronics .

Musterhafte vertikale Ausrichtung (PVA)

Preisgünstigere PVA-Panels nutzen häufig Dithering und FRC , während Super-PVA-Panels (S-PVA) mindestens 8 Bit pro Farbkomponente verwenden und auf Farbsimulationsverfahren verzichten. [ 25 ] S-PVA eliminiert zudem weitgehend das seitliche Leuchten von Schwarztönen und reduziert die Gammaverschiebung bei seitlicher Betrachtung. Einige High-End-LCD-Fernseher der Sony BRAVIA- Serie, beispielsweise die Bravia X4500-Serie, bieten 10-Bit- und xvYCC-Farbunterstützung. S-PVA ermöglicht außerdem schnelle Reaktionszeiten dank moderner RTC-Technologien.

Erweiterte Superansicht (ASV)

Advanced super view, also called axially symmetric vertical alignment was developed by Sharp.[26] It is a VA mode where liquid crystal molecules orient perpendicular to the substrates in the off state. The bottom sub-pixel has continuously covered electrodes, while the upper one has a smaller area electrode in the center of the subpixel.

When the field is on, the liquid crystal molecules start to tilt towards the center of the sub-pixels because of the electric field; as a result, a continuous pinwheel alignment (CPA) is formed; the azimuthal angle rotates 360 degrees continuously resulting in an excellent viewing angle. The ASV mode is also called CPA mode.[27]

Plane-to-line switching (PLS)

A technology developed by Samsung is Super PLS, which bears similarities to IPS panels, has wider viewing angles, better image quality, increased brightness, and lower production costs. PLS technology debuted in the PC display market with the release of the Samsung S27A850 and S24A850 monitors in September 2011.[28]

TFT dual-transistor pixel (DTP) or cell technology

Patent TFT Store Electronic Systems

TFT dual-transistor pixel or cell technology is a reflective-display technology for use in very-low-power-consumption applications such as electronic shelf labels (ESL), digital watches, or metering. DTP involves adding a secondary transistor gate in the single TFT cell to maintain the display of a pixel during a period of 1s without loss of image or without degrading the TFT transistors over time. By slowing the refresh rate of the standard frequency from 60 Hz to 1 Hz, DTP claims to increase the power efficiency by multiple orders of magnitude.

Display industry

Due to the very high cost of building TFT factories, there are few major OEM panel vendors for large display panels. The glass panel suppliers are as follows:

LCD glass panel suppliers
Panel type Company Remarks Major TV makers
IPS-ProPanasonicSolely for LCD TV markets and known as IPS Alpha Technology Ltd.[29]Panasonic, Hitachi, Toshiba
H-IPS & P-IPSLG DisplayThey also produce other type of TFT panels such as TN for OEM markets such as mobile, monitor, automotive, portable AV and industrial panels. LG , Philips , BenQ
S-IPSHannstar
Chunghwa Picture Tubes, Ltd.
A-MVAAU Optronics
A-HVAAU Optronics
S-MVAChi Mei Optoelektronik
AASInnoLux Corporation
S-PVASamsung , Sony
AFFSFür kleine und mittelgroße Sonderprojekte.
ASVSharp CorporationLCD-Fernseher- und Mobiltelefonmärkte Sharp , Sony
VerkehrsunfallSharp CorporationAusschließlich für LED-LCD-TV-Märkte Scharf
HVAChina Star Optoelektrik-TechnologieHVA und AMOLED TCL [ 30 ]

Elektrische Schnittstelle

Externe Anzeigegeräte wie TFT-LCDs verfügen über einen oder mehrere analoge VGA- , DVI- , HDMI- oder DisplayPort- Anschlüsse, wobei viele eine Auswahl dieser Schnittstellen bieten. Im Inneren dieser Geräte befindet sich eine Controllerplatine, die das Videosignal mithilfe von Farbmapping und Bildskalierung – üblicherweise mittels diskreter Kosinustransformation (DCT) – in digitales RGB-Signal in der nativen Auflösung des Anzeigepanels umwandelt . Bei Laptops erzeugt der Grafikchip direkt ein Signal, das für den Anschluss an das integrierte TFT-Display geeignet ist. Die Steuerung der Hintergrundbeleuchtung ist üblicherweise auf derselben Controllerplatine integriert.

Die Low-Level-Schnittstelle von STN- , DSTN- oder TFT-Displays verwendet entweder ein einseitiges TTL- 5-V-Signal für ältere Displays oder ein TTL-3,3-V-Signal für etwas neuere Displays. Dieses Signal überträgt parallel den Pixeltakt, die horizontale und vertikale Synchronisation sowie die digitalen Rot-, Grün- und Blauwerte . Einige Modelle (z. B. das AT070TN92) verfügen zusätzlich über Signale für die Eingangs-/Displayfreigabe sowie die horizontale und vertikale Abtastrichtung.

Neue und große TFT-Displays (>15 Zoll) nutzen häufig LVDS- Signalisierung. Diese überträgt dieselben Daten wie die parallele Schnittstelle (Hsync, Vsync, RGB), leitet die Steuer- und RGB- Bits jedoch über mehrere serielle Übertragungsleitungen, die mit einem Takt synchronisiert sind, dessen Frequenz der Pixelrate entspricht. LVDS überträgt sieben Bit pro Takt und Datenleitung, wobei sechs Bit die Daten und ein Bit ein Signal sind, falls die anderen sechs Bit invertiert werden müssen, um den Gleichstromausgleich zu gewährleisten. Kostengünstige TFT-Displays verfügen oft über drei Datenleitungen und unterstützen daher direkt nur 18 Bit pro Pixel . Hochwertige Displays besitzen vier oder fünf Datenleitungen, um 24 Bit pro Pixel ( True Color ) bzw. 30 Bit pro Pixel zu unterstützen. Panelhersteller ersetzen LVDS zunehmend durch Internal DisplayPort und Embedded DisplayPort, wodurch sich die Anzahl der Differenzialpaare um das Sechsfache reduzieren lässt.

Die Hintergrundbeleuchtungsintensität wird üblicherweise durch Variieren einer Gleichspannung von wenigen Volt, durch Erzeugen eines PWM- Signals, durch Einstellen eines Potentiometers oder durch einen festen Wert gesteuert. Dieser steuert wiederum einen Hochspannungs -Wechselrichter ( 1,3 kV ) oder eine LED -Matrix . Die Steuerung der LED-Intensität erfolgt durch Pulsung mit PWM, was jedoch zu Oberwellenflimmern führen kann.

Das Displaypanel ohne Gehäuse akzeptiert digitale Videosignale nur in der Auflösung, die durch die bei der Herstellung festgelegte Pixelmatrix bestimmt wird. Einige Bildschirme ignorieren die LSB- Bits der Farbinformationen, um eine konsistente Benutzeroberfläche zu gewährleisten (8 Bit -> 6 Bit/Farbe x3). [ 31 ]

Bei analogen Signalen wie VGA muss der Display-Controller eine schnelle Analog-Digital -Wandlung durchführen. Bei digitalen Eingangssignalen wie DVI oder HDMI ist eine einfache Umsortierung der Bits erforderlich, bevor das Signal an den Rescaler weitergeleitet wird, falls die Eingangsauflösung nicht mit der Auflösung des Displaypanels übereinstimmt.

Sicherheit

Flüssigkristalle werden fortlaufend auf ihr Gefahrenpotenzial hin untersucht, sowohl hinsichtlich Toxizität als auch Ökotoxizität. Das Ergebnis ist:

  • Abwässer aus der Fertigungsindustrie sind für Wasserorganismen akut toxisch. [ 32 ]
  • Kann jedoch in seltenen Fällen reizend, ätzend oder sensibilisierend wirken. Solche Effekte lassen sich durch die Verwendung einer begrenzten Konzentration in Mischungen vermeiden.
  • sind nicht mutagen – weder in Bakterien (Ames-Test) noch in Säugetierzellen (Mauslymphom-Test oder Chromosomenaberrationstest).
  • stehen nicht im Verdacht, krebserregend zu sein, [ 33 ].
  • sind gefährlich für Wasserorganismen (Bakterien, Algen, Daphnien, Fische), [ 32 ]
  • besitzen kein signifikantes Bioakkumulationspotenzial.
  • sind nicht leicht biologisch abbaubar. [ 33 ]

Die Aussagen gelten für Merck KGaA sowie deren Wettbewerber JNC Corporation (ehemals Chisso Corporation) und DIC (ehemals Dainippon Ink & Chemicals). Alle drei Hersteller haben sich verpflichtet, keine akut toxischen oder mutagenen Flüssigkristalle auf den Markt zu bringen. Sie decken über 90 Prozent des globalen Flüssigkristallmarktes ab. Der verbleibende Marktanteil an Flüssigkristallen, die hauptsächlich in China produziert werden, besteht aus älteren, patentfreien Substanzen der drei weltweit führenden Hersteller, die bereits von diesen auf Toxizität getestet wurden. Daher können auch diese als ungiftig eingestuft werden.

Der vollständige Bericht ist online bei Merck KGaA erhältlich. [ 33 ]

Die in vielen LCD-Monitoren verwendeten CCFL- Hintergrundbeleuchtungen enthalten Quecksilber , das giftig ist.

Siehe auch

Referenzen

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