Flüssigkristallanzeige (LCD): Aufbau, Funktion und Anwendungen
Kompakte Einführung zur Flüssigkristallanzeige (LCD): Funktionsprinzip, Aufbau, Typen, Einsatzgebiete, Vorteile und Unterschiede zu anderen Display-Techniken.
Überblick
Eine Flüssigkristallanzeige, kurz LCD, ist ein dünnes Flachdisplay, das Licht selektiv durchlässt oder blockiert, um Bilder oder Zeichen darzustellen. Im Unterschied zu einer LED-Diode erzeugt ein LCD kein eigenes Licht, weshalb viele Geräte eine zusätzliche Beleuchtung brauchen. Das Kernmaterial sind Flüssigkristalle, spezielle Substanzen, deren Orientierung durch elektrische Felder veränderbar ist.
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Aufbau und Funktionsprinzip
Ein typisches LCD besteht aus mehreren geschichteten Komponenten: zwei polarisierenden Filtern, zwei Glassubstraten mit dünnen Elektroden, der Schicht aus Flüssigkristallen und gegebenenfalls einer Hintergrundbeleuchtung. Legt man an die Elektroden eine Spannung an, ändert sich die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, wodurch sich die Polarisation des hindurchtretenden Lichts verändert. Mit geeigneter Kombination aus Polarisatoren und Farbschichten lässt sich so jede Bildpunkthelligkeit und -farbe steuern. Die einzelnen steuerbaren Felder heißen Pixel oder Segmente und können sehr klein ausgelegt werden.
Typen und charakteristische Merkmale
- Segment-LCDs: einfache Anzeigen für Ziffern und Symbole, häufig in batteriebetriebenen Geräten.
- Matrix-LCDs: passive oder aktive Matrix (TFT) für höhere Auflösungen, verwendet in Smartphones, Computermonitoren und Fernsehern.
- Hintergrundbeleuchtung: bei Raumlicht-unabhängigen Anwendungen sind LEDs oder Kaltkathoden-Röhren notwendig; erstere sind heute am weitesten verbreitet, letztere (CCFL) wurden früher oft in Bildschirmen eingesetzt.
Geschichte und Entwicklung
Die Technik entstand in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts aus der Forschung zu anisotropen Flüssigkeiten und Elektrooptik. Anfangs wurden einfache Segmentanzeigen gebaut; mit Fortschritten in der Dünnschichttransistor-Technik (TFT) und bei Flüssigkristallmaterialien wurden hochauflösende Matrixdisplays möglich. Parallel sorgten Verbesserungen bei Hintergrundbeleuchtung und Farbfiltern dafür, dass LCDs schrittweise in Fernseher, Laptops und mobile Geräte vorrückten.
Anwendungen, Vorteile und Beispiele
LCDs finden sich in zahlreichen Alltagsgeräten: Digitaluhren, Taschenrechnern, Messinstrumenten, Laptops, Tablets, Fernsehern und mobilen Geräten. Ihre Stärken sind geringer Energieverbrauch im Vergleich zu lichtemittierenden Anzeigen, flache Bauweise, gute Auflösung und vergleichsweise geringes Gewicht. Für batteriebetriebene Geräte ist die Fähigkeit, mit sehr wenig Strom zu arbeiten, besonders wichtig. In Kombination mit moderner LED-Hintergrundbeleuchtung bieten LCDs heute hohe Helligkeit und Farbtreue.
Einschränkungen und bemerkenswerte Unterschiede
Typische Schwächen sind begrenzte Blickwinkelstabilität und bei manchen Bauformen eine geringere Schwarzdarstellung im Vergleich zu selbstleuchtenden Displays. Früher verwendete Hintergrundbeleuchtungen umfassten CCFL-Röhren; heute dominieren LED-basierte Lösungen. Obwohl LCDs kein eigenes Licht aussenden, sind sie wegen ihrer Energieeffizienz und Reife der Fertigung weiterhin eine der dominierenden Display-Technologien.
Kurze Zusammenfassung
Flüssigkristallanzeigen kombinieren optische Prinzipien mit elektrischer Steuerung und bieten ein vielseitiges, energiesparendes Displaykonzept. Durch verschiedene Bauformen und Beleuchtungstechniken decken sie ein breites Anwendungsspektrum ab — von einfachen Anzeigefeldern bis zu hochauflösenden Bildschirmen.
Konstruktion
Das LCD verwendet eine Technologie, die elektro-optische Modulation genannt wird. Das bedeutet, dass sie Elektrizität verwendet, um zu verändern, wie viel Licht durch sie hindurchgeht.
Jedes Pixel (Block) einer LCD-Anzeige besteht aus einer dünnen Schicht von Molekülen zwischen zwei Elektroden und zwei Polarisationsfiltern. Die Elektroden versorgen die Flüssigkristallschicht mit elektrischer Energie und blockieren das Licht nicht. Licht bewegt sich mit "Polarität" oder Richtung, und ein Polarisationsfilter lässt nur Licht mit einer Art von Polarität durch, so wie man versucht, ein Lineal durch eine enge Öffnung zu schieben. Nur wenn das Lineal richtig ausgerichtet ist, wird es passen. Diese beiden Filter stehen senkrecht zueinander, so dass die schmalen Öffnungen in unterschiedliche Richtungen weisen. Das bedeutet, dass sie ohne die Flüssigkristalle zwischen ihnen das gesamte Licht am Durchtritt hindern würden - was auch immer Licht durch den ersten Filter gelangt, wird nicht durch den zweiten Filter passen.
Die Schicht aus Flüssigkristallen zwischen den beiden Filtern kann das Licht "verdrehen", so dass die Polarität wechselt. Das bedeutet, dass das Licht dann beide Filter passieren kann und das Pixel klar erscheint. Wenn ein elektrischer Strom an die Flüssigkristalle angelegt wird, werden die Moleküle sich aufdrehen und das Licht nicht verändern. Die Filter blockieren dann das Licht, und das Pixel erscheint dunkel.
Wenn eine große Anzahl von Pixeln in einer Anzeige benötigt wird, wird es schwierig, genügend Drähte und Elektroden zu haben, um jedes Pixel zu steuern und trotzdem eine saubere Anzeige zu haben. Stattdessen wird die Anzeige gemultiplext. Bei einer Multiplexanzeige werden die Elektroden auf einer Seite der Anzeige gruppiert und miteinander verdrahtet (normalerweise in Spalten). Auf der anderen Seite sind die Elektroden ebenfalls gruppiert (normalerweise in Zeilen), wobei jede Gruppe eine Spannungssenke erhält. Durch Einschalten einer Zeile und einer Spalte kann jedes Pixel einzeln angesteuert werden.
Fragen und Antworten
F: Was ist eine Flüssigkristallanzeige?
A: Ein Flüssigkristallbildschirm ist ein spezielles, dünnes, flaches Panel, das Licht durchlassen oder blockieren kann. Es besteht aus mehreren Blöcken, die mit Flüssigkristallen gefüllt sind, die je nach angelegtem Strom durchsichtig oder fest werden können.
F: Erzeugt ein LCD sein eigenes Licht?
A: Nein, ein LCD erzeugt kein eigenes Licht.
F: Warum werden LCDs oft in batteriebetriebenen Geräten verwendet?
A: LCDs werden häufig in batteriebetriebenen Geräten, wie z.B. Digitaluhren, verwendet, da sie sehr wenig Strom verbrauchen.
F: Wie werden LCDs oft abgekürzt?
A: LCDs werden oft als Flüssigkristallanzeigen abgekürzt.
F: Wo werden LCDs üblicherweise eingesetzt?
A: LCDs werden üblicherweise in Flachbildfernsehern und batteriebetriebenen Geräten wie Digitaluhren verwendet.
F: Benötigen alle LCDs eine Hintergrundbeleuchtung?
A: Nein, einige LCDs funktionieren auch ohne Hintergrundbeleuchtung, z.B. in einem beleuchteten Raum oder im Freien bei Tageslicht.
F: Was ist in Produkten wie Smartphones, Computermonitoren und Fernsehern eingebaut, um die Hintergrundbeleuchtung zu gewährleisten?
A: Eine Hintergrundbeleuchtung ist in Produkten wie Smartphones, Computermonitoren und Fernsehern eingebaut und kann eine LED oder eine Kaltkathoden-Leuchtstoffröhre (CCFL) sein.
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Autor
AlegsaOnline.com Flüssigkristallanzeige (LCD): Aufbau, Funktion und Anwendungen Leandro Alegsa
URL: https://de.alegsaonline.com/art/58375
Quellen
- altadox.com : "LCD Basics"