Heimo Ponnath Design

Der flache Bildschirm

Text: Heimo Ponnath, Dipl.chem. (© 1991)
Bilder: Heimo Ponnath und Beatrice Löbl


Aktive und passive Matrix

Eine Frage, die alle Flachbildschirmtechniken betrifft, ist noch offen: Wie erzeugt man das elektrische Feld genau an den Stellen des Bildschirmes, an denen Punkte erscheinen sollen?

Natürlich könnte man jeden Bildpunkt einzeln ansprechen, was bei den ersten Ausführungen der sogenannten 7-Segmentanzeigen auch geschah. Dort finden sich aber nur wenige Punkte (Segmente) pro Display im Vergleich zu einem Bildschirm, der dem VGA-Standard gehorcht und 640 mal 480, also 307.200 Bildpunkte erfordert.

Die Lösung bietet die sogenannte Matrixansteuerung der Bildpunkte: Jeder Punkt liegt an der Kreuzung einer Spalte und einer Zeile (siehe Bild 18), die in Form durchsichtiger Leiterbahnen in die Gläser der Flüssigkristallzelle eingebettet sind. Im obigen Beispiel wären das dann 480 Zeilen in der einen Glasplatte und 640 Spalten in der anderen. Legt man nun an solch ein Zeilen/Spalten-Paar eine Spannung an, dann entsteht genau am Kreuzungspunkt das elektrische Feld. Jetzt ist es möglich, alle 307.200 Bildpunkte mittels 640+480, also nur noch 1.120 Leitungen anzusprechen, was den technischen Aufwand erheblich vermindert. Man spricht bei dieser Art der Bildpunktansteuerung von einer passiven Matrix.

Matrixansteuerung von Punkten Bild 18: Die Matrix-Ansteuerung von Bildpunkten.

Mit der Passivmatrixtechnologie sind eine Anzahl von Problemen verbunden, die ihrer Anwendung noch relativ enge Grenzen setzen. Beispielsweise entsteht - genau genommen - nicht nur an den Kreuzungspunkten ein elektrisches Feld, sondern auch entlang der aktiven Zeile und Spalte. Zwar ist dieses ungewollte Feld schwächer als das am Kreuzungspunkt und die Stäbchenumorientierung im flüssigen Kristall erfolgt ziemlich abrupt erst bei einem Schwellwert der Feldstärke: Möchte man aber viele Graustufen auf dem Bildschirm zeigen, dann kann man das nur durch einen langsameren Übergang in der Stäbchenreaktion erreichen. Anstelle des scharfen Schwellwertes benötigt man dann einen breiteren Bereich unterschiedlich starker Reaktion des LC-Materials auf geringe Änderungen der Feldstärken. Dann aber kann sich unter Umständen auch schon das schwache Feld entlang einer Zeile/Spalte als Graustufe ausdrücken, was zu vermindertem Kontrast des Displays führt - man spricht dann von Cross-Talk. Es hat den Anschein, als müßte man sich entscheiden und entweder Displays mit geringer Auflösung, dafür aber vielen Graustufen bauen, oder aber solche mit hoher Auflösung, dafür aber wenigen Graustufen. Versucht man beides in einem einzigen Passiv-Matrix-Display zu realisieren, muß man mit vermindertem Kontrast bezahlen. Das Kontrastverhältnis modernster TSTN-Displays liegt etwa zwischen 10:1 und 15:1, d.h. ein voll eingeschalteter Bildpunkt ist 10 bis 15mal so hell wie ein ganz abgeschalteter.

Die Lösung des Problems ist die aktive Matrix (hier sind Kontrastverhältnisse von 70:1 bis 100:1 üblich!). An jedem Kreuzungspunkt befindet sich ein winziger Transistor (in der sog. MIM-Technik ist es eine Diode), der per Dünnfilmtechnik auf das Glas aufgebracht wird. Daher der Name TFT, denn "Thin Film Transistor" heißt Dünnfilmtransistor. Ein Bildpunkt kann nun mit wesentlich geringerer Spannung angesteuert werden, der Transistor erzeugt genau dort ein variables elektrisches Feld. Zur Regelung der Helligkeit von Pixeln kann man in der AMLCD-Technik (AMLCD = Aktiv Matrix LCD) prinzipiell zwei Wege beschreiten: Entweder steuert man sie direkt durch die Stärke des angelegten elektrischen Feldes. Eine hohe Feldstärke führt dann (bei entsprechender Orientierung des Polarisators) zum dunklen Pixel. Je geringer die Feldstärke wird, desto heller scheint das Licht durch den Flüssigkristall. Addiert man die Lichtintensitäten der drei Farbkomponenten, so lassen sich auf diese Weise sehr viele verschiedene Farbtöne kombinieren. Die Anforderungen an den Toleranzbereich der Transistoren aber sind auf diese Weise sehr hoch: Alle müssen nahezu gleiche Kennlinien aufweisen.

Der andere Weg stellt geringere Anforderungen: Die Transistoren brauchen hier nur ein- oder ausgeschaltet zu werden. Durch schnelles Pulsen erzeugt man eine Folge von Lichtblitzen, die das menschliche Auge nur als Helligkeits-Mittelwert wahrnimmt. Je mehr Impulse pro Zeit gegeben werden, desto heller erscheint das Pixel. Auch hier addieren sich schließlich die unterschiedlich hellen Farbkomponenten zur Farbe des Bildpunktes. Nachteilig an dieser Betriebsart ist zum einen, daß ein größerer Aufwand an Steuerung des Displays betrieben werden muß und zum anderen, daß durch den schnellen Pulsbetrieb - trotz der geringen Ströme in den Leiterbahnen - wieder Induktionen auftreten, die den Kontrast mindern. Vermutlich stößt man hier bald an ähnliche Grenzen, die schon bei den Displays mit passiver Matrix die Auflösung einschränkten. AMLCDs dieser Art weisen daher lediglich Kontrastverhältnisse von 60:1 auf, wohingegen sonst Werte bis 100:1 üblich sind.

Etwa 1985 begannen Ingenieure, Möglichkeiten zur Produktion von TFT-Flüssigkristall-Displays zu überprüfen. Zu dieser Zeit gab es weltweit noch keine Anlagen, die dazu fähig waren. Die Techniken aber zur Herstellung solcher winzigen Transistoren durch Aufdampfen, Implantieren, Ätzen stammen aus der Mikroelektronik und waren wohlbekannt. So verwendete man zunächst eine Anlage, die eigentlich zur Herstellung von 6" wafer LSI diente und funktionierte sie um. Genau genommen war das die Geburtsstunde einer neuen Technik, die heute "Giant Microelectronics" genannt wird.


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