Heimo Ponnath Design

Der flache Bildschirm

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


Schwarz auf weiß mit DSTN-LCDs

Der Markt verlangte nach sogenannten paperwhite Displays. Abgesehen davon, daß der Kontrast durch die Schwarz/Weiss-Darstellung verbessert wird, ist sie dem Menschen auch vertrauter. Drei Verfahren wurden entwickelt, dieses Problem zu lösen.

Die sogenannte Guest-Host-Technik (Gast-Wirt-Technik) verwendet Farbstoffe, die in den flüssigen Kristall eingebettet werden. Weil die ausgewählten Pigmente ebenfalls stäbchenartige Moleküle sind, ordnen sie sich parallel zu den Stäbchen der nematischen Phase und werden bei jeder Umorientierung ebenfalls mitbewegt. Durch diese Orientierungsordnung ist der Farbstoff - genauso wie der flüssige Kristall - anisotrop. Weißem Licht aus unterschiedlicher Richtung zum Farbstoffmolekül werden daher jeweils andere Wellenlängen entzogen. Das verbleibende Licht ist dann farbig: Fehlt ursprünglich weißem Licht der Rot-Anteil, dann wird es cyanfarbig, fehlt ihm der Blau-Anteil, dann ist es gelb. Problematisch war es nun nur noch, einen Farbstoff - oder eine Mischung - zu finden, der im getwisteten Zustand kein Licht absorbiert (weiß), im anderen - dem elektrischen Feld angepassten - Zustand aber alle Wellenlängen schluckt (schwarz).

Zwar wurden solche Substanzen gefunden, das Ergebnis konnte aber nicht ganz zufriedenstellen. Durch die Beimengung verliert das Display erheblich an Helligkeit. Weiterhin variiert der schwarze Farbton sehr stark mit dem Betrachtungswinkel

Martin Schadt - einer der Erfinder der TN-Technik - stellte 1987 das sogenannte OMI-Verfahren vor. OMI bedeutet Optical Mode Interference: Durch genaues Justieren sowohl des flüssigen Kristalls als auch der Dicke der Zelle kann eine Schwarz/Weiss-Wiedergabe angenähert werden.

Den größten Erfolg im Bemühen um die Schwarz/Weiss-Darstellung errang die Double-Supertwist-Technik, die maßgeblich von SHARP entwickelt wurde. Das Aufbauprinzip dieser DSTN-Zelle ist in Bild 15 zu erkennen. Es liegen nun zwei STN-Schichten vor. In der aktiven Zelle - das ist diejenige, an die ein elektrisches Feld gelegt werden kann - ist der flüssige Kristall um 240 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Die passive Zelle enthält ebenfalls nematisches Material, das hier aber um 240 Grad mit dem Uhrzeigersinn gedreht vorliegt. Beide Zellen sind so zueinander gedreht, daß die Orientierung der Stäbchen an der Eingangsseite senkrecht zu der an der Ausgangsseite ist. Die Polarisationsfolien sind ebenfalls um 90 Grad gegeneinander gedreht.

Aufbauprinzip des DSTN-Flüssigkristalldisplays Bild 15. Das Aufbauprinzip des DSTN-Flüssigkristalldisplays.

In der konventionellen TN- oder STN-Zelle erhält man nach dem Durchgang linear polarisierten Lichtes genau betrachtet nicht einfach linear polarisiertes Licht mit verdrehter Schwingungsebene, sondern elliptisch (oder zirkular) polarisiertes Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors beschreibt eine Ellipse oder einen Kreis. Solches Licht geht durch den Polarisator hindurch, wobei die durch den Dichroismus bewirkte Farbaufspaltung - abhängig von der Polarisation und der Folienorientierung am Strahlaustritt - zu farbigem Licht führt.

Funktionsprinzip des DSTN-Flüssigkristalldisplays Bild 16. Zur Funktion von DSTN-LC-Displays.

Mittels Bild 16 ist nun die Arbeitsweise von DSTN-LCDs zu verstehen (siehe auch Kuwagaki in 3): Weißes Licht fällt auf den hinteren Polarisator; (im Bild unten) und wird dort linear polarisiert. Dann gelangt es in die aktive STN-Zelle, die - ohne Feld - nun zirkular polarisiertes Licht daraus erzeugt. Dieses Licht ist - wie bei der herkömmlichen STN-Zelle - durch Dichroismus verändert. Der Weg durch die anschließende passive Zelle (die das gleiche Flüssigkristall-Material enthält wie die erste - aktive - Zelle, aber in entgegengesetzter Richtung verdreht) führt zur Kompensation der Farbaufspaltung (Die Phasendifferenz wird gleich Null). Als Ergebnis liegt linear polarisiertes Licht vor, das die gleiche Schwingungsebene aufweist, wie zuvor nach dem Passieren der hinteren Polarisationsfolie. Weil aber der vordere Polarisator um 90 Grad verdreht ist, läßt er kein Licht durch: Der Bildschirm ist an dieser Stelle schwarz.

Liegt an der aktiven Zelle ein elektrisches Feld an, dann geht das linear polarisierte Licht aus dem hinteren Polarisator dort glatt hindurch ohne verändert zu werden. Erst in der passiven Zelle erfolgt nun zirkulare Polarisation. Weil aber zirkular polarisiertes Licht von Polarisatoren nicht zurückgehalten wird, ist der Bildschirm an dieser Stelle hell. Durch genaues Justieren sowohl des verwendeten Materials als auch der Zellabmessungen wird das durchgelassene Licht weiß.

Auf diese Weise wurden Displays realisiert, die ein sauberes Schwarz /Weiss mit einem Kontrastverhältnis von bis zu 15:1 bieten.


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