Flüssig, flach und flackerfrei: LCD-Bildschirme für den Atari ST

Bild 1. Hier spricht die Auflösung für sich. Manhattan in 640 x 400 Pixel — gestochen scharf.

Bild 2. Als vollwertige Alternative präsentiert sich der LCD-Bildschirm am ST. Zusammen mit dem Schwenkarm bietet er einen vorbildlich ergonomischen Arbeitsplatz.

Es ist mit 2500 Mark um ein Vielfaches teurer als der monochrome Monitor. Das dürfte sich in absehbarer Zeit ändern. Die DST-LCDs werden in Stückzahlen schon für 500 Mark angeboten.

Als hochwertiger Ersatz für den Monochrom-Monitor erweist sich neuerdings ein Bildschirm in LCD-Technik. Das flache Display (Bild 1 und 2) stellte die Firma Wilhelm Computer erstmals auf der CeBIT vor.

LC-Displays vereinigen viele Vorteile. Sie sind völlig strahlungsfrei. Anders als herkömmliche Elektronenstrahlröhren (CRT) senden sie keine hochfrequenten Wellen aus, die für Ermüdungserscheinungen verantwortlich sind und langfristig sogar zu gesundheitlichen Schäden führen können. Außerdem bieten sie durch ihre flache und leichte Bauweise ideale Voraussetzungen für eine ergonomische Gestaltung des Arbeitsplatzes. Beispielsweise lassen sich LC-Displays einfach auf einem Schwenkarm montieren und in jede Lage drehen.

Als Nachteil erweist sich die relativ hohe Nachleuchtdauer der Flüssigkristalle. Sie erzeugt bei bewegter Grafik einen »Wischeffekt«. Für Animation und Computerspiele ist der »flüssige Bildschirm« deshalb meistens ungeeignet. Doch spielt dieses Manko im Zusammenhang mit dem größten Teil der professionellen Software eine untergeordnete Rolle. Für Datenbanken, Textverarbeitung und CAD ist das LC-Display hervorragend geeignet. Zukünftige Entwicklungen werden auch den Wischeffekt vermeiden. Auch sind LC-Displays teurer als CRTs.

Hersteller der Flüssigkristallanzeige für den ST ist die Firma Sharp. Ron Komoss ist Marketing Manager für Elektronische Komponenten der europäischen Zentrale in Hamburg. Im folgenden beschreibt er Technologie und historische Entwicklung der neuen Bildschirmgattung, und warum die LCDs die CRTs in Zukunft mehr und mehr verdrängen werden:

Flachbildschirme in Flüssigkristalltechnik verzeichneten in den letzten Jahren eine starke Nachfrage. Dieses Interesse konnten die Hersteller jedoch in technologischer Hinsicht nicht abdecken. Die großflächigen LCDs (Liquid Crystal Display) weisen Mängel in Blickwinkel, Kontrast, Geschwindigkeit und Temperaturabhängigkeit auf. Die neue Double Super Twisted (DST)-Technologie brachte endlich den Durchbruch. Sie bietet eine großflächige, grafische LCD, die sich mit Schwarzweiß-Monitoren messen kann und somit die CRT-Monitore und CRT-Terminals in vielen Anwendungsbereichen ablösen wird. Vor der Erläuterung der DST-Technik im einzelnen, ist es erforderlich, die bisherigen LC (Liquid CrystaQ-Technologien zu beschreiben (siehe Bild 3).

1. TN-FEM LCD

Diese Technologie ist die bisher am weitesten verbreitete. TN-FEM LCD steht für Twisted Nematic Field Effective Material Liquid Crystal Display und bedeutet folgendes: Ein Flüssigkeitskristall wird zwischen zwei Elekroden einem elektrischen Feld ausgesetzt. Die Moleküle dieser Flüssigkeit werden der elektrischen Feldstärke entsprechend zur Drehung um etwa 90 Grad veranlaßt. Linear polarisiertes Licht, das durch eine Zelle fällt, wird um denselben Betrag gedreht. Die Zeile besteht aus transparenten Elektroden mit dem LC in der Mitte. Wenn man Polarisatoren vor und hinter diese LC-Zelle legt, die gegeneinander um 90 Grad gedreht sind, erhält man eine Art Lichtschalter (Bild 4). Ein Polarisator ist ein lichtdurchlässiges Material, das die Eigenschaft besitzt, aus den verschiedenen Schwingungsrichtungen des Lichtes nur die Schwingungsrichtung in einer bestimmten Ebene durchzulassen.

Bild 4 erläutert den prinzipiellen Aufbau einer LC-Zelle. Es ist jedoch zu beachten, daß auf dem Glas durchsichtige (transparente) Segment-Elektroden aufgedampft sind und kleine Abstandhalter (sogenannte Spacer, die sich im Flüssigkristall befinden) die Gläser auf einem Abstand von rund 7 Mikrometer halten. Das Flüssigkristall ist mit den Spacern zwischen beide Gläser in den Zwischenraum eingespritzt. Ein Reflektor lenkt das Licht, das aus dem unteren Glas austritt, um und läßt es aus dem oberen Glas wieder austreten. Hierbei spricht man von einem reflektiven LC-Display. Es arbeitet mit Umgebungslicht. Das Display ist bei Dunkelheit nicht lesbar. Fehlt dieser Reflektor, handelt es sich um ein transmissives LC-Display. Es muß immer von hinten beleuchtet sein. Damit ist es auch ohne zusätzliche Lichtquelle ablesbar. Ist der Reflektor halb lichtdurchlässig (also 50 % reflektiv, 50 % transmissiv, andere Verhältnisse sind möglich), spricht man von einem transflektiven LC-Display. Hier kann Hintergrundlicht zu-oder abgeschaltet werden. Displays dieser Art sind somit ebenfalls Tag und Nacht ablesbar.

Aufbau einer herkömmlichen TN-FEM-LCD

Die TN-FEM-LC-Technologie war ausreichend, solange man nur relativ kleine Displays brauchte. Aber bei größeren Displays wuchs die Anzahl der anzusteuernden Segmente sprunghaft. So mußte man — um die Zahl der Anschlußpins gering zu halten — zu immer höheren Multiplexraten greifen. Die Grenze liegt bei einer Multiplexrate von 1:100. Der Brechungswinkel wird dabei klein (unter 30 Grad) und der Kontrast schlecht (etwa 2.0). Man stellte den Kunden solche LC-Displays vor, aber sie waren im Erscheinungsbild so schlecht, daß dieser Technik für grafische LC-Displays kein Verkaufserfolg beschieden war. Dies gilt nur für Displays mit einer Auflösung von beispielsweise 480 x 128 Punkten und einer Multiplexrate von 1:100. Wenn dagegen die Multiplexrate bei 1:2 bis 1:16,1:36 liegt, werden hervorragende Blickwinkel-Werte und Kontraste erzielt.

Zum besseren Verständnis hier eine Erklärung der neuen Begriffe:

Multiplexrate:

Das Auge kann Bildfolgen mit einer zeitlichen Differenz von weniger als 30 ms nicht trennen. Man zerlegt demnach 30 ms bei einer Multiplexrate 1:100 in 100 Teile und teilt das LC-Display ebenfalls in 100 Bereiche ein. Durch eine Schaltung stellt man sicher, daß jeder 100ste Teilbereich innerhalb der vorgegebenen Zeit angesteuert wird. Ohne Multiplexen wären bei einem Display von 240 x 128 Pixeln 30720 Anschlußpins statt 400 (mit Multiplexen) vorzusehen.

Die Darstellung dieser Zusammenhänge wurde bewußt vereinfacht. Im Detail betrachtet, ist insbesondere das Multiplexverfahren ein hochkomplexer Vorgang.

Bei Angaben des Betrachtungswinkels, unter dem der LC-Bildschirm noch gut ablesbar ist, spricht man meist nur vom Winkel Alpha. Unter optimalen Bedingungen steht die Blickachse des Betrachters senkrecht (normal) auf der Oberfläche des Displays. Alpha ist der Winkel zwischen dieser »Flächennormalen« und der vertikal abweichenden Blickachse (der Beobachter blickt von schräg oben oder unten auf das Display). Ein Alpha von 50 Grad wird als gut betrachtet. Bei TN-FEM-LCDs sind nur 30 Grad erreichbar.

Ein weiterer maßgeblicher Faktor ist in diesem Zusammenhang das Kontrastverhältnis Co. Er wird definiert als der Quotient aus der Photodetektorspannung bei nicht aktivem LCD und der Photodetektorspannung bei aktivem LCD. Ein Photodetektor ist ein Meßgerät, das die Helligkeit eines Gegenstandes oder einer Lichtquelle bestimmt und in eine elektrische Spannung umsetzt.

Ein Kontrastverhältnis Co >10 wird vom Betrachter als gut ablesbar beurteilt. TN-FEM-LCDs erreichen nur Co< =2,0.

Wie bereits angedeutet, ist die TN-FEM-LCD-Technologie für große Displays nicht geeignet. Man suchte daher nach Verbesserungen und entwickelte die STHC-LCD.

2. STHC-LCD

Die Super TWisted High Contrast-LCD (STHC-LCD) gibt es in zwei Varianten: entweder mit einer gelb-grünen oder mit einer grauen Hintergrundfarbe. Der Aufbau ist im Prinzip derselbe wie bei der TN-FEM-LCD. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede:

Der Super Twist-Effekt und der Birfringence-Effekt sind verantwortlich für die Verbesserung des Co und des Alpha (Kontrast und Blickwinkel). Für detaillierte Erläuterungen müssen wir an dieser Stelle auf Fachliteratur verweisen.

Die STHC-LCD erreicht ein Co von etwa 5 und ein Alpha von 50 Grad. Das ist zwar eine Verbesserung, aber noch nicht ausreichend. Störend ist, daß sich diese LCDs nur in bestimmten Farben (Gelb-grün, Blau, Dunkelblau und rötlich) fertigen lassen. Diese Farben wirken ermüdend auf das Auge. Dies ist der Hauptgrund, warum auch die STHC-LCD nicht die erwünschte Marktakzeptanz fand. Man suchte nach neuen Lösungen und entwickelte die DST-LCD.

3. DST-LCD

Die Double Super Twisted-LCDs sind im Prinzip zwei übereinandergelegte STHC-LCDs. Sie eliminieren die Wellenlängen- und damit die Farbabhängigkeit. Damit erreicht man eine echte Schwarzweiß-Darstellung.

Ron Komoss ist Diplom-Ingenieur für Physikalische Technik. Nach seinem Studium entwickelte er bei der Firma Anker Ansteuerungen für Magtnetbandkassetten. Seine anschließenden Tätigkeiten bei Rockwell als Applikationsingenieur für Mikroprozessoren und Speicher sowie bei RCA als Produkt-Manager für CMOS-Logik, Mikroprozessoren und Speicher führten ihn schließlich zu Sharp. Dort ist er seit 1983 als Marketing Manager für ICs und optoelektronische Bauelemente tätig.

Bild 3. Die Technologien der LC-Displays im Vergleich

Der Kontrast Co steigt auf 14,0 bei gleich großem Blickwinkel von rund 50 Grad.

Was man schwarz auf weiß besitzt...

Die Unterschiede zwischen TN-FEM, STHC und DST sind anhand eines Prisma-Modells in Bild 3 dargestellt. Aufgrund der höheren Lichtbrechung ist am Ausgang des Prismas bei STHC eine höhere Farbsteuerung (Dispersion) als beim TN-FEM festzustellen. Je nach Wahl des Filters blendet der STHC die eine oder andere Wellenlänge (Farbe) aus. Das DST-Display hebt durch ein zweites Prisma (180 Grad entgegengesetzt) die Dispersion auf und stellt am Ausgang des Prismas die Display-Oberfläche dar, die der Betrachter sieht. In Zahlen läßt sich die Verbesserung von STHC in DST zwar ausdrücken. Erst wenn man das neue DST-Display mit eigenen Augen gesehen hat, versteht man, warum die letzte Runde für CRT-Bildschirme in Schwarzweiß eingeläutet ist. In Japan wandern bereits hohe Stückzahlen über die Ladentische und die Steigerungsrate wächst.

Problematisch bei der DST-Technik ist die Herstellung in großen Stückzahlen. Die Fertigungstoleranzen sind extrem niedrig. Die vier übereinanderliegenden Gläser müssen exakt plan sein. Bei den Polarisatoren dürfen keine Schwankungen in der Stärke auftreten. Der Glasabstand muß exakt eingehalten werden. Damit das Display nicht zu dick wird, dürfen nur dünne Materialien Verwendung finden. Dasselbe gilt für die neue Leiterplattentechnik der Ansteuerungselektronik. Diese Leiterplatten für die ICs sind dünn und biegsam. Das IC steckt nicht mehr in einem Plastikgehäuse. Wenn man dies alles berücksichtigt, kann man kaum glauben, daß eine grafikfähige LCD mit 720 x 400 Punkten (Modell LM72060Z) nur rund 900 Mark als Muster und bei Stückzahlen über 1000 Stück nur rund 500 Mark kostet.

(Dipl.-Ing. Ron Komoss/Matthias Rosin)

Bild 4. Flüssigkristall und Polarisatoren bilden zusammen einen »Licht-Schalter«


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