Wie funktioniert das TFT-LCD-Display?

1. Was ist ein TFT-LCD?

Eine der Display-Technologien, die sich derzeit am schnellsten entwickelt, ist das TFT-LCD oder Dünnschichttransistor-Flüssigkristalldisplay. Eine Art von Halbleiterbauelement, das als Dünnschichttransistor (TFT) bezeichnet wird, wird in der Displaytechnologie verwendet, um die Effizienz, Kompaktheit und Kosten des Produkts zu erhöhen. Das TFT-LCD ist ein Aktivmatrix-Display, das nicht nur Halbleitereigenschaften hat, sondern auch die Vorteile dieses Halbleiterbauelements verstärkt. Es steuert Pixel individuell und aktiv statt passiv.

Seit der Verwendung in Verbindung mit der Flachbildschirmtechnologie, insbesondere Flüssigkristallanzeigen (LCD), sind TFT-Displays für den Einsatz in LCD-Monitoren und Bildschirmen, einschließlich Computermonitoren und Smartphones, immer beliebter geworden. Mit dieser Weiterentwicklung begann das leichtere, weniger sperrige LCD, die Kathodenstrahlröhre, auch bekannt als CRT, als dominierende Display-Technologie abzulösen. Die TFT-Technologie, die heute in LCDs zu finden ist, wird vor allem zur Herstellung hochauflösender und hochwertiger Displays eingesetzt.

2. TFT-LCD-Struktur

Die Konstruktion des TFT-LCDs besteht aus drei Hauptschichten. Glassubstrate bilden die beiden Sandwichschichten; Einer von ihnen verfügt über TFTs, während der andere über einen RGB- oder Rot-Grün-Blau-Farbfilter verfügt. Eine Flüssigkristallschicht befindet sich im Raum zwischen den Glasschichten.

Die tiefste oder hinterste Schicht auf der Leiterplatte eines Geräts ist die TFT-Glassubstratschicht. Für die Herstellung wird amorphes Silizium verwendet, eine Siliziumsorte mit einer nichtkristallinen Struktur. Das eigentliche Glassubstrat wird dann mit einer Schicht Silikon überzogen. Die TFTs in dieser Schicht werden einzeln mit jedem Subpixel aus der anderen Substratschicht des Geräts gekoppelt (siehe Architektur eines TFT-Pixels unten) und regulieren die Spannung, die an jedes Subpixel angelegt wird. In dieser Schicht, zwischen dem Substrat und der Flüssigkristallschicht, befinden sich auch Pixelelektroden. Ein Leiter ist eine Komponente, die es ermöglicht, dass Strom in ein anderes Objekt, in diesem Fall die Pixel, hinein oder aus ihm herausfließt.

Das andere Glassubstrat befindet sich auf Oberflächenebene. Die eigentlichen Pixel und Subpixel, aus denen sich der RGB-Farbfilter zusammensetzt, befinden sich direkt unter diesem Glassubstrat. Diese Oberflächenschicht hat Gegenelektroden (oder gemeinsame) auf der Seite, die den Flüssigkristallen am nächsten liegt und den Stromkreis blockiert, der zwischen den beiden Schichten verläuft, um die Elektroden der oben genannten Schicht auszugleichen. Da sie Transparenz ermöglichen und gute leitfähige Eigenschaften aufweisen, werden in beiden Substratschichten typischerweise Indiumzinnoxid (ITO)-Elektroden verwendet.

Polarisationsfilterschichten befinden sich an den Außenseiten der Glassubstrate, unabhängig davon, ob sie der Vorder- oder Rückseite am nächsten liegen. Nur bestimmte Lichtstrahlen, die auf eine bestimmte Weise polarisiert sind, d.h. deren geometrische Wellen mit dem Filter kompatibel sind, können diese Filter passieren. Eine falsche Polarisation verhindert, dass Licht durch den Polarisator fällt, was zu einem undurchsichtigen LCD-Bildschirm führt.

Zwischen den beiden Substratschichten befinden sich Flüssigkristalle. Zusammen können sich die Moleküle, aus denen ein Flüssigkristall besteht, wie eine Flüssigkeit bewegen und verhalten, aber sie behalten eine Kristallstruktur bei. Für die Verwendung in dieser Schicht stehen eine Vielzahl von chemischen Formeln zur Verfügung. Um bestimmte Verhaltensweisen des Lichtdurchgangs durch die Polarisation der Lichtwellen zu induzieren, werden Flüssigkristalle typischerweise so ausgerichtet, dass sie die Moleküle auf eine bestimmte Weise positionieren. Um dies zu erreichen, muss entweder ein magnetisches oder ein elektrisches Feld verwendet werden. Bei Displays wäre ein Magnetfeld jedoch wirkungslos, da es für das Display selbst zu stark wäre. Dadurch kommen elektrische Felder zum Einsatz, die sehr wenig Strom verbrauchen und keinen Strom benötigen.

Die Ausrichtung der Kristalle erfolgt in einem um 90 Grad verdrehten Muster, bevor ein elektrisches Feld an die Kristalle zwischen den Elektroden angelegt wird, so dass ein richtig kristallpolarisiertes Licht den Oberflächenpolarisator im "normal weißen" Modus eines Displays passieren kann. Elektroden, die speziell mit einer Substanz beschichtet wurden, die die Struktur in diese bestimmte Richtung verdreht, sind die Ursache für diesen Zustand.

Die Verdrehung oder Neuausrichtung wird unterbrochen, wenn das elektrische Feld angelegt wird, wodurch sich die Kristalle aufrichten. Obwohl passierendes Licht immer noch durch den hinteren Polarisator dringen kann, wird das Licht nicht auf die Oberfläche übertragen, da die Kristallschicht das Licht für den Durchgang durch den Oberflächenpolarisator nicht polarisiert, wodurch eine undurchsichtige Anzeige entsteht. Wenn die Spannung reduziert wird, richten sich nur einige Kristalle neu aus, lassen etwas Licht durch und erzeugen verschiedene Grautöne (Lichtstufen). Der verdrehte nematische Effekt ist die Bezeichnung für diesen Effekt.

Der Twisted-Nematic-Effekt ist eine der kostengünstigsten Optionen für die LCD-Technologie und ermöglicht auch schnelle Pixelreaktionszeiten. Es gibt jedoch noch einige Einschränkungen. Die Qualität der Farbwiedergabe ist möglicherweise nicht hervorragend, und es gibt weniger Betrachtungswinkel oder Winkel, aus denen der Bildschirm betrachtet werden kann.

Durch In-Plane-Switching (IPS) der Flüssigkristalle wurden diese Grenzen überwunden. IPS parallelisiert die Ausrichtung der Kristalle, anstatt sie senkrecht zu den Elektroden auszurichten. Die Matrix optimiert das Licht dann stärker. Anfängliche Probleme mit langsamen Reaktionszeiten wurden in letzter Zeit größtenteils behoben, so dass die Vorteile besserer Blickwinkel und Farbwiedergabe nun die Nachteile überwiegen. Im Vergleich zu verdrillten nematischen Geräten handelt es sich jedoch um eine teurere Technologie.

Die Hintergrundbeleuchtung des Geräts, die Licht von der Seite oder Rückseite des Displays projizieren kann, ist die Quelle des Lichts, das durch das Display hindurch wandert. Das LCD muss die Hintergrundbeleuchtung im LCD-Modul verwenden, da es sein Licht nicht erzeugen kann. Leuchtdioden, auch LEDs genannt, sind die Art von Lichtquellen, die am häufigsten verwendet werden. Auch organische LEDs (OLEDs) sind in letzter Zeit populär geworden. Wenn es richtig polarisiert ist, dringt dieses Licht, das typischerweise weiß ist, durch den RGB-Farbfilter der Oberflächensubstratschicht und zeigt die Farbe an, die das TFT-Gerät spezifiziert.

3. Ansteuerung eines TFT-LCD

Eine grundlegende Erklärung des Feldeffekttransistors (FET) finden Sie im ersten Absatz unter "Evolution der TFTs" im vorherigen Artikel "Die Geschichte der Dünnschichttransistor-Displays". Da es sich bei dem TFT um eine Art FET handelt, hält es sich auch an das Funktionsprinzip der FETs. Im Wesentlichen kann der Signalstrom eines TFT durch Anlegen einer Spannung an das Gate gesteuert oder verändert werden. Auf dem TFT-basierten LCD-Panel fließt dieser Strom, der als Treiberspannung bezeichnet wird, dann von der Quelle zum Drain und sendet ein Signal an dessen Subpixel, wodurch Licht durchgelassen wird.

4. Die Architektur

eines TFT-Pixels

Jedes Pixel in einem LCD kann durch seine drei Subpixel identifiziert werden. Die RGB-Einfärbung dieses gesamten Pixels wird durch diese drei Subpixel erzeugt. Diese Subpixel, die wie bereits erwähnt jeweils über eigene unabhängige Struktur- und Funktionsschichten verfügen, dienen als Kondensatoren oder elektrische Speicher innerhalb eines Geräts. Entsprechend der Flüssigkristallausrichtung kann das Licht, das durch die Filter und den Polarisator fällt, mit den drei Subpixeln pro Pixel in fast jede Art von Farben gemischt werden.