LCDs erklärt: Die Wissenschaft hinter Ihrem Bildschirm – Ein vollständiger Leitfaden

Das Verständnis der Funktionsweise von LCDs ist heute unerlässlich, da fast jeder Bildschirm, den wir sehen, ein LCD ist. Ohne Vorwissen lassen sich diese Bildschirme jedoch auf den ersten Blick kaum unterscheiden. In diesem Artikel betrachten wir LCD-Bildschirme, ihre Struktur, wesentliche Komponenten und wie Sie die Lebensdauer Ihres Displays verlängern können.

Was ist ein LCD-Display?

Ein LCD (Liquid Crystal Display) ist ein Flachbildschirm, der Flüssigkristalle nutzt, um ein sichtbares Bild zu erzeugen. Im Gegensatz zu alten Röhrenbildschirmen sind LCDs dünn, leicht und energieeffizient.

Der grundlegende Aufbau eines LCD-Bildschirms

Hintergrundbeleuchtung (Backlight)

Da Flüssigkristalle kein eigenes Licht emittieren, benötigen sie eine Hintergrundbeleuchtung. Es gibt verschiedene Technologien:

Light Emitting Diode (LED)

LED-hintergrundbeleuchtete LCDs nutzen Leuchtdioden zur Beleuchtung der Pixel. Sie bieten einen größeren Dimmbereich, bessere Kontrastverhältnisse, einen breiteren Farbraum und sind zuverlässiger als CCFL-Modelle.

Electrolumineszenz-Panel (ELP)

Diese Technologie nutzt angeregte Farbphosphore zur Lichterzeugung und benötigt eine Wechselspannung von 100 Volt bei 400 Hertz. ELPs finden Anwendung in monochromen, Segment- und Zeichen-LCDs.

Heißkathoden-Leuchtstofflampen (HCFL)

HCFLs verwenden eine gewendelte Wolframfaden, der an zwei Kathoden angeschlossen ist. Bei elektrischer Erregung auf ca. 480 °C emittieren die Kathoden Elektronen, die mit Quecksilber im Röhreninneren reagieren. Die entstehende UV-Strahlung regt das Phosphor zum Leuchten an.

Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL)

Im Gegensatz zur HCFL besitzt die CCFL keinen Wolframfaden. Die Spannung im Röhreninneren regt das Quecksilber direkt an, wodurch ein Strom fließt. Die UV-Strahlung des Quecksilbers reagiert mit dem Phosphor und erzeugt Licht.

Flüssigkristalle für LCDs

Nematische Phase

Die nematische thermotrope Phase tritt bei höheren Temperaturen auf als die smektische Phase. Die Flüssigkristalle sind mit ihren langen Achsen in eine Richtung orientiert, während ihre Massenmittelpunkte zufällig verteilt sind. Durch ein externes magnetisches oder elektrisches Feld lassen sie sich ausrichten, wodurch ein transparenter oder undurchsichtiger Zustand entsteht. Diese Ausrichteigenschaft macht nematische Moleküle für LCDs nutzbar.

Smektische Phase

Die smektische Phase existiert bei niedrigeren Temperaturen. Die Moleküle ordnen sich in Schichten an, die senkrecht zur Molekelebene stehen. Die Kristallanordnung befindet sich in einem flüssigen Zustand und kann entlang der Schichtebene gleiten.

Cholesterische Phase

Hier ordnen sich die Flüssigkristalle in einschichtigen Lagen an, wobei die langen Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind.

Farbfilter

Farbfilter in LCD-Panels lassen nur bestimmte Wellenlängen des Lichts passieren und blockieren andere. So lassen sich Farben verstärken oder abschwächen und verschiedene Farbvarianten erzeugen.

Polarisationsfilter

Polarisationsfilter lassen nur polarisiertes Licht einer bestimmten Orientierung durch das LCD hindurch und blockieren alle anderen Lichtschwingungen.

Dünnschichttransistoren (TFT)

TFT-LCDs nutzen Dünnschichttransistoren als individuelle Pixelschalter, um Bildeigenschaften wie Kontrast und Ansteuerbarkeit zu verbessern. TFTs sind spezielle Feldeffekttransistoren (FETs), die im Verhältnis zur Geräteebene extrem dünn sind.

Wie funktionieren LCD-Bildschirme?

Die Funktionsweise basiert auf den Eigenschaften polarisierten Lichts. Polariertes Licht schwingt nur in einer Ebene. In einem LCD wird weißes Licht mithilfe zweier Polarisationsfolien polarisiert.

Ein LCD-Bildschirm besteht aus Millionen von Pixeln, jedes mit einer Polarisationsfolie auf beiden Seiten eines Flüssigkristalls. Jedes Pixel unterteilt sich weiter in drei Subpixel: Rot, Grün und Blau.

Beim Einschalten strahlt die Hintergrundbeleuchtung unpolarisiertes weißes Licht auf die Pixel. Dieses Licht schwingt in verschiedenen Ebenen – horizontal und vertikal. Der erste Polarisator lässt nur horizontale Lichtwellen passieren, der zweite nur vertikale. Dazwischen befinden sich die Flüssigkristalle mit umgebenden Elektroden; jedes Subpixel besitzt sein eigenes Elektroden-Polarisator-Paar.

Der natürliche Zustand: Elektronisch nematisch

Im ausgeschalteten Zustand drehen die Flüssigkristalle das horizontale Licht um 90° in die Vertikale, sodass es den zweiten Polarisator passieren und das Pixel erreichen kann.

Wird an die Elektroden Spannung angelegt, richten sich die nematischen Flüssigkristalle horizontal aus. Das Licht vom Backlight wird nicht mehr um 90° gedreht, sondern passiert horizontal. Der vertikale Polarisator blockiert diese flachen Lichtwellen – das Pixel bleibt dunkel.

Durch Variation des elektrischen Stroms durch jede Elektroden-Gruppe lässt sich die Anzahl der horizontal ausgerichteten Flüssigkristalle steuern. So erreichen unterschiedliche Lichtmengen die Pixel und erzeugen ein Bild.

Die Farbwerte der Subpixel reichen von 0 bis 255. Sind alle drei auf 0, erscheint Schwarz; sind alle auf 255, erscheint das Backlight-Weiß. Eine Variation des Elektrodenpotenzials ändert die farbige Lichtdarstellung.

Sechs Faktoren, die die Lebensdauer eines LCD-Bildschirms bestimmen

1. Betriebsumgebung

LCDs funktionieren optimal, wenn die Flüssigkristalle in der nematischen Phase sind. Temperaturen unter dem Gefrierpunkt oder übermäßige Hitze beeinträchtigen die Funktion und verkürzen die Lebensdauer.

2. Qualität der elektronischen Begleitkomponenten

Der häufigste Ausfallgrund sind aufblähende Kondensatoren durch ausgetrocknete Elektrolyte. Minderwertige Materialien reduzieren die Lebensdauer erheblich.

3. Zustand externer Komponenten

Die Stabilität und Frequenz der Stromversorgung beeinflussen die Haltbarkeit. Staub auf Schaltungskomponenten verursacht Kurzschlüsse und Überhitzung.

4. Hintergrundbeleuchtungsausfall

Ein Backlight-Ausfall kann durch Kurzschluss oder defekte interne Komponenten entstehen. Meist lässt sich das Problem durch Austausch der Hintergrundbeleuchtung beheben.

5. Elektromagnetische Strahlung

Externe Magnetfelder stören die Ausrichtung der Flüssigkristalle zwischen den Polarisatoren. Starke elektrische Felder mindern die Bildqualität und führen zu vorzeitiger Alterung.

6. Nutzungsdauer

LCDs haben eine Lebensdauer von 30.000 bis 60.000 Betriebsstunden. Die tatsächliche Lebensdauer hängt stark von der täglichen Einschaltdauer ab.

Unterschied zwischen LCD- und Plasma-Bildschirmen

Auf den ersten Blick sind Plasma- und LCD-Bildschirme kaum zu unterscheiden, doch sie nutzen grundlegend unterschiedliche Technologien.

Bildwiederholraten

Plasma-Bildschirme haben bei gleicher Klassifikation höhere Bildwiederholraten. Die langsamere Reaktionszeit von LCDs zeigte sich früher bei schnellen Bildbewegungen durch "Ghosting"-Effekte (Nachziehen von Bildern). Moderne LCDs haben Bildwiederholraten, die denen von Plasma-TVs nahekommen, sodass Ghosting kaum noch auftritt.

Technologie

LCDs benötigen eine Hintergrundbeleuchtung, um Pixel anzuregen. Plasma-Bildschirme nutzen inerte Gase: Jedes Pixel wird durch ein Elektrodengitter (horizontal und vertikal) angeregt. UV-Licht trifft auf die Phosphorbeschichtung und wandelt sich in die gewünschte Farbe um – rotes Phosphor macht das Pixel rot, usw.

Gewicht und Energieverbrauch

LCDs sind leichter, verbrauchen weniger Strom und erzeugen weniger Wärme als gleich große Plasma-Geräte. Der Unterschied ist jedoch relativ: Plasma-Displays sind im Vergleich zu anderen Technologien ebenfalls sehr leicht.

Bildqualität

Plasma-Bildschirme liefern oft natürlichere Bilder. Durch das Fehlen eines Backlights zeigen sie detailliertere Darstellungen. LCDs wirken tendenziell etwas gesättigter und weniger scharf als hochwertige Plasma-Displays.

Höhenlage

Plasma-Bildschirme funktionieren oberhalb von ca. 2.000 Metern (6.500 ft) nicht mehr zuverlässig. Der sinkende Luftdruck lässt das Gas im Display expandieren, was die Elektroden zwingt, härter zu arbeiten. In leisen Räumen oder bei weißen Bildern ist dann oft ein Brummen hörbar.

Fazit

Wir haben die wichtigsten Faktoren beleuchtet, die die Funktion von LCDs beeinflussen. Sie verfügen nun über fundiertes Wissen zu Aufbau, Komponenten, Schwachstellen und Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung.

LCD-Bildschirme gehören nach wie vor zu den besten am Markt erhältlichen Display-Technologien. Beim Kauf eines neuen LCD-TVs sollten Sie die hier vermittelten Informationen berücksichtigen.

Bei weiteren Fragen, Anmerkungen oder Anregungen kontaktieren Sie uns gerne.