Elektor

6/98

Auch wenn die Fernsehgeräteindustrie
im Wissen um das große Marktpoten-
tial schon lange auf eine neue Bild-
schirmtechnologie wartet, ist der groß-
formatige Flachbildschirm zu
erschwinglichen Preisen noch immer
nicht in Sicht. Die technologischen Pro-
bleme sind wesentlich größer als ange-
nommen, und viele hoffnungsvolle
Ansätze haben das Laborstadium nie
verlassen. Dennoch wird weiter inten-
siv geforscht und entwickelt. Eingang
in die Serie haben flache Bildschirme
bereits in der Computerindustrie
gefunden. Für Laptop-Computer sind
auch kleinere Formate und mangels
Alternativen auch relativ hohe Preise
akzeptabel. Dabei sind monochrome
Displays inzwischen fast vollständig
von Farbdisplays ersetzt worden.
Neben den erfolgreichen LCDs und
den traditionellen Bildröhren gibt es
aber auch noch andere aussichtsreiche

Bildschirmtechnologien. So wurden
schon wiederholt große, kontrastreiche
und relativ energieeffiziente Plasma-
bildschirme demonstriert (plasma dis-
play panels oder PDPs genannt). Auch
sogenannte Field Emission Displays
(FEDs) haben wegen ihrer hohen Bild-
qualität Aussicht auf Erfolg, und jedes
Jahr werden neue Fortschritte gemel-
det, was Bildgröße, Bautiefe, Helligkeit,
Energieverbrauch und Herstellungsko-
sten betrifft.

A

L T E R N A T I V E N Z U R

B

I L D R Ö H R E

Aus der Sicht des Anwenders ist die
LCD-Technologie heute so weit ent-
wickelt, daß sie problemlos eine (nicht
zu große) Bildröhre ersetzen kann. In
den letzten Jahren wurden erhebliche
technologische Verbesserungen erzielt,
die höhere Auflösungen, höhere Bild-
frequenzen und größere Dis-

Verglichen mit

dem technologi-

schen Fortschritt

bei den Mikro-

chips ist die Ent-

wicklung der fla-

chen Bildschirme

nur langsam vor-

angekommen.

Der lange erwar-

tete Durchbruch

ist ausgeblieben,

dafür hat aber

die kontinuierli-

che Weiterent-

wicklung der

Flüssigkristall-

Displays (LCDs)

erstmals zu einer

Serienfertigung

relativ großer

Flachbildschirme

geführt. Da auch zwei

andere Flachbildtech-

nologien an der

Schwelle zur Markt-

fähigkeit stehen und für

große LCDs neue

Fabriken geplant wer-

den, könnte mit dem

neuen Jahrtausend

auch die Ära des Flach-

bildschirms beginnen.

58

Flachbildschirme

Getting better all the time

playflächen ermöglichen. Gegenüber
Bildröhren gibt es aber noch Nachteile
beim Kontrast und beim Betrachtungs-
winkel. Offensichtlich sind aber auch
die Vorteile der flachen Displays, vor
allem der geringe Energie- und Platz-
bedarf und das Fehlen optischer Ver-
zerrungen. Daß die LC-Displays den
Bildröhren in Computermonitoren
noch nicht stärker zusetzen konnten,
hat vor allem einen Grund: Das Preis-
schild hat zu viele Stellen vor dem
Komma. Erst wenn verbesserte Pro-
duktionsverfahren und höhere Ferti-
gungskapazitäten die Preise purzeln
lassen, wird in diesem Bereich ein
grundlegender Wandel erwartet.
Im letzten Jahr (1997) wurden weltweit
in mehreren hundert Fabriken etwa 68
Millionen Bildröhren gefertigt. In den
nächsten vier Jahren wird eine Steige-
rung der Jahresproduktion auf etwa 85
Millionen Stück erwartet.
Demgegenüber nehmen sich die Zah-
len für LCD-Bildschirme immer noch
bescheiden aus. Die verschiedenen
Generationen von LC-Bilddisplays
werden weltweit in nur etwa 30 Fabri-
ken hergestellt, die Bildschirmdiago-
nalen liegen im wesentlichen zwischen
10 und 12 Zoll (25,4 bis 30,5 cm).
Größere Displays können zwar im
Prinzip hergestellt werden, allerdings
nur in kleineren Stückzahlen, da die
Abmessungen des Basismaterials fest-
liegen. Eine Umrüstung der Ferti-
gungslinien auf neue,
wesentlich größere For-
mate ist praktisch aus-
geschlossen, da die Fer-
tigungseinrichtungen
fast vollständig ausge-
tauscht werden müß-
ten. Im Prinzip ist der
Bau neuer Fabriken
erforderlich, und so
etwas dauert Jahre.
Durch den explodierenden Markt für
mobile PCs (Notebooks) übersteigt die
Nachfrage für 12-Zoll-LCDs deutlich
die verfügbaren Produktionsmengen.
Einer für 1997 geschätzten Nachfrage
von 6,9 Millionen Displays stand eine
Fertigungsmenge von nur 4,3 Millionen
Stück gegenüber. Das erklärt auch,
warum größere Displayformate kaum
angeboten werden. Alle Produktionsli-
nien sind für LCDs bis 12 Zoll optimiert
und bei stabilen Preisen voll ausgelastet
- da bleibt wenig Anreiz für die auf-
wendige Fertigung größerer Displays.

In den nächsten Jahren

werden neue Fabriken dazukommen,
die für Displays bis 14 Zoll ausgelegt
sind. Da aber die Nachfrage noch eine
ganze Weile die Kapazitäten überstei-
gen wird, sind die Aussichten auf nied-
rigere Preise eher gering. Dazu kommt
noch, daß viele LCD-Hersteller auch
mit Bildröhren im Geschäft sind und
damit (weiter) Geld verdienen wollen.

S

O F U N K T I O N I E R T

L C D

Die für Computerdisplays und
Taschenfernseher verwendeten LC-
Displays verwenden entweder die

TFT- (thin film transistor) oder die
STN-(super twisted nematic)-Technik.
Das Funktionsprinzip ist relativ ein-
fach. Zwischen zwei Glasplatten befin-
det sich eine dünne Schicht einer orga-
nischen Flüssigkeit mit besonders lan-
gen Molekülen. Abstandshalter
(spacers) in Form von kleinen Kügel-
chen zwischen den Glasplatten sorgen
für eine gleichmäßige Schichtdicke
zwischen den Platten. Die organische
Flüssigkeitsschicht mit den langen
Molekülen wird als Flüssigkristall-
schicht bezeichnet und dient als Licht-
schaltelement. Dazu werden mit Hilfe
einer speziellen Poliertechnik in die

59

Elektor

6/98

Transparente

Elektrode

Flüssigkristall-

Moleküle

Spannung

AUS

Spannung

EIN

Transparente

Elektrode

Licht

Licht

980020 - 11a

Transparente

Elektrode

Polarisationsfilter

(Folie)

Polarisationsfilter

(Folie)

Licht

Licht

AUS

EIN

980020 - 11b

1

Bild 1. Prinzipieller
Aufbau eines LCDs.
Zwischen zwei Polari-
sationsfiltern befindet
sich eine organische
Flüssigkeit mit Kri-
stallstruktur.

Anzeige

Beschichtung der Glas-
platte winzige Rillen
geschliffen. Diese Ril-
len verlaufen in glei-
cher Richtung und die-
nen dazu, die Flüssig-
kristallmoleküle auf
mechanischem Weg
auszurichten. Die
Moleküle ordnen sich
entsprechend dem Rillenverlauf aus.
In Bild 1a und 1b ist das Prinzip der
Anordnung dargestellt. Die Kräfte
zwischen den Molekülen sorgen dafür,
daß sich jedes Molekül an seinen
Nachbarn orientiert, so daß sich die
von den Rillen der Glasscheiben ange-
gebene Vorzugsrichtung in der Schicht
fortsetzt. Da aber die Rillen in der obe-
ren und unteren Glasplatte um 90
Grad versetzt sind, werden die
Moleküle gezwungen, dieser Orien-
tierung zu folgen, so daß sie ihre Aus-
richtung in der Schicht von der einen
zur anderen Glasplatte allmählich
ändert. Die Glasplatten sind auf ihrer

Außenseite mit Polari-
sationsfiltern in Folien-
form versehen, die das
Licht nur in einer Rich-
tung (Ebene) passieren
lassen. Da die Ausrich-
tung der Filter mit der
Rillen-Richtung übe-
reinstimmt, sind auch
die Polarisationsebenen

um 90 Grad zueinander verdreht. Da
aber die Ebene des durch das Filter
durchgelassenen Lichts auf dem Weg
zum anderen Filter der Ausrichtung
der Flüssigkeitsmoleküle folgt, wird
die Schwingungsebene ebenfalls um
90 Grad gedreht, so daß das Licht
durch das andere Filter wieder austre-
ten kann. Im Ruhezustand ist das Dis-
play daher durchsichtig.
Das ändert sich, sobald ein elektrisches
Feld auf die Flüssigkristalle einwirkt.
Sie richten sich dann an den Feldlinien
aus. Wenn die beiden Glasplatten lei-
tend beschichtet sind und als Elektro-
den dienen, an die eine Spannung

angelegt wird, drehen sich die
Moleküle und stehen dann senkrecht
zu den Glasplatten. Die Ebene des
Lichts wird somit nicht mehr gedreht,
so daß die senkrecht zueinander ste-
henden Polarisationsfilter das Display
lichtundurchlässig werden lassen. An
der Stelle, an der sich die Elektroden
auf der oberen und unteren Glasplatte
überlappen, entsteht ein dunkler
Punkt in der Form und Größe der
überlappenden Elektrodenfläche. Bei
einfachen LC-Displays sind die Elek-
troden in Form von Segmenten oder
als Punktmatrix angeordnet. Im Prin-
zip ist es bei den LC-Bildschirmen
nicht viel anders, nur daß die Punkt-
matrix sehr viel mehr Punkte (Pixel)
aufweist. Der Unterschied zwischen
einem Monochrom- und einem Farb-
display besteht darin, daß sich beim
Farbdisplay vor jedem Bildpunkt noch
ein Farbfilter befindet. Jeweils drei Pixel
mit rotem, grünem und blauem Filter
bilden einen Farb-Bildpunkt. Ein Farb-
bildschirm weist daher gegenüber
einem Monochrom-Display gleicher
Auflösung die dreifache Pixelzahl auf.
LCD-Bildschirme verwenden derzeit
fast ausnahmslos eine Hintergrundbe-
leuchtung durch eine diffuse Licht-
quelle, die meist aus einer speziellen
Fluoreszenzlampe (ähnlich einer Mini-
Leuchtstofflampe) besteht. Ein Diffu-
sor sorgt für eine möglichst gleich-
mäßige Lichtverteilung auf der Rück-
seite des Displays.
Ein großer Nachteil von LCDs ist die
geringe Lichtdurchlässigkeit. Lediglich
etwa 3 bis 5 % der Backlight-Intensität
erreicht das Auge des Display-
Betrachters, der Rest wird von der
Flüssigkristallschicht und den diversen
Filtern absorbiert. Am meisten (etwa 50
%) bleibt in den Polarisationsfiltern
hängen, 30 % sind für Farbfilter mit der
sogenannten Black-Matrix anzusetzen,
und auch die Flüssigkristallschicht
selbst ist kein besonders guter Lichtlei-
ter. Da die Displays nicht viel transpa-
renter werden können, hängt viel von
der Effizienz der Lichtquelle ab, die
einen nicht unerheblichen Einfluß auf
den Stromverbrauch und damit auf die
mobile Betriebsdauer eines Laptops
hat. Eine deutliche Verbesserung soll
eine neue Folie von 3M bewirken, die
eine Oberfläche aus Millionen winzi-
ger Prismen aufweist, die das Licht der
Lichtquelle senkrecht zur Displayober-
fläche auftreffen lassen. Dank der bün-
delnden Wirkung der Prismen soll bei
gleicher Helligkeit des Displays die
Lichtleistung der Lampe halbiert wer-
den können.

A

K T I V O D E R P A S S I V

Wenn es um den Preis eines Laptops
geht, spielt beim Display neben der
Größe vor allem die Frage eine Rolle,
ob es sich um ein sogenanntes aktives
(TFT-) oder um ein passives (STN-)Dis-

60

Elektor

6/98

Black matrix

Counter substrate

Color filter

Analyzer

Electric

field

Liquid-crystal

molecule

Pixel electrode

(metal)

Thin-film transistor

Thin-film-transistor

substrate

Counter electrode

(metal)

Polarizer

Super TFT LCD (IPS)

Black matrix

Counter substrate

Color filter

Analyzer

Electric

field

Liquid-crystal

molecule

Thin-film transistor

Counter electrode

(transparent: ITO)

Thin-film-transistor

substrate

Pixel electrode

(transparent: ITO)

Polarizer

Conventional
thin-film-transistor LCD

Source: Hitachi Ltd.

980020 - 12

2

Bild 2. Bei einem ISP-
oder Super-TFT-Bild-
schirm befinden sich
die Elektroden für die
Ansteuerung (Dre-
hung) der Flüssigkri-
stalle nur noch auf
einer der beiden Glas-
platten.

play handelt. Bei einer passiven Matrix
(STN) werden die Flüssigkristalle
durch eine zweidimensionale Matrix
aus transparenten Leiterbahnen (aus
Indium-Zinnoxid ITO) angesteuert. An
jedem Kreuzungspunkt zwischen
einem Leiter auf der oberen und unte-
ren Glasplatte befindet sich ein Bild-
punkt. Die Ansteuerung der Matrix
erfolgt nach einem Scanprinzip und ist
dadurch relativ träge. Außerdem enste-
hen durch Variationen des elektrischen
Felds bei schnellen Änderungen des
Bildinhalts Schattenbilder. Im Vergleich
zu aktiven Displays sind Kontrast und
die Farbauflösung eingeschränkt.
Bei einem aktiven LC-Display (TFT)
verfügt jeder Bild-
punkt über einen eige-
nen in Dünnfilmtech-
nik aufgebrachten
Transistor auf einer der
beiden Glasplatten.
Die Transistorzellen lassen sich über
eine Matrix schnell und präzise steu-
ern. Aktive Displays eignen sich daher
auch für großformatige Displays mit
erhöhter Auflösung und auch für
schnell wechselnde Bildinhalte. Die
TFT-Technik erlaubt auch höhere
Feldstärken für die Pixelsteuerung
und damit einen höheren Kontrast.
Die Kehrseite liegt in der wesentlich
komplexeren Fertigung der Displays
mit ihren Transistormillionen auf Glas,
die sich im wesentlich höheren Preis
niederschlägt.

B

L I C K W I N K E L

Der Nachteil des gerin-
gen Betrachtungswin-
kels (15 bis 40 Grad)
konnte bei den LCDs
zwar verringert, aber
noch nicht beseitigt
werden. Je schräger der
Blickwinkel, desto geringer der Kon-
trast. Natürlich gibt es viele verschie-
dene Ansätze für Verbesserungen, die
auch schon einiges bewirkt haben.
Beachtlich sind die Fortschritte bei den
LCDs, die unter der Bezeichnung IPS
(In-Plane Schwitching-mode) oder
Super-TFT mit einem Betrachtungs-
winkel von bis zu 140 Grad aufwarten
können. Gleichzeitig sind diese fort-
schrittlichen Displays auch etwas ein-
facher zu fertigen. Bei IPS/Super-TFT
werden die beiden Elektroden zum
Schalten eines Bildpunkts zusammen
mit der Transistorzelle auf der gleichen
Glasplatte montiert. Das Feld entsteht
dabei nicht zwischen den beiden Glas-
platten, sondern zwischen den beiden
Elektroden auf der gleichen Platte. Im
Ruhezustand (ohne Spannung) liegen
die Moleküle parallel zur Glasober-
fläche. Die spiralförmige Drehung der
Moleküle innerhalb der Flüssigkristall-
schicht (Bild 1) ist bei dem neuen Prin-
zip nicht vorhanden. Die Moleküle lie-
gen parallel zu den Mikrorillen im

Glas. Die Bildpunkte sind wegen der
um 90 Grad gedrehten Polarisationsfil-
terebenen im Ruhezustand dunkel,
und zwar mit großem Kontrast über
einen weiten Betrachtungswinkel.
Beim Anlegen einer Spannung bleiben
die Moleküle parallel zur Glasober-
fläche, sie drehen sich aber in der
Ebene (horizontal) um bis zu 90°, weil
das Feld zwischen den Elektroden im
rechten Winkel zu den Rillen auf der
Glasoberfläche ausgerichtet ist. Je stär-
ker das Feld, desto stärker die Verdre-

hung der Moleküle, und desto mehr
Licht wird durchgelassen.

A

N D E R E

P

R I N Z I P I E N

Auch wenn LCDs im Moment die ein-
zigen in (großen) Serien gefertigten
Flachbildschirme darstellen, sind die
konkurrierenden Technologien noch
nicht aus dem Rennen. Gerade wenn
es um große Bilddiagonalen für den
Fernseh-Bildschirm an der Wand geht,
könnten sie noch die Nase vorne
behalten. Die beiden bekanntesten
Alternativen sind die Plasma-Displays
und die Multi-Katoden Displays
(FEDs).

Plasma-Display
Am Plasma-Prinzip wurde schon in
den 60er-Jahren bei RCA gearbeitet.
Heute sind die Hauptprotagonisten
Fujitsu, NEC und Pioneer in Japan,
daneben arbeiten aber auch Firmen
wie Daewoo (Korea) und Thomson

61

Elektor

6/98

Front glas
substrate

Sustain
electrode

Bus
electrodes

Separator

Address electrodes

Phosphors (R) (G) (B)

Magnesium

oxide layer

Dielectric

layer

Rear glas
substrate

Plasma display

980020 - 13

3

Bild 3. Plasma-Bildschirme mit 104 cm
Diagonale wurden bereits in Vorserien-
geräten vorgestellt.

Resistive
layer

Microtips

Cathode conductor

Glass

Column line

Cathode

Anode

One pixel

Glass face

plate

Gate row line

ITO layer

Blue
phosphor

Green
phosphor

Green

subpixel

Blue

subpixel

Red

subpixel

Red
phosphor

980020 - 14

Field-emission display

4

Bild 4. Multikatoden-Displays kombinie-
ren das bewährte Prinzip der Elektro-
nenröhre mit dem kompakten Aufbau
eines LCD-Panels.

(Frankreich) an der Vorbereitung einer
eigenen Serienfertigung. Am häufigt-
sen sieht man auf Messen einen fla-
chen Plasma-Bildschirm mit einer Bild-
diagonale von stolzen 41 Zoll (104 cm),
der von Fujitsu gefertigt und auch von
heimischen TV-Herstellern wie Grun-
dig und Philips für Pilotserien einge-
setzt wird, um rechtzeitig im obersten
Marktsegment ins Geschäft zu kom-
men. Abgesehen vom Preis
(20.000...30.000 DM) ist auch die Lei-
stungsaufnahme mit 450 W noch sehr
hoch. Bei ausreichender Helligkeit ist
der Kontrast noch nicht ganz befiedi-
gend, Verbesserungen bei den neue-
sten Prototypen lassen aber noch hof-
fen. Bild 3 zeigt das Prinzip der mit
einem Edelgas (Neon und Xenon)
gefüllten Bildzelle eines Plasmadis-
plays. Eine solche Zelle verfügt über
Anode und Katode, an die zum Zün-
den eine Spannung von etwa 100 V
angelegt werden. Das ionisierte Gas
(Plasma) emittiert ähnlich wie bei einer
Leuchtstoffröhre UV-Licht, das einen
Leuchstoff (Phosphor) zum sichtbaren
Leuchten (rot, grün oder blau) anregt.
Die Helligkeit wird dabei nicht über
die Spannung, sondern über die Dauer
des Zündimpulses gesteuert. Man
hofft, schon ziemlich bald mit 60 V
Zündspannung auskommen zu kön-
nen, Theoretiker halten sogar Span-
nungen von 10 V für denkbar. Ein
anderes Problem liegt darin, daß der
lichtemittierende Phosphor als Dick-
filmpaste aufgebracht wird, wobei aber
die Schichtdicke bisher noch nicht mit
der gewünschten Präzision eingehal-
ten werden kann, was wiederum den
gasgefüllten Raum in der Zelle und
damit die Zündspannung zu stark
variieren läßt.
Die Lebensdauer soll mit etwa 10.000
Stunden mit denen heutiger
Bildröhren vergleichbar sein.

FED
Multikatoden-Displays werden in der
englischsprachigen Fachliteratur als
FEDs (field emission displays) bezeich-
net. Dabei handelt es sich im Prinzip
um Vakuumröhren mit so geringen
Abmessungen, daß man für jedes Farb-
pixel ein eigenes Röhrenelement zwi-
schen einer Glas- und einer Träger-

platte anordnet. Die Glasplatte dient
wie bei der Bildröhre als Anode und ist
genauso mit den Phosphorpunkten
beschichtet, die durch das Auftreffen
von Elektronen zum Leuchten ange-
regt werden. Im Unterschied zur
Bildröhre wird aber nicht ein Elektro-
nenstrahl einer einzigen Katode ent-
sprechend gelenkt, vielmehr sind
jedem Pixel Anoden in Form von
mikroskopisch kleinen Kegeln zuge-
ordnet, aus denen bei hoher elektri-
scher Feldstärke Elektronen austreten,
die Phosphor-Bildpunkte aufleuchten
lassen. Dazu bedarf es einer Spannung
zwischen 200 und 800 V.
Die FED-Technologie ist relativ neu,
bisher gezeigte Muster weisen noch
kleine Diagonalen von 5 bis 6 Zoll (13 -
15 cm) auf. Derart kleine FEDs könnten
schon bald Verwendung in Geräten
der Telekommunikations- und Com-
puterbranche finden.

D

A S

I

M P E R I U M

S C H L Ä G T Z U R Ü C K
Auch die Entwicklung der konventio-
nellen Bildröhren ist noch nicht zu
Ende. Bei der Bautiefe gibt es nicht
mehr viel Spielraum (sonst zielt die
Strahlablenkung zu ungenau), hinge-
gen läßt sich der Bildschirm selbst
noch flacher gestalten. Das sieht nicht
nur besser aus, sondern verbessert
auch den Betrachtungswinkel und
vermindert Reflexe. Als erster Herstel-
ler hat Sony eine solche flache Röhre

vorgestellt.
In der bisherigen Technik ist eine Wöl-
bung der Frontscheibe aus Festigkeits-
gründen erforderlich, weil eine flache
Scheibe dem gewaltigen Druck auf die
evakuierte Bildröhre nicht standhält.
Die für eine flache Front erforderli-
chen Versteifungen und Wandstärken
würden zu fertigungstechnischen Pro-
blemen und einem zu hohen Gewicht
führen - Probleme, die jetzt mit neuen
hochfesten Gläsern (aus der Automo-
bilindustrie) und computergestützten
Entwicklungsmethoden gelöst wur-
den. Auch bei der Lochmaske stellt die
flache Frontscheibe neue Anforderun-
gen, hier weist die Trinitron-Streifen-
maske von Sony Vorteile auf. Auch die
Genauigkeit der Fokussierung des
Elektronenstrahls konnte noch um 20
% verbessert werden, ebenso die der
Ablenkeinheit, so daß die Bautiefe bei-
behalten werden konnte. Es wird nicht
lange dauern, bis auch andere nam-
hafte Hersteller mit ähnlichen Flach-
glasröhren aufwarten können, die ins-
besondere für hochwertige Compu-
termonitore mit 17 und 19 Zoll
Diagonale (43 und 48 cm) eingesetzt
werden dürften.

980020

12,1"

12,1"

12,1"

12,1"

12,1"

12,1"

980020 - 15

15,1"

15,1"

19"

19"

15,1"

15,1"

5

Bild 5. Bei der Herstellung von LCDs werden
Vorfabrikate mit Standard-Abmessungen ver-
wendet. Größere Maße sind technisch mach-
bar, aber in den bestehenden Fertigungsein-
richtungen zu aufwendig. Größere Diagonalen
werden daher nicht so bald in großen Stück-
zahlen verfügbar sein.

Wirtschaftliche Größe

Im letzten Jahr gab es weltweit erst drei LCD-Fabriken, in denen die neueste

Generation von Glassubstraten mit den Abmessungen 550 mm x 650 mm her-

gestellt wurden. Wie die Skizze in Bild 5 zeigt, ist dieses Substrat ideal für LCDs

mit 12 Zoll (30,5 cm) Bilddiagonale. Die Produktion anderer (größerer) For-

mate ist wirtschaftlich weniger interessant.

62

Elektor

6/98