TFT-LCD-Anzeigemodule – TN TFT-Bildschirmtheorie, IPS TFT-Besonderheiten, TFT-Display-Vergleich
Beginnen wir zunächst mit den Grundlagen; frischen Sie Ihr Wissen über TN- und LCD-Displays im Allgemeinen auf, später werden wir über TFTs (Dünnfilmtransistoren) sprechen, wie sie sich von normalen monochromen LCD-Displays unterscheiden. Anschließend werden wir uns mit dem Geistereffekt befassen, d. h. wir werden nicht nur die Technologie hinter der TFT-Konstruktion besprechen, sondern auch einige Phänomene wie den Geistereffekt oder die Graustufenumkehr, die bei der Verwendung eines LCD-TFT-Displays wichtig sind. Als nächstes werden wir uns mit den verschiedenen Technologien der TFT-LCDs wie TN, IPS, VA und natürlich mit transmissiven und transflektiven LCD-Displays befassen, da TFT-Displays auch transmissiv und transflektiv sein können. Im letzten Teil werden wir über die Hintergrundbeleuchtung sprechen.
Was ist die TN-TFT-Display-Technologie?
Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über die grundlegendste Flüssigkristallzelle, das TN-Display (twisted nematic). Auf dem Bild oben können wir sehen, dass das Licht durch die Zelle übertragen oder mit Hilfe von Spannung blockiert werden kann. Wenn Sie mehr über monochrome LCDs und die Grundlagen der LCD-Display-Technologie erfahren möchten, folgen Sie diesem Link. Was ist ein TFT-LCD-Display und wie unterscheidet es sich von einem monochromen LCD-Display? TFT wird als aktive Anzeige bezeichnet. Aktiv bedeutet, dass wir einen oder mehrere Transistoren in jeder Zelle, in jedem Pixel und in jedem Subpixel haben. TFT steht für Thin Film Transistor, Transistoren, die sehr klein und sehr dünn sind und in das Pixel eingebaut sind, also nicht irgendwo draußen in einem Controller, sondern im Pixel selbst. In einem 55-Zoll-Fernsehgerät zum Beispiel enthält der TFT-Bildschirm Millionen von Transistoren in den Pixeln. Wir sehen sie nicht, weil sie sehr klein und versteckt sind. Wenn wir jedoch heranzoomen, können wir sie in jeder Ecke eines jeden Pixels sehen, wie auf dem Bild unten. 
Auf dem obigen Bild sind Subpixel zu sehen, die die Grundfarben RGB (Rot, Grün, Blau) darstellen, und ein schwarzer Teil mit Transistoren und elektronischen Schaltkreisen. Wir müssen nur wissen, dass wir Pixel und Subpixel haben, und jedes Subpixel hat Transistoren. Dadurch wird das Display aktiv und wird daher TFT-Display genannt. TFT-Displays sind in der Regel Farbdisplays, aber es gibt auch monochrome TFT-Displays, die aktiv sind und Transistoren haben, aber keine Farben. Die Farben im TFT-LCD-Display werden in der Regel durch Farbfilter auf jedem Subpixel hinzugefügt. Normalerweise sind die Filter RGB, aber es gibt auch RGBW (Rot, Grün, Blau, Weiß) LCD-Displays mit zusätzlichen Subpixeln ohne Filter (Weiß), um die Anzeige heller zu machen. Interessant ist, dass der weiße Teil des RGB- und des RGBW-Bildschirms aus der Ferne genau gleich aussieht, weil die Lichter gemischt werden und weißes Licht erzeugen, aber wenn wir uns dem Bildschirm nähern, sehen wir überhaupt kein weißes Licht. Wenn man etwas tiefer in die TFT-Zelle eindringt, findet man im Inneren einen Teil, der uns aus der Vorlesung über monochrome LCD-Displays an der Universität Riverdi bekannt ist. Wir haben eine Zelle, Flüssigkristalle, Polarisatoren, eine ITO-Schicht (Indium-Zinn-Oxid) für die Elektroden und zusätzlich eine elektronische Schaltung. Normalerweise besteht die elektronische Schaltung aus einem Transistor und einigen Kondensatoren, um den Pixelzustand aufrechtzuerhalten, wenn wir das Pixel AUS und EIN schalten. Bei TFT-Modulen sind die Pixel viel komplizierter, weil wir neben dem Kristallteil auch einen elektronischen Teil bauen müssen. 
Aus diesem Grund ist die Herstellung von TFT-LCDs sehr teuer. Wenn Sie sich mit Elektronik auskennen, wissen Sie, dass der Transistor eine Art Schalter ist, mit dem wir das Pixel ein- und ausschalten können. Da sie in das Pixel selbst integriert ist, kann sie sehr schnell durchgeführt und sehr gut kontrolliert werden. Wir können den genauen Zustand jedes Pixels kontrollieren, nicht nur den EIN- und AUS-Zustand, sondern auch alle Zustände dazwischen. Wir können das Licht der Zellen in mehreren Schritten ein- und ausschalten. Bei TFT-LCD-Displays sind es in der Regel 8-Bit-Schritte pro Farbe, so dass wir 256 Helligkeitsstufen für jede Farbe und jedes Subpixel haben. Da wir drei Subpixel haben, haben wir einen 24-Bit-Farbbereich, d. h. über 16 Millionen Kombinationen, wir können, zumindest theoretisch, auf unserem TFT-LCD-Panel über 16 Millionen verschiedene Farben mit RGB-Pixeln darstellen. 
Jetzt, da wir wissen, wie der Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallbildschirm funktioniert, können wir einige praktische Dinge lernen, von denen eines das LCD-TFT-Ghosting ist. Wir wissen, wie das Bild entsteht, aber was passiert, wenn wir das Bild für längere Zeit auf dem Bildschirm haben, und wie man das verhindern kann. Bei LCDs gibt es etwas, das man LCD-Ghosting nennt. Wir sehen es nicht sehr oft, aber in einigen Anzeigen gibt es dieses Phänomen noch. Wenn einige Elemente des Bildes, z. B. Ihr Firmenlogo, über einen längeren Zeitraum, d. h. einige Wochen, Monate oder ein Jahr, an derselben Stelle des Bildschirms stehen, merken sich die Kristalle diesen Zustand, und wenn wir später das Bild ändern, sehen wir möglicherweise Geisterbilder dieser Elemente. Das hängt von vielen Bedingungen ab, wie z. B. der Temperatur und sogar von dem Bild, das wir über einen längeren Zeitraum auf dem Bildschirm anzeigen. Wenn Sie Ihre Anwendung erstellen, können Sie einige Techniken anwenden, um dies zu vermeiden, wie z. B. sehr schnelle Kontrastwechsel und natürlich die Vermeidung der Positionierung desselben Bildes an derselben Stelle über einen längeren Zeitraum. 
Sie haben dieses Phänomen vielleicht schon gesehen, da es bei jeder Bildschirmtechnologie vorkommt, und sogar Unternehmen wie Apple stellen Informationen auf ihre Websites, dass dieses Phänomen auftreten kann und wie es zu beheben ist. Dies wird als Geisterbild oder Bildschatten bezeichnet, und selbst Retina-Displays sind nicht frei davon. 
Was ist die Graustufeninversion in der TFT-LCD-Technologie?
Ein weiteres Problem bei TFT-Displays, insbesondere bei TN-LCD-Displays, ist die Graustufeninversion. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem sich die Farben des Bildschirms je nach Betrachtungswinkel ändern und das nur einseitig ist. Wenn Sie einen TFT-Farbbildschirm kaufen, müssen Sie zunächst prüfen, um welche Art von Technologie es sich handelt. Wenn es sich um ein IPS-Display handelt, wie die Riverdi IPS-Display-Linie, dann brauchen wir uns nicht um die Graustufenumkehrung zu kümmern, weil alle Blickwinkel gleich sind und alle sehr hoch sind, wie 80, 85 oder 89 Grad. Wenn Sie jedoch einen gängigeren oder älteren Bildschirmtyp kaufen, wie z. B. einen TN-Bildschirm (Twisted-Nematic), müssen Sie sich überlegen, wo er eingesetzt werden soll, da ein Blickwinkel nicht möglich ist. Dies kann manchmal verwirrend sein, und Sie müssen vorsichtig sein, da die meisten Werke die Blickrichtung des Bildschirms definieren und dies mit der Seite der Graustufenumkehrung verwechseln. In der Abbildung oben sehen Sie eine weitere Erklärung der Graustufeninversion aus Wikipedia. Es heißt, dass einige frühe Panels und auch die heutigen TN-Displays eine Graustufeninversion haben, die nicht unbedingt von oben nach unten erfolgen muss, aber es kann jeder Winkel sein, das müssen Sie im Datenblatt überprüfen. Der Grund, warum Technologien wie IPS (In-Plane Switching), die in den neuesten Riverdi-Displays verwendet werden, oder VA entwickelt wurden, war, dieses Phänomen zu vermeiden. Wir wollen auch nicht angeben, aber die Wikipedia-Definition verweist auf unsere Website. 
Wir wissen bereits, dass TN-Displays (Twisted-Nematic-Displays) unter einer Graustufeninversion leiden, d. h. das Display hat eine Sichtseite, auf der sich die Bildfarbe plötzlich ändert. Das ist knifflig, und man muss vorsichtig sein. Auf dem Bild oben ist ein Teil der LCD-TFT-Spezifikation eines TN-Displays (Twisted Nematic) zu sehen, das über eine Graustufenumkehr verfügt, und wenn wir zu dieser Tabelle gehen, können wir die Blickwinkel sehen. Sie sind auf 70, 70, 60 und 70 Grad festgelegt, d. h. auf den maximalen Betrachtungswinkel, unter dem der Benutzer das Bild sehen kann. Normalerweise denken wir, dass 70 Grad besser ist, also wählen wir links und rechts 70 Grad, und dann oben und unten, und wenn wir das Phänomen der Graustufeninversion nicht kennen, können wir unseren Benutzer auf die untere Seite setzen, die auch 70 Grad ist. Die Blickrichtung ist dann wie bei einer 6-Uhr-Anzeige, also nennen wir sie 6-Uhr-Anzeige. Aber Sie müssen vorsichtig sein! Ein Blick in die Spezifikation zeigt, dass diese Anzeige als 12-Uhr-Anzeige definiert wurde, so dass sie am besten aus der 12-Uhr-Richtung zu sehen ist. Aber wir können feststellen, dass die 12-Uhr-Position einen niedrigeren Blickwinkel hat – 60 Grad. Was bedeutet das? Das bedeutet, dass es auf dieser Seite keine Graustufenumkehr gibt. Wenn wir auf 40, 50, 60 Grad und sogar noch ein bisschen mehr gehen, werden wir das Bild wahrscheinlich immer noch richtig sehen. Vielleicht mit geringerem Kontrast, aber die Farben werden sich nicht verändern. Wenn wir von unten, aus der 6-Uhr-Richtung, wo wir die Graustufeninversion haben, gehen, sehen wir nach 70 Grad oder weniger einen plötzlichen Farbwechsel, und das ist natürlich etwas, das wir vermeiden wollen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie beim Kauf älterer Technologie wie TN und Displays, die immer noch sehr beliebt sind und die auch von Riverdi verkauft werden, vorsichtig sein müssen, wo Sie Ihr Display aufstellen. Wenn es sich um ein Handheld-Gerät handelt, sehen Sie das Display von unten, aber wenn Sie es an einer Wand anbringen, sehen Sie das Display von oben, also müssen Sie es in der Entwurfsphase festlegen, denn später ist es meist unmöglich oder teuer, die Richtung zu ändern. 
VA-, Vollfarb-TFT-Display und IPS-TFT-Display-Technologien
Wir werden jetzt über die anderen TFT-Technologien sprechen, die uns größere Betrachtungswinkel und lebendigere Farben ermöglichen. Die grundlegendste Technologie für Monochrom- und TFT-Displays ist die Twisted-Nematic-Technologie (TN). Wie wir bereits wissen, gibt es bei dieser Art von Displays ein Problem mit der Graustufeninversion. Auf der einen Seite haben wir eine höhere Verzögerung und bekommen kein klares Bild. Deshalb gibt es andere Technologien wie VA (Vertical Alignment), bei der die Flüssigkristalle anders angeordnet sind, und eine andere Variante der TFT-Technologie – IPS (In-Plane Switching). Die VA- und IPS-TFT-LCDs haben keine Probleme mit den Blickwinkeln, man kann von allen Seiten ein klares Bild sehen. 
Heutzutage sind alle Fernsehgeräte, Tablets und natürlich Mobiltelefone mit IPS oder VA ausgestattet. Man kann sie umdrehen und das Bild von allen Seiten gut sehen. Für Monitoranwendungen ist die TN-Technologie jedoch nach wie vor weit verbreitet, da der Monitor in der Regel vor einem steht und man meist direkt darauf blickt, von oben, links oder rechts, aber sehr selten von unten, so dass der Blickwinkel für die Graustufenumkehr dort platziert werden kann. Diese Technologie ist nach wie vor sehr praktisch, da sie erschwinglich ist und einige Vorteile für Spieler bietet, da sie sehr schnell ist. Abgesehen von der unterschiedlichen Anordnung der Flüssigkristalle sind auch die Subpixel bei VA- und IPS-Computermonitoren ein wenig anders angeordnet. Wenn wir uns das TN-Display genauer ansehen, sehen wir nur die Subpixel mit Farbfiltern. Wenn wir uns ein VA- oder IPS-Display ansehen, dann haben sie Subpixel über Subpixel. Die Subpixel werden in kleinere Teile unterteilt. Auf diese Weise können wir einen noch größeren Betrachtungswinkel und bessere Farben für den Benutzer erreichen, aber natürlich ist dies komplizierter und teurer.
Kurzer Überblick über die IPS-, VA- und TN-LCD-Display-Technologien
Die obige Abbildung zeigt ein TFT-Display des Typs TN und die Umkehrung der Graustufen. Bei IPS- oder VA-Technologie gibt es diesen Effekt nicht. Das Bild ist von allen Seiten, auf die wir schauen, gleich. Daher sind diese Technologien dort beliebt, wo wir weite Betrachtungswinkel brauchen, und TN ist dort beliebt, wo wir das nicht brauchen, wie bei Monitoren. Weitere Vorteile der IPS-Display-Technologie sind die Farbgenauigkeit und der große Betrachtungswinkel. Was in der Praxis, in unseren Projekten, ebenfalls wichtig ist, ist, dass die IPS-Computermonitore weniger anfällig für mechanische Kräfte sind. Wenn wir mechanische Kraft auf den Bildschirm ausüben und einen optisch geklebten Touchscreen haben, drücken wir sowohl auf das Display als auch auf die Zellen. Bei einem TN-Display verändert jeder Druck auf die Zelle das Bild schlagartig. Bei der IPS-Linie von TFT mit In-Plane-Switching und unterschiedlicher Kristallorganisation ist dieser Effekt geringer. Er ist zwar nicht vollständig entfernt, aber er ist viel weniger ausgeprägt. Das ist ein weiterer Grund, warum IPS-Displays für Smartphones und Tablets sehr beliebt sind, da die Touchscreens in der Regel optisch gebunden sind. Wenn wir von Nachteilen sprechen wollen, steht ein Fragezeichen darüber, denn einige davon mögen wahr sein, andere beziehen sich nicht auf reale Fälle, was für ein Display, was für eine Technologie es ist. Manchmal kann das IPS-TFT-Display einen höheren Stromverbrauch haben als andere, in vielen Fällen jedoch nicht. Sie können teurer sein, müssen es aber nicht. Die neuen IPS-Panels können wie TN-Module kosten, aber die IPS-Technologie hat definitiv eine längere Reaktionszeit. Nochmals, es ist keine Regel, man kann IPS-Panels herstellen, die sehr schnell sind, schneller als TN-Panels, aber wenn Sie den schnellstmöglichen Bildschirm wollen, wird wahrscheinlich der TN-TFT-Bildschirm der schnellste sein. Aus diesem Grund ist die TN-Technologie auf dem Spielemarkt nach wie vor sehr beliebt. Natürlich gibt es im Internet viele Diskussionen darüber, welche Technologie besser ist, aber es kommt wirklich darauf an, was man erreichen will. 
Arten der Hintergrundbeleuchtung von TFT-LCD-Anzeigen
Schauen wir uns nun die Arten der LED-Hintergrundbeleuchtung an. Wie in der Abbildung oben zu sehen ist, gibt es vier verschiedene Typen. Die meisten TFT-Panels auf dem Markt, 95 oder 99 Prozent, sind transmissive LCD-Displays, bei denen wir das Licht von der Rückseite benötigen. Wenn Sie sich an unsere Vorlesung über monochrome LCD-Anzeigen erinnern, müssen bei transmissiven LCD-Anzeigen die LEDs immer eingeschaltet sein. Wenn Sie sie ausschalten, werden Sie nichts sehen. Wie bei den monochromen LCD-Displays, aber weniger populär bei TFT-Displays, gibt es den transflektiven LCD-Displaytyp. Sie sind nicht sehr beliebt, da es den Farben bei transflektiven TFT-Displays in der Regel an Helligkeit mangelt und die Displays nicht sehr praktisch zu verwenden sind. Sie können den Bildschirm sehen, aber die Anwendung ist eingeschränkt. Einige transflektive Flüssigkristallbildschirme werden vom Militär in Anwendungen eingesetzt, bei denen der Stromverbrauch von größter Bedeutung ist; dort kann die Hintergrundbeleuchtung ausgeschaltet werden, und man ist mit einer geringeren Bildqualität einverstanden, sieht aber immer noch das Bild. Stromverbrauch und Energieeinsparung sind bei einigen Anwendungen besonders wichtig, und hier können Sie transflektive Anzeigegeräte verwenden. Die reflektierende Art der LCD-Technologie wird bei TFT fast nie verwendet. Es gibt eine Technologie namens Low Power Reflective Displays (LPRD), die in TFT verwendet wird, aber sie ist nicht sehr beliebt. Schließlich gibt es noch eine Variante von reflektierenden Displays mit Frontlicht, bei der wir dem reflektierenden Display Frontlicht hinzufügen und das Bild auch ohne externes Licht sehen können. 
Noch ein paar Worte zu Low Power Reflective Displays (LPRD). Diese Art von Display nutzt das Umgebungslicht, um einige Farben zu reflektieren und zu erzeugen. Die Farben sind nicht perfekt, nicht perfekt klar, aber diese Technologie wird immer beliebter, weil sie Farbdisplays in batteriebetriebenen Anwendungen ermöglicht. Zum Beispiel wäre eine Smartwatch ein Fall für diese Technologie, oder ein elektrisches Fahrrad oder ein Roller, wo wir nicht nur ein standardmäßiges monochromes LCD-Display haben können, sondern auch ein TFT LCD-Farbdisplay ohne Hintergrundbeleuchtung; wir können das Bild sogar bei 
starkem Sonnenlicht sehen und brauchen überhaupt keine Hintergrundbeleuchtung. Diese Art von Aktivmatrix-LCD-Technologie wird also immer beliebter, wenn wir LCD-Displays für den Außenbereich haben und einen niedrigen Stromverbrauch benötigen. 
In der Abbildung oben sehen Sie einige Beispiele dafür, wie transmissive und reflektive LCD-Displays im Sonnenlicht funktionieren. Wenn wir ein einfaches Bild haben, z. B. ein Schwarz-Weiß-Muster, dann ist das Bild auf einem transmissiven LCD-Display selbst bei einer Helligkeit von 1000 Candela wahrscheinlich von geringerer Qualität als bei einem reflektiven LCD-Display; bei Sonnenlicht gibt es sehr starke Lichtreflexionen auf der Oberfläche des Bildschirms. Wir haben in der Vorlesung Sunlight Readable Displays” ausführlicher über Kontrast gesprochen. Reflektierende LCD-Displays sind also eine bessere Lösung für Außenanwendungen als transmissive LCD-Displays, bei denen man eine wirklich starke Hintergrundbeleuchtung braucht, 1000 Candela oder mehr, um im Freien wirklich gesehen zu werden. 
Um Ihnen zu zeigen, wie die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays aufgebaut ist, haben wir das obige Bild aufgenommen. Sie können die Hintergrundbeleuchtung am Rand sehen, wo wir LEDs auf der kleinen Platine am Rand haben, und wir haben einen Diffusor, der das Licht auf die gesamte Oberfläche des LCD-Bildschirms verteilt. 
Neben der Hintergrundbeleuchtung gibt es noch ein so genanntes Frontlight. Es ist ähnlich wie die Hintergrundbeleuchtung, es verwendet auch die LEDs, um das Licht in sie zu setzen, aber das Frontlicht muss transparent sein, wie wir die Anzeige hinter haben. Auf dem Beispiel in der Abbildung oben sehen wir ein E-Paper-Display. Das E-Paper-Display ist ebenfalls eine TFT-Display-Variante, aber es handelt sich nicht um ein LCD (kristallbasiert), sondern um eine andere Technologie, aber die Rückseite des Displays ist die gleiche und sie ist reflektierend. Das Beispiel, das Sie sehen, ist der Kindle 4 eBook-Reader. Es verfügt über ein E-Paper-Display und eine Frontbeleuchtung, so dass Sie auch nachts eBooks lesen können.