Grundlagenwissen Bilderzeugung mit modernen TFT-Displays

Jedes Pixel eines TFT-Displays wird über einen eigenen Transistor an- oder ausgeschaltet. Bei WXGA-Auflösung sind das mehr als drei Millionen - entsprechend hoch sind die Anforderungen an den Signalweg.

Ein einzelnes Farbpixel im TFT ist heute so aufgebaut, dass über zwei leitende Flächen (Elektroden) ein elektrisches Feld erzeugt wird – ähnlich wie bei einem Kondensator. Dazwischen befindet sich als Dielektrikum der Flüssigkristall, der sich entlang des elektrischen Feldes ausrichtet. Abhängig von der Feldstärke ist diese Ausrichtung mehr oder weniger ausgeprägt und damit das Pixel mehr oder weniger hell durchgesteuert. Die Elektroden sind, abhängig von der jeweiligen Pixel-Technik, gegenüberliegend (bei Twisted Nematic, TN und Multi Domain Vertical Alignement, MVA) oder in einer Ebene (bei In Plane Switching, IPS) angeordnet. Bei passiven Displays wird diese Fläche mit einem Impuls aufgeladen. Anschließend fließt die Ladung wieder über die Zuleitungen ab.

Ein TFT (Bild 1) arbeitet anders. Die elektrische Ladung gelangt zyklusweise über einen oder mehrere Transistoren auf die Elektroden. Ein Pufferkondensator an jedem Pixel hält die Spannung während der Zeit zwischen zwei Ladezyklen aufrecht. Beim nächsten Zyklus wird sie entweder aufgefrischt/umgeladen oder auf null reduziert. Empfehlenswert ist das Umladen von positiver auf negative Spannung, um chemische Reaktionen des Flüssigkristalls an den Elektrodenkanten zu vermeiden. Dies führt sonst zu sichtbaren Einbrenneffekten, die auch als Ghosting bekannt sind. Da die Aufladung der Elektroden als Funktion über die Zeit erfolgt, lässt sich durch vorzeitiges Abschalten der Transistoren die Ladung im Pixel auf ein Prozent bis 99 Prozent begrenzen. Auf diese Weise werden Graustufen erzeugt.

Da die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind, können die Zuleitungen senkrecht und waagerecht als Matrix angeordnet werden. Für rechteckige Displays ist dies kein Problem, bei freien Konturen führt dies jedoch manchmal an Grenzen. Der Zuleitungswiderstand ist abhängig von der Länge und der Geometrie der Leiterbahnen und sollte möglichst klein gehalten werden.

Für die Ansteuerung der Transistoren mit der gewünschten Helligkeit sind Gate- und Source-Treiber verantwortlich, die an der Längs- und Querseite des Displays aufgebracht sind (Bild 2). Um die Zuleitungen so kurz wie möglich zu halten, werden die Treiber nahe an der aktiven Fläche platziert. Bei geringen Auflösungen des Displays können sie über eine Folie kontaktiert sein, bei hohen Auflösungen sind sie meist auf das Glas gebondet und direkt mit den ITO-Leiterbahnen (Indium Tin Oxyde) kontaktiert. Bei modernen LTPS-Displays (Low Temperature Poly Silicon) wird die Halbleiterstruktur bereits gleichzeitig mit den TF-Transistoren in der Displayproduktion erzeugt.

Diese Maßnahme reduziert die Zuleitungen auf wenige Datenleitungen und die Spannungsversorgung: zum Beispiel –10 bis +24 Volt für die Gates sowie +12 Volt und Teilerspannungen für die Source.

Empfindliche Datenleitung zwischen Display und Controller

Mit einer Framerate von z. B. 60 Hz werden die Bilddaten Zeile für Zeile eingeschrieben. Bei einer Auflösung von 1280 × 800 Bildpunkten, wie im 12,1“-WXGA-Modul von Kyocera, liegt der Pixeltakt (Dot Clock) dann über 60 MHz. Aus diesem Grund ist die Zuleitung von der Controllerplatine zum Display mit besonderer Sorgfalt zu behandeln. Masseleitungen, Abschirmungen und elektrische Dämpfungsglieder sind an der Tagesordnung. Wie gut diese ausgeführt sind, lässt sich bei den EMV-Tests der Displaymodule schnell feststellen. Bei manchen Geräten ist dies ein schlagendes Argument dafür, welcher Hersteller eingesetzt wird. In der Regel sind 32 Leitungen für die Übertragung der Farb- und der Helligkeitswerte nötig sowie zehn weitere für Timing-Informationen, zusätzliche Spannungsversorgung und ggf. Teilerspannungen. Mit entsprechender Masseabgrenzung kommt man so auf 50 bis 70 Leitungen, die über eine meist displayspezifische Folie zur Contollerplatine führen.