Eco-Design: Sparmaßnahmen bei LC-Displays

Den Löwenanteil des Energiebedarfs bei den LC-Displays macht die Hinterleuchtung des Panels aus; je nach Größe und technischer Ausführung erreicht der Anteil bis zu 90 %. Dieser gilt daher das Hauptaugenmerk bei der Aufgabe, die Leistungsaufnahme von LC-Displays deutlich zu reduzieren. Weitere signifikante Einsparungen ergeben sich, wenn das ganze System auf die Anwendung hin optimiert wird.

Bei einem energieeffizienten Display-Design ist es entscheidend, eine definierte Display- Helligkeit mit einer möglichst geringen Leistungsaufnahme zu erzielen. Eine wichtige Stellschraube ist dabei die Optimierung der Hinterleuchtung, zumal diese bei transmissiven TFT-LC-Displays die meiste Energie benötigt. Herkömmliche Leuchtstofflampen (CCFL – Cold Cathode Fluorescent Lamp) erfordern bei kleinen Bildschirmdiagonalen rund drei Viertel der Gesamtleistungsaufnahme eines LCDisplay- Moduls. Bei großen Bildschirmdiagonalen liegt der Anteil bei bis zu 90 %.

Doch nicht allein die Hinterleuchtung bietet großes Potential, den Strombedarf zu senken. Auch Lichtdurchlässigkeit der unterschiedlichen Schichten und Materialien – Flüssigkristalle, Gläser, Farbfilter, Polarisatoren, Lichtleiter und Diffusorschichten – haben entscheidenden Einfluss darauf, wie viel Lichtleistung überhaupt notwendig ist, um die gewünschte Display-Helligkeit zu erreichen. Nach Schätzungen des Unternehmens Sharp [1] könnte die Leistung von 14 Kohlekraftwerken eingespart werden, wenn die rund 1,2 Mrd. Fernsehermit Röhrenbildschirm, die weltweit noch in Betrieb sind, durch Fernsehgeräte mit Flachbildschirm ersetzt würden. Doch nicht nur bei Fernsehbildschirmen, sondern auch in Industrieanwendungen, im Automobil und bei tragbaren Geräten bieten LC-Displays verschiedene Ansatzpunkte für eine Reduzierung der Leistungsaufnahme.

Steigerung der Transmissivität

Bei der Verbesserung der Transmissivität von LC-Panels spielen die Farbfilter und die exakte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle eine wesentliche Rolle. Sharp hat erst kürzlich ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich Flüssigkristalle mit einer Genauigkeit im Pikometer-Bereich (10 bis 12 m) ausrichten lassen. Dabei wird das Panelglas mit einer speziellen Polymerschicht überzogen. Bei dieser so genannten Alignment- Schicht stehen einige offene Polymerketten von der Oberfläche der Schicht ab. Aus diesen offenen Ketten entstehen durch einen photochemischen Prozess Mikrorippen, wobei der vorher festgelegte Neigungswinkel der Rippen mit der Richtung des UVLichts übereinstimmt, durch das die Ausrichtung der Polymerketten induziert wird (Bild 1). Diese gerippte Mikrostruktur ermöglicht eine sehr genaue Ausrichtung von Flüssigkristall- Molekülen.

Hierbei kann der Neigungswinkel der etwa zwei Nanometer kleinen Flüssigkristall-Moleküle bis auf 20 Pikometer genau vorbestimmt werden. Im Vergleich zum bisherigen Ausrichtungsverfahren (ASV – Advanced Super View) verbessert das UV2A-Verfahren die Transmissivität der LC-Panels um 20 %. Darüber hinaus sorgt es für statische Kontrastwerte von 5000:1 – im Vergleich mit herkömmlichen Panels eine Steigerung um 60 %. Auch mit der Auswahl der Farbfilter kann die Energieeffizienz von Displays gesteigert werden. Zwar dient die Verwendung von fünf Primärfarben, die Sharp im Sommer 2009 vorgestellt hatte, zunächst einer Verbesserung der Farbwiedergabe der LC-Displays. Mit dem neuen Farbfilterschema – neben Rot, Grün und Blau werden Cyan und Gelb (Yellow) verwendet – lassen sich nahezu alle Oberflächenfarben naturgetreu abbilden, selbst schwierig darzustellende Farben wie das Smaragdgrün der Südsee, das Messing von Trompeten oder der Purpur von Rosen.

Mit dem Standard-RGB-Schema ist der Farbraum auf eine Wiedergabe zwischen 35 und 60 % der natürlichen Oberflächenfarben beschränkt. Positiver Nebeneffekt der RGBCY-Farbfilter ist eine deutlich höhere Lichtdurchlässigkeit des Panels.Allerdings erfordert das neue Farbfilterschema auch ein neues Pixeldesign und eine komplexere Ansteuerung, so dass derzeit noch nicht feststeht, wann die ersten LC-Displays mit dem Fünf-Primärfarben-Filter auf den Markt kommen werden.

Eine etablierte Technik sind die transflektiven Displays, bei denen ein Teil der inneren Struktur – überwiegend Leiterbahnen und Transistoren, die nicht unmittelbar zur Bildgebung beitragen – mit reflektierenden Mikrostrukturen überzogen sind (Bild 2). Schon ein Flächenanteil der reflektiven Mikrostrukturen von nur wenigen Prozent garantiert eine gut sichtbare Bildwiedergabe bei direkter Sonneneinstrahlung. Je nachdem, wie viel Display-Helligkeit das Außenlicht beisteuert, lässt sich, gesteuert über einen Photosensor, die Hinterleuchtung reduzieren oder ganz abschalten. Dies ist insbesondere für alle tragbaren Geräte interessant – Mobiltelefone, Industrie- Handhelds etc. –, um eine möglichst lange, netzunabhängige Betriebsdauer zu ermöglichen.

Effiziente Hinterleuchtung

Als energieeffizientes Leuchtmittel nicht nur für die allgemeine Beleuchtung, sondern auch für Hinterleuchtungen setzen sich LEDs immer stärker durch. Nach Schätzungen des Marktforschungsunternehmens DisplaySearch [2] werden mittlerweile bei mehr als einem Viertel der großformatigen LC-Displays LED-Module für die Hinterleuchtung verwendet. In den nächsten fünf bis sechs Jahren soll der Anteil auf rund 75 % ansteigen. Treibende Kraft der Entwicklung ist die zunehmende Lichtleistung von LEDs, denn inzwischen erreichen „High Brightness“-LEDs 105 lm/W und mehr. Damit stellen sie eine Alternative zu den Leuchtstofflampen dar, die bislang das bevorzugte Leuchtmittel für die „Backlights“ waren.

Rein technisch haben LEDs das Potential, den Energiebedarf der Hinterleuchtung gegenüber den Varianten mit Leuchtstofflampen auf die Hälfte zu senken. Vorreiter, die neue Technologie zu adaptieren, sind Fernsehhersteller. Beispielsweise benötigen die mit 32-Zoll-LC-Displays ausgerüsteten Fernsehgeräte von Sharp der jüngsten Generation mit LED-Hinterleuchtung nur noch 89 kWh pro Jahr. Zum Vergleich: Der ebenfalls mit einem 32-Zoll-LC-Display ausgestattete „Aquos“-Fernseher aus dem Jahr 2003 benötigte pro Jahr noch fast dreimal so viel. Ein guter Teil der Energieeinsparung geht dabei auf das Konto der effizienteren Hinterleuchtungs-Module. Aber auch im Industriebereich gewinnen LEDs zusehends an Boden. Bei Sharp werden neue Modelle mit LC-Displays für industrielle Anwendungen überwiegend mit LED-Modulen ausgestattet (Bild 3).

Darüber hinaus tragen LEDs auch durch ihr schnelles Ansprechverhalten und ihre weitreichende Dimmbarkeit zur Energieeinsparung bei. Mit Sensoren lässt sich die Display-Helligkeit in Abhängigkeit vom Umgebungslicht steuern. Viele TV-Geräte sind inzwischen mit solchen Funktionen ausgestattet. Aber vor allem bei Systemen für „e-Signage“, die im Halbaußenund Außenbereich verwendet werden, trägt eine umgebungslichtabhängige Steuerung der Display-Helligkeit wesentlich zur Energieeffizienz bei. An sonnigen Tagen benötigen die Displays eine Helligkeit von rund 2000 cd/m2, um im Umgebungslicht noch ablesbar zu sein. Doch schon bei Bewölkung reduziert sich die benötigte Display-Helligkeit auf die Hälfte, und nachts bedarf es sogar weniger als 400 cd/m2.

LED-Module lassen sich einfach über einen großen Helligkeitsbereich in Korrelation zum Umgebungslicht nachregeln. Entsprechend reduziert sich die Leistungsaufnahme nachts im Vergleich zur Volllast an sonnigen Tagen auf rund ein Fünftel. Darüber hinaus kommen Sekundäreffekte zum tragen: Viele der Displays für „e-Signage“ benötigen vor allem im Außenbereich eine aktive Klimatisierung, die weniger gefordert ist, wenn die Hinterleuchtung bei reduzierter Helligkeit weniger Abwärme erzeugt (Bild 4). Auch bei Herstellern von Verkaufsautomaten und anderen industriellen Applikationen für den Halbaußen- und Außenbereich gewinnt das Thema Dimmbarkeit immer mehr Bedeutung. Bei gewerblich und industriell genutzten TFT-LCDisplays ist ein Trend zu beobachten zu Helligkeitswerten bis zu 1000 cd/m2, die allerdings nur bei extremen Beleuchtungssituationen benötigt werden. Für den Normalbetrieb wird die Display-Helligkeit entsprechend reduziert.

Im TV-Bereich kann die Intensität der Hinterleuchtung in direkter Korrelation zum Bildinhalt gesteuert werden; das gilt besonders für die direkt hinterleuchteten Displays. Dabei wird das LED-Modul segmentweise gesteuert und in den dunklen Bildbereichen zeitgleich abgedimmt, was neben der Energieeinsparung auch noch zu einer Erhöhung des dynamischen Kontrasts führt. Dieses Prinzip kann auch auf größere Anteile des Bildes ausgedehnt werden. Dabei rechnen spezielle Videocontroller halbdunkle Bildanteileheller und kompensieren die überschüssige Bildhelligkeit über das Abdimmen des Hinterleuchtungs-Moduls. Durch dieses, „Eco Picture Control“ genannte Verfahren entsteht, trotz reduzierter Helligkeit der Hinterleuchtung, ein gut ausgeleuchtetes Bild. Ausgerüstet mit solchen „Local Dimming“-Verfahren, stehen moderne TFT-LC-Displays den aktiv leuchtenden OLED-Displays in Sachen Energieeffizienz in nichts nach. Diese waren bislang auch nur bei sehr dunklen Bildinhalten gegenüber herkömmlichen LC-Displays, was die Energieaufnahme betrifft, im Vorteil.

„Bildspeicher“ im Display

Displays, die sich ihren Bildinhalt selbst „merken“, benötigen Strom nur dann, wenn der Bildinhalt neu geschrieben werden muss. Ein solcher technischer Ansatz ist zwar für Bildschirme zur Darstellung von Bewegtbildern (Fernseher, „Media Player“ etc.) nicht geeignet, aber überall dort, wo weitgehend statischer Inhalt vergleichsweise lange gezeigt werden soll, kann mit diesem technischen Ansatz Energie eingespart werden. Zwei unterschiedliche Verfahren stehen hier zur Auswahl. 2006 hatten mehrere Unternehmen erstmals „bistabile Displays“ vorgestellt.

Diese nutzen cholesterische Flüssigkristalle, die im Gegensatz zu den nematischen Flüssigkristallen eine „helikale“ Struktur (Spirale) haben und die beiden stabile Zustände „planar“ und „fokal konisch“ einnehmen können. Beide Zustände lassen sich ohne permanente Stromzufuhr erhalten, nur zum „Umschalten“ ist ein Spannungsimpuls nötig. Im planaren Zustand wird ein Teil des einfallenden Lichtspektrums in Abhängigkeit der Ganghöhe der Helix reflektiert, während alle anderen Wellenlängen von der Display- Unterseite absorbiert werden. Dabei entsteht ein heller, farbiger „Dot“ (Bildpunkt), dessen Farbe der reflektierten Wellenlänge entspricht.

Im „fokal konischen“ Zustand lassen die Flüssigkristalle das gesamte einfallende Licht durch. Dabei werden alle Wellenlängen von der Display-Unterseite absorbiert und das Pixel erscheint dunkel. Auf diese Weise lässt sich ein monochromes Display mit Hell-Dunkel- Kontrast realisieren. Diese Technologie lässt sich durch Kombination von Flüssigkristallen mit unterschiedlichen Helix-Ganghöhen und entsprechenden Farbreflektoren an der Unterseite so verfeinern, dass damit auch Farb-Displays realisiert werden können. Bistabile Displays eignen sich überall dort, wo Bildinformationen zwar regelmäßig ausgetauscht werden müssen, aber über längere Zeiträume unverändert angezeigt werden und eine dauerhafte Stromversorgung nicht oder nur begrenzt zur Verfügung steht.

Beispiele hierfür sind Preisschilder an Regalen, Türbeschilderung etwa in Konferenzhotels, Büros und öffentlichen Gebäuden, aber auch e-Books. Auch großflächige Displays für „e-Signage“, wie sie z.B. die Firma Distec [3] anbietet, lassen sich damit realisieren. Sharp hat 2009 ein so genanntes „Memory“-LC-Displays vorgestellt, das sich von den anderen bistabilen Display-Typen grundlegend unterscheidet. Mit Hilfe der von Sharp entwickelten „Continuous Grain Silicon“- Technologie ist es gelungen, ein Display zu entwickeln, bei dem jedes Pixel mit einem 1-bit-Speicher ausgestattet ist, der den Zustand des Pixels speichert. Daher muss die Bildinformation nur in den Pixeln neu geschrieben werden, bei denen der Inhalt sich im Vergleich zum vorherigen Bildframe geändert hat.

Anders bei herkömmlichen LC-Displays: Dort müssen Mikrocontroller den kompletten Bildschirminhalt von Frame zu Frame mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 60 Hz neu schreiben, auch wenn der Großteil des Bildinhalts derselbe bleibt. Der Leistungsaufnahme von Standard-LC-Displays liegt daher etwa 130-mal höher als die der Memory- LC-Displays mit einem 1-bit-Speicher für jedes Pixel. Ein derartiges Display nimmt bei einer Bildschirmdiagonalen von 1,35 Zoll im Betrieb nur 15 μW auf (Bild 5). Es lässt sich daher direkt über kleine Solar-Panels speisen. Diese Kombination ist ideal für die Entwicklung neuartiger netzunabhängiger Geräte wie die so genannten „Smart Meter“. Das können Thermometer und Sensoren für Hausautomationssysteme sein; oder GPS-gestützte Fahrradcomputer, Pulsmeter oder auch Autoschlüssel, die z.B. melden, ob alle Fenster und Türen tatsächlich geschlossen sind. Inzwischen hat Sharp diese „Low Power“-LC-Displays zu einer eigenständigen Produktlinie erweitert. Neben dem 1,35-Zoll-Display ist bereits eine 2,7-Zoll-Variante verfügbar. Im Frühjahr 2010 sollen ein 2,94-Zoll- und ein 6-Zoll-Modell des „Memory“-LC-Displays hinzukommen. _ Anpassung an die Anwendung Bei den LC-Displays bieten sich vielfältige Ansätze, den Energiebedarf zu reduzieren.

Da die meiste Energie für die Hinterleuchtung benötigt wird, gilt dieser das Hauptaugenmerk bei der Reduzierung der Leistungsaufnahme. Ein wichtiger Ansatzpunkt dafür ist die Verwendung von LED-Modulen anstelle der Leuchtstofflampen. Aufgrund ihres schnellen Ansprechverhaltens ermöglichen sie es, die Lichtleistung in Korrelation zu Außenlicht und Bildinhalt zu reduzieren. Damit sind moderne TFT-LC-Displays, was Energieeffizienz betrifft, auch den selbstleuchtenden OLED-Displays mindestens ebenbürtig. Neue Verfahren für die Herstellung von LC-Panels wie die „UV2A Alignment“- Technologie und die Verwendung von fünf Primärfarbfiltern tragen weiterhin dazu bei, die Transmissivität der Panels zu verbessern. Dadurch kann bei reduzierter Lichtleistung der Hinterleuchtung die gleiche Display- Helligkeit erzielt werden. Mit den bistabilen LC-Displays und den „Memory“- LC-Displays mit 1-bit-Speicher pro Pixel für spezielle Anwendungen steht auch hier eine Alternative zur Verfügung. Diese Displays haben, verglichen mit den klassischen TFT-LCDisplays, eine extrem geringe Leistungsaufnahme. Weil sie sich Bildinhalte „merken“ können, wird im Wesentlichen nur beim Schreiben neuer Bildinhalte elektrische Leistung benötigt.