Das unterschätzte Potenzial moderner VA-Displays

Wer bei Segmentdisplays nur an einfache Siebensegmentanzeigen denkt, unterschätzt das Potenzial moderner VA-Technologie. Dank großer Gestaltungsfreiheit, geringer Fertigungs- und Entwicklungskosten und hochwertiger Optik erschließen VA-Displays heute ganz neue Anwendungen.

Segmentierte VA-Displays bieten einen hohen Kontrast, sind robust, energieeffizient und kostengünstig. Mit bedruckten Folien lassen sich einfache Farbkonzepte umsetzen, ohne die Komplexität eines Matrix-Displays zu verlangen. Dank der einfachen Steuerung über kleine Mikrocontroller eignen sie sich ideal für Produkte mit knappem Budget und langen Lebenszyklen. Typische Anwendungsbereiche erstrecken sich von E-Scootern über medizinische Geräte und professionelle Küchengeräte bis hin zu Messgeräten in der Industrie.

Wenn heute von Display-Technologien die Rede ist, dominieren Begriffe wie OLED, TFT und Micro-LED die Schlagzeilen. Diese hochauflösenden Technologien sind faszinierend – aber sie sind nicht immer die beste Wahl. Für viele Produkte in den Bereichen Industrie, Medizin und Konsumgüter sind andere Faktoren entscheidend: hohe Robustheit, gute Lesbarkeit, sehr niedrige Kosten und einfache Steuerung. Genau hier kommen segmentierte LC-Displays mit VA-Technologie (Vertical Alignment) ins Spiel.

Wir stehen am Beginn einer Ära, in der immer mehr Kraftfahrzeuge elektrisch angetrieben werden. Neue Fahrzeuge für den Individualverkehr erobern die Straßen: Elektroroller ersetzen den Verbrennungsmotor, E-Bikes (Fahrräder mit Motorunterstützung) gewinnen zunehmend an Beliebtheit, und elektrische Tretroller zum Verleih bieten eine neue Dimension der städtischen Mobilität. Andere Fahrzeuge wie Golfwagen und medizinische Rollstühle für ältere oder behinderte Menschen verfügen schon seit langem über Elektroantriebe. Bei ihnen findet derzeit ein Wechsel von Blei-Säure- zu Lithium-Ionen-Batterien statt.

Angesichts der höheren Energiedichte und der damit verbundenen Erwartung einer längeren Betriebsdauer benötigen die Nutzer mehr Informationen über den Fahrzeug- und Batteriezustand – sei es rein zu Informationszwecken oder aufgrund gesetzlicher Vorschriften für den öffentlichen Straßenverkehr. Dazu gehören beispielsweise Geschwindigkeits- und Kilometeranzeigen, aber auch Kontrollleuchten für den Blinker, den Ladezustand der Batterie, Fahrmodi wie »ECO« oder »SPORT« bei E-Bikes und vieles mehr.

Auch in der industriellen Messtechnik findet ein Wandel statt: von der lokalen Messung und Anzeige über ein Zeigerinstrument hin zu vernetzten Messstellen, die Messwerte elektronisch in die Leitzentrale melden. Die notwendige Elektronik kann auch noch ein lokales Display ansteuern, das die Diagnose vor Ort vereinfacht. Diese Anforderungen erfüllt ein einfaches segmentiertes Display. Die VA-Technologie sorgt dafür, dass es gut ablesbar ist und dabei einfach anzusteuern und kostengünstig ist.

Vergleich zwischen VA und TFT

In Tabelle 1 werden die typischen Merkmale eines handelsüblichen TFT-Moduls in TN-Technologie mit Punktmatrix-Anzeige mit denen eines speziell entwickelten VA-Segmentmoduls vergleichbarer Größe gegenübergestellt.

Die Auflösung des TFT-Moduls ist größer, weil es durch die Punktmatrix beliebige Inhalte anzeigen kann. Die Anforderungen an das System sind höher, dort wird ein LCD-Controller mit entsprechendem Speicher benötigt. Dagegen ist das Segmentmodul auf den Anzeigeumfang beschränkt, für den es entwickelt wurde, kann aber mit wenigen Bits auch von leistungsschwachen Microcontrollern angesteuert werden.

Das TFT-Display kann beliebige Farben darstellen, die sich für jede Komponente Rot, Grün und Blau aus 256 Graustufen zusammensetzen. Das VA-Modul selbst ist monochrom. Die Farben hängen von der Gestaltung und dem Druck der Folie auf seiner Oberseite ab.

Ein großer Teil der elektrischen Leistung fließt in die Hinterleuchtung des Displays. Die Transmission des TFT liegt zwischen bei nur 5 bis 10 Prozent, die des VA-Displays bei mehr als 30 Prozent. Daraus folgt, dass bei gleicher Helligkeit des Displays nur ein Drittel bis ein Sechstel elektrische Energie benötigt wird. Der Stromverbrauch der Logik kann vernachlässigt werden. Im dargestellten Fall verbraucht die TFT-Hintergrundbeleuchtung zwar fast dreimal so viel Strom wie das Segmentdisplay, die Helligkeit beträgt jedoch nur die Hälfte.

Dank der verwendeten Technologie verfügt das TFT-Display über einen besseren Kontrast, der erforderlich ist, um auch in heller Umgebung bei dunklen Inhalten ein akzeptables Bild darzustellen. Das VA-Modul bietet einen Kontrast, der weitaus besser ist als bei transmissiven TN-Displays. Auch wenn er niedriger ist als der des TFT, reicht er völlig aus, um »digitale« Inhalte – also Inhalte, die entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet sind – darzustellen.

Aufgrund der verwendeten Technologie sind die Schaltzeiten beim VA-Display länger. Da sich die Inhalte nicht schnell ändern – es sollen keine Videos wiedergegeben werden –, hat dies keinen Einfluss auf den Gesamteindruck.

Das TFT-Display setzt auf die IPS-Technologie, die einen optimalen Betrachtungswinkel von allen Seiten ohne Farbverfälschungen gewährleistet. Das VA-Display ist auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten, bei der der begrenzte Betrachtungswinkel akzeptabel ist. Im Falle eines E-Bikes betrachtet der Nutzer das Display aus einer festen Position, sodass der Betrachtungswinkel feststeht, und das Display dafür optimiert ist.

Technischer Überblick

Segmentierte LC-Displays bestehen aus festen Symbolen, Zahlenfeldern oder Balkenanzeigen. Anstelle eines frei adressierbaren Pixelrasters wie bei TFT-Displays wird jedes Segment einzeln elektrisch angesteuert. In der Regel wird dabei der transmissive Anzeigemodus verwendet, bei dem weiße LEDs die Hintergrundbeleuchtung liefern, die von der Anzeigezelle moduliert wird.

Die VA-Technologie ist eine Weiterentwicklung der klassischen Twisted-Nematic-Zelle (TN). Wie dort ist auch hier das Flüssigkristallmaterial zwischen zwei Glasscheiben eingeschlossen, auf deren Ober- und Unterseite gekreuzte Polarisatoren angebracht sind. Der Begriff »vertikal« beschreibt die Ausrichtung der Flüssigkristalle in ihrer Ruheposition: Sie stehen senkrecht zur Substratoberfläche. Erst wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, neigen sie sich in eine definierte Richtung. Durch diese Neigung kommt es zu einer Änderung der Polarisation, wodurch Licht hindurchgelassen wird. Der spezielle Zellaufbau führt zu einem sehr hohen Kontrast zwischen »Schwarz« (inaktiv) und »Hell« (aktiv).

Der Aufbau eines Moduls ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Benutzer gewinnt den Eindruck eines hochwertigen Farbdisplays. Dies liegt daran, dass das LCD einen hohen Kontrast bietet – »ausgeschaltete« Segmente sind schwarz und tragen nicht zur Darstellung bei, während »eingeschaltete« Segmente je nach Intensität der Hintergrundbeleuchtung sehr hell erscheinen. Die Ablesbarkeit – Fachbegriff: Kontrast – hängt zudem vom Deckglas ab, das dazu dient, die empfindliche Oberfläche des Polfilters vor äußeren Einflüssen wie Wasser/Feuchtigkeit, mechanischer Krafteinwirkung usw. zu schützen.

Sofern es das Budget zulässt, wird es mit Optical Bonding durch OCA mit dem Display verbunden. Dadurch wird eine geringere Reflexion des Umgebungslichts erreicht, was insbesondere bei Anwendungen im Außenbereich wichtig ist. Die Farbe und die Abstufung der Segmente werden ausschließlich durch den Druck auf der Folie erzielt. Die Folie wird im Standard-Siebdruckverfahren bedruckt. Die Anzahl und die Farbtöne können frei gewählt werden. Der Druck bietet eine hohe Auflösung mit scharfen Kanten und kann zudem eine bestimmte Deckkraft definieren, um die Helligkeit einzelner Segmente zu differenzieren, etwa um Warnungen hervorzuheben. Da der Druck von der Rückseite erfolgt, ist er kratzfest. Es besteht die Möglichkeit, das Display und den Polarisator durch Laminierung zweier Folien oder durch Verwendung einer Trägerfolie mit UV-Blocker vor UV-Licht zu schützen. So ergibt sich aus der Kombination eines kontrastreichen Displays mit perfektem Schwarz und Weiß sowie des gedruckten Farbfilms ein Farbdisplay.

Vorteile

Segment-Displays können dort ihre Stärken ausspielen, wo das System mit einem TFT wegen ungenügender Rechenleistung oder zu wenig verfügbaren Speicher überfordert ist. Sie eignen sich als Upgrade eines Systems, das bisher mit Status-LEDs auskam, lassen sich im Design leichter integrieren und geben dem Gerät eine hochwertige Anmutung.

VA-Displays erreichen in der Regel Kontrastverhältnisse von 1:200 bis 1:500, was deutlich höher ist als bei herkömmlichen TN-Displays. Das bedeutet, dass Zahlen und Symbole auch bei hellem Sonnenlicht gut erkennbar sind. Dies ist ein entscheidender Vorteil für Anwendungen im Außenbereich, beispielsweise in E-Scootern und Fahrradtachometern. Bei Geräten im Innenbereich ermöglicht der schwarze Hintergrund ein homogenes Erscheinungsbild.

Segmentanzeigen weisen ein einfarbiges, monochromes Layout auf: dunkle Zeichen auf hellem Hintergrund bei positiver Darstellung, oder umgekehrt bei negativer. Mithilfe von bedruckten Folien lassen sich jedoch die Symbole in einer anderen Farbe darstellen – ganz ohne komplexe RGB-Matrix. Im Gegensatz zu TN-Panels verfügen VA-Panels über eine neutralere Farbwiedergabe, wodurch eine breitere Farbpalette zur Verfügung steht. Beispiele hierfür sind: Darstellung des Ladezustands des Akkus in grün/gelb/rot; von Warnsymbolen in rot oder Funktionsanzeigen in blau. VA-Panels sind kostengünstig und zuverlässig, weil keine zusätzlichen Subpixel und Farbsteuerungen erforderlich sind. Der Nachteil ist, dass immer nur eine Farbe dargestellt werden kann.

Im Vergleich zu TFT- oder OLED-Modulen sind segmentierte VA-Displays um ein Vielfaches günstiger: die passiven Displays erfordern keine Herstellung im Hoch-Reinraum, weil kein Halbleiter-Produktionsprozess mit teuren Glassubstraten auf Halbleiterbasis erforderlich ist. Die Elektronik ist deutlich einfacher. Zwar kann der Treiber als COG auf dem Glas untergebracht werden, jedoch werden keine Backplane-Treiber mit Hunderten von Zeilen und Spalten benötigt. Dadurch eignen sie sich ideal für preissensitive Produkte, aber auch für Anwendungen, bei denen ein Display nicht den größten Kostenfaktor darstellen soll.

Segmentanzeigen lassen sich selbst von den kleinsten 8-Bit-Mikrocontrollern ansteuern – ohne spezielle Grafikprozessoren oder komplexe Anzeigetreiber. Viele Mikrocontroller verfügen über integrierte LCD-Treiber, sodass keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Dies führt zu einer schlanken Systemarchitektur, einfacher Firmware und geringem Energieverbrauch. Fehlt der Treiber, kann er als separates IC auf der System-Leiterplatte oder als COG auf dem Display untergebracht werden.

Segment-LC-Displays benötigen im Betrieb nur wenige µA bis mA (mit Treiber, ohne LED). In Verbindung mit dem Betrieb über Batterien oder Akkus ergibt sich daraus eine sehr lange Laufzeit. Dies ist ein Vorteil für mobile Geräte – von medizinischen Geräten im Bereich der häuslichen Pflege bis hin zu tragbaren Messgeräten. Selbst mit eingebauter Hintergrundbeleuchtung sind sie effizienter als TFT.

Segmentanzeigen sind robust und haben eine lange Lebensdauer. Einbrenneffekte (wie bei OLED) sind unbekannt; Pixelfehler (wie bei TFT-Displays) kommen nicht vor. Sie funktionieren über viele Jahre hinweg zuverlässig und sind weniger temperaturempfindlich als Technologien wie TFT oder OLED. Selbst in rauen Umgebungen, wie beispielsweise in Großküchen mit Hitze, Feuchtigkeit und Fett, bleiben sie stabil und gut lesbar.

Auch ohne ausgefeiltes GUI kann ein Segment-Display mit einem Touchscreen zur Interaktion versehen werden. Selbst wenn Gesten nicht gefordert sind, können doch Schaltflächen ansonsten erforderliche mechanische Tasten ersetzen und für eine ebene und wasserdichte Gerätefront sorgen. Dafür bietet sich die PCAP-Technologie an, bei der der Sensor hinter dem Deckglas verklebt wird.

Praxis-Beispiel: Anzeige für Elektrofahrzeuge

Zur Veranschaulichung soll ein konkretes Beispiel erläutert werden. Die Aufgabe bestand darin, ein rundes Display für ein Elektrofahrzeug zu entwerfen.

Das Display soll in ein Rundgehäuse eingebaut werden. Es sollte einen großformatigen Punktmatrixbereich zur Anzeige von Textinformationen sowie einen Bereich mit Sieben-Segment-Ziffern für Zählerstände und andere digitale Informationen enthalten. Darüber hinaus sollte es separate Symbole für Kontrollleuchten (Scheinwerfer, Blinker) und Warnmeldungen ( Reifendruck oder Motorstörung) geben. Das Display sollte für die verschiedenen Bereiche unterschiedliche Farben verwenden, und die einzelnen Symbole sollten farblich klar voneinander unterscheidbar sein.

Der Entwurf des Designers wurde in mehreren Hinsichten optimiert, um die Kosten niedrig zu halten. Das Display-Panel wurde nicht kreisförmig, sondern mit geraden Schnitten in eine achteckige Form geschnitten. Das Gehäuse maskiert die Schnitte, sodass der Eindruck eines Rundinstruments entsteht.

Für den Einsatz im Outdoor-Bereich muss das Display leuchtstark und in allen Situationen deutlich ablesbar sein. Die VA-Technologie im Negativmodus erfüllt diese Anforderungen bei gleichzeitigen geringen Kosten im Vergleich mit Vollmatrix-TFT. Das Display wird von hinten mit weißen LEDs beleuchtet. Die maximale Helligkeit beträgt 1000 cd/m² und wird je nach Umgebungslichtbedingungen gedimmt.

Der gute Kontrast und der ausreichende Betrachtungswinkel erlaubt eine Ansteuerung mit einem Tastverhältnis von 1/8. Die Betrachtungsrichtung im Fahrzeug wird durch die Position des Fahrers weitgehend festgelegt. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -20 und +70 °C.

Um Kosten für eine feine Strukturierung zu sparen und andere Probleme zu vermeiden, wurde auf ein COG-Design verzichtet. Der LCD-Treiber befindet sich extern auf der Kunden-Leiterplatte, die Verbindung erfolgt über eine flexible Folie. Abbildung 2 zeigt den Segmentaufbau des Monochrom-Displays. Aufgrund des 1/8-Tastverhältnisses konnte bei 320 individuellen Segmenten die Anzahl der Verbindungsleitungen auf 54 einschließlich der LED-Hintergrundbeleuchtung begrenzt werden.

Die Farbe der Segmente wird mit einer bedruckten Folie erzielt. Während der Punktmatrixbereich stets weiße Segmente auf schwarzem Hintergrund anzeigt, verwenden die Symbole fünf verschiedene Farben zur Unterscheidung von Informations- und Warnstufen. Abbildung 3 zeigt die Farbdrucküberlagerung für einzelne Symbole. Durch Auswahl der Transparenz können einzelne Felder hervorgehoben werden, damit können die roten Warnsymbole heller als die eher informativen grünen strahlen.

Das Display wird negativ betrieben und zeigt helle Zeichen auf einem dunklen Hintergrund. Um ein Durchscheinen des Hintergrunds mit der Folge eines schlechten Kontrasts zu vermeiden, wird der inaktive Bereich des Displays mit einer schwarzen Maske bedruckt, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 5 zeigt ein Foto des fertigen Displays im nicht angesteuerten Zustand. Die Flexfolie auf der rechten Seite ist displayseitig mit dem Display-Panel verbunden. Das offene Ende mündet auf der Hauptleiterplatte des Geräts und ist dort mit dem LCD-Treiber (Segmente und gemeinsame Anschlüsse) sowie mit der Stromversorgung für die LED-Hintergrundbeleuchtung verbunden.

Abbildung 6 zeigt das typische Erscheinungsbild des Displays in der Anwendung. Zu Demonstrationszwecken werden alle Informations- und Warnsymbole gleichzeitig aktiviert.

Fazit

Segmentierte VA-Displays bieten einen hohen Kontrast, sind robust, energieeffizient und kostengünstig. Mit bedruckten Folien lassen sich einfache Farbkonzepte umsetzen, ohne die Komplexität eines Matrix-Displays zu verlangen. Dank der einfachen Steuerung über kleine Mikrocontroller eignen sie sich ideal für Produkte mit knappem Budget und langen Lebenszyklen. Typische Anwendungsbereiche reichen von E-Scootern über medizinische Geräte und professionelle Küchengeräte bis hin zu Messgeräten in der Industrie. Auch wenn moderne Technologien wie TFT oder OLED für Multimedia-Anwendungen unverzichtbar sind, bleibt die segmentierte VA-LCD-Technologie ein äußerst relevantes Werkzeug – insbesondere dort, wo Klarheit, Kosten und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

COG (Chip-On-Glass): Der Display-Controller/Treiber wird hierbei mit einem speziellen Verfahren direkt auf das TFT-Glas geklebt und die Kontakte zu Interface und Display hergestellt.

GUI (Graphical User Interface): Bedienoberfläche des Displays mit oder ohne Touchscreen

OCA (Optical Clear Adhesive): Eine Art doppelseitiges Klebeband mit angepasstem Brechungsindex, das verwendet wird, um Display und Touchscreen vollflächig zu verkleben. -> Optical Bonding

Optical Bonding: Vollflächige Verklebung von Display und Deckglas oder Touchsensor mit Deckglas. Bietet bessere optische Performance durch geringere Reflexion, verhindert Eindringen von Staub und Flüssigkeiten.

PCAP (Projected CAPacitive Touchscreen): Heute hauptsächlich verwendete Technologie. Kleinste Änderungen der Kapazität werden für ein Touch-Ereignis ausgewertet. Ermöglicht Multi-Touch, in Verbindung mit einem Deckglas beständig gegenüber mechanischen und elektrischen Umwelteinflüssen.

TN (Twisted Nematic): Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle im Display.

VA (Vertical Alignment): Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle im Display.

Segmentanzeigen kommen insbesondere bei Massenprodukten zum Einsatz, bei denen die Benutzeroberfläche ein ansprechendes Design zu geringen Kosten bieten soll. Die folgende Übersicht listet einige Beispiele auf.

E-Scooter, E-Bikes, Krankenfahrstühle, Golf-Carts

Anzeigen für Geschwindigkeit, Akkustand und Fahrmodi.

Wichtig: gute Lesbarkeit bei Sonnenlicht, robuste Technik, geringer Stromverbrauch.

Medizinprodukte

Beispiel: tragbare Blutzuckermessgeräte, Blutdruckmessgeräte, Produkte für die häusliche Pflege.

Vorteil: einfach verständliche Symbole, hohe Übersichtlichkeit durch geringen Anzeigeumfang, keine Ablenkung durch unnötige Animationen.

Professionelle Küchengeräte

Öfen, Kombidämpfer, Kaffeemaschinen im Gastronomiebereich.

Anzeige von Programm, Status, Timer, Temperatur

Die Displays müssen Temperaturen von 60–70 °C standhalten.

Wichtig: gute Ablesbarkeit auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen.

Haushaltsgeräte (Weiße Ware)

Waschmaschinen, Wäschetrockner, Geschirrspüler.

Anzeige von Programm, Status, Timer

Kosten, Benutzerfreundlichkeit und lange Lebensdauer sind hier entscheidende Faktoren.

Industrie und Messtechnik

Messgeräte, Thermostate, Steuerungen.

Lokale Anzeige wichtiger Parameter, Rest per Fernüberwachung

Vorteil: Auch nach vielen Jahren noch zuverlässig ablesbar, ohne Software-Updates für komplexe Benutzeroberflächen.

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