Vor- und Nachteile diverser Technologien

Displays werden transparent

13. Juni 2022, 9:37 Uhr | Rudolf Sosnowsky
Transparente Displays können einer Maschine den Durchblick auf das Werkstück oder auf die Exponate im Schaufenster ermöglichen und zusätzlich Informationen vermitteln. Sie in verschiedenen Technologien verfügbar
© Martin Barraud/istockphoto.com

Transparente Displays können – ähnlich einer Brille für Augmented Reality – an einer Maschine den Durchblick auf das Werkstück oder auf die Exponate in einem Schaufenster ermöglichen und dabei zusätzlich Informationen vermitteln. Sie sind in verschiedenen Technologien verfügbar.

Ein Farbdisplay besteht aus einzelnen Pixeln. Normalerweise wird jedes Pixel aus drei Subpixeln in den Primärfarben rot, grün und blau gebildet. Farbabstufungen werden durch Ansteuerung mit weniger als 100 Prozent Strom oder Spannung dargestellt. Die Bildelemente werden als Matrix zusammengeschaltet und zeilenweise angesteuert. In der Verdrahtungsebene befinden sich außer den Steuerinformationen für den Bildinhalt je nach Displaytyp auch die Stromversorgungsleitungen. Je mehr Leistung ein Bildelement für den Betrieb braucht, umso niederohmiger und damit massiver müssen sie ausgeführt werden. Bei Passiv-Matrix-LCD reicht das Anlegen einer Spannung, um die Flüssigkristallmoleküle zum Umschalten zu bewegen; bei Technologien wie LED muss ein Strom fließen, der die LED zum Leuchten bringt.

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Struktur eines emissiven Displays
Bild 1. Struktur eines emissiven Displays.
© Hy-Line Computer Components

Zunächst ist zwischen emissiven und modulierenden Displaytechnologien zu unterscheiden. Dabei ist gemeint, ob das Display selbst Licht emittiert oder das Licht einer Lichtquelle moduliert, die von hinten strahlt. Bild 1 (nicht maßstäblich) zeigt die Struktur eines emissiven transparenten Displays. Das aktive Bildelement nimmt nur eine kleine Fläche ein, weil es selbst nicht transparent ist. Der Rest des Subpixels steht für die Ansteuer- und Versorgungsleitungen des Bildelements zur Verfügung. Mit der Dicke des Materials nimmt die Leitfähigkeit zu, die Transparenz jedoch ab.

Struktur eines modulierenden Displays
Bild 2. Struktur eines modulierenden Displays.
© Hy-Line Computer Components

In Bild 2 ist die Pixelstruktur eines modulierenden Displays zu sehen. Um die Lichtquelle effizient auszunutzen, besteht der größte Teil des Subpixels aus dem modulierenden Teil. Bei Flüssigkristall-Displays befindet sich hier der Farbfilter. Jedes Subpixel wird über einen Transistor angesteuert, der einen Kondensator je nach Graustufe mit dem gewünschten Spannungspegel auflädt. Zwischen den Subpixeln befinden sich die Ansteuerleitungen. Die Abmessungen sind beispielsweise bei einem 55-Zoll-Display mit FHD-Auflösung (1920 x 1080) für ein Pixel 630 µm und ein Subpixel 210 µm, abzüglich der Gaps.

Je nach Anwendung und Betrachtungsabstand werden unterschiedliche Technologien für Displays eingesetzt. Während Apple mit den »Retina«-Displays versucht, eine möglichst hohe Pixeldichte (Dot Pitch) bei minimalem Abstand zwischen den Pixeln (Gap) zu erzielen, ist es bei transparenten Displays genau umgekehrt: Die leuchtenden Pixel sind nicht transparent, aber der Raum zwischen ihnen lässt sich transparent gestalten.

Apertur

Unter dem Begriff »Apertur« versteht man bei Displays den Bereich, aus dem das Licht austritt, im Verhältnis zur Gesamtgröße eines für ein Pixel genutzten Bereichs. Das emissive Display in Bild 1 weist eine geringe aktive Fläche auf, aus der der Lichtstrom austritt. Dieses Design ist günstig für ein transparentes Display, bei dem die aktive Fläche undurchsichtig ist, weil der größere Flächenanteil Licht von hinten durchfallen lässt. Beim modulierenden Display in Bild 2 ist es umgekehrt, da dort die großen Flächen das durchfallende Licht sperren oder passieren lassen. Hier ist in jedem Pixel die für Transistor und Kondensator verwendete Fläche intransparent. Die für die Verdrahtung benötigten Flächen scheinen entweder permanent durch (bei einem transparenten Display) oder werden bei einem normalen TFT mit einem Schwarzdruck (Black Mask) lichtundurchlässig gemacht.

Glossar
IGZO – Indium-Gallium-Zink-Oxid: IGZO bietet gegenüber ITO elektrische Vorteile und eine höhere Transparenz.
ITO – Indium-Zinn-Oxid: In der Displaytechnologie verwendetes Halbleitermaterial, das zugleich elektrisch leitfähig und transparent ist.
OLED – Organic Light Emitting Diode, selbst Licht emittierendes Halbleiterelement.
Pitch Horizontaler oder vertikaler Abstand zweier Bildelemente eines Displays.
TFT – Thin-Film-Transistor, eine weit verbreitete Displaytechnologie, bei der die aktiven Elemente auf dem Display untergebracht sind.
TLM – Transparent LED Module, besteht aus transparentem ITO-strukturiertem Film mit LED-Bestückung.

Technologien für transparente Displays

Die grundsätzliche Voraussetzung für Transparenz ist, dass die Displaytechnologie ermöglicht, dass Licht durch das Panel hindurchfallen kann. Hinweis am Rande: Bei reflektiven TN wie im Taschenrechner oder ePaper ist dies nicht der Fall. Das transparente Display kann dann einzelne Segmente ausblenden (z. B. TFT) oder Inhalte hinzufügen (transparentes OLED oder transparentes LED-Modul).

TFT
Dünnfilm-Transistor-Displays beruhen auf einer Halbleitertechnologie. Elektrische Felder beeinflussen die Lage von Flüssigkristallen, die zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen sind. Auf diese Zelle sind Polfilter laminiert, die Licht nur in einer Polarisationsrichtung durchlassen. Durch das Feld wird die Polarisationsrichtung durchfallenden Lichts pixelweise geändert, und es kann zum Auge des Betrachters gelangen. Die Lichtquelle befindet sich hinter dem Display, das Display selbst wirkt nur als Lichtventil. Wegen der vielen Schichten und Filterfolien beträgt die Transmission eines TFTs deutlich weniger als zehn Prozent. Daher muss der Hintergrund sehr gut ausgeleuchtet werden, um ein akzeptabel helles Bild zu erzielen. Typische Anwendungen sind daher hinterleuchtete Vitrinen und Verkaufsautomaten, also Geräte, bei denen der Hersteller die Helligkeit der Beleuchtung selbst festlegen kann.

Sharp beschreitet einen Sonderweg: das neu entwickelte transparente TFT wechselt nur zwischen der Darstellung einer Farbe und dem transparenten Zustand. Die spezielle Displaytechnologie erlaubt jedoch eine hohe Transparenz von 60 Prozent. Für Anwendungen, bei denen der Hauptzweck des Displays in der Umschaltung zwischen transparent und undurchsichtig liegen, ist dies ideal. Es gibt zwei Varianten: eine, die ohne Energie transparent ist, und eine, die undurchsichtig ist. Bistabil ist sie nicht.

T-OLED
Beim Fließen eines Stroms durch die Materialien eines OLEDs rekombinieren Elektronen und Löcher. Die dabei freiwerdende Energie tritt als sichtbares Licht aus. Unterschiedliche Materialpaarungen sorgen für unterschiedliche Wellenlängen, die als verschiedene Farben wahrgenommen werden. OLEDs sind nicht transparent; bei der normalen Bauform emittieren die Pixel das Licht durch das Substrat hindurch, wodurch die Helligkeit reduziert wird.

Bei einem transparenten OLED besteht die Herausforderung, die Leitungen auf dem Display so auszuführen, dass sie zugleich transparent und elektrisch leitfähig sind. Im Vergleich mit TFT müssen sie auch einen Stromfluss übertragen können, damit die OLED-Elemente leuchten. Im Unterschied zu TFT, die durchfallendes Licht filtern, emittieren OLED selbst Licht.
Die neue Technik von LG Display hat nicht viel mit der von OLED-TVs bekannten gemein: Der so genannte Stack wurde völlig neu entwickelt, und die Materialien für die Leitungen werden aus IGZO hergestellt, das gegenüber dem ansonsten verwendeten ITO einige Vorteile bietet. Damit ließ sich eine Transparenz von 40 Prozent bei gleichzeitig brillanten Farben herstellen.

TLM
Transparente LED-Module bestehen aus Folien, die mit Leiterbahnen aus transparentem Material, z. B. ITO, beschichtet sind. RGB-LEDs mit integriertem Treiber sind dort in Abständen von 10 bis 20 mm montiert. Die Folie ist flexibel und auf der Rückseite mit einer Klebeschicht versehen. Dadurch lässt sie sich einfach auf ein Trägerglas laminieren, etwa eine Schaufensterscheibe. Die Abmessungen einzelner Module sind so kompakt, dass sich durch Anreihung Anzeigen fast beliebiger Größe erstellen lassen. Die Folie kann zugeschnitten werden, sodass auch nicht-rechteckige Anzeigen im Raster des LED-Pitches möglich sind.


  1. Displays werden transparent
  2. Betrachtungsabstand und Pixel-Pitch

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