Displays für mobile Geräte
Hell, kontrastreich und genügsam
Im Vergleich zur Displaylogik nimmt die Hinterleuchtung eine relativ hohe Leistung auf. Was also tun, wenn ein Display gleichzeitig energiesparend, aber trotzdem auch unter hellen Umgebungsbedingungen wie im Freien gut ablesbar sein soll?
Obwohl sich die Akku-Technik so weit entwickelt hat, dass Geräte einen ganzen Arbeitstag ohne Nachladen durchhalten, ist der Energiebedarf für die Hinterleuchtung eines Displays hoch. Besonders der Betrieb unter Sonnenlicht im Außenbereich lässt ein Display schnell zur größten Last werden. Es liegt also nahe, sich über Techniken Gedanken zu machen, bei denen die Stromaufnahme minimiert wird.
Hinter dem umgangssprachlichen Begriff »Ablesbarkeit« verbirgt sich der technische Begriff »Kontrast«. Je höher der Kontrast, umso besser ist die Anzeige auf dem Display ablesbar. Das bedeutet, dass der dargestellte Inhalt sich vom Hintergrund deutlich unterscheidet. Eine Maßnahme dafür ist, die vom Display ausgehenden Reflexionen zu minimieren, zum Beispiel durch spezielle Oberflächen (Anti-reflective Coating) oder durch den Gesamtaufbau mit Optical Bonding. Als zweite Maßnahme eignet sich eine Hinterleuchtung mit hoher Helligkeit (High-Brightness-Display). Leider verringert sich mit steigender Helligkeit der Umgebung die auf der Netzhaut des menschlichen Auges auftreffende Lichtenergie. Die Iris als Blende verkleinert die Öffnung, durch die Licht eintritt.
Doch es gibt andere Display-Techniken als das konventionelle TFT-Display (Thin-Film-Transistor), das üblicherweise in PC-Monitoren eingebaut wird. Dieser Beitrag beschränkt sich auf die Betrachtung elektronischer Displays der drei gängigen Techniken LCD, OLED und E-Paper. Bistabile mechanische und andere, exotische Display-Techniken werden nicht berücksichtigt.
Displays für mobile Geräte
Display-Klassifizierung nach Art der Beleuchtung
Da die Hinterleuchtung des LC-Displays die größte Leistung in einem Gerät aufnimmt, soll für eine mobile Applikation eine Display-Technik ausgewählt werden, die möglichst wenig Energie braucht. In Bild 1 sind die im Folgenden vorgestellten Display-Techniken zum Vergleich dargestellt.
Reflektive Displays werden primär in einem hellen Umfeld eingesetzt. Das Umgebungslicht fällt auf einen rückseitigen Spiegel und wird reflektiert. Je nach Orientierung des Flüssigkristalls wird das Licht absorbiert (dunkles Segment) oder es passiert (helles Segment bzw. Hintergrund). Vertreter dieser Technik sind TN- (Twisted Nemantic), STN- (Super Twisted Nematic) und E-Paper-Displays.
Soll ein solches Display im Dunklen ablesbar sein, ohne einen besonderen Anspruch an Kontrast und Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung zu stellen, kann das Umgebungslicht durch eine zuschaltbare Frontbeleuchtung ersetzt werden. Eine Frontbeleuchtung kann bei TN-, STN-, E-Paper- und reflektiven TFT-Displays eingesetzt werden.
Eine Sonderstellung nehmen transflektive Displays ein, die in einem eigenen Abschnitt behandelt werden. Sie nutzen sowohl eine Hinterleuchtung als auch das Umgebungslicht aus. Selbst emittierende Displays wie OLED- (Organic Light-Emitting Diode) und Micro-LED-Displays benötigen keine zusätzliche Lichtquelle. Transmissive Displays wie TN und TFT sind auf die Hinterleuchtung angewiesen. Ohne diese bleiben sie dunkel. Für den Einsatz in einer hellen Umgebung muss die Hinterleuchtung ausreichend hell sein. In Tabelle 1 sind die Beleuchtungsstärken typischer Umgebungen aufgeführt.
| Helligkeit (typ.) [Lux | Umgebung |
|---|---|
| 10 | Straßenbeleuchtung |
| 100 | Flurbeleuchtung |
| 1.000 | TV-Studio |
| 10.000 | Sommertag, im Schatten |
| 100.000 | Sommertag, klarer Himmel |
Tabelle 1: Typische Beleuchtungsstärken für Umgebungen, in denen elektronische Displays eingesetzt werden können.
Reflektive Displays
Eine Herausforderung bei der Herstellung eines Displays ist die Transmission. Herkömmliche TFT-Displays weisen eine Transmission von kleiner 10 Prozent auf, d. h. dass nur ein Bruchteil des Lichts von hinten nach vorne durchstrahlt. Beim Betrachten des Aufbaus eines TFT-Displays wird dies verständlich, denn ein Teil der Fläche wird für die Verdrahtung, also die elektrische Verbindung der Dünnschicht-Transistoren in den Zeilen und Spalten innerhalb des Displays verwendet. Das Licht der Hinterleuchtung muss den rückseitigen Polfilter, die Rückelektrode, die Flüssigkristallschicht, den Farbfilter und den Front-Polfilter passieren, bevor es auf das Auge des Betrachters trifft.
Für transparente Displays setzen Hersteller, z. B. LG Display bei seinen T-OLED-Displays, spezielle Pixelstrukturen ein, die nur mit aktiv leuchtenden Materialien möglich sind, spezielle Pixel-Formationen (RGBW) und hochtransparente Verdrahtungsebenen. Dazwischen bleibt Raum für die Transmission, sodass die Transmission des gesamten Displays in den Bereich von 40 Prozent kommt.
Das Prinzip reflektiver LCDs ist schon lange etabliert, wurde aber hauptsächlich bei einfachen TN- und STN-Displays wie zum Beispiel Taschenrechnern und Energiezählern verwendet. Im Unterschied zu TFT-Displays handelt es sich bei TN- und STN-Displays um Passiv-Matrix-Displays, die mit zunehmender Zeilenzahl (Multiplexrate) einen schlechteren Kontrast bieten. Beim reflektiven TFT-Display ist die Ansteuerung aktiv, d. h. jedem Pixel ist ein Transistor zugeordnet.
Transmissive Displays
Ein transmissives Display moduliert die Helligkeit der dahinter liegenden Beleuchtung. Es eignet sich gut für Geräte, die in Umgebungen mit mäßiger Helligkeit eingesetzt werden, erzielt einen hohen Kontrast und ist hervorragend ablesbar. Mit zunehmender Umgebungshelligkeit muss die Intensität der Hinterleuchtung zunehmen, damit der Displayinhalt ablesbar bleibt. Damit steigt die Stromaufnahme der Hinterleuchtung. Im Vergleich dazu ist die Leistung zum Betrieb des Displays und der Ansteuer-Logik klein. Bei einem typischen TFT-Display, z. B. von LG Display mit 7“-Diagonale, benötigt die Logik 0,9 W, die Hinterleuchtung bei 450 cd/m2 hingegen 3 W.
Transflektive Displays
Transflektive Displays nutzen das einfallende Licht, um den Kontrast zu erhöhen. Ein Teil der inneren Display-Struktur reflektiert das Licht, wogegen ein anderer Teil das Licht der Hinterleuchtung passieren lässt. Das Wort »transflektiv« setzt sich aus »transmissiv« und »reflektiv« zusammen und beschreibt damit beide Eigenschaften. Transflektive Displays sind als LCD in TN- und TFT-Versionen verfügbar. Sie werden dort eingesetzt, wo das Display sowohl bei viel als auch bei wenig Umgebungslicht ablesbar sein muss.
Die Hinterleuchtung für transflektive Displays stellt einen Kompromiss dar: Sie darf nur wenig Leistung aufnehmen, muss aber dennoch für einen ausreichenden Kontrast sorgen. Beim Betrieb mit aktiver Hinterleuchtung sind sie gegenüber transmissiven Displays leistungsmäßig im Nachteil, denn die Flächen, die das einfallende Licht reflektieren, sind für das Licht von der Hinterleuchtung nicht transparent. Für eine ausreichende Helligkeit durch Hinterleuchtung muss also mehr Energie aufgewandt werden (Bild 2). Ihre Stärke spielen transflektive Displays erst im reflektiven Betrieb in heller Umgebung aus.
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