Probleme mit dem Blickwinkel gelöst LCDs werden noch besser

Die Weiterentwicklung bei den Flachdisplays steht nicht still, vielmehr jagt eine Innovation die andere. Wenn sie die altbewährte Bildröhre endgültig ablösen wollen, dann muss ihre Wiedergabequalität noch weiter steigen. Eines der Hauptprobleme ist bisher die starke Abhängigkeit des Kontrasts vom Blickwinkel. Die physikalischen Ursachen dafür sind mittlerweile weitgehend geklärt; mit neuartigen Konstruktionen der Pixelstruktur lassen sich die unerwünschten Effekte jetzt weitgehend beseitigen.

Probleme mit dem Blickwinkel gelöst

Die Weiterentwicklung bei den Flachdisplays steht nicht still, vielmehr jagt eine Innovation die andere. Wenn sie die altbewährte Bildröhre endgültig ablösen wollen, dann muss ihre Wiedergabequalität noch weiter steigen. Eines der Hauptprobleme ist bisher die starke Abhängigkeit des Kontrasts vom Blickwinkel. Die physikalischen Ursachen dafür sind mittlerweile weitgehend geklärt; mit neuartigen Konstruktionen der Pixelstruktur lassen sich die unerwünschten Effekte jetzt weitgehend beseitigen.

Auf Grund der höheren Kosten werden sich die Hauptanwendungen vorläufig auf CAD/CAM, Desktop Publishing, Medizin und hochauflösenden Videoschnitt konzentrieren. Interessant ist, dass die Farbwiedergabe durch ein Feedbacksystem, welches Farbe und Helligkeit innerhalb weniger Sekunden wiederholend messen und regulieren kann, erreicht wird und somit sogar eine 100-%-Darstellung des Adobe-RGB-Farbraums ermöglicht.

Mit LEDs hinterleuchtete Panels erreichen einen Farbraum zwischen 95 und 100 % nach NTSC (National Television Standards Committee) und bis 135 % nach EBU (European Broadcast Union). Doch die Ingenieure gehen noch ein paar Schritte weiter. Denn die Leistungsfähigkeit eines Displays wird in der Regel anhand des Kontrasts, der Helligkeit, des Betrachtungswinkels, der Farbwiedergabe, der Auflösung und der Ansprechgeschwindigkeit quantifiziert. Konventionelle LCDs haben es insbesondere hinsichtlich des Betrachtungswinkels, der Helligkeit und der Ansprechgeschwindigkeit schwer, attraktive Eigenschaften zu bieten. Mit dem MVA-LCD (Multi-domain Vertical Alignment) steht jedoch eine sehr ausgewogene Technologie zur Verbesserung dieser Parameter zur Verfügung.

Mit MVA-Flüssigkristallen bedient man sich einer als „VA-Mode“ bezeichneten Betriebsart. Diese ist den übrigen LCD-Betriebsarten hinsichtlich des Kontrasts deutlich überlegen, solange das Display von vorn betrachtet wird. Sobald der Blick jedoch in einem Winkel auf das Display fällt, ergeben sich keine nennenswerten Verbesserungen. Als besonders schwierig erweist sich die Wiedergabe von grau skalierten Bildern unter verschiedenen Betrachtungswinkeln. Die Gründe hierfür werden in Bild 1 deutlich.

Probleme mit dem Blickwinkel

Wenn an eine VA-Flüssigkristall-Zelle eine Spannung gelegt wird, richten sich die Moleküle in einem bestimmten Winkel aus. Sobald dies passiert, nimmt die Transparenz des Flüssigkristalls durch seine doppelt brechenden Eigenschaften zu, was die Erzeugung von grau skalierten Bildern gestattet. Dieser Transparenz-Effekt tritt jedoch nur dann auf, wenn das Panel von vorn betrachtet wird. Trifft der Blick in einem Winkel auf das Display, so verändert sich die Darstellung. Bild 1a illustriert, wie beim Betrachten von links das Weiß stärker wird, während beim Betrachten von rechts das Schwarz dominiert. Diese Unterschiede in der wahrgenommenen Helligkeit sind auf die unterschiedlichen Winkel zurückzuführen, in denen die Flüssigkristalle zum Betrachter stehen. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt in der Multi-Domain-Technologie, was Bild 1b illustriert. Diese basiert darauf, dass sich die Moleküle in jedem Pixel in verschiedenen Richtungen orientieren. Die Flüssigkristall-Schicht weist dadurch eine gleichmäßige Transparenz auf und erscheint aus allen Richtung einheitlich hell.

Um eine optimal ausgewogene Darstellung zu erreichen, müssen die Flüssigkristall-Moleküle in vier Richtungen ausgerichtet werden, was auf der Fläche eines einzigen Pixels (ca. 100 x 300 µm2) in der Praxis große Probleme macht. Die verbreitetste – „Rubbing“ – bewirkt eine Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle in konventionellen Displays. Hierzu wird eine Rolle mit Nylon- oder Polyesterbürsten benutzt, um die Substrat-Oberfläche zu bürsten und die Moleküle in Richtung der Bürstbewegung auszurichten. Mit diesem Verfahren ist es tatsächlich möglich, den Flüssigkristall-Molekülen eine bestimmte Orientierung zu verleihen. Eine unterschiedliche Ausrichtung der Moleküle innerhalb eines Pixels lässt sich auf diese Weise jedoch nicht herbeiführen. Aus diesen Gründen kamen bisher existierende Prozesse nicht für die Massenproduktion von MVA-Panels in Frage.

Zur Lösung dieser Probleme hat Fujitsu eine eigene Technologie zur Molekülausrichtung entwickelt, wie in Bild 2 erläutert. Anstatt die Oberfläche der Ausrichtungsschicht (alignment layer) zu bearbeiten, wie es im konventionellen Verfahren geschieht, strukturiert man die darunter liegende Schicht. Bereiche, die zum Teil unterhalb der Ausrichtungsschicht angeordnet sind, bilden Erhebungen. Bei abgeschalteter Versorgungsspannung richten sich die meisten Flüssigkristall-Moleküle vertikal zum Substrat aus. Nur jene Moleküle, die sich über den erwähnten Erhebungen befinden, nehmen wegen der Neigung der Erhebungen eine Position ein, die in einem gewissen Winkel zur Substratoberfläche steht. Wird nun die Spannung eingeschaltet, bewegen sich die Moleküle über den geneigten Erhebungen zu-nächst in die Richtungen, die durch die Pfeile in Bild 2 angedeutet werden. Die in den Bereichen ohne Erhebungen werden von den sich neigenden Molekülen beeinflusst und richten sich in gleicher Weise aus.

Von den Erhebungen ausgehend, wird auf diese Weise eine kontrollierte Ausrichtung über die gesamte Displayfläche erreicht. Diese Technologie wird als ADF (Automatic Domain Formation) bezeichnet. Der Name bezieht sich auf die automatische Anordnung der Flüssigkristall-Moleküle mit Hilfe in die Struktur eingebauter Substrate.

Bild 3 illustriert eine Ausrichtungs-Struktur, die auf einer Kombination aus Elektrodenschlitzen und Erhebungen beruht. Wie zu erkennen ist, weist das TFT-Substrat an seiner Oberfläche keine Erhebungen auf, während Teile der ITO-Pixel-Elektrode weggeätzt sind (Elektrodenschlitze). Beim Anlegen einer Spannung wird in der Nähe der einzelnen Schlitze ein deformiertes (diagonales) elektrisches Feld erzeugt. Man erreicht auf diesem Weg eine Feldverteilung und eine Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle ähnlich wie mit den zuvor beschriebenen Erhebungen. Werden die Schlitze gleichzeitig mit den ITO-Pixel-Elektroden hergestellt, kommt man dabei sogar ohne zusätzliche Fertigungsschritte aus.

Die konventionelle Methode zur Herstellung dieses Abstands besteht darin, Kunststoffkügelchen zwischen beiden Schichten zu verteilen (Bild 4a). Die als Abstandshalter fungierenden Erhebungen werden im ADF-Verfahren gemeinsam mit den Erhebungen hergestellt. Bild 4b zeigt das neu konstruierte „Columnar-Spacer-Panel“. Hier sind die aus Kunstharz bestehenden Filter für Rot, Grün und Blau lediglich in den Randbereichen der Pixel übereinander angeordnet, um das Durchtreten von Lichtstrahlen aus den Randzonen zu minimieren (übereinander angeordnete RGB-Filter lassen kein Licht durch). Die bei gegenwärti-gen Fertigungsprozessen erforderliche Schwarzmatrix (eine das gesamte Pixel abdeckende Schicht), die den Durchtritt von Licht unterbindet, kann dadurch entfallen. Auf den übereinandergeschichteten Farbfiltern wird zusätzlich eine Erhebung angebracht, die als Abstandshalter fungiert und für eine definierte Distanz zwischen dem TFT-Substrat und dem Farbfilter-Substrat sorgt.

Das beschriebene Verfahren erfordert einen zusätzlichen Prozessschritt zur Ausrichtung und zum Herstellen der Abstandshalter. Andererseits können die Arbeitsgänge bei der Herstellung der Schwarzmatrix und zum Verteilen der Distanz-Kügelchen entfal-len, so dass sich der Prozess insgesamt vereinfacht.

In herkömmlichen Breitbild-Displays kommt es mit der Zeit zu einer Verlagerung der Kunststoffkügelchen, was die Gleichförmigkeit der Bilddarstellung beeinträchtigt. Durch die Verwendung der eben beschriebenen Methode tritt dieses Problem bei der MVA-Technologie nicht auf, so dass sie auch bei Breitbild-Displays sicher angewandt werden kann. Geeignet und unverzichtbar ist diese Struktur auch für die LC-Dropping-Methode, die zur Injektion der Flüssigkristalle bei Breitbildschirmen große Verbreitung gefunden hat.

Wie zuvor erwähnt, behebt die MVA-Technologie eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit den Fertigungsprozessen. Sie führt zu einer hohen, mit konventionellen Flüssigkristall-Displays nicht erreichbaren Bildqualität. Dennoch sind weitere Fortschritte nötig. Um den Wünschen anspruchsvoller Benutzer gerecht zu werden, die an hochwertige Röhrenmonitore gewöhnt sind, müssen MVA-Displays auch in Bezug auf den Betrachtungswinkel und die Farbwiedergabe außergewöhnliche Leistungen erbringen. Fujitsu hat zur weiteren Steigerung der Bildqualität die MVA-Premium-Technologie entwickelt. Eine derer herausragenden Eigenschaften ist die Entwicklung gezackter Pixel-Elektroden, wie in Bild 5 verdeutlicht. Hier wirkt ein schräg verlaufendes elektrisches Feld, welches die Ausrichtbarkeit der Flüssigkristall-Moleküle verbessert (bei der konventionellen MVA-Technologie beschränkt sich diese auf die unmittelbare Nachbarschaft des Haupt-ITO-Schlitzes). Das Resultat dieser innovativen Technologie sind verbesserte Ansprecheigenschaften. Die Ausrichtbarkeit bei der konventionellen MVA-Technologie basiert darauf, dass sich die Schrägstellung – ausgehend von den Erhebungen in der Nähe der Schlitze – von einem Flüssigkristall-Molekül zum anderen fortpflanzt. Die gezackten Pixel-Elektroden der MVA-Premium-Technologie sind dagegen in der Lage, über die gesamte Pixelfläche hinweg ein schräges elektrisches Feld zu erzeugen und damit über einen großen Bereich hinweg direkt auf die Ausrichtung der Flüssigkristalle einzuwirken. Dies führt zu deutlichen Verbesserungen speziell beim Wechsel von Schwarz zu helleren Graustufen.

Als weiterer Vorteil kommt der vergrößerte Betrachtungswinkel hinzu. Da die gezackten Pixel-Elektroden die Ausrichtbarkeit der Flüssigkristall-Moleküle verbessern, ergibt sich eine stabilere Ausrichtung der Flüssigkristalle bis in jede Ecke eines Pixels hinein. Diese Technologie führt somit dazu, dass sich die Flüssigkristall-Moleküle in die für den Betrachtungswinkel optimale Richtung orientieren. Durch die optimierten Bedingungen im Panel wird außerdem der Betrachtungswinkel vergrößert. Die Betrachtungswinkel-Eigenschaften eines MVA-Premium-LCDs sind in Bild 6 dargestellt.

Als dritter Vorteil ist das einfache Pixel-Design für hochauflösende Displays anzuführen. Bei konventionellen MVA-Displays werden diejenigen Flüssigkristall-Moleküle, die sich ungefähr in der Mitte zwischen Erhebung und Schlitz befinden, indirekt durch den Einfluss der benachbarten Moleküle gedreht. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Distanz zwischen Erhebung und Schlitz nicht beliebig vergrößert werden kann. Die feine ITO-Elektrode beseitigt diese Beschränkung durch die Möglichkeit, die Flüssigkristall-Moleküle direkt zu beeinflussen. Dies ist nicht zuletzt von Vorteil für das Design der Pixel-Ecken und erfüllt damit eine weitere wichtige Forderung für hochauflösende Displays.