BRAUNSCHWEIG: Was dem Notebook schon immer recht, ist dem Desktop jetzt billig: Flachbildschirme verdrängen ihre sperrige und "strahlende" Röhrenkonkurrenz zunehmend von den Schreibtischen der PC-Benutzer. Zunder für den Trend zum Flachen liefert die neue TFT-Technologie, die Flüssigkristalldisplays in puncto Auflösung und Bildaufbautempo, Helligkeit und Kontrast erstmals über den Notebookbereich hinaus wettbewerbsfähig macht. Welche Technologien und Möglichkeiten hinter der - noch teuren - Miniaturisierung stecken, beleuchtet Horst Ahrens*.Ein Blick genügt: Im Vergleich zu den müde graublau schimmernden Displays älterer Notebooks überraschen heutige Flachbildschirme mit extrem hellen und kontrastreichen Darstellungen, die denen der Kathodenstrahlröhren in nichts mehr nachstehen. Zusätzlich erfüllen die "neuen Flachen" die dringliche Forderung nach Auflösungen von mindestens 1024 mal 768, in Zukunft auch 1280 mal 1024 Bildpunkten. Ihrer schnelleren Verbreitung steht bislang der stolze Preis entgegen, den die aufwendige Produktion mit hohen Ausschußquoten auf das Drei- bis Fünffache eines entsprechenden Röhrenmonitors hebelt. Deshalb werden die flachen Flüssigkristalldisplays zunächst weniger die heimischen Schreib- (oder Spiel-)tische als vielmehr die Arbeitsplätze von professionellen Anwendern erobern.
Ganz besonders dürfen sich die Benutzer von Großbildschirmen auf ihr neues Flachdisplay freuen - blockiert doch keine riesige Röhre mehr ihre gesamte Arbeitsfläche. Statt dessen sorgt ein drei bis acht Kilogramm schweres Leichtgewicht mit auf ein Bruchteil reduzierter Tiefe für Platz, Entlastung und freie Sicht auf die Daten. Auch die Augen atmen auf: Da TFT (Thin Film Transistor)-Displays das Bild nicht ständig neu aufbauen müssen, reduziert sich das ermüdende Flimmern erheblich. Ebensowenig bringen elektrische oder magnetische Felder die Darstellung zum Erzittern. Lenkten vorbeirumpelnde Straßenbahnen oder der Monitor des Schreibtischnachbarn den Elektronenstrahl eines Röhrengerätes noch bildverzerrend ab, bleibt die Lichtquelle von LCDs (Liquid Crystal Displays) davon gänzlich unbeeinflußt.
Der Stromverbrauch sinkt
Die unerwünschte Eigenschaft der CRT (Cathod Ray Tube)-Monitore, beim Aufprall der Elektronen auf die Leuchtschicht der Monitorscheibe auch Röntgenstrahlung zu emittieren, fällt bei Flüssigkristalldisplays ebenfalls "flach". Sie leuchten ausschließlich durch harmloses, sichtbares Licht. Zudem wissen Sicherheitsbewußte, daß ein pixelweise vom Elektronenstrahl geschriebenes Monitorbild von weitem abhörbar ist, während die Felder eines LC-Displays unerlaubten "Fernzugriff" von vornherein ausschließen. Speziell TFT-Displays arbeiten dabei mit so geringer Betriebsspannung, daß sie den Stromverbrauch auf ein Drittel bis ein Viertel des Röhrenmonitors senken und die Klimaanlage durch keinerlei Wärmeausstoß mehr strapazieren.
Kathodenstrahlmonitore bieten längst nicht die Diagonale, die der Hersteller verspricht: Je nach Modell gehen fünf bis zehn Prozent der vorhandenen Bildschirmdiagonale durch den Blendenausschnitt verloren, für zusätzliche Abstriche sorgen Konvergenzfehler und Unschärfen im Randbereich. Die Traumkombination aus voll nutzbarem Bildbereich und handlicher Gerätetiefe bieten erst die Flachdisplays.
Der Schlüssel zu einer wesentlich reduzierten Monitortiefe liegt dabei in einer grundlegend anderen Technik des Bildaufbaus: Bei den herkömmlichen Kathodenstrahlröhren steuern die von der Grafikkarte generierten analogen Spannungssignale die Stärke des Elektronenstrahls, der die Phosphorschicht auf der Innenseite des Bildröhrenbodens mehr oder weniger zum Leuchten bringt. Die lange Fokussierungsstrecke, die der Elektronenstrahl benötigt, um das Monitorbild zeilenweise Pixel für Pixel "abzufahren", begründet dabei die unhandliche Tiefe der Röhrengeräte.
Flache LC-Bildschirme bauen sich dagegen schichtweise aus einer Hintergrundbeleuchtung, dem ersten Polarisationsfilter, der Flüssigkristallschicht und - ganz vorne, direkt hinter der Frontscheibe - einem zweiten Polfilter auf. Wieviel Licht die LC-Moleküle zum Betrachter durchfallen lassen, hängt pro Pixel von der Stärke des anliegenden elektrischen Feldes ab.
Bei älteren LCDs läßt der Kontrast zu wünschen übrig
Flüssigkristalle sind langgestreckte, stäbchenförmige Moleküle, die sich in einer gemeinsamen Ordnung ausrichten und deswegen kristallähnlich sind. Alle heute gebräuchlichen LC-Displays nutzen die opto-elektrischen Fähigkeiten der Moleküle in ihrer nematischen Phase. In diesem Zustand sind die ausgerichteten Stäbchen keinen weiteren Einschränkungen unterworfen und können sich frei bewegen. Als elektrische Dipole richten sie sich beim Anlegen einer Spannung entsprechend ihrer Ladung aus: Das positiv geladene Molekül-Ende orientiert sich dabei zum Minuspol und das negative zum Pluspol. Zum anderen besitzen die Stäbchen aufgrund ihrer Form und Elektronenverteilung eine optische Achse.
Grundsätzlich wird das durch den ersten Filter polarisierte Licht nicht verändert, wenn seine verbliebene Schwingungsebene parallel zur optischen Achse der Stäbchenmoleküle liegt. Trifft das polarisierte Licht jedoch "schräg" auf, wird es doppelt gebrochen und dabei in zwei Teilstrahlen zerlegt. Dabei behält der eine Teilstrahl seine Polarisation, während der andere senkrecht dazu polarisiert wird. Er ist um so stärker gegenüber dem unveränderten ersten Teilstrahl ausgeprägt, je schräger die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes zur optischen Achse der Flüssigkristallmoleküle liegt.
Bei älteren LC-Displays liegt der erste Polarisationsfilter schräg zur optischen Achse der Flüssigkristalle, so daß das polarisierte Licht eine Doppelbrechung erfährt. Der senkrecht zum ersten polarisierende zweite Filter stoppt dabei den nicht veränderten Teilstrahl und läßt nur den um ebenfalls 90 Grad gedrehten zweiten Teilstrahl passieren. Damit wird der Bildschirm zwar hell, jedoch sind Lichtausbeute und Kontrast aufgrund des beschriebenen Verlustes höchst mager. Außerdem leuchten solche alten Notebookdisplays mehr bläulich als weiß, da sie die unerwünschte Eigenschaft der Flüssigkristalle, längerwellige Lichtanteile stärker zu beugen, nicht kompensieren. An Bildschirmpunkten, die dunkel werden sollen, richtet ein anliegendes elektrisches Feld die Flüssigkristalle parallel zur Schwingungsebene des einfallenden polarisierten Lichts aus.
Um die Lichtausbeute zu verbessern, greifen die Displayhersteller auf einen sprichwörtlichen "Dreh" zurück: In der ersten Produktionsphase liegen beide Polfilter parallel, während sich die Flüssigkristalle an den Filteroberflächen verankern. Bei der darauffolgenden Verdrehung des vorderen Filters um 90 Grad verdrehen sich die Stäbchenmoleküle spiralförmig mit und bilden eine "90 Grad-Wendeltreppe" zwischen erstem und zweitem Filter. Das polarisierte Licht trifft parallel zur optischen Achse der hintersten Stäbchenmoleküle auf und wird somit nicht doppelt gebrochen, sondern auf der Spirale verlustfrei zum vorderen Filter geführt, wo es in der zum Durchscheinen erforderlichen Polarisation eintrifft. Die TN (Twisted Nematic)-Displays gewinnen damit an Helligkeit, das Kontrastverhältnis von eins zu drei bleibt jedoch kümmerlich.
Kontraste werden zur gestochen scharfen Realität
Mit der Fortsetzung des 90 Grad-Drehs bis hin zum "270 Grad-Superdreh" wandelt sich das TN- zum STN (Super Twisted Nematic)-Display. Der Superdreh sorgt nicht nur für eine Verdoppelung des Kontrastes auf eins zu sieben, sondern auch für einen erhöhten Blickwinkel, aus dem der Benutzer sein Monitorbild erkennen kann. Durch die längere "Wendeltreppe" verstärkt sich jedoch gleichzeitig die Lichtverfärbung durch Beugeeffekte in der Flüssigkristallschicht. Für ein dunkles Pixel löst generell eine angelegte Spannung die LC-Moleküle aus ihrer Spiralenstruktur und richtet sie parallel zur Lichtpolarisation aus - das Licht wird nicht gedreht und vom vorderen Filter gestoppt.
Farbe kommt ins Bild, wenn sich jedes Pixel aus drei Lichtpunkten mit vorgeschaltetem roten, grünen und blauen Farbfilter zusammensetzt. Deswegen verlangen Farbdisplays neben verbesserter Helligkeit und höherem Kontrast nach unverfälscht weißem Licht zur korrekten Ansprache der Farbfilter. Um die Bevorzugung des blauen Lichtanteils in der Flüssigkristallschicht "zurückzuschrauben", setzen die Hersteller vor die STN-Schicht eine zweite, jedoch gegenläufige verdrehte und nicht elektrisch gesteuerte Schicht. Dieser "doppelte Superdreh" kennzeichnet die DSTN (Double Super Twisted Nematic)-Technologie, die True Color ermöglicht, ein Kontrastverhältnis von eins zu zehn darstellt und bis heute bei preisgünstigen Notebooks dominiert.
Das Monitorbild wird Spalte für Spalte aufgebaut
Der Pferdefuß der DSTN-basierten Flachbildschirme liegt in der "Passivität" der anzusteuernden Bildpunkte: Auf beiden Polarisationsfiltern der elektrisch-aktiven STN-Schicht sind parallele Leiterbahnen aufgedampft, die senkrecht zu denen des anderen Filters stehen. Somit stellen je nach Fabrikat die Leiterbahnen der vorderen Filterplatte die Bildzeilen dar und die der hinteren Platte die Bildspalten - oder umgekehrt. In jedem Fall aber entsprechen die Kreuzungspunkte der Matrix den Bildschirmpixeln.
Beim spaltenweisen Bildaufbau eines DSTN-Displays liegt zunächst nur am ganz links befindlichen Spaltenleiter eine feste negative Spannung an. Gleichzeitig wird auf jeden Zeilenleiter eine positive Voltzahl gegeben. An den Kreuzungspunkten zwischen den Spalten- und den Zeilenleitern entstehen nun elektrische Felder, die die Flüssigkristalle - wie bekannt - parallel zur Schwingungsebene des einfallenden polarisierten Lichtes ausrichten. Je geringer also die positive Spannung eines Zeilenleiters, desto schwächer ist das entstehende elektrische Feld im Kreuzungspunkt mit dem Spaltenleiter. Je schwächer sich damit an einem Bildpunkt die Flüssigkristallmoleküle ausrichten, desto weniger ungedrehtes Licht prallt am vorderen Polarisationsfilter ab und desto heller wird an diesem Pixel das Display. Auf diese Weise wird das Monitorbild Spalte für Spalte aufgebaut.
Da die durchgeschalteten Zeilenleiter aber häufig auch im Spannungsgegensatz zu den jeweils inaktiven Spalten stehen, bilden sich entlang der Zeilenbahnen schwächere elektrische Felder. So kommt es zu den störenden Linien im Monitorbild, wie sie viele Notebookbenutzer beklagen. Darüber hinaus macht der träge Bildaufbau DSTN-Displays ungeeignet für Spiele, Videos und Animationen und führt zum Nachleuchten des Cursors bei schnellen Mausbewegungen.
Bewegte Grafiken in bewährter CRT-Qualität lassen sich erst mit den neuen TFT (Thin Film Transistor)-Displays realisieren, die jedes einzelne Pixel aktiv ansteuern können. Dazu wird eine Matrix aus Feldeffekt-Transistoren in Dünnfilmtechnologie auf die hintere Filterplatte aufgedampft. So steht hinter jedem Bildschirmpixel statt einem Leiterbahnen-Kreuzungspunkt ein eigener Transistor, der separat angesprochen und sehr schnell hochgetaktet werden kann. Die Transistoren bauen damit das benötigte elektrische Feld - nahezu unbeeinflußt von ihren Zeilennachbarn - wesentlich exakter auf. Häßliche Streifen wie bei den DSTN-Displays kommen kaum noch vor - statt dessen werden Kontraste von eins zu 100 und mehr zur gestochen scharfen Realität.
Animationen werden erst mit TFT-Monitoren interessant
Da die Spannung ständig anliegen kann, muß das Bild nicht immer wieder Spalte für Spalte neu aufgebaut werden - das vielbeklagte Flimmern gehört somit weitestgehend der Vergangenheit an. Statt der Bildwiederholfrequenz verbleibt als ergonomisches Kriterium lediglich die Bildwechselfrequenz, die insbesondere über den ruckelfreien Ablauf von Bewegtbildern wie bei Spielen und Videos entscheidet. Für einen grundsätzlich beschleunigten Bildaufbau auf dem TFT-Display sorgt die schnelle Reaktion und minimierte Erholungszeit der aktiven Elemente.
Hoher Ausschuß als Hauptgrund für teure Bildschirme
Da bei Farbdisplays hinter jedem Bildschirmpixel gleich drei Transistoren für den roten, grünen und blauen Lichtanteil stehen, müssen allein für XGA-Auflösung bereits 1024 mal 768 mal 3, also fast 2,5 Millionen einwandfrei funktionierender Transistoren auf eine Filterglasplatte aufgedampft werden. Sind nur wenige Transistoren pro Flächeneinheit defekt, ist das Display unbrauchbar. Die dementsprechend hohen Ausschußquoten, die bei großen LCDs auf bis zu 90 Prozent klettern, sind neben der aufwendigen Ansteuerungstechnik Hauptgrund für die stolzen TFT-Preise. Jedoch verringert sich der Preisnachteil der Flachbildschirme gegenüber ihren Röhrenkollegen stetig und wird um die Jahrtausendwende etwa beim Faktor 1,5 angelangt sein.
Während Grafikkarten digital arbeiten und für jeden Farbpunkt eine Bitfolge generieren, ist der Röhrenmonitor eines der letzten noch analog arbeitenden Fossile der Computerwelt. Deswegen besitzen alle handelsüblichen Grafikkarten einen Digital-Analog-Konverter (RAMDAC), der dem Monitor die digitalen Daten in analoge Spannungssignale übersetzt. Für Flachbildschirme, die mit direkter digitaler Ansteuerung arbeiten, gibt es gleich zwei Arten von Schnittstellen - digital und analog.
Die meisten Displayhersteller vertrauen auf die analoge Lösung und bieten Multifrequenz-Flachbildschirme an, die sich an alle herkömmlichen Grafikkarten anschließen lassen. Nach Ausrangieren des CRT-Monitors kann der Anwender seine Karte also weiter nutzen - ebenso wie die von ihr unterstützten Betriebssysteme. Problematisch ist nur, daß der RAMDAC unbeirrt Analogsignale produziert, die zur Darstellung auf einem Flachbildschirm umständlicherweise wieder digitalisiert werden müssen. Da die analogen Spannungen in einer bestimmten Frequenz übertragen werden, erfordert ihre Re-Digitalisierung eine komplizierte Frequenzsynchronisation. Die Bildqualität leidet deshalb häufig unter Störungen und Flackern, was nur mit sauberer Feineinstellung in den Griff zu kriegen ist.
Auf die Grafikkarten kommt es an
Andere Hersteller entwickelten deshalb für ihr LC-Display eine spezielle, voll digitale Grafikkarte. Diese ermöglicht eine direkte digitale Signalübertragung bis hin zum Display, womit die qualitätsmindernde D/A-A/D-Wandlung und die aufwendige Synchronisation entfallen. Die Qualität des Monitorbildes ist damit - ohne zeitraubende Feineinstellungen - endlich so gut, wie es der dahinter liegenden Technologie gebührt. Nachteilig ist, daß der Anwender seine analoge Grafikkarte gleich mit dem Röhrenmonitor zur Entsorgung geben kann. Statt dessen macht er sich von einer proprietären Lösung abhängig, für die keine Software Treiber bietet. Deshalb sollte sich jeder, der seinen neuen Flachbildschirm volldigital ansteuern will, vor dem Kauf erkundigen, ob die vom Hersteller mitgelieferten Grafiktreiber die benötigten Programme unterstützen.
* Der Autor Horst Ahrens ist im Produktmanagement des Braunschweiger Monitorherstellers Miro Displays GmbH tätig.