LCD-Technologie Displays in Industrie und Medizin

Autor / Redakteur: Frank Jammers* / Andreas Mühlbauer

Die Industrie stellt ebenso wie die Medizin besondere Anforderungen an Displays: Hoher Kontrast, ein weiter Betrachtungswinkel sowie Langlebigkeit und lange Verfügbarkeit sind Schlüsselkriterien. Doch wie gelingt es, diese auch mit LED-Hinterleuchtungen zu erfüllen?

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Markt für Flachdisplays boomt seit Jahren. Dominiert wird er von TFT-LCDs, und bis auf Weiteres ist auch keine Technologie auszumachen, die ähnlich gut, preiswert und in ausreichender Menge verfügbar sein wird. Überall sind LCD-Fernsehgeräte, Mobiltelefone mit TFT-Display, Spielkonsolen, Camcorder und digitale Fotoapparate zu sehen.

Mittlerweile werden mehr Laptop- als Desktopcomputer verkauft, mehr Flatscreens stehen auf den Schreibtischen als Röhrenmonitore und Navigationssysteme mit TFT-LCD sind beim Kaffeeröster und beim Lebensmitteldiscounter erhältlich. Aber Jahre bevor der Massenmarkt die Platz und Strom sparenden Flachdisplays entdeckte, setzten industrielle Anwendungen hierfür neue Maßstäbe. Schon lange ist jeder Geld- und Ticketautomat mit TFT-Anzeigen ausgestattet. Kaum eine Maschinensteuerung, Mess- oder Diagnosegerät, das ohne ein TFT-LC-Display auskäme.

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NEC LCD Technologies konzentriert sich mit seinem Produktportfolio auf zwei Kernbereiche: Zum einen der typische Industriesektor mit seinen hohen Ansprüchen an robuste und langfristig verfügbare Displays. Zum anderen ist es der rasant wachsende Markt medizintechnischer Anwendungen mit hoch- und höchstauflösenden Flachdisplays in farbiger und monochromer Darstellung.

Kompatibilität vereinfacht Upgrades

Die Ansprüche der Industrie unterscheiden sich in wesentlichen Punkten von Konsumerprodukten. So sind eine hohe und konstante Grundhelligkeit, hoher Kontrast und weite Blickwinkel entscheidende optische Eigenschaften für Flachdisplays. Aber auch die mechanische und thermische Belastbarkeit sind wichtige Kriterien, und deshalb sind alle neuen TFT-LCDs für Arbeitstemperaturen von –20 bis 70 °C spezifiziert. Zudem ist neben diesen displayspezifischen Eigenschaften eine auf die Industrie abgestimmte Produktpolitik notwendig.

In den gängigen Displaydiagonalen wird für gewöhnlich eine ganze Produktfamilie angeboten. Mechanisch kompatibel sowohl untereinander als auch zu bereits existierenden Displays, erlauben Varianten mit verschiedenen Auflösungen und optischen Eigenschaften ein einfaches Upgrade bestehender Applikationen.

Entwickler und auch Einkäufer haben damit die Wahl aus einer Palette von Low-Cost bis Highend. Dieses als Form-Fit-Function-Prinzip bekannte Konzept ( Bild 1) der Displayfamilien garantiert daneben auch die sehr lange Verfügbarkeit der Industriedisplays: Es hält Nachfolgetypen mechanisch und elektrisch kompatibel und ermöglicht so einen schnellen Umstieg ohne kostspieliges und aufwändiges Re-Design auf Seiten der Endkunden. Zudem hat NEC die Verfügbarkeit der TFT-LCD-Module auf weitere zwei Jahre festgelegt. Das heißt, neben den Produktversionszyklen von durchschnittlich fünf Jahren bleiben dem Kunden weitere zwei Jahre für den Umstieg auf den Nachfolgetyp.

Bildschirme mit einwandfreier Ablesbarkeit, mit denen sich die unterschiedlichsten Informationen deutlich wiedergeben lassen, sind auch auf dem semi-industriellen Markt sehr gefragt. Um beispielsweise der Nachfrage nach tageslichttauglichen Displays für Außenanwendungen nachzukommen und nach Flachbildschirmen, die auch in direktem Sonnenlicht noch gute Darstellungen bieten, gibt es mittlerweile eine Vielzahl ultrahelle oder „enhanced“ Displays.

Wege zu besserer Ablesbarkeit auch bei Tageslicht

Unter dem Begriff Nature Light Technology (NLT) geht NEC einen anderen Weg. Hier kommt eine extern-transflektive Technologie mit zusätzlichen Filtern zum Einsatz (Bild 2). Ein transflektiver Filter wird auf die äußere Seite des unteren Glassubstrates aufgetragen. Mit einer Reflektion von lediglich 2% ist die reflektive Ausbeute zwar gering, wird aber von den 400 bis 750 cd/m2 der transmissiven Zelle kompensiert.

Displays mit dieser Technologie sind für rein reflektive Anwendungen, das heißt ohne Hintergrundbeleuchtung, nicht geeignet. Wegen ihrer zusätzlichen reflektiven Eigenschaft sind sie jedoch für Außenanwendungen prädestiniert. Was bei ausschließlich leuchtstarken Displays zum Problem wird, ist bei dieser Technologie von Vorteil: Je stärker das Umgebungslicht ist, desto heller wird das dargestellte Bild. Auch unter dem Gesichtspunkt der Leistungsaufnahme, beispielsweise für mobile Anwendungen, ist diese Technologie interessant, da sie keine sehr helle Hinterleuchtung erfordert und somit die Leistungsaufnahme sinkt.

Bei den kleineren Modulen im Bereich bis etwa 5˝ ist das LED-Backlight bereits gängig, doch der Markt verlangt diese Technologie auch für die klassischen industriellen Diagonalen von 6,5 bis 12,1˝, vereinzelt auch noch größer. Obwohl die Hersteller der Leuchtdioden sicherlich noch anderthalb oder zwei Jahre brauchen werden, bis sie Produkte anbieten, die den CCFL ebenbürtig sind, bieten die meisten Produzenten von TFT-LCDs diese Produkte jetzt schon an.

Auch NEC nimmt zwei LED-Backlight-Module in den Größen 6,5 und 12,1˝ in Serie. Eines davon wird die LED-Hinterleuchtung mit transflektiver Technologie kombinieren. Dabei wird das LED-Backlight austauschbar sein, um die im Vergleich zu CCFL geringe Lebensdauer zu kompensieren. Derzeit muss sich der Hersteller entscheiden, entweder ausreichend helle Bauteile mit relativ hoher Leistungsaufnahme und geringer Lebensdauer zu verwenden, oder aber solche mit guten MTTF-Werten, die aber nur mäßige Leuchtdichten bieten. Noch sind beide Varianten teurer als CCFL-Hinterleuchtungen.

Hohe Ansprüche in der Medizin nachdem Umstieg auf Displays

In der Medizin hat ein Umstieg von film- und papierbasierten Röntgenbildern und Akten auf digitale Plattformen begonnen, die auf eine klare Wiedergabe hochauflösender Bilder bei großem Betrachtungswinkel angewiesen sind (Bild 3). Für Anwendungen in der Medizintechnik sind LED-Hinterleuchtungen von besonderer Bedeutung: Zum einen lassen sich Probleme mit elektromagnetischen Störstrahlungen eindämmen.

Zum anderen können mit Leuchtdioden Farben und Graustufen erzeugt werden, die jene der Leuchstoffröhren übertreffen. Backlights in Form von RGB-Arrays sind in der Lage, mit einem Farbbereich bis zu 110% des NTSC-Farbdreiecks dessen Spektrum zu übertreffen. Mit RGB-LED-Hinterleuchtung lässt sich zudem der Kontrast eines TFT-LCDs spürbar steigern.

Neben diesen Eigenschaften spielt auch der Betrachtungswinkel eine wichtige Rolle im klinischen Bereich. Die ersten TFT-Flüssigkristalltechnologien hatten einen viel kleineren Betrachtungswinkel als CRTs. Radiologen benötigen Bildschirme mit kontrastreicher Graustufendarstellung, Farbkonsistenz und eine einheitliche Abbildungsqualität bei einem Betrachtungswinkel um 150°.

Große Betrachtungswinkel bei gutem Kontrast

Mittlerweile gibt es zwei neue Technologien, um die Betrachtungswinkel zu vergrößern: IPS (In-Plane Switching) und MVA (Multi-Domain Vertical-Alignment), die die Betrachtung von LCDs bei größeren Winkeln verbessern. Auf IPS-LCDs sind die Elektroden auf einem Substrat aufgebracht und nicht auf den inneren und äußeren Substraten verteilt. Die ersten IPS-Bildschirme erreichten Betrachtungswinkel bis zu 160°, litten aber unter Farbverschiebungen bei einem Betrachtungswinkel von 45°, längeren Ansprechzeiten und höherer Leistungsaufnahme.

Die MVA-Technologie nutzt einen Flüssigkristallmodus mit überwiegend vertikaler Ausrichtung in Verbindung mit einer Mehrbereichsausrichtung für bessere Bildqualität und größere Betrachtungswinkel. Im ausgeschalteten Zustand sind MVA-Moleküle überwiegend vertikal ausgerichtet. Dies erhöht die Fähigkeit der Moleküle, Licht zu blockieren und erzeugt eine sehr dunkle Ebene mit einem Kontrastverhältnis von 300:1. Die Kontrastebene für MVA-Panels ist am stärksten bei nahezu senkrechter Betrachtung, nimmt aber mit größeren Betrachtungswinkeln ab. Weil die Flüssigkristallmoleküle in MVA-Panels nicht mit Riefen verankert sind, kann sie ein Stoß oder Vibration verzerren.

Mit der Entwicklung neuer Zweibereichs-IPS-Panels hat NEC die mit beiden Technologien verbundenen Nachteile überwunden. Dies ließ sich durch veränderte Viskosität der Flüssigkristalle, Regelung des Panelzwischenraums und optimierte Elektroden erreichen. Diese Technologie mit der Bezeichnung „Advanced Super-Fine Technology“ ermöglicht Betrachtungswinkel bis zu 170° (Bild 4). Die außermittige Farbverschiebung ließ sich ohne Kontrasteinbuße reduzieren. Diese Entwicklungen machen IPS – oder SFT – zum für hochauflösende klinische Anwendungen interessant.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist Zuverlässigkeit. In der Röntgendiagnostik ist eine Gewährleistungszeit von fünf Jahren durchaus üblich, und OEMs erwarten eine Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung von 30.000 bis 50.00 Stunden. Eine lange Produktlebensdauer ist ebenfalls wichtig. Ist die Wahl einmal auf ein Produkt gefallen, bleiben Anwender diesem meist mehrere Jahre treu. Bevorzugt werden daher auch in der Medizintechnik Displays und Bildschirme, die sich über lange Zeit am Markt halten.

Technologien für neue Märkte

Sowohl die Industrie als auch die Medizintechnik stellen besondere Ansprüche an Displays: Hoher Kontrast und Helligkeit sind ebenso gefragt wie große Blickwinkel und insbesondere langjährige Verfügbarkeit. Diese Anforderungen zu vereinen, ist eine Herausforderung für die Displayhersteller. Die Verfügbarkeit lässt sich einerseits durch längere Produktzyklen in den Griff bekommen sowie durch mechanisch und elektrisch kompatible Nachfolgemodelle (Form-Fit-Function).

Für gute Ablesbarkeit auch bei Tageslicht sorgt neben ultrahellen Displays die Nature Light Technology (NLT), die mit weniger hellen Hinterleuchtungen auskommt. Dazu wird ein transflektiver Filter auf das Substrat aufgetragen. Dadurch passt sich die Helligkeit des Displays an das Umgebungslicht an: Je heller das einfallende Licht, desto heller das Display.

In der Medizin kommen zunehmend LED-Hinterleuchtungen zum Einsatz, da sie eine bessere Farb- und Graustufenwiedergabe ermöglichen als CCFL-Backlights. Große Betrachtungswinkel ohne Farbverschiebung und hohe Kontrastverluste bei hoch auflösenden Displays lassen sich mit der Advanced Super-Fine Technology (SFT) erzielen. Diese vereint das so genannte In-Plane Switching (IPS) mit der Technologie des Multi-Domain Vertical Alignment (MVA): Dabei sind einerseits die Elektroden nur auf einem Substrat untergebracht wie bei IPS, andererseits sind die Flüssigkristallmoleküle vertikal ausgerichtet, wie es bei MVA der Fall ist. Diese Kombination macht SFT ideal für medizinische Anwendungen.

*Frank Jammers ist Senior Engineer, C-LCD Product Unit, bei NEC.

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