Flüssigkristall-Bildschirme (LCD) und Plasma-Displays beherrschen den Markt der Flachbild-Fernseher. Beiden Technologien werden sowohl Stärken als auch Schwächen zugesprochen. In den letzten Jahren haben sich diverse Global-Player dazu entschlossen, massiv in LCDs zu investieren. Aber was kann der Konsument von den Luxus-Geräten künftig noch erwarten und was geschieht um die Kosten zu senken? Welche Technologie wird sich durchsetzen? Efstathios Persidis von der Universität Stuttgart arbeitet am Lehrstuhl für Bildschirmtechnik und stand dem WebStandard Rede und Antwort.

WebStandard: Was sind die Unterschiede zwischen aktueller Plasma und LCD-Technik?

Efstathios Persidis: Plasma Displays (PDP) bedienen sich einer Technologie die auch in Leuchtstoffröhren eingesetzt wird. Durch ein hohes elektrisches Feld werden die Elektronen von Xenon-Atomen in einen höheren Energiezustand angeregt. Wenn diese Elektronen wieder in den Ausgangszustand zurückfallen emittieren sie UV-Strahlung, die auf eine Phosphorschicht trifft und sie zum Leuchten anregt. Durch die Verwendung von rotem, grünem und blauem Phosphor können Subpixel aufgebaut werden, mit denen man durch additive Farbmischung ein vollfarbiges Pixel erzeugt. Allerdings kann der Pixelabstand nicht beliebig klein gewählt werden, daher sind PDPs eher für großflächige TVs und nicht für Computer- Monitore oder kleinere Handy-Displays geeignet.

Efstathios Persidis: Die Funktion der Flüssigkristallbildschirme (egal ob Armbanduhr oder HDTV-Fernseher) basiert auf optischen Effekten, die bereits in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts kommerzialisiert wurden (Doppelbrechung von LCs), daher sind die optischen Eigenschaften solcher Displays auch winkel- und wellenlängenabhängig. Eine Hintergrundbeleuchtung (die immer an ist und demzufolge auch immer Strom verbraucht) strahlt weißes Licht aus, das an einem Polfilter linear polarisiert wird. Triff das linear polarisierte Licht auf den Flüssigkristall dreht dieses LC-Molekül, je nachdem wie seine räumliche Lage in der Zelle ist, die Polarisationsrichtung des Lichts. An einem zweiten Polfilter, der als Analysator dient, wird dann nur noch der Teil des Lichts durchgelassen, den man haben möchte. Die räumliche Lage des LC-Moleküls wird durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Möchte man 100% des Lichts durch die Zelle haben, legt man z.B. 0V an und das Molekül dreht die Polarisationsrichtung nicht. Möchte man 0% durchlassen legt man z.B. 10V an, das LC-Molekül richtet sich auf und durch Doppelbrechung kommt es zu einer Drehung der Pol.-Richtung um 90°, das Licht wird am Analysator absorbiert. D.h. LCDs können eigentlich nur Graustufen darstellen. Um vollfarbige Bilder zu erhalten, wird ein Pixel in drei Subpixel aufgespaltet und darüber mit einem Farbfilter (rot, grün und blau) versehen. Zur Ansteuerung der Flüssigkristalle (also zum Anlegen der Spannung) werden TFTs verwendet daher auch der Name. Flüssigkristalle verhalten sich elektrisch demnach wie ein Kondensator.

WebStandard: Welche Vorteile und Nachteile bietet die jeweilige Technologie?

Efstathios Persidis: Der Vorteil des einen ist der Nachteil des anderen.

+LCD

Geringeres Gewicht

Geringer Energieverbrauch

Höhere Lebensdauer

Bilder können sich nicht einbrennen

+PDP

Besserer Betrachtungswinkel

Sind selbstleuchtend (keine Hitergrundbeleuchtung oder Farbfilter) daher Höherer Kontrast (perfekter Schwarzwert) und Höhere Helligkeit

Laut einiger Studien entspannenderes Bild als LCD und CRT (ich persönlich denke aber das ist Geschmackssache)

Geringere Produktionskosten (im Vgl. zu LCD ganz besonders ab etwa 42“)

WebStandard: Weshalb werden mit LCD-Bildschirmen höhere Auflösungen erzielt?

Efstathios Persidis: Es gibt technisch keinen Grund warum es bei PDPs nicht so sein sollte. Allerdings müssen PDPs eine gewisse Größe haben, da die einzelnen Pixel (genauso genommen der Pixelabstand) auf Grund der physikalischen Hintergründe nicht beliebig klein gewählt werden kann. Der Hauptgrund für die niedrige Auflösung dürfte eher darin liegen, dass PDPs in erster Linie auf den Heimmarkt für TV-Geräte zielen, für den beliebig hohe Auflösungen momentan nur mit zusätzlichen Kosten (neue Ansteuersysteme, Software, etc.) verbunden wären.

WebStandard: Hat sich LCD bereits am Markt durchgesetzt?

Efstathios Persidis : Im Bereich <42“ dominieren="" lcds="" aber="" für="">42“ (oder größer ja nachdem welcher Quelle man glaubt) sieht es für PDPs besser aus (hauptsächlich weil LCDs dann extrem teuer werden). Die Grenze verschiebt sich aber jedes Jahr. Samsung etwa hat diesen Herbst mit der Serienproduktion von 70“ LCD begonnen.

WebStandard: Welche Innovationen kann man in der LCD-Entwicklung künftig erwarten und wie werden diese erzielt? (Bildqualität, Energieverbrauch, Langlebigkeit, etc.)

Efstathios Persidis: Lebensdauer ist für LCD auch jetzt schon kein Problem. Der Energieverbrauch hängt im Wesentlichen mit der verwendeten Hintergrundbeleuchtung zusammen. Effiziente weiße LEDs u.ä. könnten hier für Verbesserungen sorgen.

Um die Bildqualität zu verbessern müssen eigentlich „nur“ Hintergrundbeleuchtung, Flüssigkristall und Farbfilter perfekt aufeinander angepasst werden, also technische Details. Neuartige Konzepte gibt es eher im Bereich Kostenreduktion.

WebStandard: Was sind die Kostentreiber von LCD-Bildschirmen? Welche Maßnahmen werden ergriffen, um die Kosten von LCD-Bildschirmen zu senken?

Efstathios Persidis: Es gibt relativ viele "Baustellen" an denen momentan gearbeitet wird. Meiner Meinung nach liegt besonders viel Potential in folgender Idee (ist technisch auch am interessantesten).

Die Kosten für Farbfilter und Hintergrundbeleuchtung betragen bis zu 30% der Displaykosten. Viele Gruppen arbeiten deshalb momentan an einer farbsequentiellen Hintergrundbeleuchtung (also statt dauernd weiß, 1/3 der Frametime rot, 1/3, grün und 1/3 blau). Dadurch entfällt der Farbfilter. Dies setzt natürlich einen LC voraus, der mindestens um Faktor drei schneller ist als momentan, weil der LC sonst nicht schnell genug auf die Hintergrundbeleuchtung reagiert und das Bild "schlecht" wird. Weiterer Vorteil: Man brauch nur noch 1/3 der Pixel, d.h. man brauch für HDTV tatsächlich nur 1280×720 Pixel und nicht 1280×720×3 Subpixel. Dies verringert auch einen weiteren Kostenpunkt: Treiberchips. Ein weiterer Ansatz zur Verringerung von LCD-Kosten ist die Integration von Treibern auf dem Glas, etwa durch poly-Si (s.o.), indem die Treiber also gleichzeitig mit den anderen TFTs hergestellt werden und nicht erst danach gelötet (eigentlich gebondet) werden müssen. Wenn man diese Idee weiterspinnt ergeben sich eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten. Könnte man mit poly-Si auch langsame CPUs auf Glas realisieren, wäre es möglich einen Computer oder ein Mobiltelefon während der Displayherstellung gleich mitzubauen (das ist aber zugegebener Maßen Zukunftsmusik).

WebStandard: HDTV ist zurzeit in aller Munde. Wie kommt es, das am PC-Markt schon Lange LCDs existieren, die Auflösungen von 1080p (1920x1080) und höher schaffen und am Fernseher-Sektor hauptsächlich sogenannte HD-Ready-Geräte vorzufinden sind?

Efstathios Persidis: Am PC-Markt gibt es auch lange schon CRTs die das machen. Trotzdem hat die TV-Industrie HDTV nicht puschen wollen. Heim und Office sind völlig unterschiedliche Märkte mit anderen Hintergründen. Der Office Markt ist seit dem Abgang der Schreibmaschine digital, um nicht zu sagen von Microsoft definiert. Es musste also keine Rücksicht auf Rahmenbedingungen genommen werden. Das ist bei TV völlig anders. Zum einen gibt es ohnehin seit jeher konkurrierende Standards (Pal, Secam, NTSC) und es ist schwer (und damit letztendlich teuer) eine Weiterentwicklung durchzuführen, die kompatibel mit alten Analogtechniken ist aber gleichzeitig auch kompatibel mit einer neuen digitalen Technik (vgl. Akzeptanz von DAB, DVB). Zum andern müssen die jeweiligen Bildsignale auch erstmal aufgenommen übertragen und gespeichert werden. Vermutlich ist das der Hauptgrund warum es den Herstellern schwer fällt einen Standard festzulegen – aber das ist nur meine persönliche Meinung basierend auf meinen Erfahrungen aus dem Bereich Home-Entertainment. Ich denke, es ist technisch leichter (und damit billiger) die Auflösung nur schrittweise zu erhöhen, weil dabei auch ein größerer Teil der bestehenden Infrastruktur genutzt werden kann. Ein großer Umstieg ist auch mit höheren Kosten verbunden, die keiner in Kauf nehmen möchte, wenn die Aussicht sich damit auf dem Mark zu etablieren nicht sicher ist. Bestrebungen zu HDTV gibt es ja seit mehr als 20 Jahren aber ob sich der Trend wirklich durchsetzt ist nicht absehbar, auch wenn im Moment schon eine Art „Hype“ zu beobachten ist (Situation ist vgl. mit UMTS vs. GSM im Mobilfunk).

weiter: Was bringt die Zukunft?

WebStandard: Welche Fortschritte erzielt man heute in Sachen Interpolation?

Efstathios Persidis: Das ist aus meiner Sicht kein Problem der eigentlichen Displaykomponente, sondern eine Frage Signalverarbeitung bzw. Displayansteuerung und damit in erster Linie eine Frage der Software. Hardware dürfte kein Problem sein, allerdings darf die Hardware zur Signalaufbereitung nicht teurer sein als das Display. Letztendlich dreht sich alles um den Preis, technisch wären viele Dinge machbar aber die Leute sind (verständlicherweise) nicht bereit für einen 42“-TV 10000 Euro auszugeben. Üblicherweise haben Unternehmen intern bessere technische Lösungen, die natürlich nicht sofort in aktuelle Produkte eingebaut werden, sondern für spätere Generationen zurückgehalten werden.

WebStandard: Was kommt nach "Full HD"?

Efstathios Persidis: Technisch ist vieles möglich, aber der Markt (oder Firmen-Marketing) wird entscheiden wohin es geht. Die Frage müssen sie eher den Gruppen stellen, die das Fernsehprogramm speichern und übertragen sollen. Meiner Meinung nach sollten wir erst einmal abwarten, wann und wie sich HDTV durchsetzen wird. Der Trend zur Digitalisierung wird sich aber wohl fortsetzten und auch die mögliche Auflösung von Bildschirmen wird sich erhöhen. Wenn die Akzeptanz des „digitalen Wohnzimmers“ steigt, ändert sich das heute Weltbild von TV, Computer, Stereoanlage und Telefon sowieso grundlegend, was dann auch andere Anforderungen an die Mensch-Maschine-Schnittstelle Bildschirm stellen wird.

WebStandard: Wann ist der Punkt erreicht, an dem Menschen - rein bezüglich der Auflösung - den Unterschied zwischen Bild und Realität nicht mehr unterscheiden können? Ab wann ist ein Bild tatsächlich "gestochen scharf"?

Efstathios Persidis: Es kommt natürlich darauf an, bei welchem Abstand Sie ein Bild betrachten. Ich nehme dazu mal ein Beispiel der Digitalfotographie:

Sehr gute Fotos haben eine Auflösung von 1200dpi. Das kann je nach Fläche sehr viel Megapixel erfordern. Wenn sie ein 10×15cm² Foto mit einer Lupe im Abstand von 2cm betrachten, reichen 600dpi (und damit eine Auflösung von 3500×2300) evtl. nicht aus, wenn sie alle Details sehen wollen. Schauen Sie aber im Abstand von 3m auf das Bild erkennen Sie vermutlich auch keinen Unterschied zu 150dpi (800×600), einfach weil viele Informationen verschwimmen. Beim Vergleich der Megapixel mag man sich fragen, warum Digitalkameras für Standbilder riesige Auflösungen (>5Megapixel) verwenden, wobei selbst für HDTV-Geräte mit weitaus größeren Bildflächen weit weniger als 2Megapixel geplant werden. Der Grund liegt wohl darin, dass das Gehirn in einer gewissen Zeit nur eine bestimmte Anzahl an Informationen verarbeiten kann, deshalb macht es auch keinen Sinn TV-Geräte für Bewegtbilder auf 600dpi zu dimensionieren obwohl das Bild dadurch objektiv schärfer wird. Die Verbesserung wäre subjektiv aber kaum spürbar und der Preis den man dafür aufbringen müsste rechtfertigt die Kosten vermutlich nicht. Wollte man aber wirklich die Realität nachbilden müsste man dafür sorgen, dass ein Bild im Abstand von 3m „scharf“ ist, dafür könnten 100dpi reichen, aber gleichzeitig sicherstellen dass man Details mit der Lupe und 1200dpi erkennen müsste. Ein anderes Beispiel. Wenn sie einen Text am PC tippen (typische Auflösung 72dpi bei CRTs und 96dpi bei TFTs), haben Sie nicht das Gefühl, dass der Text ausgedruckt (min. 300dpi) nicht viel „besser“ aussieht? Trotzdem würden sie ein Computerspiel mit SXGA (1280×1024) als gestochen scharf empfinden. Natürlich wäre eine Auflösung von QSXGA (2560×2048) noch schärfer aber nicht einmal Vollblut-„Gamer“ würden wirklich eine Verbesserung erkennen, insbesondere wenn der Abstand zum Bildschirm groß genug ist. Das gleiche gilt natürlich auf für einen Film. Sicher ist nur, große Bildschirmdiagonalen erfordern auch eine hohe Auflösung, weil die Pixel sonst so groß werden, dass ich den Abstand zum TV-Gerät vergrößern müsste, damit das Bild nicht pixelig erscheint aber der Abstand ist ja bekanntlich durch die Größe des Wohnzimmers definiert. Meiner Meinung nach ist der Eindruck gestochen scharfer Bilder sehr subjektiv, eine Frage der Gewohnheit und korreliert natürlich direkt mit dem Sichtabstand. Ein Display, welches die Realität aus jedem Abstand perfekt nachbildet wird es auf absehbare Zeit wohl nicht geben aber technisch ist es nur eine Frage der Fertigungstechnik, der Bilderfassung, -Übertragung und -Speicherung

WebStandard: Welche Herausforderungen stellen derart hohe Auflösungen an die Entwickler und Forscher?

Efstathios Persidis: Für Bildschirme, die in Dünnschichttechnik hergestellt werden (AMLCD, AMOLED, etc.) halten sich die Herausforderungen in Grenzen, solange Sie nicht erwarten, dass ein 10m-Bidschirm mit zehnfacher HDTV-Auflösung betrieben wird. Viel Schwieriger als die Displayherstellung dürfte eher die Bildaufnahme/Erzeugung –Übertragung und –Speicherung sein. Erhöht man die Anzahl der Zeilen und Spalten „nur“ um Faktor zwei erhöht sich der Speicherbereich bereits um Faktor vier. Diese Rahmenbedingungen müssen erst einmal geschaffen werden (Blue Ray, DVB, etc.)

WebStandard: Wie lange wird LCD noch der "State oft he art" sein, gibt es bereits Einen oder mehrere Nachfolger? (Oled?) Wie heißen diese Nachfolger und wodurch zeichnen sie sich aus/welche Schwierigkeiten bringen sie mit sich?

Efstathios Persidis: Im Fernseher-Bereich wird es wohl noch eine Weile den Kampf LCD vs. PDP geben. Mittelfristig führt an LCDs aber wohl kein Weg vorbei, einfach weil viele große Firmen bereits immens hohe Summen in diesen Bereich investiert haben, insbesondere wenn Konzepte wie farbsequentielle Hintergrundbeleuchtungen technisch realisierbar werden. Letztendlich fehlen zum einen erfahrene Displayhersteller, die finanzielle Möglichkeiten haben um neue Technologien zu forcieren und zum anderen wollen die, die es könnten erst mal die hohen Investitionskosten von LCD erwirtschaften. Ich verweise hier auf ein Joint Venture zwischen Sony und Samsung, beides Global-Player, die aber zusammengegangen sind, um die explodierenden Kosten in den Griff zu bekommen.

Efstathios Persidis: Sicherlich gibt es aber auch attraktive Alternativtechnologien, wie die von Ihnen angesprochenen OLEDs. Diese werden aber wohl auch eher mittelfristig in Konkurrenz zu LCDs stehen und dann vermutlich auch erst mal für kleine, hochauflösende Displays in mobilen Geräten.

OLEDs erlauben ähnlich wie PDPs selbstleuchtende Flachbildschirme. Der Nachteil der Blickwinkelabhängigkeit von LCDs entfällt vollständig, da die Abstrahlrichtung der in der OLED erzeugten Photonen nicht von der Blickrichtung abhängt. Der Energieverbrauch des gesamten Displays ist niedriger obwohl die Aktivmatrix mehr verbraucht aber es entfällt ja die Hintergrundbeleuchtung (von deren Licht übrigens etwa 50% im Display absorbiert werden, egal ob ein vollständig weißer oder schwarzer Hintergrund angezeigt werden). Da OLEDs fast vollständig in Dünnschichttechnik herstellbar sind, fallen auch Bautiefe (und damit auch das Gewicht) eines solchen Displays etwas geringer aus als bei einem LCD. Außerdem sind sie in einem breiteren Temperaturspektrum einsetzbar (wenn sie Ihr Handy schon mal in einer kalten Nacht im Auto vergessen haben, wissen Sie vielleicht was ich meine). Diese Vorteile machen OLED-Bildschirme für den Einsatz in mobilen Geräten und in der Automobiltechnik interessant. Durch effiziente Produktionsmethoden sollen eines Tages preiswerte hochauflösende Displays in großen Stückzahlen gefertigt werden. Das größte Problem ist zurzeit noch die Lebensdauer der OLEDs. Auch wenn schon vollfarbige Displays mit Bilddiagonalen von bis zu 40“ als Prototypen existieren, ist die Lebensdauer noch viel zu kurz, was teilweise eine Frage der Verkapselung aber auch der elektrischen Stabilität organischer Bauteile ist.

WebStandard: Wann werden wir voraussichtlich realistisch helle, farbstarke und kontrastreiche Displays am Markt finden?

Efstathios Persidis: Ein gutes Display ist eine Anpassung zwischen Hintergrundbeleuchtung, Flüssigkristall, Polarisations- und Farbfilter zum möglichst günstigen Preis. Wie jede Anpassung ist die Optimierung eine Frage der Zeit. Allerdings kann ich keine Aussage darüber treffen, wann die Optimierungungsbemühungen der Displayhersteller so weit Fortgeschritten sind, dass sie die Mehrheit der Konsumenten subjektiv als perfektes Bild wahrnimmt. Meiner Meinung nach gibt es ohnehin kein perfektes Display für alle Fälle zu einem bezahlbaren Preis, einfach weil die Einsatzgebiete zu vielseitig sind.

Es gibt aber bereits realistisch helle, farbstarke und kontrastreiche Displays am Markt von nahezu jedem Hersteller, egal ob PDP oder LCD - ganz besonders, wenn man speziell dafür angepasste Filme/Videos nimmt (Sie verstehen aber, dass ich jetzt keine Namen nenne). Natürlich haben alle Hersteller darüber hinaus noch weiter entwickelte Produkte, die sie auch sukzessive in den Markt einführen.

WebStandard: Wo steht Europa im Vergleich zu anderen Märkten in der Display-Forschung und Entwicklung?

Efstathios Persidis:

Display-Forschung und Entwicklung, allgemein:

Europa sehr weit vorne (ganz besonders alternative Technologien)

Display-Produktion:

Europa aber auch USA relativ weit hinten. Dominierende Region ist Asien (genau genommen China, Korea, Japan, Taiwan), insbesondere für LCD und PDP, aber natürlich auch Röhren (CRT)

Display-Anlagentechnik (Beschichtungsanlagen), -Materialforschung (OLED) und –Lieferung (LCD):

Europa sehr weit vorne

Display-Backendfertigung (Zusammenbau von Dipslaymodulen):

Wenn überhaupt Europa, dann eher Osteuropa, aber immer noch viel in Asien. Vorteil der Backendfertigung in Europa liegt darin, dass mehr Displaymodule nach Europa transportiert werden müssen, so dass sich trotzt der "hohen" Fertigungskosten die Endmontage lohnen kann.

(Die Fragen stellte Zsolt Wilhelm)