LCD-Bildschirme bestehen aus mehreren Schichten:
• Zwei transparente Glasplatten: Diese umschließen und schützen die Flüssigkristalle.
• Flüssigkristalle: Eine Substanz, die ihre optischen Eigenschaften unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes verändern kann.
• Polarisationsfilter: Diese lassen Licht nur in einer bestimmten Richtung durch.
• Elektroden oder Ausrichtungsschicht: Dies sind transparente Schichten auf der Innenseite jeder Glasplatte.
• Hintergrundbeleuchtung: Sie beleuchtet den Bildschirm von hinten, üblicherweise mit LEDs.
• Farbfilter: Bestehen aus Pixeln, die jeweils aus drei Subpixeln zusammengesetzt sind: rot, grün und blau (RGB).
Das Herzstück eines LCD-Bildschirms bilden die Flüssigkristallmoleküle, die sich durch ihre einzigartige Fähigkeit auszeichnen, sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in einer bestimmten Richtung auszurichten. Diese Moleküle bestehen aus langen, stabförmigen Strukturen mit sowohl flüssigen als auch festen Eigenschaften. Im Normalzustand sind Flüssigkristallmoleküle zufällig ausgerichtet, wodurch der Bildschirm dunkel erscheint, wenn Licht hindurchtritt.
Um die Funktionsweise von LCD-Molekülen zu verstehen, betrachten wir den grundlegenden Aufbau eines LCD-Panels genauer. Die beiden Glasplatten umschließen eine dünne Schicht Flüssigkristallmaterial. Die Innenseite jeder Glasplatte ist mit einer transparenten Elektrode beschichtet, die es ermöglicht, ein elektrisches Feld durch die Flüssigkristallschicht zu leiten.
Die Flüssigkristallmoleküle in einem LCD-Bildschirm lassen sich typischerweise in zwei Typen unterteilen: Twisted Nematic (TN) und Vertically Aligned (VA). Bei einem TN-LCD sind die Moleküle zwischen den beiden Kristallplatten in einem bestimmten Winkel, üblicherweise 90 Grad, ausgerichtet, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird. Diese verdrillte Anordnung ermöglicht es dem Licht, die Flüssigkristallschicht zu durchdringen und den Betrachter zu erreichen.
Wird an ein TN-LCD ein elektrisches Feld angelegt, beginnen sich die Flüssigkristallmoleküle zu entwirren und richten sich parallel zum Feld aus. Diese Neuausrichtung verändert die Polarisation des durch die Flüssigkristallschicht hindurchtretenden Lichts und verhindert so, dass es den Betrachter erreicht. Durch Steuerung des elektrischen Feldes lässt sich die Lichtmenge, die den LCD-Bildschirm durchdringt, präzise regulieren, wodurch unterschiedliche Helligkeitsstufen entstehen.
VA-LCD-Bildschirme funktionieren hingegen anders. Bei einem VA-LCD-Bildschirm sind die Flüssigkristallmoleküle anfänglich vertikal, senkrecht zu den Glasplatten, ausgerichtet. Wird ein elektrisches Feld angelegt, neigen sich die Moleküle und ermöglichen so den Lichtdurchtritt durch die Flüssigkristallschicht. Wie bei TN-LCDs lässt sich der Neigungsgrad durch Anpassen der Spannung und damit die Helligkeit steuern.
Obwohl LCD-Moleküle letztendlich durch die Manipulation der Ausrichtung der Flüssigkristallstrukturen mittels eines elektrischen Feldes funktionieren und diese kontrollierte Neuausrichtung die Lichtdurchlässigkeit des LCDs reguliert, ist dies nicht die einzige grundlegende Komponente eines LCDs. Für eine optimale Funktion ist eine ausreichend helle Hintergrundbeleuchtung erforderlich.
Das von der Hintergrundbeleuchtung erzeugte Licht muss einen Polarisationsfilter passieren, der es in eine bestimmte Richtung lenkt, damit es beim Durchgang durch die Flüssigkristallschicht homogen ist. Dieses polarisierte Licht interagiert mit den Flüssigkristallmolekülen und ändert seine Polarisationsrichtung. Daher lässt der zweite Polarisationsfilter nur Licht mit der richtigen Polarisationsrichtung passieren.
Wie bereits erwähnt, wird die Lichtmenge, die durch jedes Pixel dringt, durch die an die Elektroden angelegte Spannung gesteuert. Pixel mit höherer Spannung erscheinen heller, solche mit niedrigerer Spannung dunkler.
Die Farberzeugung findet in der Farbfilterschicht statt, die sich zwischen dem zweiten Glas und dem zweiten Polarisationsfilter befindet. Da jedes Pixel aus roten, grünen und blauen Subpixeln besteht, erzeugt die Kombination dieser Primärfarben ein breites Farbspektrum. Aktuell lassen sich mit diesem System Millionen von Farben darstellen, gesteuert durch die Elektroden, die die Lichtmenge regulieren, die durch jedes Subpixel dringt.
Um hohe Auflösungen wie 8K oder 4K zu erreichen, benötigt ein LCD-Bildschirm eine große Anzahl von Pixeln. Dies wird durch Verkleinerung der einzelnen Pixel und Erhöhung der Elektrodenanzahl in der Elektrodenschicht erreicht. Mit zunehmender Pixelanzahl steigt jedoch auch die Komplexität des Bildschirms und der Bedarf an präziserer Steuerung der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle.
All dies ermöglicht es uns, Bilder und Videos in unglaublicher Auflösung und mit lebendigen Farben zu genießen.
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