Lichtgevende sandwiches

De LCD’s moeten als stand-alone monitoren nog terrein winnen. In mobiele pc’s is echter nog geen alternatief voor de liquid crystal display (LCD). PC Mobiel legt uit hoe de LCD’s functioneren en wat goede, ergonomische ‘lichtplaten’ onderscheidt van minder goede exemplaren.

Ulrike Pfalzgraf

Bij LCD’s is de effectieve beelddiagonaal groter dan bij conventionele monitoren: de tegenhanger van de 17-inch CRT is daarom een LCD met 15 inch.

Vanwege de ruimte die de CRT-monitoren (kathodestraalbuizen) in beslag nemen is deze klassieke monitortechniek taboe voor mobiele apparaten. LCD’s zijn daarentegen zo plat als een dun belegde boterham. Dat wil echter nog niet zeggen dat alle LCD’s het zonder meer tegen klassieke beeldbuizen kunnen opnemen. Zo werken de displays van notebooks bijvoorbeeld niet met veel innovatieve technologieën, die bij goede stand-alone pc’s al standaard zijn. Dit is deels terug te voeren op enkele speciale LCD-kenmerken die te veel stroom zouden trekken. De fabrikanten van high-end notebooks zijn echter continu bezig de beeldkwaliteit te verbeteren.

Chemie en elektronica

Iedere LCD produceert beelden met behulp van de zogenaamde backlight op de achtergrond. Voor die backlight zit tussen twee dunne glasplaten een laag vloeibare kristallen. In oudere, minder goede LCD’s hebben deze twee glassubstraten een dunne, elektrisch geleidende matrix uit indiumtinoxide. Als je op een horizontale en verticale rasterlijn spanning zet, ontstaat op het kruispunt van de lijnen een elektrisch veld waardoor de vloeibare kristalmoleculen tussen de twee glasplaten van positie veranderen. De moleculen draaien dan bijvoorbeeld, afhankelijk van het LCD-type, haaks op het beeldvlak in plaats van parallel eraan. De lichtstralen van de achtergrondverlichting krijgen zo vrije doorgang tot het scherm. Rode, blauwe en groene filters voor iedere pixel zorgen er aan de voorkant van de display voor dat de aangestuurde beeldpunten een kleur weergeven.

Qua helderheid en contrast doen goede notebookdisplays zeker niet onder voor stand-alone TFT’s. De kijkhoek is nog problematisch.

Aan beide kanten van de ‘sandwich’ zit een polarisatiefolie dat een deel van de stralen uitfiltert, omdat licht met ongewenste trilling kleurvervalsingen zou opleveren. Om lichtverlies door deze polarisatie te vermijden, worden de glassubstraten in de oudere DSTN (Double Super Twisted Nematic)-displays en in de TN (Twisted Nematic)-panels (die in de hoogwaardige TFT-displays worden ingezet) ieder 90 graden gedraaid. De vloeibare kristalmoleculen in de buurt van de plaat passen zich aan deze draaiing aan; het resultaat is een schroefvormige rangschikking van de moleculen tussen de twee platen. Ook de lichtstralen volgen deze draaiing op weg door de kristallen. Vervolgens komt bijna 100 procent van de lichtstralen met de gewenste golflengte op de voorste polarisator terecht.

Deze truc ‘dwingt’ de stralen dus cirkelvormig in plaats van elliptisch te trillen, wat op het scherm een hoger lichtrendement oplevert. Nieuwere displaytechnieken zonder TN-modus moeten daarom bijvoorbeeld met een sterkere achtergrondverlichting werken om een beeld te kunnen produceren dat overal even helder is.

naar top

Dure TFT-techniek

Theoretisch mag voor een elektrisch geactiveerd punt in de matrix telkens slechts één pixel reageren. In de praktijk ontstaat bij DSTN-displays echter een elektrische spanning die voldoende is om ook de ernaast gelegen vloeibare kristallen te activeren, met als resultaat niet helemaal exacte lijnen, rafelige punten, ‘melkwegen’ of donkere strepen in het beeld.

Bij goede, wat jongere notebooks met een TFT-scherm is dit probleem grotendeels opgelost. TFT’s werken met een zogenaamde actieve matrix, terwijl in DSTN-LCD’s een passieve uitvoering gebruikt wordt. Bij een actieve matrix is de aangelegde grondspanning te zwak om de vloeibare kristalmoleculen ‘om te draaien’. Het elektrische veld wordt pas voldoende versterkt door een Thin Film Transistor (dunfilmtransistor) in ieder kleurenveld van een pixel. Drie transistors voor ieder beeldpunt bij een resolutie van 1024 x 768 pixels betekent 2.359.296 lichtschakelaars: daarom kosten stand-alone TFT’s nog steeds duidelijk meer dan even grote CRT-monitoren.

naar top

Een tiental specialisten

Er zijn maar weinig fabrikanten die zowel de notebooks als de bijbehorende displays zelf produceren. Het gros van de ruwe platen dat van lagen wordt voorzien en vervolgens in lagen op elkaar wordt gelegd wordt door LCD-specialisten als Fujitsu, Hitachi, LG Electronics, Mitsubishi, NEC, Panasonic/Matsushita, Philips/ Hosiden, Samsung en Sharp gefabriceerd en vervolgens op displaygrootte gesneden, voor notebooks dus bijvoorbeeld in panels van ongeveer 12 tot 15-inch. Het rendement, de zogenaamde yield, laat vanwege het zeer dunne, gevoelige transistor- en laagmateriaal en de vereiste exacte afstanden nog steeds te wensen over.

Kleinere panels kunnen niettemin eenvoudiger worden gefabriceerd dan grote platte beeldschermen. Die grote platte beeldschermen bieden weliswaar hogere winstmarges, maar er is niet zoveel vraag naar als naar notebookdisplays. Zo produceert Samsung als het om stand-alone-LCD’s gaat bijvoorbeeld liever 17-inch panels dan 18-inch apparaten. Het aantal (hier ligt het aantal beschadigde producten namelijk zo’n 25 procent hoger). Met 95 procent wordt bij 15-inch apparaten de beste yield behaald. Geen enkel displayformaat wordt op het moment zo snel in zulke grote aantallen geproduceerd, dat er een just-in-time-montage mogelijk is. Zelfs Samsung, naar eigen zeggen de grootste panelfabrikant ter wereld, produceert niet voldoende om de eigen behoefte te dekken en moet daarom diverse formaten inkopen ...

naar top

Innovatieve kijkhoeken

Terwijl buismonitoren spiegelen als je er van opzij naar kijkt, wordt bij een LCD de helderheid en het contrast minder zodra je er schuin op kijkt. Hiervoor zijn de schroefvormig gedraaide moleculen verantwoordelijk, die alleen op het ideale traject van de stralen het maximum aan licht op het beeldscherm brengen. Onder een schuine hoek functioneren ook de lichtventielen niet exact: kleuren worden vervalst en zwart en wit worden geïnverteerd weergegeven. Hitachi, Nokia en Samsung hebben inmiddels technieken gevonden om de kijkhoek te vergroten, zoals bijvoorbeeld ‘Wide Viewing Angle Technology’ en ‘Super TFT-technologie’ voor kijkhoeken tussen 120 en 160 graden. Deze worden verkregen door nieuwe straalgeleidingen in de display.

De goedkoopste, maar niet per se beste methode is de TN+film-methode, waarbij alleen een zogenaamde retarder-folie op het panel-oppervlak wordt geplakt om het uittreden van het licht te vertragen. Hierdoor kan de kijkhoek t.o.v. de standaard-TFT’s met zo’n 50 graden worden uitgebreid, terwijl de energiebehoefte van de panels ongeveer hetzelfde blijft.

Hitachi heeft de IPS-methode ontwikkeld: de vloeibare kristalmoleculen zijn niet meer schroefvormig gedraaid, maar roteren om de eigen as. Deze ‘spin’ zorgt voor een gelijkmatige verlichting van het display-oppervlak

Bij de door Hitachi, NEC en Nokia gebruikte In-Plane Switching (IPS)-techniek kunnen kijkhoeken tot 170 graden worden gerealiseerd. De moleculen oriënteren zich bij IPS met en zonder spanning steeds parallel t.o.v. het beeldschermvlak. Bovendien is de tot dusver gebruikelijke normally-white-modus van TFT’s veranderd in een normally-black-modus: zonder spanning blijft de pixel volledig donker, aangezien het bijbehorende lichtventiel dicht gaat. Het nadeel van de IPS-techniek is echter dat zonder de schroefvormige molecuulrangschikking er weer meer licht door verkeerde trilling verloren gaat, wat met sterker achtergrondlicht gecompenseerd moet worden. Alles bij elkaar verandert het contrast t.o.v. normale TFT’s nauwelijks.

naar top

MVA: goed compromis

Met Multi-domain Vertical Alignment (MVA) is Fujitsu er in geslaagd de kijkhoek te vergroten. De daardoor haalbare 160 graden zijn een goed compromis, bij een tegelijkertijd verbeterd contrast. Bovendien reageren de pixels sneller — goed voor applicaties en spellen waar het vooral op snelheid aankomt; TFT’s waren hiervoor tot dusver minder geschikt. MVA-displays werken net als IPS-panels in de normally-black-modus en zien eveneens af van de schroefvormige draaiing van de vloeibare kristallen. Helemaal zonder spanning wordt het licht bijna volledig afgeschermd, met als resultaat een zeer donker zwart en een hoge contrastverhouding van 300:1. Helaas wordt de MVA-techniek tot dusver slechts gebruikt bij grotere LCD’s, zoals bijvoorbeeld 15-inch stand-alone displays.

Samsung bewandelt op het moment een andere weg, die op een mix uit IPS en de op MVA lijkende methode Dual-Domain Vertical Alignment stoelt. Tot nu toe moeten notebookfabrikanten echter bij de meeste van deze methoden voor de vergroting van de kijkhoek aan de zijlijn toekijken: de verhoogde eisen van IPS en de Multi-domain-technieken aan de backlight gaan sterk ten koste van de batterijtijd. Om niet helemaal van een grotere kijkhoek te moeten afzien, wordt derhalve bij mobiele pc’s meestal met de methode TN plus film (TN+Film) gewerkt. Hiermee worden al hoeken van ongeveer 140 graden gerealiseerd.

naar top

Analoge of digitale videosignalen

LCDs werken met digitale videosignalen, monitoren met kathodestraalbuizen zijn daarentegen aangewezen op analoge signalen. Omdat de kathodestraalbuizen tot dusver nog als standaardbeeldscherm gelden, zetten gangbare grafische kaarten het digitale signaal naar analoog om. De displays zetten dan het analoge videosignaal voor eigen gebruik opnieuw in een digitaal signaal om. Als er daarentegen van speciale grafische kaarten of -chips voor LCD’s gebruik wordt gemaakt, wordt deze eigenlijk volkomen onzinnige stap overbodig. Het probleem is echter dat er tot dusver enerzijds een gestandaardiseerde interface ontbrak en er anderzijds maar erg weinig fabrikanten van grafische kaarten waren die digitale kaarten wilden produceren. Bovendien drongen ook de displayfabrikanten niet echt op een verandering van de status quo aan. En dat, terwijl de tweevoudige signaalomzetting met betrekking tot de beeldkwaliteit niet helemaal onproblematisch is: na de laatste modulatie moet het digitale signaal namelijk op de schakelfrequentie van de pixels worden afgestemd. Als deze afstemming mislukt, kunnen er zwarte strepen over het beeld lopen, of het beeldscherm blijft donker. Als je fabrikanten hierop aanspreekt, wordt graag naar de omvangrijke tests in de fabriek of naar een uitvoerige uitleg in de monitor-documentatie verwezen. Gebruikers zouden problemen op dit gebied bovendien goed zelf kunnen verhelpen als ze het handboek er op naslaan. Dit wekt bij ons de indruk dat menig aanbieder zijn klanten blijkbaar alleen weet te waarderen als ze nooit meer wat van zich laten horen — of alleen als ze een nieuw, beter functionerend apparaat nodig hebben. De vraag is alleen of die klanten dan niet liever naar de concurrentie gaan.

naar top

Interfacestandaard ontbreekt

Ook een gestandaardiseerde computer-interface voor digitale displays zou een oplossing kunnen zijn voor het bovengenoemd afstemmings-probleem. Zo’n standaard ontbreekt echter tot dusver. Voor de aansturing van notebook-LCD’s geldt echter sinds het begin van 1998 TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) als officieel protocol.

Voor stand-alone LCD’s wordt op het moment over drie interfacevarianten gesproken: DFP voor de aansturing van digitale displays, DVI voor de aansturing van display en analoog apparaat (komt overeen met TMDS) en P&D als duurste oplossing, die ook USB en de multimedia-interface Firewire ondersteunt. Bij mobiele displays is het allemaal relatief duidelijk: hoogwaardige notebooks bieden de mogelijkheid een tweede monitor, ook een CRT, aan te sluiten. Hiervoor is DVI raadzaam.

naar top

De displays van morgen

Panelfabrikanten en andere ondernemingen onderzoeken al jaren of het backlight bij displays niet helemaal weggelaten kan worden. Een innovatie werd het afgelopen voorjaar door Pioneer op de CeBIT gepresenteerd: de Organic-EL (OEL)-techniek is in principe op lichtgevend petroleum gebaseerd. De substantie tussen de glaspanelen in de displays is in hele kleine segmenten verdeeld. Elk segment heeft verschillende molecuulcombinaties voor verschillende helderheidswaardes en kleuren. Tot dusver worden de displays echter alleen in de combinaties groen/zwart, blauw/zwart, rood/zwart en geel/zwart geproduceerd. Hoewel de Organic-EL-techniek voorlopig uitsluitend aan Pioneer-autoradio’s blijft voorbehouden, denken de ontwikkelaars ook aan gebruik in mobiele apparaten.

De plasmatechniek, die vooral voor grote beeldschermen met 40 of zelfs 50 inch beelddiagonaal wordt ingezet, is inmiddels geen toekomstmuziek meer. Ook hiervoor is geen backlight nodig — door hele kleine explosies van xenongas (veroorzaakt door de twee elektroden op de glassubstraten) ontstaat in iedere pixel een lichtbron. De kleuren worden door rood, groen en blauw fosforlicht aan de achterkant van het beeldscherm tot stand gebracht. Plasmabeeldschermen bieden heel korte reactietijden en hele scherpe beelden. Grote kijkhoeken zijn een ander pluspunt, waardoor plasma vooral geschikt is voor presentaties voor een groot publiek.

naar top

Kijk uit voor pixelfouten!

Beschadigde transistors bij TFT’s zijn een steeds opnieuw ter discussie staande reclamatiereden. De zogenaamde pixelfouten zijn vooral lastig als beeldpunten hierdoor constant licht geven. Om het optreden van nieuwe fouten na aankoop, respectievelijk na het verlopen van de garantie te vermijden, moet je nooit op het display-oppervlak drukken.

Als apparaten al met foutieve pixels werden afgeleverd, zal de dealer je ervan op de hoogte brengen dat deze pas vanaf een bepaalde hoeveelheid reden zijn voor een reclamatie. Wordt die limiet overschreden, wil dat echter nog niet zeggen dat je altijd een ander apparaat krijgt. Er bestaan namelijk verschillende pixelfouten — en voor menig fabrikant is er pas sprake van een pixelfout als twee of drie kleuren van een beeldpunt beschadigd zijn. Als er daarentegen alleen een transistor achter de pixel uitvalt, geven aanbieders vaak niet thuis — zelfs als de pixel bijvoorbeeld constant groen licht geeft en daardoor bijzonder storend is. Het aantal pixelfouten dat als ‘normaal’ wordt beschouwd verschilt overigens per fabrikant. LG Electronics is nog het meest klantvriendelijk: er wordt vanaf vier uitgevallen transistors geruild — waar die zich ook op het panel mogen bevinden. Als er echter twee beschadigde transistors maximaal twee centimeter van elkaar af liggen, is ook dat al voldoende om te reclameren.

Vanaf oktober 1999 worden er TFT’s aangeboden met door de TÜV gecontroleerde panelkwaliteit: Nokia’s 18-inch 800Plus hoort tot de eerste kandidaten met certificaat.

naar top

Voor aankoop controleren

Volgens displayspecialisten van andere monitorfabrikanten moet de klant beschadigde transistors accepteren omdat het inherent is aan de constructie: dan had hij maar niet voor een TFT moeten kiezen. Daarom is het aan te raden om de display in de winkel te controleren op pixelfouten en er op toe te zien dat de dealer het apparaat inpakt dat je hebt gecontroleerd. Er is echter hulp in zicht: de TÜV Rheinland heeft in samenwerking met panelfabrikanten een ISO-richtlijn voor TFT’s ontwikkeld, analoog aan de beeldschermrichtlijn voor CRT’s.

Samsung en Nokia zouden wel eens de eersten kunnen zijn die een TFT-display volgens de nieuwe richtlijn laten controleren. Bij Samsung wordt het TÜV-label op de Syncmaster 520 TFT geplakt; bij Nokia is het de bedoeling dat de 18-inch apparaten 800 Pro en 800 ProPlus worden gecertificeerd.

naar top