4 gängige LCD-Anzeigemodi: TN, IPS, VA, FFS

Die LCD-Technologie basiert auf dem Doppelbrechungseffekt von Flüssigkristallmolekülen. Abhängig vom Molekülbewegungszustand werden LCDs in vier Hauptmodi eingeteilt:

• TN (Twist Nematic)
• IPS (In-Plane-Switching)
• VA (vertikale Ausrichtung)
• FFS (Fringe Field Switching)

Kennen Sie die Darstellungsprinzipien und wichtigsten Merkmale? Doitvision wird Sie in diesen Details beraten.

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4 gängige LCD-Anzeigemodi:

TN-Modus (Twist Nematic)

Der TN-Modus, in der Branche allgemein als „Soft Screen“ bekannt, stellt einen frühen und technologisch ausgereiften Paneltyp in LCD-Produkten dar.

Anzeigeprinzip:

Keine angelegte Spannung: Das natürliche Licht der Hintergrundbeleuchtung durchdringt den unteren Polarisator und wird linear polarisiert. Dieses Licht tritt in die Flüssigkristallzelle ein. Durch die Ausrichtungsschichten (PI) auf den Innenflächen der oberen und unteren Glassubstrate werden die Flüssigkristallmoleküle um 90 Grad von unten nach oben gedreht.

Während sich das polarisierte Licht durch die Zelle bewegt, dreht sich seine Polarisationsrichtung synchron mit den Molekülen. Wenn dieses polarisierte Licht den oberen Polarisator erreicht, hat sich seine Richtung um 90 Grad gedreht und verläuft parallel zur optischen Achse des oberen Polarisators. Folglich wird das Licht durchgelassen, und das LCD erscheint hell (Ein-Zustand).

Angelegte Spannung (vertikales elektrisches Feld): Die Wechselwirkung zwischen der dielektrischen Anisotropie der Flüssigkristalle und dem angelegten elektrischen Feld stört die verdrillte Struktur. Die Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle richten sich parallel zur Feldrichtung aus. Die Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts dreht sich nicht mehr. Trifft dieses Licht auf den oberen Polarisator, steht seine Polarisationsrichtung senkrecht zur optischen Achse des Polarisators, wodurch die Lichtdurchlässigkeit verhindert wird. Folglich erscheint das LCD dunkel.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass TN-Panels hell (EIN) sind, wenn keine Spannung anliegt, und dunkel (AUS), wenn Spannung anliegt. Da das Display ohne Spannung normalerweise hell ist, spricht man vom Normally White (NW)-Modus.

Betrachtungswinkelbeschränkung:

Der TN-Modus basiert auf einem vertikalen elektrischen Feld, das die Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle vertikal kippen lässt. Dadurch entstehen bei Betrachtung aus verschiedenen Blickwinkeln erhebliche Unterschiede in der optischen Weglänge. Folglich variiert die Anzeige je nach Betrachtungsposition stark, wobei das genaueste Bild nur frontal zu sehen ist. Obwohl Blickwinkelkompensationsfolien dieses Problem teilweise abmildern können, haben TN-Panels immer eine optimale Betrachtungsrichtung, typischerweise die 6-Uhr- oder 12-Uhr-Position.

Vorteile :

• Schnelle Reaktionszeit: TN-Panels verwenden typischerweise eine 6-Bit-Farbtiefe, was zu weniger Graustufen führt. In Kombination mit der relativ einfachen Molekülbewegung ermöglicht dies schnellere Pixelreaktionszeiten.
• Niedrigere Kosten: Der Herstellungsprozess ist relativ einfach, ausgereift und kostengünstig. Daher eignet sich TN für Anwendungen, bei denen die Kosten Vorrang vor der ultimativen Bildqualität haben.
• Niedriger Stromverbrauch: Bei gleicher Helligkeit verbrauchen TN-Panels im Allgemeinen weniger Strom. Daher eignen sie sich für Geräte, die eine lange Akkulaufzeit erfordern.

Nachteile :

• Eingeschränkte Betrachtungswinkel: TN-Panels leiden unter engen Betrachtungswinkeln, insbesondere in vertikaler Richtung. Farbverschiebungen, Kontrastverlust, Helligkeitsschwankungen und Bildverzerrungen treten häufig bei seitlicher Betrachtung auf.
• Schlechtere Farbwiedergabe: Standard-TN-Panels verwenden typischerweise eine 6-Bit-Schnittstelle pro RGB-Subpixel und ermöglichen nur 64 Schattierungen pro Farbe (2^6). Dies begrenzt die Gesamtzahl der darstellbaren Farben auf 262,144 (64 x 64 x 64). Dies führt zu weniger lebendigen, ungenaueren Farben und einer geringeren Farbtiefe im Vergleich zu Panels mit höherer Bittiefe.
• Geringeres Kontrastverhältnis: Typische Kontrastverhältnisse liegen bei etwa 800:1. Dadurch erscheinen Schwarztöne weniger tief und Weißtöne weniger hell, was die Gesamtbildtiefe, den Detailreichtum und die wahrgenommene Bildqualität verringert.

Marktposition:

Aufgrund dieser erheblichen Einschränkungen, insbesondere der schlechten Betrachtungswinkel und der schlechten Farbwiedergabe, können TN-Panels die Ansprüche der Verbraucher nach hochwertigen Displays kaum erfüllen. Ihr Marktanteil ist deutlich zurückgegangen. Sie sind heute vor allem in Low-End-Produkten zu finden und laufen Gefahr, zu veralten.

IPS-Modus (In-Plane Switching)

Der IPS-Modus ist in der Branche allgemein als „Hard Panel“ bekannt. Er stellt eine fortschrittliche Flüssigkristallanzeigetechnologie dar. Ursprünglich Anfang der 2000er Jahre von Hitachi entwickelt, wurde sie später von Unternehmen wie LG weiterentwickelt und verbessert. Die IPS-Technologie erfreut sich aufgrund ihrer überlegenen Anzeigeleistung und ihres breiten Anwendungsspektrums großer Beliebtheit und hat sich heute als eine der gängigsten Anzeigetechnologien etabliert.

Anzeigeprinzip:

Keine angelegte Spannung: Das natürliche Licht der Hintergrundbeleuchtung durchdringt den unteren Polarisator und wird linear polarisiert. Die Polarisationsrichtung des Lichts ist dabei entlang der Polarisatorachse ausgerichtet. Ohne angelegte Spannung verbleiben die Flüssigkristallmoleküle in ihrem Ausgangszustand und drehen die Polarisationsebene des Lichts nicht. Trifft dieses polarisierte Licht auf den oberen Polarisator, ist seine Polarisationsrichtung senkrecht zur optischen Achse des oberen Polarisators. Der obere Polarisator blockiert das Licht, wodurch das LCD dunkel erscheint (Aus-Zustand).

Angelegte Spannung: Durch Anlegen einer Spannung entsteht ein horizontales (in der Ebene liegendes) elektrisches Feld. Dieses Feld bewirkt, dass sich die Flüssigkristallmoleküle parallel zum Glassubstrat drehen. Diese Drehung ändert die Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts um 90 Grad.

Das gedrehte Licht richtet sich nun parallel zur optischen Achse des oberen Polarisators aus und kann durchgelassen werden. Folglich erscheint das LCD hell (Ein-Zustand). Durch die präzise Steuerung der angelegten Spannung passen IPS-Panels den Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle an und regulieren so die durchgelassene Lichtmenge, um unterschiedliche Graustufen und Farben zu erzielen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IPS-Panels dunkel (AUS) sind, wenn keine Spannung anliegt, und hell (AN), wenn Spannung anliegt. Da das Display ohne Spannung normalerweise dunkel ist, spricht man vom Normally Black (NB)-Modus.

Betrachtungswinkelleistung:

Der IPS-Modus nutzt ein horizontales elektrisches Feld, wodurch die Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle innerhalb der Substratebene rotieren. Dieses Design führt zu minimalen Unterschieden in der optischen Weglänge (Retardation) bei Betrachtung aus verschiedenen Winkeln. Folglich weisen IPS-Panels bei weiten Betrachtungswinkeln praktisch keine signifikanten Unterschiede in Bildqualität oder Farbe auf.

Vorteile:

• Außergewöhnliche Betrachtungswinkel: IPS-Panels sorgen bei weiten Betrachtungswinkeln sowohl horizontal als auch vertikal für klare Bilder und eine genaue Farbwiedergabe.
• Hohe Farbgenauigkeit und -tiefe: Standard-IPS-Panels verfügen typischerweise über eine 8-Bit-Farbtiefe pro RGB-Subpixel, was 256 Schattierungen pro Farbe (2^8) ermöglicht. Dies ermöglicht die Darstellung von bis zu 16.77 Millionen Farben (256 x 256 x 256) und ermöglicht eine feinere Steuerung von Farb- und Helligkeitsverläufen. Dies ermöglicht eine sattere, nuanciertere Farbwiedergabe und sanftere Übergänge zwischen hellen und dunklen Bereichen.
• Haltbarkeit und Langlebigkeit: IPS-Panels bieten im Allgemeinen eine höhere Haltbarkeit als OLED-Bildschirme. Sie sind weniger anfällig für dauerhaftes Einbrennen und stellen weniger hohe Anforderungen an die Handhabung. Kleinere physische Schäden an einem LCD-Bildschirm beeinträchtigen die Funktion oft nicht, während Schäden an einem OLED-Panel, die das Eindringen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff ermöglichen, dieses in der Regel unbrauchbar machen.

Vorteile :

• Geringeres natives Kontrastverhältnis: Im Vergleich zu VA-Panels weisen IPS-Panels im Allgemeinen ein geringeres statisches Kontrastverhältnis auf, typischerweise um die 1500:1.
• Hintergrundbeleuchtungsblutung (IPS Glow): Bei der Anzeige dunkler oder schwarzer Inhalte kann es zu Lichtverlust kommen, der oft als Leuchten sichtbar ist. Dies beeinträchtigt die Reinheit der Schwarzwerte und wirkt sich negativ auf den wahrgenommenen Kontrast und die allgemeine Bildtreue in dunklen Szenen aus.
• Höhere Kosten: Aufgrund komplexerer Herstellungsprozesse erzielen IPS-Panels normalerweise höhere Preise als TN-Panels.

VA-Modus (Vertikale Ausrichtung)

Der VA-Modus erreicht grundsätzlich höhere Kontrastverhältnisse als TN- und IPS-Anzeigemodi. Dieser Vorteil ergibt sich aus der VA-Panelstruktur, die keine Ausrichtungsschicht benötigt. Dadurch wird ein außergewöhnlich hoher Kontrast erzielt. Im statischen Zustand sind die Flüssigkristallmoleküle des VA-Panels vertikal ausgerichtet, während die Moleküle des IPS-Panels eine Vorneigung entlang der Ausrichtungsrichtung der PI-Schicht aufweisen.

VA-Panels stellen eine weitere wichtige Mainstream-Displaytechnologie dar. Sie werden hauptsächlich in Großbildfernsehern und gebogenen Bildschirmen eingesetzt. Die VA-Kategorie kann weiter in Typen wie MVA, PVA, PSVA und UV2A unterteilt werden.

Anzeigeprinzip:

Keine angelegte Spannung: Ohne angelegte Spannung richten sich die Flüssigkristallmoleküle vertikal aus. Das natürliche Licht der Hintergrundbeleuchtung durchdringt den unteren Polarisator und wird linear polarisiert. Aufgrund der vertikalen Molekülausrichtung bleibt die Polarisationsrichtung dieses Lichts unverändert. Beim Auftreffen auf den oberen Polarisator steht seine Polarisationsrichtung senkrecht zur optischen Achse des Polarisators, wodurch die Lichtdurchlässigkeit blockiert wird. Folglich erscheint das LCD dunkel (Aus-Zustand).

Angelegte Spannung: Durch Anlegen einer Spannung wird ein vertikales elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld bewirkt, dass sich die Flüssigkristallmoleküle von ihrer vertikalen Ausrichtung weg neigen und sich horizontal relativ zum Substrat ausrichten. Diese Molekülneigung dreht die Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts um 90 Grad.

Das gedrehte Licht richtet sich nun parallel zur optischen Achse des oberen Polarisators aus und kann durchgelassen werden. Folglich erscheint das LCD hell (Ein-Zustand). Ähnlich wie bei IPS steuern VA-Panels den Drehwinkel der Flüssigkristallmoleküle durch Variation der angelegten Spannung. Dadurch können verschiedene Graustufen und Farben angezeigt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass VA-Panels dunkel (AUS) sind, wenn keine Spannung anliegt, und hell (AN), wenn Spannung anliegt. Da das Display ohne Spannung normalerweise dunkel ist, spricht man vom Normally Black (NB)-Modus.

Betrachtungswinkelleistung:

Wie TN-Panels nutzt auch der VA-Modus ein vertikales elektrisches Feld, wodurch die Längsachsen der Flüssigkristallmoleküle vertikal geneigt werden. VA-Panels verfügen jedoch typischerweise über eine Dual-Domain-Struktur, die optische Wegunterschiede bei verschiedenen Betrachtungswinkeln kompensiert. Dieses Design reduziert Abweichungen in Bildqualität und Farbe bei Betrachtung aus verschiedenen Richtungen im Vergleich zu einfachen TN-Panels deutlich.

Vorteile:

• Hohes Kontrastverhältnis: VA-Panels erreichen typischerweise statische Kontrastverhältnisse von 3000:1 oder höher. Dies führt zu tieferen Schwarztönen und helleren Weißtönen. Dadurch können Bildtiefe, Dimensionalität und Detailwiedergabe sowohl in dunklen als auch in hellen Szenen verbessert werden.
• Große Betrachtungswinkel: Während die Betrachtungswinkel im Allgemeinen etwas enger sind als bei IPS-Panels, bietet die VA-Technologie dennoch deutlich breitere und stabilere Betrachtungswinkel als TN-Panels.
• Gute Farbwiedergabe: Wie Standard-IPS-Panels verfügen VA-Panels typischerweise über eine 8-Bit-Farbtiefe pro RGB-Subpixel (256 Schattierungen pro Farbe). Dies ermöglicht die Darstellung von ca. 16.77 Millionen Farben. Sie erhalten also eine satte und relativ präzise Farbdarstellung.

Vorteile:

• Langsamere Reaktionszeiten: Im Vergleich zu TN-Panels und einigen schnell reagierenden IPS-Panels weisen VA-Panels im Allgemeinen langsamere Pixelreaktionszeiten auf, insbesondere bei Grau-zu-Grau-Übergängen. Dies kann bei schnell bewegten Inhalten zu Bewegungsunschärfe oder Geisterbildern führen.
• Höherer Stromverbrauch: VA-Panels erfordern häufig höhere Antriebsspannungen, um die erforderliche Molekülneigung zu erreichen, was im Vergleich zu TN- und einigen IPS-Varianten zu einem relativ höheren Stromverbrauch während des Betriebs führt.
• Mögliche Einheitlichkeitsprobleme: Das Erreichen einer perfekten Bildschirmgleichmäßigkeit kann bei VA-Panels eine Herausforderung sein. Es können Probleme wie Farbverschiebungen auftreten. Diese sind im Vergleich zu anderen Technologien, insbesondere außerhalb der Achse, deutlicher sichtbar.

FFS-Modus (Fringe Field Switching)

FFS ist eine patentierte Technologie des südkoreanischen Unternehmens Hydis. Sie entwickelte sich als Weiterentwicklung der IPS-Weitwinkeltechnologie. Der FFS-Modus erzeugt ein elektrisches Randfeld zwischen Pixelelektroden auf derselben Ebene. Dieses Feld ermöglicht es Flüssigkristallmolekülen, die sich sowohl zwischen als auch direkt über den Elektroden befinden, in einer Ebene parallel zum Substrat zu rotieren. Dieser Mechanismus verbessert die Helligkeit des Panels und die Bildqualität deutlich.

Die FFS-Technologie überwindet die inhärente geringe Transmissionseffizienz herkömmlicher IPS-Systeme. Sie erreicht eine hohe Transmission bei gleichzeitig großem Betrachtungswinkel und vermeidet gleichzeitig den bei manchen IPS-Implementierungen üblichen Mura-Effekt. Dadurch werden realistischere Bilder und eine nahezu originalgetreue Farbwiedergabe erzielt. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert, wie bei IPS, auf einem horizontalen elektrischen Feld.

Hauptunterschied zu IPS:

Bei herkömmlichen IPS rotieren durch Anlegen einer Spannung vor allem die Flüssigkristallmoleküle zwischen den Elektroden. Im FFS-Modus rotieren durch Anlegen einer Spannung die Flüssigkristallmoleküle sowohl zwischen den Elektroden als auch direkt über den Elektroden aufgrund des erzeugten Streufelds.

Vorteile:

• Hohes Transmissions-/Blendenverhältnis: FFS nutzt transparente Elektroden und maximiert so das Pixel-Blendenverhältnis. Dies erhöht die Panel-Transmission im Vergleich zu Standard-IPS deutlich.
• Große Betrachtungswinkel: Durch die Optimierung des elektrischen Randfelds wird die stabile Betrachtungswinkelleistung über Standard-IPS hinaus erweitert.
• Geringerer Stromverbrauch: Die höhere Lichtdurchlässigkeit führt direkt dazu, dass eine geringere Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung erforderlich ist, um die gleiche Bildschirmleuchtdichte zu erreichen, wodurch der Gesamtstromverbrauch reduziert wird.

Vorteile:

• Höhere Produktionskosten: Die FFS-Herstellung umfasst relativ komplexe Prozesse, die hochpräzise Geräte und eine strenge Prozesskontrolle erfordern. Daher sind die Produktionskosten im Vergleich zu einfachen IPS- oder TN-Verfahren höher.
• Kompromiss bei der Reaktionszeit: FFS-Panels zeichnen sich zwar durch hervorragende Lichtdurchlässigkeit und Blickwinkel aus, weisen aber manchmal etwas langsamere Reaktionszeiten auf als optimierte TN- oder einige fortschrittliche IPS-Varianten. Dies kann die Klarheit schneller Bilder beeinträchtigen und möglicherweise zu leichter Bewegungsunschärfe führen.

Zusammenfassender Vergleich der Modi TN, IPS, VA und FFS:

Funktion	TN-Modus	IPS-Modus	VA-Modus	FFS-Modus
Betrachtungswinkel	Sehr schmal	Ausgezeichnet (am breitesten)	Sehr gut (breit)	Ausgezeichnet (Sehr breit)
Kontrastverhältnis	Niedrig (~800:1)	Mäßig (~1000-1500:1)	Hoch (3000:1+)	Gut (ähnlich wie IPS)
Farbtiefe	Typischerweise 6 Bit (262 KB)	Typischerweise 8 Bit (16.7 M)	Typischerweise 8 Bit (16.7 M)	Typischerweise 8 Bit (16.7 M)
Reaktionszeit	Schnellste	Gut (schnelle IPS-Varianten)	Am langsamsten (insbesondere GtG)	Mäßig (Kann langsamer sein)
Black Level	Schlecht (Gräulich)	Gut (etwas IPS-Leuchten)	Ausgezeichnet (am tiefsten)	Gut
Durchlässigkeits	Gut	Moderat	Moderat	Hoch (am besten)
Energieverbrauch	Unterste	Moderat	Höher	Niedrig (aufgrund hoher Durchlässigkeit)
Kosten	Unterste	Mittel bis hoch	Moderat	Höher
Common-Gebrauch	Low-End-Monitore, Budget	Mittelhohe Monitore, Tablets,	Fernseher, Curved Monitore	High-End-Smartphones, Tablets
	Laptops, ältere Panels	Smartphones, professionelle		Premium-Monitore
Schlüssel-Stärke	Geschwindigkeit, Kosten	Betrachtungswinkel, Farbanpassung	Kontrast, tiefes Schwarz	Transmission, Betrachtungswinkel
Hauptschwäche	Betrachtungswinkel, Farbe	Kontrast, IPS Glow, Kosten	Reaktionszeit, Gleichmäßigkeit	Kosten, Reaktionszeit
Normalerweise	Weiß (NW)	Schwarz (NB)	Schwarz (NB)	Schwarz (NB)
Elektrisches Feld	Vertikale	Horizontale	Vertikale	Fransen (horizontal abgeleitet)

Fazit:

Als professioneller Hersteller von LED-Bildschirmen produzieren wir nicht nur hochwertige LED-Displays, sondern verfügen auch über umfassendes Know-how im Bereich LCD-Displays. Wenn Sie ein Projekt für eine LCD-Wand planen, kontaktieren Sie uns gerne, um die optimale Lösung zu finden.