LED-Fernseher

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LED-Fernseher sind Fernsehgeräte, bei denen Leuchtdioden (LEDs) entweder zur Hintergrundbeleuchtung oder zur Erzeugung des Bildes selbst eingesetzt werden.

Die folgende Begriffsklärung gilt auch für die meisten Computermonitore, welche zur Bilddarstellung sehr ähnliche Technik verwenden. Meist handelt es sich um LC-Displays (LCDs), deren Hintergrundbeleuchtung aus Leuchtdioden besteht (siehe LED-Hintergrundbeleuchtung). Dafür werden sowohl weiße, wie auch zu weiß mischbare farbige Leuchtdioden verwendet, die hinter der Flüssigkristallanzeige angeordnet sind. Der Begriff "LED-Fernseher" ist bei dieser Art von Anzeigetechnik irreführend, jedoch üblich. Korrekt müssten solche Geräte als "LED-hintergrundbeleuchtete LCD-Fernseher" bezeichnet werden.

Begriffsklärung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vergleichsschema LCD/LED

Bis etwa 2008 wurden im Wesentlichen nur drei unterschiedliche Techniken für den Gebrauch zuhause angeboten, nämlich Flüssigkristallbildschirme, Plasmabildschirme und Projektionsanzeigen. Weil Flüssigkristallanzeigen nur das Licht modulieren, d. h., wie Lichtventile arbeiten und selbst kein Licht abgeben, wird für Fernsehgeräte eine flächige Beleuchtung hinter der Flüssigkristallanzeige angebracht, um die Bildinformation im Durchlicht (Transmission) darzustellen. Im nebenstehenden vereinfachten Schema sind derartige Flüssigkristallbildschirme als Anzeigetypen A und B bezeichnet, wobei die Flüssigkristallanzeige 1 das Licht entsprechend dem darzustellenden Bild moduliert.[1]

Seit etwa 2009 werden im Handel LED-Fernseher (engl. LED TV) und LED-Monitore angepriesen (Schema Anzeigetyp B). Dabei handelte es sich bis 2013 noch in praktisch allen Fällen um die bisherigen Flüssigkristallanzeigen zur Bilderzeugung. Neu ist nur die Hintergrundbeleuchtung dieser LCD-Fernseher mittels Leuchtdioden (engl. LEDs; Schema: Teil 3, wobei ein nicht eingezeichneter Lichtverteiler für eine flächige Ausleuchtung sorgt).

Vergleich der Hintergrundbeleuchtungstechniken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bis etwa 2008 wurden bei LCD-Fernsehern praktisch ausschließlich Kaltkathodenröhren (Leuchtröhren) als Hintergrundbeleuchtung verwendet (Schema: Teil 2 in Kombination mit einem nicht eingezeichneten flächigen Lichtverteiler). Die Verwendung von LEDs (Schema: Teil 3) anstelle von Leuchtröhren wird in der Produktwerbung hervorgehoben, weil folgende Vorteile gegenüber der früheren Technik bestehen:[2]

  • kompaktere Bauweise mit geringerer Tiefe des Gerätes
  • geringerer Stromverbrauch bei niedrigeren elektrischen Spannungen
  • kürzere Schaltzeiten (siehe dynamische Leuchtdiodenansteuerung)
  • geringere Abnahme der Lichtintensität und Veränderung des Farbspektrums im Laufe der Nutzung
  • höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Einsatz von RGB-Kombinationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zusätzlich Vorteile ergeben sich bei speziellen Ausführungen der Leuchtdioden: Hier werden mehrere zusammengefügte Rot-Grün-Blau-Leuchtdiodenkombinationen hinter der Anzeigefläche verteilt angebracht (additive Farbmischung, full-array LED). Diese Art von Beleuchtung, abgestimmt auf die Farbfilter der Flüssigkristallanzeige, ergibt ein besseres Farbspektrum des Fernsehers, ist jedoch teurer als die Verwendung von Leuchtdioden entlang der Bildschirmperipherie (edge-lit).

Quantenpunkte für optimales Farbspektrum[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit Hilfe von Nanohalbleiterkristallen (Quantenpunkte, engl. quantum dots), als Schicht auf einer Glasplatte oder Folie aufgebracht und durch blaue, kurzwellige LEDs (z. B. aus GaN) von hinten bestrahlt, kann das Spektrum der Hintergrundbeleuchtung von LCDs auf eine bisher unerreichte Art optimiert werden (Fachausdruck erweiterter Farbraum). Diese Form von Fluoreszenz-Technik wird in verschiedenen Laboratorien weiterentwickelt.[3] Die US-Firma 3M als bedeutender Lieferant von Hintergrundbeleuchtungskomponenten für LCDs arbeitet mit Nanosys, Inc. an entsprechend beschichteten Folien.[4] Schon seit mehreren Jahren ist auch die britische Firma Nanoco Group PLC in der Weiterentwicklung von Quantenpunkten tätig und hat mit asiatischen Herstellern von Flüssigkristallanzeigen und OLEDs Zusammenarbeitsverträge abgeschlossen. Auch die US-Firma QD Vision arbeitet mit asiatischen Firmen zusammen, welche die Hintergrundbeleuchtung von LC-Anzeigen optimieren.[5]

Als erste Firma hat Sony 2013 unter der schon früher benutzten Bezeichnung Triluminos bestimmte hochwertige LCD-Fernseher mit einer derartig optimierten LED-Hintergrundbeleuchtung auf den Markt gebracht.[6] Dabei wird das Licht von blauen LEDs auf einer davor angebrachten Glasscheibe oder Folie durch unterschiedliche Quantum Dots in sehr reines, schmalbandiges Blau, Grün und Rot umgewandelt. Durch Kombination dieser drei Grundfarben entsteht eine optimale weiße Ausleuchtung der LC-Anzeige von hinten.[7] Seither haben auch die koreanischen Firmen Samsung Electronics, LG Electronics wie auch chinesische Fernsehgerätehersteller (TCL, Changhong, Hisense) LCD-Fernseher mit LED-Hintergrundbeleuchtung durch die entwickelte Quantenpunkte-Schicht verbessert und an der CES-Messe 2015 vorgestellt.[8][9][10] Diese Lösung ist kostengünstiger als die Verwendung von RGB-LED-Kombinationen mit je drei LEDs.

Dynamische Leuchtdiodenansteuerung abhängig vom Bildinhalt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bisherige Flüssigkristallbildschirme haben einen beschränkten Kontrast, weil die Darstellung eines schwarzen Bildpunktes (Pixel) wegen der immer noch etwas durchscheinenden Hintergrundbeleuchtung nicht vollständig dunkel war. Durch selektive Ansteuerung der verteilten Leuchtdioden je nach Bildinhalt können dunkle Teile durch die reduzierte lokale Beleuchtung (local dimming) dunkler gemacht und deshalb der Kontrast gesteigert werden. Die Anzahl der verteilt angebrachten Leuchtdioden (Schema B: Teil 3) ist viel kleiner als die Anzahl Pixel der Flüssigkristallanzeige. Deshalb lässt sich die erwähnte Kontraststeigerung nicht individuell für jeden Bildpunkt, sondern nur für eine größere Gruppe benachbarter Bildpunkte erzielen. Trotzdem kann mit dieser Technik der beste Kontrast aller LCD-Fernseher erreicht werden. Im Handel sind jedoch nur wenige Geräte mit dieser relativ teuren Hintergrundbeleuchtung als Kombination von Full-array LED mit Local Dimming erhältlich.

Echte LED-Anzeigen mit monolithischen Leuchtdioden[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anorganische, monolithisch hergestellte, einkristalline Leuchtdioden werden schon seit Anfang der 1970er Jahre als Anzeigeelemente verwendet.[11] Beispiele waren die PULSAR-Armbanduhren mit rot leuchtender Digitalanzeige und die ersten Taschenrechner. Viele Einzelheiten und Hinweise finden sich im Artikel Leuchtdiode. Einen Durchbruch brachte die Entwicklung von blauen LEDs, weil damit Kombinationen von LEDs zur Erzeugung von weißem Licht möglich wurden.[12].

Monolithische LEDs werden auf einkristallinen Halbleiterscheiben (Wafers) hergestellt. Diese durch Kristallzüchtung hergestellten runden Scheiben haben heute einen Durchmesser von bis zu 20 cm. Wenn alle übrigen Probleme gelöst wären, könnte man damit keine größeren monolithischen LED-Bildschirme herstellen. In der Praxis werden daraus einzelne LEDs durch Zertrennen der Scheibe und individuelle elektrische Kontaktierung gewonnen.

Großbildschirme im Freien (z. B. in Fußballstadien, Videowand) werden mit einer Vielzahl von individuellen Leuchtdioden realisiert.

Einen neuen Ansatz verfolgen sogenannte Mikro-LED-Anzeigen. Mikro-LED-Anordungen werden ebenfalls monolithisch im Batch-Verfahren auf einem geeigneten Substrat aus Saphir oder Silizium hergestellt. Das bevorzugte Material ist anorganisches, monokristallines Galliumnitrid (GaN), welches durch Epitaxie auf dem Substrat gebildet wird.[13] Im Gegensatz zur bisherigen Herstellung werden jedoch die Leuchtdioden anschließend nicht zertrennt, sondern als Anzeigematrix beibehalten. Die dazu notwendige neuartige Struktur mit vielfachen Herausforderungen wie Dotierung für unterschiedliche Farben, Kontaktierung als Matrixanordung, mechanische Stabilität bei Transfer vom Herstellsubstrat auf ein Anzeigesubstrat sind noch nicht derart gelöst, dass solche Anzeigen für kommerzielle Produkte eingesetzt werden können. Die Firma Apple Inc. sieht Potential in dieser neuen Technik und hat deshalb das Pionierunternehmen LuxVue Technology übernommen. [14][15]

Anzeigen mit organischen Leuchtdioden (OLEDs)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schon seit den 1950er Jahren wird Elektrolumineszenz in Schichten organischen Materials erforscht.[16] Inzwischen sind organische Halbleitermaterialien als OLED entwickelt worden, welche in Dünnschichttechnik als Anzeigeelemente geeignet sind. Im Schema ist diese Technik vereinfacht als Anzeigetyp C dargestellt. Die OLEDs 4 sind auf einem Substrat (oder zwischen zwei Substraten) in Dünnschichttechnik derart dicht aufgebracht, dass sie als einzelne Pixel zur Bilderzeugung dienen. Vorteile gegenüber Flüssigkristallanzeigen sind:

  • OLEDs strahlen selbst Licht ab, brauchen somit keine Hintergrundbeleuchtung und bieten hohen Kontrast.
  • insbesondere bei dunklen Bildern geringere Stromaufnahme
  • OLEDs können in verschiedenen Farben Licht abgeben, während bei LCDs dafür zusätzliche Farbfilter notwendig sind.
  • geringere Winkelabhängigkeit beim Betrachten
  • kürzere elektrooptische Ansprechzeiten.

Als wichtigster Nachteil galt die beschränkte Lebensdauer.[17] Weitere Nachteile sind die UV-Empfindlichkeit und die noch hohen Herstellungskosten.

Mit solchen Anzeigen werden viele kleine bis mittelgroße portable Geräte wie Digitalkameras, Smartphones (z. B. Samsung Galaxy S) wie auch erste Laptops ausgerüstet. Im Januar 2012 wurden auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas erste Prototypen von 55-Zoll-OLED-Fernsehern der Firmen LG Display und Samsung gezeigt.[18] OLED-Bildschirme sind bei großformatigen Fernsehern nun auch im europäischen Handel verfügbar. Häufig werden diese Displays unter dem Begriff AMOLED (engl. active matrix organic light emitting diode) zusammengefasst, was zwar inhaltlich korrekt ist, aber problematisch wurde, weil die Firma Samsung AMOLED als Marke beansprucht und ihre OLED-Produkte so vertreibt.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Patent US4096550: Illuminating Arrangement for a Field-Effect Liquid-Crystal Display as well as Fabrication and Application of the Illuminating Arrangement. Veröffentlicht am 20. Juni 1978, Erfinder: Boller W., Donati M., Fingerle J., Wild P..
  2. http://www.ledtele.co.uk/ledvslcd.html LED vs LCD TV Comparison
  3. http://www.nanosysinc.com/what-we-do/display-backlighting/qdef-how-does-it-work/
  4. P. Patel: Quantum dots are behind new displays. In: IEEE Spectrum. Band 49, Nr. 8, 2012, S. 14–17, doi:10.1109/MSPEC.2012.6247547.
  5. Firma QD Vision mit "Color IQ"
  6. http://www.chip.de/news/Sony-Triluminos-Neue-LCDs-mit-tollen-Farben_62166711.html
  7. http://www.heise.de/ct/artikel/Puenktchen-fuer-Puenktchen-1862861.html
  8. [1] Tekla Perry: CES 2015 - Placing the Bets on New TV Technologies. In: IEEE Spectrum online, 7. Januar 2015.
  9. Wolfgang Tunze: Farbfernsehen neu erfunden. In: NZZ am Sonntag, 11. Januar 2015, S. 62
  10. Stefan Betschon: Kampf der Quantenpunkte. Nanotechnologie revolutioniert LCD-Bildschirme. In: Neue Zürcher Zeitung, 15. Januar 2015, S. 54
  11. Nick Holonyak, S. F. Bevacqua: Coherent (visible) light emission from Ga(As1-xPx) junctions. In: Applied Physics Letters. Band 1, Nr. 4, 1962, S. 82, doi:10.1063/1.1753706.
  12. Shuji Nakamura, Gerhard Fasol, Stephen J. Pearton: The Blue Laser Diode: The Complete Story. 2nd edition, Springer, 2000, ISBN 3-540-66505-6.
  13. Andreas Bibl et al: Light emitting diode structure. US-Patent 8552436, veröffentlicht 8. Oktober 2013
  14. David Murphy: Apple Acquires Micro-LED Display Maker LuxVue Technology. In: PC Mag. 3. Mai 2014.
  15. Alvaro Campos: Why Did Apple Inc Buy This Micro-LED Tech Startup?. 13. Mai 2014.
  16. A. Bernanose, M. Comte, P. Vouaux: A new method of emission of light by certain organic compounds. In: Journal of Chemical Physics. Band 50, 1953, S. 64–68.
  17. http://www.hdtvinfo.eu/news/hdtv-articles/oled-tv-estimated-lifespan-shorter-then-expected.html
  18. CES 2012: Samsung kontert LGs 55-Zoll-OLED mit eigenem 55-Zoll-Fernseher