Bildschirmtechnik
Autor:
Josef Webel
Wenn von der Bildschirmtechnik gesprochen wird, dann ist heute fast ausschließlich der flache Bildschirm gemeint, der ein Ergebnis des Zusammentreffens und des Zusammen-wirkens von Mikroelektronik und Flüssigkristalltechnik darstellt. Die keineswegs geradlinige Entwicklung der LCD-Technologie vollzog sich zwischen 1960 und 2000, zunächst in den USA, dann auch in Europa und in Asien. Hauptprobleme stellten die Synthetisierung geeigneter Flüssigkristallmischungen, die Optimierung der Flüssigkristallzellen sowie die zuverlässige Ansteuerung der einzelnen Bildpunkte dar. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts war der flache Bildschirm technologisch weitgehend ausgereift und konnte dank der kostengünstigen großtechnischen Fertigungsverfahren die bis dahin dominierende Kathodenstrahlröhre in kurzer Zeit ablösen. Die nachfolgende Chronologie gibt die wichtigsten Schritte wieder, basierend auf der unten zitierten Literatur.
Chronik:
1888 Entdeckung der flüssigkristallinen Eigenschaften von Cholesterylbenzoat durch den österreichischen Botaniker Friedrich Reinitzer an der Deutschen Universität in Prag 1889 Der deutsche Physiker Otto Lehmann beschreibt an der Universität Karlsruhe die physikalischen Eigenschaften dieser Kristalle und definiert sie als neuen Aggregatzustand in seiner Veröffentlichung „Über fließende Kristalle“ 1918 Erste Beobachtung elektrooptischer Effekte an Flüssigkristallen (p-Azoxyanizol) durch den schwedischen Physiker Yngve Björnstahl 1935 Erneute Beobachtung elektrooptischer Effekte an Flüssigkristallen durch den russischen Physiker Wiktor Zvetkoff unabhängig von Yngve Björnstahl 1936 Erstes Patent durch Barnett und Nyman Levin bei Marconi in Großbritannien für Lichtventile mit nematischen Flüssigkristallen und Perspektive für das Fernsehen 1960 Richard Williams weist bei RCA in den USA nach, dass eine transparente und lichtdurchlässige Flüssigkristallsubstanz bei Anlegen eines elektrischen Stromes opak wird und Licht streut 1962 Paul Weimer entwickelt bei RCA in den USA den ersten TFT 1962 Richard Williams „entdeckt“ bei RCA in USA die elektrooptischen Effekte der Flüssigkristalle, nennt diesen Effekt DSM und beantragt Patentierung eines darauf aufbauenden elektrooptischen Displays 1966 Erstes LCD unter Anwendung von DSM durch George Heilmeier, Louis Zanoni und Lucian Barton bei RCA in den USA. Wegen der strategischen Bedeutung wird diese Entwicklung erst 1968 veröffentlicht. 1966 Joel Goldmacher, Joseph Castellano und Lucian Barton entwickeln bei RCA in den USA die ersten bei Raumtemperatur stabilen Mischungen von nematischen Flüssigkristallen. Veröffentlichung der Ergebnisse erst nach 1968 1967 T. Peter Brody und Derrick Page experimentieren bei Westinghouse in den USA mit Te-Schichten für TFT 1968 T. Peter Brody und Derrick Page entwickeln bei Westinghouse in den USA eine AM-Anzeige mit ferroelektrischen Schaltelementen 1968 Bernard Lechner, Frank Marlowe, Edward Nuts und Juri Tults bauen bei RCA in den USA den ersten LCD mit TV-Frequenzraten unter Verwendung von außen am Bildschirm angebrachten MOS-Transistoren 1968 RCA stellt in New York der Öffentlichkeit erstes LCD auf Basis DSM mit Außen-ansteuerung der Bildpunkte mittels diskreter Transistoren vor. Die Präsentation löst einen weltweiten Impuls zur weiteren Entwicklung von LCDs aus 1969 Hans Kelker und Bruno Scheurle synthetisieren bei den Farbwerken Höchst den ersten bei Raumtemperatur stabilen nematischen Flüssigkristall (MBBA) 1971 T. Peter Brody entwickelt bei Westinghouse in den USA ein AMLCD für die US Air Force 1971 Wolfgang Helfrich und Martin Schadt entwickeln bei Hoffmann-La Roche in der Schweiz die TN-Technologie für LCDs 1972 George Gray, John Nash und Kenneth Harrison synthetisieren an der Universität Hull in GB Flüssigkristallmischungen auf Basis Cyanobiphenyl. Diese Flüssigkristalle zeichnen sich durch bessere Stabilität und bessere elektrooptische Eigenschaften gegenüber den bis dahin verwendeten Schiff‘schen Basen aus; erst diese neuen Flüssigkristalle ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung von LCDs 1972 Wolfgang Helfrich und Martin Schadt und entwickeln bei Hoffmann-La Roche in der Schweiz den ersten funktionsfähigen TN-LCD 1973 T. Peter Brody et al. bauen bei Westinghouse in den USA den ersten AMLCD unter Verwendung von TFT aus CdSe 1977 Hitachi in Japan präsentiert den ersten Fernsehempfänger mit TN-LCD. Der monochrome Fernsehempfänger hat eine Diagonale von 6“ und besteht aus 82 x 109 Pixeln 1977 Rudolf Eidenschink, Ludwig Pohl, Joachim Krause und Dietrich Erdmann entwickeln bei Merck in Darmstadt Flüssigkristallmischungen aus Cyanophenyl-Cyclohexanen mit verbesserten Eigenschaften für LCDs 1978 Matsushita in Japan baut einen der ersten monochromen AM LCD-Fernsehempfänger. Das DSM-Display mit 240 x 240 Pixeln ist auf einem Si-Wafer aufgebaut und wird von MOS-Treibern angesteuert 1978 Gerald Garies entwickelt bei Fairchild in den USA als einer der Ersten einen photolithograpischen Prozess auf 14“-Platten, um gleichzeitig eine große Anzahl von LCD auf einem einzelnen Substrat herzustellen 1978 Ernst Lüder stellt an der Universität Stuttgart Prototypen von CdSe-TFT her unter Verwendung von Photolithograpie und Ätztechnik anstelle Schattenmasken und Aufdampfen im Vakuum, Veröffentlichung 1979 1979 Walter Spear und Peter LeComber weisen an der Universität Dundee/Schottland nach, dass TFT aus hydrogenisiertem amorphen Silizium (a-Si: H) herstellbar sind und damit AM LCDs realisiert werden können 1982 Seiko Epson in Japan entwickelt den ersten tragbaren LCD-Computer mit 4 Zeilen x 40 Zeichen/Zeile und einer passiven Anzeige 1983 Suwa Seikosha in Japan präsentiert den Prototyp des ersten farbigen 2“-AMLCD. Das Display ist AM-gesteuert und weist 240 x 240 Pixel auf 1983 Sanyo in Japan präsentiert den ersten farbigen 3“-AMLCD- Fernsehempfänger mit TFT aus a-Si:H 1983 Kyocera in Japan produziert den ersten tragbaren LCD-Computer mit 8 Zeilen x 40 Zeichen/Zeile und einer passiven Anzeige 1984 Terry Scheffer und Jürgen Nehring entwickeln bei BBC in der Schweiz die STN-Technologie für LCDs mit höherem Kontrast und der Möglichkeit mehr Zeilen als mit TN per Multiplex anzusteuern. STN ebnet den Weg zu hochauflösenden LCDs bei tragbaren Computern 1984 Samsung in Korea beginnt seine LCD-Entwicklung 1984 Seiko in Japan präsentiert das ersten kommerzielle mehrfarbige LCD-Modul, angesteuert mit einer passiven Matrix aus 720 x 64 Pixeln 1985 BBC in der Schweiz präsentiert den Prototyp eines STN-LCD mit einer Diagonale von 10.7“ und 540 x 270 Pixel 1986 Matsushita in Japan produziert einen 3“-TFT-LCD-Farbfernsehempfänger unter Verwendung von a-Si:H. 1986 Sharp in Japan startet Großproduktion von STN-LCDs für Notebooks 1987 Hitachi in Japan stellt ersten farbigen 5“-AMLCD-Fernsehempfänger vor, gesteuert mit a-Si:H-TFT 1987 GE in den USA baut erstes 8“-AMLCD mit mehr als 260.000 Pixeln und mehr als eine Million a-Si:H-TFT 1988 Sharp in Japan baut den ersten pixelfehlerfreien 14“-AM LCD mit 642 x 480 Pixeln sowie 1.2 Millionen TFT 1988 IBM in den USA und Toshiba in Japan entwickeln gemeinsam den bis dahin größten farbigen Computermonitor mit 14.3“ Diagonale, 770 x 550 Pixeln sowie 1.5 Millionen a-Si:H-TFT 1989 NEC in Japan baut das LCD-„Ultralite“-Notebook. Es hat einen 14“-Bildschirm und ist dünner und leichter als bisherige tragbare Computer 1989 Toshiba, Sharp und Mitsubishi in Japan stellen erste tragbare Computer mit farbigen STN-LCDs her 1992 Günter Baur et. al. entwickeln am Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg die IPS-Technologie für LCDs zur Vergrößerung des Betrachtungswinkels. IPS ist fernsehtauglich 1992 IBM in den USA präsentiert das ThinkPad 700C, das erste Notebook mit einem farbigen TFT-AMLCD-Bildschirm 1993 Xerox in den USA entwickelt das erste monochrome TFT-AMLCD mit 6.3 Millionen Pixeln und das erste farbige TFT-LCD mit mehr als 1.6 Millionen Pixeln. Beide LCDs haben eine Diagonale von 13“ 1994 Joachim Glück entwickelt an der Universität Stuttgart einen Herstellungsprozess, mit dem sich TFT mit vier statt bisher 6-9 Strukturierungsschritten realisieren lassen. Dieser „Vier-Masken-Prozess“ ermöglicht es, die Herstellkosten von LCDs wesentlich zu senken 1995 Hitachi in Japan baut das erste 13.3“-Farb-TFT-AMLCD mit der IPS-Technologie 1995 Sharp in Japan baut den ersten Prototyp eines 28“- Farb-TFT-AMLCD durch übergangslose Verbindung zweier 21“-Paneele 1996 Samsung in Korea entwickelt den ersten 22“- Farb-TFT-AMLCD, hergestellt aus einem einzigen Substrat 1996 Sharp in Japan kündigt Herstellung des ersten 29“-Farb-TFT-AMLCD aus einem einzigen Substrat sowie eines 40“-Farb-TFT-AMLCD durch übergangslose Verbindung von zwei 29“-Paneelen an 1997 Samsung in Korea baut den ersten 30“-Farb-TFT-AMLCD für Fernsehempfang 1998 VA-Technologie für LCD zur Verringerung von Verzerrungen und Farbunterscheiden wird eingeführt. Diese Technologie basiert auf einer Idee von Kurt Schieckel und Manfred Fahrenschon bei AEG in Ulm aus dem Jahr 1971, die seinerzeit technologisch nicht realisierbar war. VA ist fernsehtauglich 1998 IBM in den USA baut den ersten hochauflösenden Farb-TFT-AMLCD. Der 13.6“-Bildschirm hat eine Auflösung von 200 Pixel/Inch, 5.2 Millionen Pixel im Format 2560 x 2048 sowie 15.7 Millionen TFT. | |
Glossar:
AM Active-Matrix
AMLCD Active-Matrix Liquid Crystal Display
DSM Dynamic Scattering Matter
IPS In-Plane-Switching
LCD Liquid Crystal Display (Flüssigkristallbildschirm)
MBBA N-(p-Methyloxybenzyliden)-p-n-butylanilin
MOS Metal Oxide Semiconductor
STN Super-Twisted Nematic
TFT Thin Film Transistor (Dünnschichttranstor)
TN Twisted Nematic
VA Vertical Aligned
Literatur:
Castellano, Joseph A. 22006 [12005]: Liquid Gold. The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry, Singapore/Hackensack (NJ)/London: World Scientific Publishing, 274-285.
Merck KGaA (Hg.) 2004: The history of the future. 100 years of liquid crystals at Merck, Darmstadt, 76-79.
Murtha, Thomas P./Lenway, Stefanie Ann/Hart, Jeffrey A. 2001: Managing New Industry Creation. Global Knowledge Formation And Entrepreneurship In High Technology, Stanford/CA: Stanford University Press, 200-206.
Webel, Josef 2013: Geschichte der Bildschirmtechnik 1970-2000. Synergien, Netzwerke und Innovationssysteme in Baden-Württemberg, Berlin: Logos Verlag.