LCD, AMOLED, E-Ink – und dann? Displaytechnologien der Gegenwart und Zukunft

Rafael Thiel 6

Bildschirme sind das Zugangstor zur digitalen Welt. Ausreichend Grund, dass wir uns mit dem wichtigsten Bauteil eines mobilen Endgeräts befassen und einige Zukunftsaussichten heutiger Displays aufbereiten. Welche Technologien eignen sich für den portablen Einsatz? Wo besteht Optimierungspotential? Und: Ist ein Ende des Pixelwahns in Sicht?

LCD, AMOLED, E-Ink – und dann? Displaytechnologien der Gegenwart und Zukunft

Das allererste Smartphone mit Android als Betriebssystem, das HTC Dream respektive T-Mobile G1, besaß noch ein mit 480 x 320 Pixel auf einem 3,2 Zoll in der Diagonale messendes Display. Die Pixeldichte betrug für das Jahr 2008 beachtenswerte 180 ppi (Pixel per Inch) – selbst das konkurrierende iPhone 3G konnte seinerzeit nur mit 163 ppi aufwarten. Kurze Zeit später betrat ein gewisser Steve Jobs die Bühne und proklamierte eine „magische Zahl“. Demnach liege die perfekte Pixeldichte etwa bei 300 Pixel pro Zoll. Wie es der Zufall so wollte, entsprach das zeitgleich vorgestellte iPhone 4 mit seinem aus dem Hause LG stammenden „Retina Display“ diesen Anforderungen.

Mittlerweile sind wir bei großformatigen Bildschirmen weit jenseits der 5 Zoll-Diagonale angekommen. Die Auflösung vieler heute führender Smartphones liegt bei 2.560 x 1.440 Pixel (WQHD), woraus Pixeldichten von bis zu 578 ppi resultieren, etwa beim AMOLED-Display des Galaxy S6. Nüchtern betrachtet sind wir etwas über das Ziel hinausgeschossen. Mit Virtual Reality-Peripherie wie Google Cardboard, Samsung Gear VR und Oculus Rift in Sichtweite, und nicht zu vergessen des enormen Marketingpotentials einer wohlklingenden Zahl, streben die Hersteller fürs erste weiterhin munter höheren Auflösungen entgegen.

Ob das überhaupt gangbar ist und was sonst noch in diesem Bereich möglich ist, wollen wir nachfolgend betrachten. Im Wesentlichen gibt es dabei heutzutage drei gängige Display-Typen: LCD, AMOLED und E-Ink. Bevor wir näher auf anstehende und potentielle Verbesserungen eingehen, folgt eine kurze Erklärung der genannten Technologien.

Flüssigkristallanzeige: LCD – Liquid-Crystal Display

LCDs fungieren schon seit Jahrzehnten als Schnittstelle zwischen Nutzer und Computer. Die Schwarzweiß-Anzeigen von Taschenrechnern der 1990er oder des ersten Nintendo Game Boy basieren dabei auf demselben Grundprinzip wie die knallbunten Bildschirme unserer heutigen Smartphones. Wie es der Name suggeriert, wird bei der Technologie auf Flüssigkristalle gesetzt. Diese sind unter Energieeinfluss in der Lage, Licht zu manipulieren und dadurch bestimmte Farben durchstrahlen zu lassen.

Licht besteht bekanntlich aus Wellen – den Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenphysik einmal außen vor gelassen. Die Wellen, die von einer Lichtquelle ausgehen, sind dabei grundsätzlich willkürlich ausgerichtet. Bei einem LCD werden die Lichtwellen der Hintergrundbeleuchtung also zunächst durch einen sogenannten Polarisationsfilter geführt. Diesen kann man sich vereinfacht als Gittersieb vorstellen, das nur Wellen mit einer zu den Gitterstangen parallelen Ausrichtung durchlässt; non-konforme Wellen werden blockiert.

Nach Passieren des Polarisationsfilters erreicht das Licht die (zäh-)flüssige Kristallsubstanz, die von Elektroden eingeschlossen ist. Dahinter folgen Farbfilter für die drei Grundfarben: Rot, Grün und Blau. Die Flüssigkristalle treten üblicherweise in der „nematischen Phase“ auf, wodurch die stäbchenförmigen Moleküle nur polarisiertes Licht durchgelassen. Bevor das Licht das menschliche Auge erreicht, muss es dann nur noch durch einen weiteren Polarisationsfilter desselben Typs wie der erste durch.

Eine LCD-Zelle agiert im Grunde als Lichtventil. Bei Bedarf, erzeugen die Elektroden ein Magnetfeld, das die Anordnung der Flüssigkristalle beeinflusst. Dadurch kann das einfallende Licht gesteuert und gezielt auf die dahinter befindlichen Farbfilter gestrahlt werden. Zudem können die Flüssigkristalle die Ausrichtung der polarisierten Lichtwellen unter Einfluss des Magnetfeldes beliebig drehen, was sich auf die Helligkeit der Anzeige auswirkt – der letzte Polarisationsfilter blockiert dafür schlicht die „gedrehten“ Wellen.

Mit TN, TFT, IPS und Co. gibt es verschiedene Konzepte, die zwar auf demselben Prinzip beruhen, dabei jedoch unterschiedliche Vorteile mit sich bringen – auch hinsichtlich des Kostenpunktes. Infolge dieser komplexen und mitunter variablen Bauweise spielen viele Faktoren in die Qualität des jeweiligen Panels hinein. Bei einem Bildschirm sind vor allem Farbintensität, Kontrast, Bildfrequenz respektive Reaktionszeit und Betrachtungswinkel entscheidend, doch auch Langlebigkeit, Helligkeit und Energieeffizienz sind insbesondere bei Smartphones nicht zu vernachlässigen.

Organische Leuchtdiode mit Aktivmatrix: AMOLED – Active Matrix Organic Light Emitting Diode

Einen anderen Ansatz forciert seit Samsung seit etwa 2010. Das südkoreanische Unternehmen gilt mit seiner Mobilfunksparte als treibende Kraft hinter organischen Leuchtdioden, und verwendet die Technologie zunehmend auch bei Fernsehgeräten und Tablets. Vorteile von AMOLEDs sind etwa das „echte“ Schwarz und die hervorragende Farbintensität. Allerdings kann es andererseits auch zu Einbrennungen im Display kommen, zudem neigt die Technologie zu einem übersättigten Farbbild. Im Gegensatz zu herkömmlichen OLED-Panels, wird bei AMOLED-Displays übrigens, dem Namen entsprechend, auf eine Aktivmatrix gesetzt. Bedeutet: Jede Diode wird über einen eigenen Transistor anstatt auf direktem Wege adressiert. Das ist ab einer gewissen Bildschirmgröße beziehungsweise -auflösung physikalisch bedingt notwendig.

Denn bei der OLED-Technologie kommt, anders als bei LCDs, kein Hintergrundlicht zum Einsatz, sondern die Pixel selbst werden zum Leuchten angeregt. Dabei befindet sich die emittierende Schicht zwischen einer Kathode und einer Anode. Die organischen Halbleiter in jedem Subpixel senden Licht in unterschiedlichen Frequenzen, den drei Grundfarben entsprechend, aus. Dadurch kann einerseits gezielt jede Farbe erzeugt werden und obendrein ermöglicht das komplette Abschalten einzelner Pixel, einen satten Schwarzwert. Nebeneffekt: Mit überwiegend schwarzem Bildschirminhalt verbraucht ein AMOLED-basiertes Display kaum Strom.

Ein wesentlicher Nachteil von OLED- beziehungsweise AMOLED-Bildschirmen ist die geringe Lebensdauer. Da jeder Pixel eigenständig erstrahlen muss, kann es bei hohem Energiefluss zu Schäden der Bildpunkte kommen, was wiederum zu einer geringeren Lichtintensität führt. Dieser Effekt sorgt für die bekannten Einbrennungen im Display. Blaue Dioden benötigen am meisten Energie, während die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Blau vergleichsweise niedrig ist; demzufolge lässt die Qualität dieser Subpixel in der Regel als erstes nach. Die Folge ist ein zunehmender Farbstich. Darüber hinaus sind innerhalb einer Pixelzelle dedizierte Luftpolster vonnöten, wodurch es zur schleichenden Korrosion der organischen Materialien kommt.

Bei „Super AMOLED“ handelt es sich derweil um eine Weiterentwicklung von Samsung. Dabei werden die Touchrezeptoren anstatt als separate Schicht direkt in die Farbelemente eingearbeitet, wodurch Luftpolster zumindest teilweise eingespart werden können. Dafür verfügt jeder Pixel nicht mehr über die drei Grundfarben (RGB), sondern nunmehr lediglich über zwei Subpixel, wobei sich Rot und Blau abwechseln (RG-BG). Diese sogenannte PenTile-Matrix, die in jedem Gerät der Samsung Galaxy S-Reihe außer dem S2 Verwendung fand, führt jedoch auch zu einer weniger scharfen Bildwiedergabe, Textanzeigen sind bisweilen „ausgefranst“, auch wenn dieser Makel dank hoher Pixeldichten kaum noch wahrnehmbar ist. Dem liegt zugrunde, dass bei Nutzung der Penzile-Technik zwei Pixel-Zellen zusammengeschlossen werden müssen, um eine Farbe sauber darstellen zu können. Samsung selbst begründet die Verwendung von PenTile-Matrizen mit einer längeren Lebensdauer der Displays.

Elektronisches Papier: E-Paper / E-Ink

Um eine gänzlich andersartige Technologie handelt es sich bei E-Ink – wobei das eigentlich nur der Markenname eines Produktes der marktführenden E Ink Corporation ist, das auf einem elektrophoretischen Verfahren beruht. Die korrekte Bezeichnung ist E-Paper, zu Deutsch: elektronisches Papier. Der Bildschirmtyp kommt heutzutage vor allem bei E-Readern zum Einsatz. Allerdings setzt beispielsweise auch der russische Hersteller YotaPhone bei seinen Smartphones darauf. Bei Smartwatches ist Pebble der prominenteste Abnehmer, wenngleich dort eine leicht modifizierte Technologie verwendet wird.

Es gibt zwei fundamentale Vorteile von E-Paper gegenüber LCD und AMOELD: augenfreundliche Lesbarkeit selbst im hellsten Sonnenlicht ob der nicht vorhandenen Lichtreflexionen, sowie der äußerst niedrige Energieverbrauch. Dieser rührt daher, dass weder Bildschirmbeleuchtung nötig ist noch die einzelnen Pixel bei statischen Anzeigen Energie beanspruchen.

Das dem zugrunde liegende Prinzip ist denkbar einfach: es gibt weiße und schwarze Pigmente, die jeweils allesamt positiv und negativ geladen sind. Diese Partikel befinden sich in einer Kapsel mit einer Flüssigkeit. Durch anliegende Elektroden kann nach Belieben ein Magnetfeld erzeugt werden, das entweder die positiv geladenen weißen oder die negativ geladenen schwarzen Pigmente ins Sichtfeld rückt während die jeweils andere Farbe darunter verborgen bleibt. Das Magnetfeld muss zudem lediglich bei einer Zustandsänderung aufgebaut werden, da die Pigmente ihre Position über einen langen Zeitraum beibehalten können. Einfach formuliert: Das Display verbraucht nur Strom, wenn sich dessen Inhalt ändert. Nachteile von E-Paper sind derweil die nur schwarzweiße Anzeige und die hohe Trägheit bei Änderungen.

Auf der nächsten Seite erfahrt ihr, welche Displaytechnologien und -verbesserungen die Zukunft bereithält.

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