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Hintergrund
Alles so schön bunt hier:
LED macht LCD TV-tauglich
LCD-Schirme stehen erst am Anfang ihrer Entwicklung – zumindest was ihren Einsatz als Fernseher angeht. Einen großen Schritt vorwärts in der Bildqualität wird die Hintergrundbeleuchtung mit Leuchtdioden (LED) bringen. Ihr Markteinsatz wird am nächstem Jahr erwartet. (5. 5. 2003)
 LED contra CCFL
Die drei Vorteile der LEDs
Und die Nachteile?
LED-Licht auch anderswo
Links und Verweise
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Der Aufbau einer Leuchtdiode: In Großserie einfach zu fertigen, leicht und langlebig. |
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Das Thema Licht wird uns noch häufiger beschäftigen. Denn die Lampen von heute sind eine Dino-Technologie, die in absehbarer Zeit und auf breiter Front durch bessere Lichtquellen ersetzt werden – solche, die weniger Strom brauchen, langlebiger sind und mehr Möglichkeiten bieten: LEDs vor allem.
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LED contra CCFL
Über das, was hinter einem Flüssigkristallschirm (LCD) steckt, denkt man eigentlich kaum nach. Denn es wird vergessen, dass die Kristallschicht nur schaltet, nicht selbst leuchtet. Das Licht kommt aus Kaltkathoden-Leuchtstoffröhren, Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) genannt – im Prinzip also Neonröhren, auch wenn Neon längst nicht mehr das einzige Gas im Kolben ist. Eigentlich ist gegen sie als Lichtquellen sehr wenig einzuwenden, denn sie brauchen relativ wenig Strom und Platz, sind leicht und preiswert herzustellen. Doch wie so oft ist das Bessere der Feind des Guten, und es heißt in diesem Fall Leuchtdiode, Light Emitting Diode (LED). Man kennt sie als Kontrollleuchte im Auto-Armaturenbrett, neuerdings auch aus Mini-Taschenlampen (die blau leuchten); LEDs kommen in Regensburg schon als Verkehrsampeln zum Einsatz, sie beleuchten Häuserwände und gigantische Anzeigetafeln in Fußballstadien. Und CCFLs haben sie einiges voraus.
Dass man sie überhaupt für Bildschirme verwenden kann, liegt daran, dass sie seit einiger Zeit in den drei Grundfarben additiver Lichtmischung verfügbar sind, nämlich Rot, Grün und Blau. Die Leuchtdiode ist ein naher Verwandter des Halbleiter-Lasers und auch hier weiß man erst seit ein paar Jahren, wie man zum Beispiel Blau überhaupt erzeugen kann (man erinnert sich an das lange Warten auf die DVD mit blauem Laser und das noch andauernde auf den Laserprojektor). Leuchtende Halbleiter haben gemeinsam, dass sie Licht nur in einer Wellenlänge abgeben, also nicht ein mehr oder weniger gleichmäßiges Gemisch aller sichtbaren Wellenlängen, was andere Lampen ausstrahlen.
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Bei Philips: LCD-Fernseher mit LED-Licht von Lumileds (auf der Cebit 2003). |
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Die drei Vorteile der LEDs
Damit ist man schon bei Vorteil Nummer eins: LEDs machen den Farbumfang größer und damit das Spektrum der Farben reicher; mit LEDs als Rücklicht sollen 95 Prozent des NTSC-Farbspektrums erreicht werden können, bisher waren es nur rund 75 Prozent; der PAL-Farbraum wird damit sogar übertroffen. Vorteil Nummer zwei: LCD-Bilder verlieren die verschmierten Bewegungen endgültig. Und Nummer drei: Auch der Kontrast wird besser. Zu diesen beiden Vorteilen muss man einiges erläutern.
Zum Thema Verschmieren: Meistens wird behauptet, dass die Schaltzeiten der Flüssigkristalle zu langsam seien und deswegen Bewegungen an den Kanten unscharf aussehen. LCD-Experten haben aber festgestellt, dass selbst bei Schaltzeiten unter 16 Millisekunden, also der Bildwechselfrequenz von NTSC (bei PAL sind es 20 Millisekunden), der Effekt nicht verschwindet. Das liegt daran, dass das Auge den Übergang von einem Status in den anderen wahrnimmt, weil während des Übergangs die Hintergrundbeleuchtung aktiv ist. Der Effekt verschwindet, wenn man zwischen zwei Bilder eine Dunkelphase einfügt, die LC-Zelle also kurzfristig schließt. Dazu müsste man bei konventioneller Hintergrundbeleuchtung aber mindestens acht Millisekunden Schaltzeit erreichen. Das ist zwar möglich, kostet aber die Hälfte des zur Verfügung stehenden Lichts und verschlechtert damit die Effizienz des Bildschirms – ganz abgesehen davon, dass man damit wieder Probleme mit Großflächenflimmern bekommt, die seit 100 Hertz eigentlich Vergangenheit sein sollten. LEDs haben dagegen den Vorteil, dass sie im gepulsten Betrieb arbeiten können, also mit kurzen oder längeren Dunkelpausen. Und die müssen sich nicht an der Bildwechselfrequenz orientieren, sondern können ein Vielfaches davon ausmachen, etwa 120, 150 oder 180 Hertz. Der Schmiereffekt verschwindet trotzdem, auch wenn die Schaltgeschwindigkeit der Flüssigkristalle weit drüber liegt. Bewegungen sind dann auf einem LCD-Schirm so exakt und scharf möglich wie auf der besten Röhre. Und die Effizienz verschlechtert sich nicht, weil gepulste LEDs in der Dunkelphase keinen Strom brauchen.
Die Kontrastverbesserung ist dagegen nicht so eindeutig. Im aktuell so hoch gehandelten An-Aus-Wert, also einer völlig schwarzen Fläche im Vergleich mit einer weißen, wird ein LCD-Schirm mit LED-Beleuchtung jedes andere Display schlagen können – man kann nämlich die Stromversorgung der LED in Abhängigkeit vom Bildinhalt steuern. Und wenn vorn kein Licht benötigt wird, herrscht hinten völlige Finsternis. Allerdings steht dieser Vorteil natürlich nur auf dem Papier, denn schon das Aufblitzen eines kleinen Sternleins am nachtschwarzen Firmament macht die volle Licht-Power notwendig und damit den tollen Kontrastwert zunichte. Trotzdem sind Situationen vorstellbar, in denen das Ergebnis damit subjektiv besser aussieht, denn nicht in allen Bildern ist 100 Prozent Weiß notwendig. Theoretisch denkbar, aber richtig kompliziert wäre es, nur einzelne Lampen anzuschalten; wo bisher zum Beispiel zwei CCFL-Röhren nötig waren, braucht man zukünftig etwa acht LED-Farbtrios. Auch lassen sich die Farben einzeln dimmen, womit viel mehr Spielraum bei der Farbabstimmung entsteht. Möglicherweise fällt es sogar leichter, Farblinearität über alle Graustufen zu erreichen, weil die Flüssigkristallmischungen nur auf drei Licht-Frequenzen und nicht mehr auf das ganze Spektrum reagieren müssen.
Noch erwähnen sollte man, dass LEDs im Gegensatz zu CCFLs frei von Quecksilber sind, also umweltfreundlicher. Und ihre Lebensdauer liegt noch über den bisher schon beachtlichen 60.000 Stunden von konventioneller Hintergrundbeleuchtung, bis zu 100.000 Stunden sollen realisierbar sein. Viele dieser Vorteile mögen nicht so wichtig sein, wenn es um Notebooks oder PC-Monitore geht. Aber TV auf LCD wird durch LED erst richtig schön.
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Bei Sharp: Sogar auf dem Foto gut zu erkennen die bessere Rot-Darstellung auf dem LED-beleuchteten Monitor (vorne, bedenken Sie aber, welchen Monitor sie selbst benutzen – es ist nicht unbedingt das echte Rot). |
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Und die Nachteile?
Bei so vielen Pluspunkten fragt man sich, wo denn die Nachteile liegen. Eigentlich gibt es keine, nur müssen LEDs alles andere erst einmal so gut können wie CCFLs. Nach heutigem Stand sind die Kosten der LED-Hintergrundbeleuchtung etwa doppelt so hoch; bis Anfang 2005 soll dieser Aufschlag auf nur noch 20 Prozent schrumpfen; ob und wann Gleichstand erreicht werden kann, eventuell sogar billigere Produktion, darauf will sich noch niemand festlegen lassen. Auch der Energieverbrauch ist noch höher, hier erwartet man einen Gleichstand schon bis 2004.
Auch dann werden CCFLs nicht sofort verdrängt, denn alle heutigen LCD-Fabriken brauchen jetzt schon Lichtquellen, weshalb entsprechend viele Fabriken dafür vorhanden sind. Aber ab 2005 wird wohl vor allem in LED-Hintergrundbeleuchtung investiert.
Führend in der Entwicklung ist die US-Firma Lumileds, ein Joint-Venture vom Philips-Unternehmensbereich Licht und Agilent, einer Abspaltung von Hewlett-Packard. Auf der Cebit hat Philips erstmalig einen mit LED beleuchteten Schirm gezeigt. Lumileds beliefert zukünftig auch NEC, Hitachi und Fujitsu. Sharp hatte ebenfalls ein LC-Display auf der Cebit, wobei die Leuchtdioden aus einer Kooperation mit der US-Firma Cree stammen (Ergänzung: Cree verdankt einen Teil seines Know-how in Sachen blaue LED dem Japaner Shuji Nakamura, der bei Nichia die weltweit ersten blauen LEDs und den ersten blauen Laser entwickelte). Genau wie Cree hatte auch Osram Opto-Semiconductors einige Rechtstreitigkeiten mit Nichia zu überstehen. Nun dürfen die Regensburger (daher die Ampeln) ebenfalls LEDs als Hintergrundbeleuchtung anbieten. Auch Lumileds musste ein Kooperationsabkommen mit Nichia eingehen. Wann und mit welchem Partner Nichia bei Hintergrundbeleuchtung für LCDs einsteigen wird, ist noch nicht bekannt, aber zu erwarten ist es ohne Zweifel.
Gegen Ende 2003 wird man wohl erste Produktankündigungen sehen, in Serie gehen die Schirme aber nicht vor 2004. Wahrscheinlich werden es hochwertige LCD-Fernseher sein, in denen man erstmalig damit arbeitet, oder aber Spezialmonitore, bei denen es besonders auf Farbtreue ankommt, etwa für TV-Studios oder in der Druckvorstufe. Man darf erwarten, dass alle großen LCD-Hersteller relativ bald auf LEDs einsteigen werden.
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Von Osram: Unter der Produktbezeichnung Dragon bringt die Firma eine Reihe von LED, die für LCD-Beleuchtung geeignet sind. |
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LED-Licht auch anderswo
Dass Leuchtdioden auch in anderen Geräten Einzug halten, wird dagegen etwas länger dauern – zumindest, was ihre Verwendung als Lichtquelle angeht. Generell darf man davon ausgehen, dass sie nach und nach andere Lampen ablösen, sei es in der Haus- oder Straßenbeleuchtung, in der Werbung oder Signalbeleuchtung. Als Autoscheinwerfen darf man LEDs, wahrscheinlich ein Raster von acht bis zwölf Stück, irgendwann in den nächsten zehn Jahren erwarten, als Rückleuchten sind sie schon jetzt zu gebrauchen.
Was für Autos reicht, sollte dann auch bei Projektoren gut genug sein, so dass in solchen Geräten die herkömmlichen Lampen verschwinden dürften, mitsamt ihren Problemen. Anders als im Auto wird man freilich nicht weiße LEDs verwenden (genau genommen sind das blaue mit einem gelben Phosphoranteil), sondern die drei Grundfarben. Damit könnte man drei LCD-Panels separat beleuchten oder, pulsierend, Einchip-DLPs oder -LCoS. Damit steigt erstens die Effizienz, weil LEDs keinen Strom brauchen, wenn sie ausgeschaltet sind, und weil sie die Energie zu einem wesentlich höheren Anteil in nutzbares Licht umwandeln. Was wiederum die Notwendigkeit von Kühlung dramatisch verringert und damit das Lüftungsgeräusch. Die anderen Vorteile wie höherer Farbumfang und längere Lebensdauer gelten natürlich auch für Front- und Rückprojektion mit LEDs. Ein weiteres Anwendungsfeld sind so genannte Near-to-eye-Displays, also Videobrillen oder Kamerasucher; sie lassen sich mit LED sehr klein und energiesparend bauen.
Bildschirme, die aus einem Raster von LEDs bestehen, sind bisher noch extrem groß. Seit einigen Jahren gelten organische Leuchtdioden als der große Hit in der Bildschirmbranche (siehe dazu das Spezial über Sonys Bildschirmstrategie). Inorganische Leuchtdioden sind ebenfalls noch ein Thema, allerdings auf kleinerem Niveau: Die kanadische Firma i-Fire hat sich neuerdings mit Sanyo und TDK verbündet, um flache Fernseher in dieser Technologie Realität werden zu lassen.
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Idee: Lumileds-Forscher glauben, dass batteriebetreibene Mini-Projektoren, so genannte Imager, dank der Fortschritte in der LED-Technik bald Realität werden. Die Bildgröße soll einer Din-A4-Seite entsprechen. |
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Pläne: Sharp glaubt, dass man LEDs bald als Hintergrundbeleuchtung für Mobilfon-Bildschirme einsetzen wird. |
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Links und Verweise
Meldungen auf diesen Seiten:
Sharp und die wunderbare Welt der LCDs (Januar 2003)
Sonys riskante Bildschirm-Strategie (Juli 2002)
Laser-Projektion mit und ohne Schneider (Mai 2002; kleiner Nachtrag: Toshiba hat das Laser-Projekt auf unbestimmte Zeit verschoben)
Der Laser-Projektor: Wird's bald? (Januar 2002)
Videobrille mit LED-Lichtquelle (März 2000)
Inorganische LED-Displays von i-Fire (März 2000)
Externe Links:
Lumileds: www.lumiled.com
Cree: www.cree.com
Osram Opto-Semiconductor: www.osram-os.com
Nichia: www.nichia.co.jp
i-Fire: www.ifire.com
 Film, Fernsehen, DVD, Video, Foto: Was ist es anderes, als eingefangenes, übertragenes, gespeichertes Licht? Naja, Ton gehört meist noch dazu. (5. 5. 2003)
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