Balancierte Parameter für TFT-Displays

13.11.2020 / C. Zhao

Ausgangslage

Für Applikationen im Freien werden normalerweise TFT-Module mit hoher Helligkeit eingesetzt – dies vor allem wenn der Stromverbrauch nicht streng limitiert ist. Lösungen mit geringem Stromverbrauch wie transflektive oder reflektierende TFT-Displays erreichen im Vergleich zu transmissiven TFT-Displays allerdings nicht die gleiche optische Performance bezüglich Kontrast und Farbechtheit.

Lebensdauer

Gleichzeitig sollte die Lebensdauer der Anzeigemodule mindestens diejenige der Kundeapplikation erreichen, sie kann je nach Anwendung zwischen 50'000 und 100'000 Stunden betragen. Die Lebensdauer des Anzeigemoduls wird dabei als Zeit in Stunden angegeben nach der die Modulhelligkeit auf 50% der ursprünglichen Helligkeit abfällt. Die Funktionalität ist anschliessend immer noch gewährleistet, jedoch mit entsprechend reduzierter Helligkeit. Als Beleuchtungsmethode werden üblicherweise LED's eingesetzt – diese sind hinsichtlich der Lebensdauer eines TFT-Moduls auch der kritische Teil.

Wärme und Temperatur

LED's können nicht die gesamte Energie in sichtbares Licht umwandeln - ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt. Wie man LED's mit höherer Lichtausbeute produziert, ist für die LED-Industrie daher schon seit längerer Zeit ein Thema mit steigender Relevanz. Fakt ist: Wenn eine LED bei höheren Temperaturen arbeitet, verringert sich die Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung. Wieso ist das so? Das bei LED verwendete Halbleitermaterial (Silizium) wird mit verschiedenen Stoffen dotiert (Dotierung= Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht). Diese Stoffe werden bei hohen Temperaturen in Schwingung versetzt und können so aus dem Halbleitermaterial "herausgeschleudert" werden. Das "Herausschleudern" der Stoffe führt dazu, dass die Lichtstärke abnimmt und sich die Lichtfarbe ändert.LED's (und somit auch TFT's) sollten also nicht ausserhalb der von den Lieferanten spezifizierten Betriebs – und Lagertemperatur betrieben bzw. gelagert werden. In einem guten Design wird die Wärme effizient an die Umgebung abgestrahlt, nachfolgende Grafik zeigt den Wärmefluss einer verbauten LED.

Wärme-Ableitungspfad

Nachfolgend werden Messungen durchgeführt, um herauszufinden, wie sich der Wärmeableitungspfad auf die Temperatur auswirkt. Bei "Fall 1" handelt es sich um eine LED-Hintergrundbeleuchtung mit einer Leistung von 2,155 W für ein 7-Zoll-TFT-Modul mit hoher Helligkeit. Die LEDs sind auf einen FPC gelötet welcher seinerseits am Hauptmetallrahmen montiert ist.

Bei "Fall 2" handelt es sich um eine LED-Hintergrundbeleuchtung mit einer ähnlichen Leistung von 2,1W welche ebenfalls für ein 7-Zoll-TFT-Modul mit hoher Helligkeit eingesetzt wird. Die LEDs sind auf eine längliche dünne Platine gelötet und haben keinen direkten Kontakt zum Metallrahmen. Die Temperatur der LEDs und des Metallrahmens als Kühlkörper werden für "Fall 1" und "Fall 2" bei einer Umgebungstemperatur von 20°C wie folgt getrennt gemessen:

Bei "Fall 1" beträgt der Temperaturunterschied zwischen LED und Rahmen ca. 3,2°C. Im Gegensatz dazu weist "Fall 2" einen Temperaturunterschied zwischen LED und Rahmen von ca. 15°C auf. Es zeigt, dass "Fall 1" eine viel höhere Wärmeableitungseffizienz aufweist. Die Temperatur des Metallrahmens ist ziemlich ähnlich, max. 35,0°C für "Fall 1" gegenüber max. 36,1°C für "Fall 2". Die LED's arbeiten jedoch bei einer Temperatur von 38,2°C für "Fall 1" gegenüber einer Temperatur von 51,1°C für "Fall 2". Das heisst: wenn die LED's von "Fall 2" bei der gleichen Temperatur arbeiten könnten wie die LED's von "Fall 1" (daher um 12,9°C niedriger) würde sich die Lebensdauer der Hinterleuchtung ungefähr verdoppeln¹

¹ (Faustregel basierend auf Arrhenius-Gleichung: Bei um 10 K erhöhter Temperatur doppelt bis dreimal so schnelle Alterung).

Dimmen der Helligkeit

Die Helligkeit kann an einem sonnigen Tag im Freien mehr als zehntausend Lux (=Einheit der Belichtungsstärke) betragen. An einem dunklen bewölkten Tag beträgt die Beleuchtungsstärke jedoch nur einige hundert Lux. Schlussfolgernd muss ein Display also nicht immer mit der maximalen Helligkeit betrieben werden. Ein in das System oder Anzeigemodul integrierter Lichtsensor zur Anpassung der Helligkeit des Anzeigemoduls kann zur Verlängerung der Lebensdauer des Displays und zur Reduzierung des Leistungsverbrauchs beitragen.

Transmission der TFT-Zelle

Neben der obigen Diskussion hinsichtlich der LED-Hintergrundbeleuchtung spielt auch die Transmission des TFT-Panels eine grosse Rolle. Wir geben die Pixel-Dichte für die TFT-Anzeige mit PPI (Pixel pro Zoll) an. Je höher der PPI-Wert ist, desto niedriger ist das Öffnungsverhältnis und desto niedriger ist die Transmission des Panels. Durch Verwendung der LTPS-TFT-Technologie (Low-Temperature Polykristallines Silizium) anstelle von a-Si-TFT (Amorphes Silizium) kann das Öffnungsverhältnis verbessert werden.

Die folgende Grafik zeigt den Trend an, wie sich die Transmission des TFT-Panels in Abhängigkeit von der Erhöhung des PPI-Werts verringert.

Für Anwendungen wie VR-Headsets, ist der PPI des Displays von entscheidender Bedeutung. Normalerweise kann das menschliche bloße Auge keinen höheren PPI als 200 auf einer Distanz über einen halben Meter erkennen. Ein TFT-Display mit 128 PPI hat eine um etwa 35% höhere Transmission als ein TFT-Display mit 217 PPI. Es ist daher keine gute Idee unnötig hohe Auflösungen zu verlangen da dadurch die Lebensdauer der Hinterleuchtung entsprechend reduziert wird.

Wenn Sie mehr darüber wissen möchten, wie Sie die einzelnen Parameter am besten ausbalancieren um eine passende Anzeigelösung für Ihre Applikation zu finden, beraten wir Sie gerne!

Kontakt