TN (Twisted Nematic) Matrix – wie funktioniert sie und was sind ihre Eigenschaften?

Geschichte und Entwicklung der TN-Matrix-Technologie

Die TN-Matrix hat ihren Ursprung in den 1970er Jahren. Ihr Debüt gab sie in den 1970er Jahren in den ersten Taschenrechnern und Digitaluhren. Der Name TN steht für Twisted Nematic und leitet sich von den verdrillten Flüssigkristallmolekülen ab, die eine Schlüsselkomponente dieser LCD-Technologie sind. Anfangs hatten TN-Matrizen nur sehr begrenzte Möglichkeiten und erlaubten nur die Anzeige einfacher Zahlen und Zeichen.

Der Durchbruch gelang in den 1990er Jahren. zusammen mit der Entwicklung von TN-Farbdisplays. Es wurde möglich, ein Vollfarbbild zu erhalten, indem jedem Pixel RGB-Filter hinzugefügt wurden. TN-Matrizen waren ideal für den Einsatz in modernen Flüssigkristallmonitoren, bei denen es auf die Geschwindigkeit der Darstellung dynamischer Inhalte ankam. Dank ihrer Einfachheit, des niedrigen Produktionspreises und des geringen Stromverbrauchs dominierten TN-Bildschirme schnell den Monitor- und Displaymarkt.

Im 21. Jahrhundert erschienen jedoch neue LCD-Matrix-Technologien wie IPS und VA, die die TN-Matrizen nach und nach verdrängten. Mit einer besseren Farbwiedergabe und größeren Betrachtungswinkeln schnitten sie bei Anwendungen, die eine hohe Bildqualität erfordern, insbesondere bei modernen Fernsehgeräten, besser ab.

Dennoch sind TN-Matrizen aufgrund von Vorteilen wie dem niedrigen Preis und dem geringen Stromverbrauch immer noch weit verbreitet. Sie werden gerne in billigeren Monitoren und Fernsehern sowie in der mobilen Elektronik eingesetzt. Sie sind in industriellen, medizinischen und militärischen Geräten sowie in älteren Modellen von Laptops zu finden. Dank der kontinuierlichen technischen Entwicklung sind TN-Matrizen nach wie vor ein wichtiger Bestandteil des Marktes für Industrie- und Unterhaltungselektronik.

TN-Matrix – Aufbau und Funktionsprinzip

Die klassische TN LED-Matrix besteht aus zwei Glassubstraten, die mit einer transparenten, leitfähigen Schicht aus ITO (Indiumzinnoxid) beschichtet sind. Zwischen den Substraten befindet sich eine Flüssigkristallschicht. Von außen ist die Matrix mit senkrecht zueinander angeordneten Polarisatoren bedeckt.

Im natürlichen Zustand sind die Moleküle des Flüssigkristalls um 90 Grad verdreht, was zu einer Drehung der Polarisationsebene des Lichts führt, das die TN-Schicht durchdringt. Dadurch können Lichtstrahlen beide Polarisatoren passieren und das Pixel hellt sich auf.

Legt hingegen eine elektrische Spannung an, richten sich die TN-Partikel parallel zu den Ebenen des Glases aus. Dann dreht sich die Polarisationsebene des Lichts nicht und wird durch den zweiten Polarisator blockiert. Dadurch verdunkelt sich das Pixel.

Durch Einstellen der Spannung können Sie den Grad der Verdrehung der Flüssigkristallmoleküle und damit die Helligkeit jedes Pixels genau steuern. Dadurch kann das Bild in Graustufen und in Vollfarbe angezeigt werden, wenn RGB-Filter hinzugefügt werden. Die präzise Spannungsregelung für Hunderttausende von Pixeln ermöglicht es TN-Matrizen, scharfe Bilder und Videos anzuzeigen.

Moderne TN-Matrizen weisen eine Reihe von Verbesserungen auf, um die Bildqualität zu verbessern. Dazu gehören eine verbesserte LED-Hintergrundbeleuchtung, weniger Schlieren und Blendung oder eine erhöhte Farbtiefe. Die Grundlagen der Funktionsweise sind jedoch seit Jahrzehnten die gleichen geblieben – die Regelung der Verdrehung von Flüssigkristallmolekülen mit einer elektrischen Spannung.

TN-Matrix-Typen

Im Laufe der Jahre der Entwicklung wurden mehrere Varianten von TN-Matrizen mit unterschiedlichen Parametern entwickelt:

• STN – Super Twisted Nematic – diese Art von TN-Matrix hat einen höheren Kontrast, eine niedrigere Spannung
• FSTN – Film Compensated STN – das Anwenden eines Ausgleichsfilters auf einen der Polarisatoren erhöht den Kontrast und die Betrachtungswinkel
• DFSTN (oder FFSTN) – Doppelfolie ST N – doppelte Schicht STN-Filter, noch besserer Kontrast und bessere Blickwinkel
• HTN – High Twisted Nematic – sehr hohe Verdrehung der Moleküle und unterschiedliche Polarisationswinkel, daher Betrieb bei niedrigen Spannungen, breiter Betriebstemperaturbereich
• VATN (Vertical Alignment Twisted Nematic) – basiert auf der natürlichen Ausrichtung von Flüssigkristallen in der vertikalen Richtung und bietet einen höheren Kontrast, tiefe Schwarztöne, bessere Betrachtungswinkel und keine Graustufeninversion, aber die Auflösung ist auf 16 Pixel begrenzt

Jede dieser Technologien hat unterschiedliche Anwendungen, abhängig von den technischen Anforderungen des Produkts.

Vorteile und Anwendungen der TN-Matrix

TN-Matrizen haben zahlreiche Vorteile, die ihnen seit Jahrzehnten eine dominierende Stellung auf dem Markt verschaffen:

• Niedriger Produktionspreis aufgrund des einfachen Designs und des Fehlens zusätzlicher Komponenten
• Geringer Stromverbrauch, möglicher Batteriebetrieb
• Schnelle Reaktionszeit, 2-5 ms, Unterstützung für dynamische Inhalte
• Hohe Helligkeit und Kontrast, gute Farbwiedergabe
• Fähigkeit, große Diagonalen zu erzeugen, sogar über 40″

Durch diese Eigenschaften eignet sich die TN-Matrix für eine Vielzahl von Anwendungen:

• LCD-Monitore und Bildschirme
• Elektronik in industriellen, medizinischen, militärischen Geräten
• Message Boards, Werbetafeln, Bildschirme in Verkaufsautomaten

• Ältere Laptops, Taschenrechner, Uhren, Digitalkameras

Die Hauptnachteile von TN sind die schlechtere Farbwiedergabe und der geringere Kontrast im Vergleich zu IPS- oder OLED-Matrizen sowie enge Betrachtungswinkel. Daher werden IPS- und VA-Matrizen häufiger in neueren Fernsehgeräten verwendet. Die Vorteile von TN bestimmen jedoch nach wie vor ihre Beliebtheit in vielen Bereichen der Industrieelektronik.

Vergleich von TN-Matrizen mit IPS- und VA-Technologien

TN vs. IPS-Matrix

Im Vergleich zu den gängigen IPS-Matrizen zeichnen sich TN-Bildschirme aus durch:

• Engere Betrachtungswinkel, die die Lesbarkeit des präsentierten Bildes einschränken
• Schwächere Farbwiedergabe und minderwertige Schwarzwiedergabe
• Schnellere Reaktionszeit – z. B. 2-5 ms für TN vs. 5-15 ms für IPS
• Niedrigerer Produktionspreis durch einfacheres Design

Aus diesen Gründen sind IPS-Matrizen dort besser, wo es auf die Bildqualität ankommt – in professionellen Grafikmonitoren oder modernen Industrieanlagen wie HMIs.

TN vs. VA-Matrix

In Bezug auf VA-Matrizen zeichnen sich TN-Displays aus durch:

• Geringerer Kontrast und schlechtere Schwarzwiedergabe
• Etwas engere Blickwinkel
• Schnellere Reaktionszeit – 2-5 ms (TN) vs. 15-30 ms (VA)

Dank ihres höheren Kontrastverhältnisses eignen sich VA-Matrizen besser für die Video- und Fotobetrachtung, bei der es auf die Bildqualität ankommt.

Zusammenfassung und Zukunft der TN-Matrizen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass verdrehte nematische Dies aufgrund ihrer Einfachheit, niedrigen Produktionskosten und ihres geringen Stromverbrauchs seit vielen Jahren den Markt für Unterhaltungselektronik dominieren. Sie sind ein fester Bestandteil von Monitoren, Fernsehern, Laptops und vielen anderen Geräten. In den neuesten Anwendungen, die eine hohe Bildqualität erfordern, werden diese jedoch zunehmend durch neuere Technologien wie IPS oder VA verdrängt.

Die Zukunft der TN-Matrizen ist daher ungewiss. Einerseits bestimmen ihre Vorteile nach wie vor ihre Beliebtheit in vielen Bereichen. Auf der anderen Seite wendet sich der technologische Fortschritt bei Displays allmählich von TN ab und hin zu moderneren Lösungen. Aber selbst wenn die Grundlagen der TN-Technologie verdrängt werden, glauben wir als Display-Hersteller , dass das Wissen über die TN-Technologie für jeden Elektronik- und Display-Ingenieur äußerst wertvoll bleibt.