Flüssigkristallanzeigen

 

Sicherlich wäre die Beschäftigung mit Flüssigkristallen ein exotischer Forschungszweig geblieben, wenn nicht im Jahr 1971 die beiden Physiker M. Schadt und W. Helfrich bei Grundlagenuntersuchungen über Flüssigkristalle in elektrischen Feldern eine Anordnung gefunden hätten, die die Funktion eines spannungsgesteuerten Lichtventils hatte. Nach ihren Erfindern benannt, hat die Schadt-Helfrich-Zelle, als Flüssigkristalldisplay (LCD: Liquid Crystal Display) ihren Siegeszug als Anzeigeelement weltweit angetreten. Heute begegnen uns Flüssigkristallanzeigen in nahezu allen technischen Geräten in einfachster Form als 7-Segmentanzeige in Uhren und Taschenrechnern, aber auch in komplexer Form als Farbbildschirm des Laptops oder Taschenfernsehers. Von wenigen sehr speziellen Ausnahmen abgesehen ist das Lichtventil stets die Schadt-Helfrich-Zelle.

Mit einem einfachen Experiment soll im Weiteren die Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige erklärt werden. Voraussetzung für das Verständnis der Funktion ist die Kenntnis des Aufbaus einer Flüssigkristallanzeige.

Eine Flüssigkristallanzeige besteht aus zwei Glasplatten, die durch Abstandshalter in einem Abstand von typisch 10 Mikrometer zueinander gehalten werden. Auf den sich gegenüberliegenden Glasflächen sind transparente leitfähige Schichten aus Indium-Zinn-Oxid aufgebracht, die später die beliebig strukturierbaren Ziffern, Zeichen oder Segmente darstellen sollen. Die Glasplatten sind auf den Innenseiten so präpariert, dass die Flüssigkristallmoleküle an jeder Glasoberfläche mit ihren Längsachsen in einer bestimmten Richtung parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind, und zwar so, dass die Orientierungsrichtungen an den beiden sich gegenüberstehenden Oberflächen senkrecht zueinander liegen, wie in Abbildung 11 dargestellt. Wird nun ein nematischer Flüssigkristall zwischen diese Glasplatten gebracht, so muss er aufgrund der festgelegten Randbedingungen eine 90°-Schraube beschreiben. Strahlt man polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene parallel oder senkrecht zur Randorientierung liegt (Hauptschwingungsrichtungen) durch diese Anordnung, so folgt die Polarisationsebene des Lichtes der Schraubenstruktur und erfährt bei Durchgang durch die Flüssigkristallzelle eine Drehung um 90°. Gleiches Verhalten findet man übrigens bei der in der Literatur beschriebenen sog. Reuschschen Glimmersäule, bei der in einem Stapel doppelbrechender Glimmerplättchen jedes folgende Plättchen um einen kleinen Winkelbetrag bezüglich der optischen Hauptschwingungsrichtungen gegenüber dem vorhergehenden gedreht ist. Verringert man die Plättchendicke in diesem Modell immer weiter und lässt den Winkel zwischen den Plättchen in gleichem Maße kleiner werden, erhält man als Grenzfall eine kontinuierlich verschraubte Struktur, wie sie in der Schadt-Helfrich-Zelle vorliegt.

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Abbildung 11: Verdrillte Struktur der nematischen Phase in der Schadt-Helfrich-Zelle im nicht geschalteten Zustand

Für das folgende Experiment benötigt man eine Flüssigkristallanzeige, von der die normalerweise fest aufgeklebten Polarisationsfilter entfernt wurden. In den Strahlengang eines Overheadprojektors montiert man zwei Polarisationsfilter und bringt diese in gekreuzte Stellung. Legt man nun die Flüssigkristallzelle so zwischen diese Polarisatoren, dass die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes parallel zur Randorientierung in die Zelle eintritt, so erfährt der Bereich, in dem sich der verschraubte Flüssigkristall im Strahlengang befindet, Aufhellung gegenüber dem lichtundurchlässigen Bereich der übrigen durch die gekreuzten Polarisatoren dunklen Fläche (Abbildung 12a).

Abbildung 12a Flüssigkristallanzeige zwischen gekreuzten Polarisatoren im nicht geschalteten Zustand

 Die Schwingungsebene des Lichtes wird also beim Durchgang durch eine Flüssigkristallanzeige im nicht angesteuerten Zustand um 90° gedreht. Legt man an die Elektroden eine Spannung von ca. 5 V an, erscheinen die Stellen, an denen sich die flächigen Elektroden gegenüberstehen, als dunkle Zeichen (Abbildung 12b).

Abbildung 12b Flüssigkristallanzeige zwischen gekreuzten Polarisatoren im geschalteten Zustand

Zum Verständnis dieses Vorganges muss ein wenig ausgeholt werden: Ein nematischer Flüssigkristall ist nicht nur, wie bereits aus den vorhergehenden Experimenten erkannt, optisch anisotrop, vielmehr sind auch andere physikalische Eigenschaften richtungsabhängig. An dieser Stelle sollen uns besonders die dielektrischen Eigenschaften interessieren. Bringt man ein isotropes Dielektrikum, dessen Moleküle ein Dipolmoment aufweisen, in einen Kondensator ein, so wird, sobald ein elektrisches Feld angelegt wird, die Materie polarisiert, indem die zeitlich gemittelte Ausrichtung der Dipole ein wenig von der isotropen Verteilung zugunsten einer etwas stärkeren Orientierung in Feldrichtung gemäß einer Boltzmannverteilung abweicht (Orientierungspolarisation). Bei einer quantitativen Auswertung des Experimentes erhält man die Dielektrizitätskonstante als Proportionalitätsfaktor zwischen der elektrischen Feldstärke und der dielektrischen Verschiebung. Die Dielektrizitätskonstante ist bei nicht zu hohen Feldstärken feldstärkeunabhängig. Ein Flüssigkristall zeigt im Gegensatz zu einer isotropen Flüssigkeit eine von der Beobachtungsrichtung abhängige Dielektrizitätskonstante. Aufgrund der Richtungsabhängigkeit definiert man eine Dielektrizitätskonstante parallel zur Vorzugsorientierungsrichtung und eine weitere senkrecht zur Vorzugsorientierungsrichtung. Weisen die Flüssigkristallmoleküle eine größere Dielektrizitätskonstante in Richtung der Moleküllängsachse auf, dann ist die Anisotropie der Dielektrizitätskonstante definitionsgemäß positiv. Wichtig für das Verständnis der Funktion der Schadt-Helfrich-Zelle ist, daß der Flüssigkristall eine möglichst große positive Anisotropie der Dielektrizitätskonstante aufweisen muß. Das erreicht man durch Einbau eines polaren Substituenten in Richtung der Moleküllängsachse, z.B. einer Nitrilgruppe, wie im bereits erwähnten Pentylcyanobiphenyl. Befindet sich solch ein Flüssigkristall in der Zelle und wird dieser einem langsam zunehmenden elektrischen Feld ausgesetzt, so beobachtet man unterhalb einer Schwellspannung keine Reaktion. Bei Erreichen der Schwellspannung richten sich die Moleküle in Feldrichung aus und innerhalb eines relativ kleinen Intervalles ist die Richtung der Vorzugsorientierung parallel zum elektrischen Feld ausgerichtet. Ausgerichtet hat sich die Vorzugsorientierungsrichtung der nematischen Phase - es liegt nicht etwa, wie oft fälschlich angenommen, eine polare Ausrichtung aller Moleküle vor; vielmehr sind die Dipole der Moleküle der nematischen Phase unverändert in beide Richtungen gleich verteilt, abgesehen von dem kleinen Überschuss in Feldrichtung, der durch das elektrische Feld zur Polarisierung des Dielektrikums beiträgt, d. h. den Grund für eine von 1 verschiedene Dielektrizitätskonstante ausmacht. Warum richtet sich die nematische Phase mit positiver Anisotropie der Dielektrizitätskonstante in Feldrichtung aus? Im elektrischen Feld geht ein hinsichtlich seiner dielektrischen Eigenschaften anisotropes Medium in einen energetisch günstigeren Zustand über, wenn es sich so im Feld orientiert, dass die größere Dielektrizitätskonstante wirksam wird. Andererseits ist der Flüssigkristall in der Schadt-Helfrich-Zelle aber an den Rändern angebunden und wird in der ursprünglichen Ausrichtung durch elastische Kräfte gehalten. Aus diesem Grund erfolgt in einer dünnen beidseitig begrenzten Probe die Ausrichtung nicht schon bei beliebig kleinen Spannungen, sondern erst oberhalb einer Schwellspannung. Ist diese Schwellspannung überschritten, so liegt, von einer kleinen Randschicht abgesehen, eine nematische Phase vor, deren Vorzugsorientierungsrichtung senkrecht zu den Glasoberflächen steht. Man schaut im angesteuerten Zustand bei senkrechtem Blick durch die Anzeige gerade in Richtung der optischen Achse. Die optische Achse aber ist die Richtung scheinbarer Isotropie. Daher erscheinen unter gekreuzten Polarisatoren die elektrisch angesteuerten Bereiche schwarz. Dreht man den Analysator um 90°, erscheinen helle Ziffern und Zeichen auf schwarzem Grund (Abbildung 12c) - ein leicht nachvollziehbares Experiment zum Abschluss.

Abbildung 12c  Flüssigkristallanzeige zwischen parallelen Polarisatoren

In den reflektiv betriebenen Flüssigkristallanzeigen befindet sich hinter dem hinteren Polarisator noch ein metallischer Reflektor (Abbildung 13).

Abbildung 13: Aufbau einer Flüssigkristallanzeige

Eine Flüssigkristallanzeige wird stets mit niederfrequenter Wechselspannung betrieben, um eine elektrolytische Zersetzung des organischen Materials zu verhindern. Trotz der geringen Spannungen treten aufgrund der kleinen Schichtdicken hohe Feldstärken auf: 5 V an 10 Mikrometern sind immerhin 5000 V/cm. Auch in Kleinstgeräten wird durch einen einfachen elektronischen Baustein die Gleichspannung in eine Pulsfolge unterschiedlicher Polarität umgewandelt, die im Mittel gleichspannungsfrei ist.

Lehrmittel zum Thema Flüssigkristalle

Die hier vorgestellten Experimente sind zwar grundsätzlich von einfacher Art, bedingen aber im Detail spezielle Materialien oder Präparationstechniken. Allein der Versuch, von einer fertigen Flüssigkristallanzeige die Polarisatoren zu entfernen, endet meistens mit der Zerstörung der Zelle. Da inzwischen die Nachfrage nach Lehrmitteln zum Thema Flüssigkristalle merklich steigt, hat sich der Autor bemüht, die notwendigen Materialien für die Demonstrationsexperimente und für die Herstellung einer Flüssigkristallanzeige im Unterricht selbst zu beschaffen und zu vertreiben. Im Einzelnen werden angeboten:

·        Polarisationsfolien für die Overheadprojektion

·        Flüssigkristallanzeigen ohne Polarisationsfolie zur Demonstration der Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige

·        Flüssigkristallmischung mit positiver Anisotropie der Dieleektrizitätskonstante

·        Methyloxybenzylindenbutylanilin zur Demonstration des Schmelzpunktes und Klärpunktes eines Raumtemperaturflüssigkristalles in einer abgeschmolzenen Ampulle

·        Selbstklebende Polarisationsfolien zur Displayherstellung

·        Strukturierbare leitfähig mit In/Sn beschichtete Gläser

·        Reinigungskonzentrat zur Reinigung der Gläser

·        Reibtücher zur Oberflächenpräparation

·        Abstandshalter 15 µm

·        Vollständige Arbeitssätze zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen

Abschlussbemerkungen

Neben den hier vorgestellten Grundlagenexperimenten weisen Flüssigkristalle noch eine Vielzahl faszinierender physikalischer Eigenschaften auf, von der Ferroelektrizität bis zu den wunderschönen Farbspielen chiraler Flüssigkristalle. Sicherlich werden uns Flüssigkristalle noch weit in das 21. Jahrhundert als Anzeigeelemente begleiten, und fast 120 Jahre nach ihrer Entdeckung und 30 Jahre nach ihrem Ersteinsatz in der Displaytechnik haben sie es sicherlich auch verdient, in den Lehrplänen und Schulbüchern an geeigneter Stelle ihren Platz zu finden, was bis heute bedauerlicherweise noch nicht der Fall ist.