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Selbstbau einer funktionsfähigen Flüssigkristallanzeige

 

 

Vorbemerkungen

 

 

Flüssigkristallanzeigen finden heute in nahezu allen technischen Geräten Anwendung, von der einfachen Anzeige eines Betriebszustandes bis zum großflächigen Flachbildschirm. Bekannt ist, dass die Herstellung einer Flüssigkristallanzeige in der industriellen Produktion ein komplexer Prozess ist, vergleichbar der Herstellung von Mikrochips. Umso verblüffender ist es, dass es möglich ist, eine funktionsfähige Flüssigkristallanzeige, ein LCD (Liquid Crystal Display), mit der an nahezu jeder Schule vorhandenen technischen Ausrüstung herzustellen, wenn man über die notwendigen Ausgangsmaterialien verfügt. Diese Materialien sind Indium-Zinn-beschichtete Glasplatten, ein geeigneter Flüssigkristall und selbstklebende Polarisationsfolien. Einen Bezugsquellennachweis erhalten Sie auf Anfrage über den Autor unter info@fluessigkristalle.com .

 

Allen Flüssigkristallanzeigen liegt prinzipiell das gleiche Funktionsprinzip als steuerbares Lichtventil zugrunde, die Schadt-Helfrich-Zelle, so benannt nach ihren Erfindern M. Schadt und W. Helfrich. Im englischsprachigen Raum findet sich auch die Bezeichnung TN-Zelle von Twisted Nematic.

 

Nachstehend soll gezeigt werden, dass es möglich ist, eine funktionsfähige Flüssigkristallanzeige im Schulunterricht oder im Praktikumsversuch aus den Komponenten aufzubauen, die auch in der industriellen Fertigung Anwendung finden. Bei dem Herstellungsprozess lernt man den Aufbau und die Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige  eingehend kennen.

 

Die physikalischen und chemischen Grundlagen zum Verständnis des flüssigkristallinen Zustandes  und die Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige sind im Kapitel „Demonstrationsexperimente mit Flüssigkristallen“ ausführlich beschrieben. Es ist vorteilhaft, diese Kenntnisvermittlung dem Selbstbau einer Flüssigkristallanzeige voranzustellen.

 

Flüssigkristalle sind aus stäbchenförmigen organischen Molekülen aufgebaut, die beim Schmelzen nicht direkt in den isotrop flüssigen Zustand übergehen sondern in einem begrenzten Temperaturbereich einen Aggregatzustand durchlaufen, der gießbar ist, wie eine Flüssigkeit, der aber durch die noch vorhandene vorzugsweise Parallelorientierung der Moleküle anisotrop ist, d.h. richtungsabhängige physikalische Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel Doppelbrechung oder eine richtungsabhängige (anisotrope) Dielektrizitätskonstante.

 

Aufbau einer Flüssigkristallanzeige

 

Eine Flüssigkristallanzeige besteht aus zwei Glasplatten, die durch Abstandshalter in einem Abstand von ca. 10µm zueinander gehalten werden. Auf den sich gegenüber liegenden Glasflächen sind transparent leitfähige Schichten aus Indium-Zinn-Oxid aufgebracht, die später die Ziffern und Zeichen darstellen sollen. Die Glasplatten sind auf ihren Innenseiten so präpariert, dass die zigarrenförmigen Moleküle an jeder Glasoberflächen in einer Richtung einheitlich ausgerichtet sind, an den gegenüberliegenden Glasflächen aber in einem Winkel von 90°, so dass der Flüssigkristall zwischen diesen Glasplatten aufgrund der festgelegten Randbedingungen eine 90°-Schraube beschreibt. Diese verschraubte Struktur des doppelbrechenden Flüssigkristalls veranlasst nun polarisiertes Licht, dieser Schraubenstruktur zu folgen, d.h. die nicht angesteuerte Flüssigkristallzelle dreht die Polarisationsebene um 90°.

 

Befindet sich die Flüssigkristallzelle zwischen gekreuzten Polarisatoren, so lässt die Anordnung Licht hindurch. Legt man an die Elektroden eine Spannung von ca. 5V niederfrequenter Wechselspannung an, so erscheinen Segmente oder Zeichen genau an den Stellen, an denen sich die transparent leitfähigen Elektroden an den begrenzenden Oberflächen gegenüberstehen und damit den Flüssigkristall einem elektrischen Feld aussetzen. Das elektrische Feld bewirkt, dass sich die Moleküle in diesen Bereichen kollektiv senkrecht zu den Elektroden ausrichten. Dieses Verhalten zeigen Flüssigkristallphasen, deren Moleküle  ein Längsdipolmoment in Richtung der Moleküllängsachse aufweisen. Ein schönes Beispiel ist der Raumtemperaturflüssigkristall Pentylcyanobiphenyl. In den Bereichen, in denen die Moleküle senkrecht zu den Oberflächen der Glasplatten stehen, „sieht“ das polarisierte Licht keine Schraubenstruktur mehr. Es breitet sich in Richtung der optischen Achse aus, der Richtung scheinbarer Isotropie. Der Polarisationszustand wird nun beim Durchgang durch die Zelle nicht beeinflusst, so dass unter gekreuzten Polarisatoren die Bereiche dunkel erscheinen.

 

 

 

 

 

 

 

Ziel der nachstehenden Arbeitsanweisung ist es, eine funktionsfähige Flüssigkristallanzeige im Selbstbau herzustellen.

 

Dazu werden benötigt:

 

 

  1. Indium-Zinn beschichtete Glasplatten
  2. Selbstklebende Frontpolarisatoren
  3. Selbstklebende Rückpolarisatoren mit Reflektorschicht
  4. Flüssigkristall (Weitbereichsmischung)
  5. Alkalisches Reinigungsbad
  6. Aceton
  7. Salzsäure (5%ig)
  8. Siedesteinchen
  9. Zweikomponentenkleber
  10. Glasschneider
  11. Abstandsfolie ca. 12 µm
  12. Wasserfester Markierstift
  13. Tesafilm
  14. Durchgangsprüfer (Multimeter)
  15. div. Glasgeräte
  16. Kochplatte
  17. Schere
  18. Demineralisiertes Wasser
  19. Zellstofftücher
  20. Tiegelofen oder Haushaltsherd mit Backröhre

 

Der Autor vermittelt gerne auf Anfrage eine Bezugsquelle für die Materialien unter info@fluessigkristalle.com

 

Darstellung der Arbeitsschritte

 

Schritt 1: Vorbereitung der beschichteten Glasplatten

 

Die kommerziell erhältlichen mit metallischem Indium und Zinn beschichteten Glasplatten sind etwa 10 cm x 10 cm groß und sollten auf eine Größe von 5 cm x 4 cm mit einem Glasschneider oder von einem Glaser zugeschnitten werden. Dazu legt man die Glasplatte auf eine Unterlage und ritzt mit dem Glasschneider  und einem Lineal als Führungsschiene die Oberfläche des Glases und bricht schließlich das Glas über eine Kante.

 

Die außerordentlich dünne Metallschicht aus Indium und Zinn lässt sich leicht in etwa 5 %iger Salzsäure ätzen und ist damit gut geeignet für die Elektrodenstrukturierung. Vorerst müssen die Glasplatten zur weiteren Verarbeitung mit der Beschichtung nach oben auf den Arbeitstisch gelegt werden. Mit einem Ohmmeter kann leicht festgestellt werden, welche Seite die leitfähige Schicht trägt.

 

 

Schritt 2: Strukturierung der Elektroden

 

Vorteil einer Flüssigkristallanzeige ist die fast beliebige Gestaltung der Elektrodenform. Mit einem wasserfesten Filzschreiber (Edding) können freihändig Zeichen und graphische Darstellungen erstellt werden. Zu beachten ist stets, dass später alle Stellen geschaltet werden, an denen sich die Elektroden auf beiden Seiten der Displayinnenseiten gegenüberstehen. Es muss stets darauf geachtet werden, dass die Zuleitungen auf der Gegenelektrode ausgespart werden, wenn sie im angesteuerten Zustand nicht erscheinen sollen. Eine sehr einfache Methode zur Elektrodenstrukturierung ist das Abkleben mit einem Tesafilmstreifen. Dieses Verfahren geht schnell und ist einfach handhabbar. Die folgenden Abbildung zeigt einfache Möglichkeiten der Elektrodenstrukturierung.

 

    

 

 

 

 

 

Schritt 3: Ätzen der Elektrodenstruktur

 

Nachdem nun die Elektrodenstruktur abgedeckt wurde, können die freiliegenden metallbeschichteten Flächen weggeätzt werden. Dies geschieht, indem man die Glasplatten mit der Abdeckung vollständig in 3 bis 5%ige Salzsäure legt und vorsichtig schwenkt. Bei der Arbeit mit Salzsäure ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen! Das Ende des Ätzprozesses erkennt man an dem Verschwinden der braunen Farbe auf der Glasoberfläche. Der Ätzprozess dauert je nach Konzentration der verwendeten Salzsäure zwischen 10 und 30 Sekunden. Nach Beendigung des Ätzprozesses werden die Glasplatten mit einer Pinzette aus dem Ätzbad genommen und gut mit Leitungswasser gespült.

 

 

 

Schritt 4: Entfernen der Abdeckschicht

 

Im nächsten Schritt wird die Abdeckschicht entfernt. Wurde ein Tesafilm-Streifen verwendet, braucht dieser nur abgezogen zu werden. Eventuell vorhandene Klebemittelreste können mit einem mit Aceton getränkten Zellstofftuch entfernt werden. Wurde ein wasserfester Filzschreiber zum Abdecken der Elektrodenstruktur eingesetzt, so kann auch diese Schicht mit einem mit Aceton getränkten Zellstofftuch entfernt werden. Nun können Front- und Rückelektrode wie im späteren Display mit den beschichteten Seiten gegeneinander zur Überprüfung der richtigen Überlappung der Elektroden aufeinander gelegt werden.

 

Schritt 5: Oxidieren der Indium-Zinn-Schicht

 

Schon im ersten Schritt des Herstellungsprozesses wurde festgestellt, dass die mit Indium und Zinn bedampfte Oberfläche leitfähig ist. Das metallische Indium und Zinn erscheint als dunkelbraune Farbschicht auf den Glasplatten. Erwünscht ist aber eine möglichst transparente Elektrode mit hoher Leitfähigkeit. Beiden Ansprüchen wird genügt, wenn man das metallische Indium und Zinn zu Indium-Zinn-Oxid umwandelt. Indium-Zinn-Oxid weist eine hervorragende Leitfähigkeit auf und ist nahezu transparent. Die Oxidation der Metallschicht erfolgt in der Wärme. Dazu stellt man die Glasplatten in einen kalten Tiegelofen und heizt diesen auf ca 300°C auf. Dabei beobachtet man, wie die braune Elektrodenstruktur verschwindet und nach Abschluss des Oxidationsprozesses nur noch in der Reflexion unter flachem Winkel erkennbar ist. Es empfiehlt sich, die Glasplatten mit dem Ofen abkühlen zu lassen, um ein Springen der Glasplatten zu vermeiden. Man kann die Glasplatten auch mit einer Tiegelzange in einen vorgeheizten Ofen einbringen, sollte aber darauf achten, dass das Glas in der Ofenwärme langsam aufgewärmt wird, bevor es Kontakt mit den heißen Ofenwänden bekommt. Das Gleiche gilt auch für das Entnehmen der heißen Glasplatten aus dem Ofen, wenn nicht die Zeit vorhanden ist, das Abkühlen des Ofens abzuwarten. Insbesondere darf die heiße Glasplatte nie mit einer kalten Tiegelzange gegriffen werden. Auch darf die heiße Glasplatte nicht auf eine kalte Unterlage gelegt werden. Als Anmerkung sollte noch darauf hingewiesen werden, dass das Oxidieren der Metallschicht auch in einem Haushaltsherd auf höchster Stufe möglich ist, allerdings etwas länger dauert.

 

 

  

 

Schritt 6: Reinigung der Glasplatten

 

Ein wichtiger Schritt im Fertigungsprozess einer Flüssigkristallanzeige ist die Reinigung der Glasplatten, bevor die Orientierung aufgebracht wird. Die Glasplattenoberflächen müssen vollständig fettfrei sein. Dazu werden die Glasplatten in einem besonderen alkalischen tensidfreien Reinigungsbad 3 bis 5 min gekocht. Es wird empfohlen, die Reinigungslösung in ein nicht zu hohes Becherglas zu geben und unter Zugabe von Siedesteinchen das Bad zum leichten Kochen zu bringen. Beim Umgang mit dem Reinigungsbad ist unbedingt eine Schutzbrille zu tragen! Die Zugabe der Siedesteinchen ist wichtig, um einen möglichen Siedeverzug zu verhindern! Die Glasplatten gibt man nun in das siedende Bad. Nach ca. 3 bis 5 min entnimmt man die Glasplatten der Reinigungslösung mit einer Pinzette und achtet darauf, daß die Glasplatten nicht mehr mit den Händen berührt werden. Mit destilliertem Wasser werden die Platten gespült und mit der Schichtseite nach oben auf ein Zellstofftuch gelegt. Die Überprüfung der Lage der Schichtseite erfolgt wieder mit dem Ohmmeter, wie in Schritt 1 beschrieben. Zur Beschleunigung des Trocknungsvorganges können die Glasplatten mit einem saugfähigen Zellstofftuch abgetupft werden. Jetzt sind die Glasplatten für den Orientierungsprozess vorbereitet.

 

Schritt 7: Orientierung der Glasoberflächen

 

In der Beschreibung der Funktion einer Flüssigkristallanzeige wurde schon darauf hingewiesen, dass die Flüssigkristallmoleküle an den Oberflächen in definierter Weise ausgerichtet werden müssen. Die Ausrichtung der Moleküle an der Oberfläche erreicht man durch sog. Reiborientieren. Reibt man die saubere Oberfläche der Glasplatte mit einem Zellstofftuch in einer Richtung, so legen sich die lang gestreckten Flüssigkristallmoleküle an der Oberfläche mit ihrer Längsachse in genau diese Richtung. Auch beim industriellen Fertigungsprozess von Flüs­sigkristallanzeigen werden die Oberflächen mit Samt bespannten Walzen gerieben. Die folgende Abbildung zeigt die Geometrie der Molekülorientierung in der Zelle.

 

 

Die Glasplatten müssen so gerieben werden, dass die Moleküle an der oberen Elektrode senkrecht zu denen an der unteren Oberfläche stehen. Es wird empfohlen, die Glasplatten in Richtung der längeren Achse zu reiben, um Irrtümer beim Zusammenfügen der Zelle zu vermeiden.

 

Nachfolgend wird nun der Vorgang des Reiborientierens ausführlich beschrieben:

 

Die gereinigten und inzwischen getrockneten Glasplatten werden mit der leitfähigen Schicht nach oben auf einem Zellstofftuch zwischengelagert. Man nimmt nun mit der Pinzette eine Glas­platte auf und legt sie (weiterhin mit der Schichtseite nach oben) auf die eine rutschfeste Unterlage. Nun faltet man ein Zellstofftuch mehrfach zusammen, so daß ein Kissen entsteht, das noch gut zwischen Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger mit beiden Händen zu fassen ist. Man setzt dieses Zellstoffkissen an einem Ende der Glasplatte an und zieht mit kräftigem Andruck das gefaltete Tuch mehrfach zum eigenen Körper, so dass die Glasplatte auf ihrer gesamten Fläche orientiert wird. Es ist nicht von Schaden, wenn Bereiche mehrfach in der gleichen Richtung gerieben werden, vielmehr ist dadurch eine bessere Oberflächenanbindung der Flüssigkristallmoleküle zu erwarten. Die fertige Glasplatte legt man - weiterhin mit der nun orientierenden Oberfläche nach oben - bis zur weiteren Verarbeitung auf ein ausgebreitetes Zellstofftuch.

 

Der Grund für die Orientierung der Moleküle an derart behandelten Oberflächen liegt vermutlich darin, dass durch den Reibprozess mikroskopisch kleine Rillen erzeugt werden, in die sich die langgestreckten Moleküle mit ihrer Längsachse hineinlegen.

 

 

 

Schritt 8: Zuschneiden der Abstandshalter

 

Die Glasscheiben sollen in der späteren Zelle mit Ihren beschichteten Seiten in einem Abstand von 10 bis 15 µm (!) gehalten werden. Dies geschieht durch Einlegen von Abstandshaltern, die eine Dicke von ca. 12 µm haben. Empfehlenswert ist Verpackungsfolie dieser Schichtdicke, etwa das Verpackungsmaterial, mit dem Zigarettenschachteln umhüllt sind. Aus diesem Material  werden zwei Streifen mit einer scharfen Schere zugeschnitten, die etwa die Abmessungen 35 mm x 2 mm haben.

 

 

 

Schritt 9: Zusammenfügen der Zelle

 

Gemäß der nachstehenden Abbildung werden nun die Glasplatten und Abstandshalter übereinander gelegt. Dabei ist zu beachten, dass die mit den Elektrodenstrukturen beschichteten Seiten sich innen gegenüberstehen und die beiden Abstandshalter am Rand platziert werden.

 

 

Schritt 10: Zusammenkleben der Zelle .

Mit einem schnell bindenden Zweikomponentenkleber (Bedienungsanleitung beachten !) werden zwei gegenüberliegende Seiten der Zelle verklebt, indem man mit dem Kunststoffspatel den Kleber an der Kante aufträgt. Es ist empfehlenswert, während des Abbindens des Klebers die Zelle im Bereich der Abstandshalter auf einem festen Untergrund zusammenzupressen, um später tatsächlich einen Abstand von 10-15 um zu erhalten. Wird der Abstand nicht eingehalten, so zeigt die Zelle später eine langsamere elektrooptische Reaktion.

 

 

Schritt 11: Füllen der Zelle

 

Der Flüssigkristall befindet sich in einem Metallfläschchen. Der Flüssigkristall ist mit einem Spatel zu entnehmen. Die jetzt noch an zwei Seiten offene Zelle wird durch Kapillarwirkung gefüllt. Dazu setzt man einen Tropfen des Flüssigkristalles in die noch offene Kante zwischen den Glasplatten und man wird beobachten, dass sich der Flüssigkristall selbständig in die Zelle hineinzieht, bis sie vollständig gefüllt ist. Reste des Flüssigkristalles können mit einem saugfähigen Zellstofftuch aus der Kante gewischt werden. Direkten Hautkontakt vermeiden!

 

  

 

Schritt 12: Verschließen der Zelle

 

Wie unter Punkt 10 beschrieben, werden jetzt die beiden noch offenen Kanten mit dem Zweikomponentenkleber verschlossen.

 

 

Schritt 13: Aufkleben der Polarisatoren

 

Eine Flüssigkristallanzeige wird üblicherweise in Reflexion betrieben. Dazu wird auf die Rückseite der Anzeige ein Polarisator mit einem dahinter liegenden metallischen Reflektor ge­klebt. Die Polarisationsfolien sind selbstklebend, wenn die entsprechende Schutzschicht abgelöst wird. Auf die Vorderseite der Anzeige klebt man eine transparente selbstklebende Polarisationsfolie. Je nach Polarisationsrichtung erscheinen dann helle Zeichen auf dunklem Grund oder dunkle Zeichen auf hellem Grund, wie zu Beginn beschrieben. Übliche Darstellung ist das dunkle Zeichen auf hellem Grund. Die Folien bieten aber durchaus Variationsmöglicheiten, etwa den Bau einer transparenten Anzeige, indem zwei transparente Polarisationsfolien verwendet werden, die dann auch parallel oder senkrecht zueinander gerichtete Polarisationsrichtungen aufweisen können und damit die Hell-Dunkel-Darstellung im angesteuerten und nicht angesteuerten Zustand invertiert wird.

 

 

 

 

Schritt 14: Ansteuerung der selbstgebauten Flüssigkristallanzeige

 

Eine Flüssigkristallanzeige wird mit niederfrequenter Wechselspannung angesteuert. Zum Ausprobieren der selbstgebauten Anzeige wird eine Spannung von ca. 5V benötigt. Wenn alle Schritte der Vor­schrift eingehalten wurden, liegt eine funktionsfähige Flüssigkrisallanzeige vor.

 

      

 

  

 

 

 

 

Mit dem Selbstbau einer Flüssigkristallanzeige ist das Grundverständnis für die Funktionsweise auf praktische Weise für eine Ein-Punkt-Anzeige vermittelt worden. Auch ein farbiger Flachbildschirm mit mehr als einer Millionen Bildpunkten funktioniert nach diesem Grundprinzip. Die Farbe wird durch Farbfolien vor jedem Pixel erzeugt und die Ansteuerung erfolgt durch eine komplexe Elektronik, die  als Dünnfilmtransistoren auf die Glasoberfläche auf der Displayinnenseite aufgebracht sind, wie die folgende Abbildungen am Beispiel eines Kameradisplays zeigt:

 

 

Bezugsquellen für Materialien zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen erfragen Sie bitte unter

 

 info@fluessigkristalle.com

 

 

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