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. .
Die Materialien können direkt über den Autor bezogen werden(siehe Lehrmittel).
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:
-
Indium-Zinn beschichtete Glasplatten
-
Selbstklebende Frontpolarisatoren
-
Selbstklebende Rückpolarisatoren mit
Reflektorschicht
-
Flüssigkristall (Weitbereichsmischung)
-
Alkalisches Reinigungsbad
-
Aceton
-
Salzsäure (5%ig)
-
Siedesteinchen
-
Zweikomponentenkleber
-
Glasschneider
-
Abstandsfolie ca. 12 µm
-
Wasserfester Markierstift
-
Tesafilm
-
Durchgangsprüfer (Multimeter)
-
div. Glasgeräte
-
Kochplatte
-
Schere
-
Demineralisiertes Wasser
-
Zellstofftücher
-
Tiegelofen oder Haushaltsherd mit
Backröhre
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 dem im Verhältnis 1:5 verdünnten 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:

Zu beziehen sind die Materialien zur
Herstellung von Flüssigkristallanzeigen über den Autor (siehe Lehrmittel).