Heimo Ponnath Design

Der flache Bildschirm

Text: Heimo Ponnath, Dipl.chem. (© 1991)
Bilder: Heimo Ponnath und Beatrice Löbl


Flüssige Kristalle

LCD ist die Abkürzung von "liquid crystal display", was mit "Flüssigkristallbildschirm" übersetzt werden kann. Was sind flüssige Kristalle? Materie existiert in drei Zuständen: Als Festkörper, als Flüssigkeit oder als Gas. Beispielsweise wird der Festkörper Eis durch Wärmezufuhr zum flüssigen Wasser, welches durch weitere Temperaturerhöhung schließlich in den Gaszustand verdampft. Jeder dieser Zustände hat charakteristische Eigenschaften: So reagieren die meisten kristallinen Festkörper in verschiedenen Raumrichtungen unterschiedlich auf elektrischen Strom, Wärme, Licht und andere physikalische Anregungen. Man nennt diese Eigenschaft Anisotropie. Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, daß die kleinsten Bausteine der betrachteten Substanz feste Plätze in einem starren Kristallgitter besetzen, daß somit eine bestimmte Symmetrie im Kristall vorliegt. Licht beispielsweise trifft auf seinem Weg durch solch ein Raumgitter mal auf mehr, mal auf weniger Kristallbausteine, je nach der Richtung, aus der es einfällt (siehe Bild 1).

Anisotropie


Bild 1. Isotropie und Anisotropie führen zu unterschiedlichem physikalischen Verhalten in verschiedenen Raumrichtungen

Anisotropie: Unterschiedliche Wechselwirkungen je nach Richtung

Isotropie: Alle Richtungen sind gleichwertig

Isotropie

Im Unterschied dazu bewegen sich die Moleküle in einer Flüssigkeit regellos durcheinander. Im statistischen Mittel trifft man aus jeder Raumrichtung kommend auf die gleiche Anzahl: Flüssigkeiten sind somit isotrop, es gibt keine bevorzugten Richtungen. Erstaunt waren daher vor etwas über 110 Jahren O.Lehmann und F.Reinitzer, als sie bei Untersuchungen einiger Flüssigkeiten auf anisotropes Verhalten stießen, auf typisch kristalline Eigenschaften! Lehmann prägte daraufhin den Namen "flüssiger Kristall".

Heute erklärt man sich diesen neuen Zustand der Materie aus der besonderen Gestalt der kleinsten Bausteine von flüssigen Kristallen, den Molekülen. In Flüssigkristallen gleichen sie langgestreckten Stäbchen. Im festen Zustand findet man auch hier den streng geordneten Kristallaufbau (siehe Bild 2). Neben der Ordnung im Raum aber führt die Molekülgestalt noch zu einer Orientierungsordnung, wobei die Richtung der Stäbchen eine Rolle spielt

Kristall

Bild 2. Flüssigkristall vor dem Schmelzen. 2 Ordnungen liegen vor: Die räumliche Ordnung und die der Orientierung der Stäbchen.

Erwärmt man solch einen Kristall bis zum Schmelzen, dann geht zwar die räumliche Ordnung verloren, die Orientierung der Stäbchen aber bleibt erhalten. Erst bei weiterer Temperaturerhöhung verschwindet nach und nach auch dieses Ordnungsprinzip und der Zustand der isotropen Flüssigkeit stellt sich ein. Man kann daher bei flüssigkristallinen Substanzen von zwei "Schmelzpunkten" sprechen: Der untere - Schmelzpunkt genannt - markiert den Übergang vom Festkörper in den flüssigen Kristall, der höhere - Klärpunkt - den zur isotropen Flüssigkeit. Für die Verwendung von Substanzen in LC-Displays ist die Ausdehnung und die Lage des Temperaturintervalls zwischen diesen charakteristischen Punkten von entscheidender Bedeutung, denn Displays sollen in einem nicht zu schmalen Temperaturbereich bei Raumtemperatur arbeiten. Erst langwierige physikalisch-chemische Untersuchungen verschiedener neuer Stoffe und Mischungen ergaben LC-Material, das in technischen Anwendungen zufriedenstellend arbeitet.

Flüssigkristalle treten in drei verschiedenen Erscheinungsformen auf, die sich durch die Orientierung der Stäbchenmoleküle im Raum unterscheiden. Bild 3 zeigt die drei Varianten. In der sogenannten nematischen Phase weisen alle Stäbchen in eine Richtung, ansonsten ist keine weitere Ordnung zu finden. Etwas komplexer ist die smektische Phase aufgebaut: Auch hier zeigen die Stäbchen in die gleiche Richtung, sie sind aber in Schichten angeordnet, die leicht gegeneinander verschiebbar sind. Innerhalb einer Schicht können die Stäbchen regelIos oder auch strukturiert vorliegen: Es ergeben sich so verschiedene smektische Phasen, die man durch Großbuchstaben kennzeichnet (smektisch A, smektisch B, und so fort. Derzeit reicht die Numerierung bis smektisch I ). Die dritte Variante ist die cholesterinische Phase. Hier liegen dünne Schichten vor, in denen die liegend angeordneten Stäbchen jeweils in die gleiche Richtung weisen. Von Schicht zu Schicht aber ändert sich diese Orientierung um einen kleinen Betrag: Sie bildet eine Schraube.

Bild 3. Die 3 Erscheinungsformen von Flüssigkristallen und ihre Charakteristika
nematischer Flüssigkristall a) Nematische Phase: Alle Stäbchen zeigen in eine Richtung
smektischer Flüssigkristall b) Smektische Phase: Wie in der nematischen Phase zeigen die Stäbchen in eine Richtung, sind aber in Schichten angeordnet, die leicht gegeneinander verschiebbar sind.
cholesterinischer Flüssigkristall c) Cholesterinische Phase: Die Stäbchen sind in dünnen Schichten liegend angeordnet, innerhalb jeder Schicht weisen alle in eine Richtung. Von Schicht zu Schicht verändert sich die Orientierung um einen kleinen Betrag. Sie bildet eine Schraube.

Obwohl auch die cholesterinische und die smektischen Phasen in modernen Verfahren nicht unbedeutende Rollen spielen, soll im folgenden nur die nematische Phase betrachtet werden: Vor allem diese Erscheinungsform flüssiger Kristalle ist in der LCD-Technik von Bedeutung. Zwei Verhaltensweisen nematischer Phasen interessieren besonders in der Bildschirmtechnik: Die Wechselwirkungen flüssiger Kristalle mit Licht und mit elektrischen Feldern.


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