Heimo Ponnath Design

Der flache Bildschirm

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


Elektrizität, Licht und flüssige Kristalle

Licht kann als eine elektromagnetische Welle aufgefaßt werden (siehe Bild 4). Solch eine Welle wird (unter anderem) gebildet durch die Schwingung einer Größe, die elektrischer Feldvektor genannt wird. Die Wellenlänge bestimmt die Farbe, die Amplitude hängt mit der Intensität des Lichtes zusammen.

Lichtstrahl als elektromagnetische Welle Bild 4. Ein Lichtstrahl als elektromagnetische Welle.

Natürliches Licht ist weiß: Man findet darin Wellenzüge unterschiedlicher Längen und ohne spezielle Orientierung der Ebene, in der der elektrische Feldvektor schwingt (siehe Bild 5).

Schwingung in allen Ebenen Bild 5. Natürliches Licht: Die Schwingung findet in allen Ebenen um die Ausbreitungsrichtung statt.

Manche Substanzen (Polarisatoren) haben die Eigenschaft, wie ein enges Gitter aus diesen vielen Schwingungsrichtungen eine einzige herauszufiltern (siehe Bild 6). So entsteht linear polarisiertes Licht, das in der LCD-Technik eine wichtige Rolle spielt. Bei LC-Displays verwendet man dazu spezielle Polarisationsfolien.

Polarisatorwirkung Bild 6. Die Wirkung eines Polarisators: Eine Schwingungsebene bleibt erhalten

Auch flüssige Kristalle selbst üben eine starke Wirkung auf Licht aus: Sie sind doppelbrechend. Substanzen mit der Eigenschaft der Doppelbrechung spalten einen eintretenden Lichtstrahl in zwei Anteile auf, die senkrecht zueinander polarisiert sind (siehe Bild 7). Nur in einem speziellen Fall findet diese Aufspaltung nicht statt: Wenn der eintretende Strahl entlang der sogenannten optischen Achse (das ist eine spezielle Richtung, die mit Symmetrieeigenschaften des Kristalls zusammenhängt) einfällt. Im Fall der Aufspaltung gehorcht der sogenannte ordentliche Strahl den normalen Brechungsgesetzen der Optik, der außerordentliche Strahl aber nicht: Seine Ausbreitungsgeschwindigkeit ist von der Eintrittsrichtung abhängig. Beim anschließenden Austritt aus dem doppelbrechenden Material addieren sich beide Strahlen wieder.

Doppelbrechung Bild 7. Doppelbrechung: Es entstehen zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen.

Es ist aber inzwischen etwas entscheidendes geschehen! Zum einen haben beide Strahlen durch die verschiedenen Winkel, unter denen sie den Kristall durchquert haben, unterschiedlich lange Wege zurückgelegt, sodaß eine Phasendifferenz eingetreten ist. Das Ergebnis ist mehr oder weniger stark elliptisch polarisiertes Licht, bei dem die Spitze des Feldvektors während einer Schwingung eine Ellipse beschreibt. Zum anderen haben unterschiedliche Wechselwirkungen mit den Molekülen der doppelbrechenden Substanz stattgefunden: Bestimmte Wellenlängen wurden (für jeden Strahl andere) absorbiert. Die Addition beider Strahlen führt nun zu farbigem Licht. Man nennt diese Erscheinung Dichroismus. Das Ziel, echte Schwarz/Weiß-Displays auf der Basis von Flüssigkristallen zu entwickeln, ist durch diesen Effekt erschwert zu erreichen. Es bedurfte eines großen Aufwandes an Forschungs- und Entwicklungsarbeit, dichroitische Farbverfälschungen zu eliminieren (3) und LC-Displays zu bauen, die schwarze Schrift auf weißem Untergrund erzeugen.

Flüssige Kristalle werden durch elektrische Felder beeinflußt. Das hängt mit der Stäbchenform der Moleküle zusammen und mit der ungleichen Ladungsverteilung darin. Einige Flüssigkristalle richten die Stäbchen entlang des elektrischen Feldes aus (man spricht dann von einer positiven Dielektrizitätsanisotropie), andere stellen sie quer zum Feld ein (ihre Dielektrizitätsanisotropie ist negativ). Bringt man nun eine nematische Substanz derart zwischen die Platten eines ebenen Kondensators, daß die Stäbchen parallel zu den Platten liegen, dann kann beim Einschalten des Feldes zweierlei geschehen (siehe Bild 8): Weist der Flüssigkristall positive Dielektrizitätsanisotropie auf, dann ordnen sich die Orientierungen der Stäbchen in Feldrichtung um, sobald das Feld stark genug ist, die beharrenden Kräfte, die sie in ihrer Lage festhalten (z.B.Viskosität, Adhäsion), zu überwinden. Lediglich direkt an den Platten bleiben die Stäbchen in der alten Lage. Im anderen Fall (negative D.) ändert sich nichts.

Wirkung des elektrischen Feldes Bild 8. Wirkungen des elektrischen Feldes auf nematische Flüssigkristalle, die parallel zu den Kondensatorplatten orientiert sind. Dielektrizitätsanisotropie: DEA.

Wie wirkt sich solch eine Veränderung auf durchtretendes Licht aus? Dazu muß man wissen, daß die optische Achse von Flüssigkristallen entlang der Stäbchenorientierung verläuft. Licht also (mit einer Ausbreitungsrichtung quer zu den Platten), das im feldfreien Zustand durch die eben geschilderte Anordnung gesandt wird, erfährt einen starken Effekt der Doppelbrechung, weil es quer zur optischen Achse gerichtet ist. Durch die Umorientierung im elektrischen Feld (das ebenfalls quer zu den Platten gerichtet ist) aber zeigen die Stäbchen (und damit die optische Achse) und die Ausbreitung des einfallenden Lichtes in dieselbe Richtung: Keine Doppelbrechung ist zu beobachten. Der Unterschied ist sowohl durch Farberscheinungen als auch mittels Polarisatoren deutlich zu sehen.

In Bild 9 ist eine weitere Variante zu sehen: Im feldlosen Zustand seien die Stäbchen der nematischen Phase senkrecht zu den Kondensatorplatten orientiert. Wieder können - je nach Dielektrizitätsanisotropie- zwei Zustände eintreten. Ist sie negativ, dann ändern die Stäbchen ihre Orientierung: Sie stellen sich quer zur Feldrichtung, sobald sie die Kräfte der Viskosität überwunden haben. Lediglich direkt an den Platten bleibt die alte Richtung erhalten. Ist aber die Dielektrizitätsanisotropie positiv, dann ändert sich nichts. Scheint Licht durch den feldfreien Flüssigkristall, dann tritt keine Doppelbrechung ein, denn optische Achse und Lichtrichtung sind identisch. Im elektrischen Feld aber stehen beide Richtungen senkrecht aufeinander und maximale Doppelbrechung ist die Folge.

Wirkung des elektrischen Feldes 2 Bild 9. Der DAP-Effekt: Nematische Flüssigkristalle, die senkrecht zu den Plattenebenen orientiert sind, werden bei negativer Dielektrizitätsanisotropie (DEA) neu gerichtet.

Die Tatsache, daß man in dieser Anordnung nach dem Anlegen des elektrischen Feldes eine Doppelbrechung erhält, hat interessante Konsequenzen. Hat man nämlich erst einmal eine gewisse Schwellspannung überschritten (die zum Beginn der Orientierungsumlagerung führt), dann genügen schon kleine Veränderungen des elektrischen Feldes, um den Grad der Doppelbrechung zu steuern. Auf dieser Erscheinung beruht ein Verfahren, das in der englischen Literatur ECB (electrically controlled birefringence = elektrisch gesteuere Doppelbrechung) genannt wird (in der deutschen übrigens DAP = Deformation aufrechtstehender Phasen). Dabei nutzt man die Nebenwirkung der Doppelbrechung - den Dichroismus - aus, indem die entstehenden Farben zur Colorsteuerung eingesetzt werden.

Beide bisher genannte Varianten sind sogenannte Feldeffekte, die in der modernen LCD-Technik die Hauptrolle spielen. Ein weitere Wirkung des elektrischen Feldes auf flüssige Kristalle wird DSM (dynamic scattering mode = dynamische Lichtstreuung) genannt. Hier tritt neben der Umorientierung der Stäbchen im Feld noch eine andere Wirkung in den Vordergrund: Die Moleküle nehmen an der einen Kondensatorplatte elektrische Ladungen auf, wandern zur anderen Platte und entladen sich dort. Es entsteht eine turbulente Strömung, die Struktur des flüssigen Kristalls verändert sich - und damit auch die Wechselwirkung mit Licht, welches nun stark gestreut wird. LC-Displays auf dieser DSM-Basis finden selten Verwendung: Neben dem Ladungstransport können nämlich auch elektrochemische Reaktionen auftreten, die allmählich zur Zersetzung beteiligter Substanzen führen.

Auch wenn die physikalischen und chemischen Grundlagen von Anzeigen mittels flüssiger Kristalle weitgehend geklärt sind: Viel Forschungs-und Entwicklungsarbeit war nötig, um auf dieser Basis Displays auf den Markt zu bringen, die den Anforderungen des Farbfernsehens oder eines VGA-Laptops genügen. Wie wurde der flache Bildschirm auf Flüssigkristallbasis technisch realisiert?


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