Flüssigkristalle
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Flüssigkristallanzeigen (LCDs) Quartalsarbeit am Elisabethgymnasium Vorgelegt von David Drost, Klasse 11a Am 20. April 2006 Flüssigkristallanzeigen (LCDs) Abb. 1: Aufbau eines Flüssigkristalldisplays (nach /1/) 2 Inhaltsverzeichnis 1. Flüssigkristallanzeigen, allgemeines 1.1 Flüssigkristalle 1.2 Polarisation von Licht und Polarisatoren 1.3 Aufbau und Funktionsweise von LCDs 1.3.1 Aufbau und Funktionsweise von TN-LCDs 1.3.2 Aufbau und Funktionsweise von TFT-LCDs 2. Anwendung von LCDs 3. Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von LCDs 4. Zusammenfassung 5. Glossar 6. Literaturverzeichnis 3 1. Flüssigkristallanzeigen, allgemeines 1877 beschrieb der Physiker O. Lehmann eine zähflüssige Modifikation des Silberjodids, die im Temperaturbereich zwischen 150°C und 450°C existiert. Bei dieser Substanz fand er kristallographisch einen Aufbau, der sich nicht mit den Vorstellungen des flüssigen Aggregatzustandes in Einklang bringen ließ. Etwa 10 Jahre später fand der Botaniker F. Reinitzer bei einer organischen Verbindung, dem Cholesterinbenzolat, einen von ihm sogenannten „doppelten Schmelzpunkt“ sowie Doppelbrechung in der flüssigen Phase und optische Aktivität. 1889 sprach Lehmann dann von „fließenden Kristallen“. Praktische Anwendung fanden diese heute als „Flüssigkristalle“ bezeichneten Substanzen jedoch erst lange Zeit später. Eine Patentanmeldung von W. Heilmeier von den RCA-Laboratories (USA) zur Nutzung bestimmter Verhaltensweisen flüssigkristalliner Substanzen in elektrischen Feldern für Informationsanzeigen, brachte Mitte der 70er Jahre des 20. Jahrhunderts den Durchbruch. Seither haben diese Flüssigkristallanzeigen als Symbolanzeiger von Ziffern, Buchstaben und für Symboldarstellungen in elektronischen Anzeigevorrichtungen wie z.B. in Messgeräten, Uhren (bevorzugt in Armbanduhren), Taschenrechnern, Computerbildschirmen usw. ein breites und beständig wachsendes Einsatzspektrum gefunden. Fest steht also, dass Flüssigkristallanzeigen in Bauelementen zum Darstellen von mehreren Ziffern- bzw. Zeichenstellen und zur Darstellung von Bildern eingesetzt werden, den sogenannten Displays. Dieser englische Begriff „Display“, als Bezeichnung für diese Bauelemente, hat sich international eingebürgert. Deshalb ist auch die internationale Bezeichnung für Flüssigkristallanzeigen LCD (aus dem Englischen: liquid crystal display). LCDs haben vor allem den Vorteil, dass sie für ihren Betrieb eine extrem niedrige Leistung (einige Mikrowatt pro Quadratzentimeter Displayfläche) benötigen. Deshalb sind die LCDs bestens für solche Geräte geeignet, bei denen es vor allem darauf ankommt, den Stromverbrauch des Gerätes so gering wie möglich zu halten, wie z.B. in Armbanduhren mit ihrer geringen und begrenzten Batteriekapazität oder in Taschenrechnern und transportablen Messgeräten. Damit stehen die LCDs im krassen Gegensatz zu den Leuchtdioden (aus dem Englischen: light emitting diodes, LEDs), welche für ihren Betrieb im Vergleich zu den LCDs sehr viel Strom verbrauchen. Der geringe Stromverbrauch der LCD-Bauelemente ist damit zu begründen, dass die anzuzeigenden Symbole nicht selbstleuchtend sind, d.h., dass in ihnen keine Energie verbraucht wird, um in Licht umgewandelt zu werden und Licht abzustrahlen, sondern nur eine Verfärbung, also eine Kontraständerung der Symbole bewirkt wird. Die darzustellenden Symbole auf den Flüssigkristallanzeigen lassen sich deshalb nur dann ablesen, wenn auf sie Fremdlicht einwirkt. Das kann entweder natürliches oder auch künstliches Licht sein. Ein weiterer Vorteil ist hierbei gegenüber den selbstleuchtenden Anzeigen (also den LEDs), dass mit Erhöhung der Intensität des auf die Flüssigkristallanzeigen einfallenden Lichtes die darzustellenden Symbole immer besser ablesbar werden, weil der Kontrast zunimmt. (Besonders störend wirkt dieser Effekt bei Ampeln im Straßenverkehr, die selbstleuchtend sind. Scheint die Sonne direkt auf die Ampel, kann die Farbe nicht mehr wahrgenommen werden.) Dieser Effekt ist nämlich optisch bedingt: durch das Zunehmen des Kontrastes bei den LCDs und das Abnehmen des Kontrastes bei den LEDs. Somit wird kein zusätzlicher Strom verbraucht, was ein wesentlicher Vorteil der LCDs ist. 4 Zu Beginn der Herstellung von Flüssigkristall-Anzeigen hatten die LCDs eine geringe „Lebensdauer“, aufgrund von Fertigungsproblemen. (Deshalb betrug das Verhältnis von LED- zu LCD-Anzeigen in Armbanduhren in den 70er Jahren 70:30.) Inzwischen haben die Fertigungstechnologie und Lebensdauererwartung für LCD-Bauelemente ein hohes Niveau erreicht (Nutzungsdauern über 50 000 h). 1.1 Flüssigkristalle Flüssige Kristalle sind organische makromolekulare Verbindungen (Kohlenwasserstoffe). Sie haben eine längliche Molekülform, sind also ellipsoidförmig ausgebildet. Das ist damit zu begründen, dass die Flüssigkristallmoleküle selbst aus Hunderten von Kohlenwasserstoffen mit zahlreichen und verschiedenen Restgruppen, wie z.B. aromatischen- oder OH-Gruppen aufgebaut sind, sodass ein längliches, sehr langkettiges und langgestrecktes Makro-Molekül entsteht. Jede einzelne dieser aromatischen Verbindungen ist mit der benachbarten aromatischen Gruppe durch eine Brücke verbunden (siehe Abb. 2 und Abb. 3). Abb. 2: Prinzipieller Aufbau eines Flüssigkristallmoleküls (nach /2/) In den meisten Fällen sind die aromatischen Gruppen Benzolringe, in manchen Fällen kann eine der beiden aromatischen Gruppen jedoch auch von z.B. Cyclohexan oder von Pyrimidinen gebildet werden. Die Restgruppen werden z.B. durch Alkyl-, Cyano- oder Nitrogruppen gebildet. Flüssigkristalle können sich in bestimmten Aggregatszuständen befinden, zu deren Ausbildung die Temperaturbereiche - je nach Stoff - unterschiedlich sind. Sie können sich - und das ist das Besondere der Flüssigkristalle im Gegensatz zu anderen Stoffen - in einem (besonderen) Zustand zwischen fest und flüssig befinden, der sogenannten mesomorphen Phase (auch als Meso- oder Zwischenphase bezeichnet). 5 Abb. 3: 3d-Modell des Aufbaus eines Flüssigkristallmoleküls (nach /3/) Diese mesomorphe Phase ist deshalb eine Sonderform des sogenannten festen Aggregatszustandes (der anisotropen Phase), weil bei diesem Zustand die Anordnung der Flüssigkristallteilchen in ihrer Molekülstruktur gleichmäßig ist, sodass sie wie in einem Raumgitter angeordnet sind, jedoch bleiben die Flüssigkristallmoleküle gegeneinander weitgehend frei beweglich (siehe Abb. 4). Abb. 4: Temperaturabhängigkeit der Phasenzustände thermotroper Flüssigkristalle (nach /3/) 6 Als isotrop werden alle Substanzen in einem flüssigen (auch als amorph beschrieben: d.h. die Teilchen sind nicht regelmäßig angeordnet) oder gasförmigen Aggregatzustand (auch keine regelmäßige Anordnung der Teilchen, und die Moleküle haben noch größere Abstände zueinander als in Flüssigkeiten) bezeichnet. Als anisotrop werden all die Substanzen bezeichnet, die fest sind (auch als kristallin beschrieben: die Teilchen sind in einem Raumgitter angeordnet). Und genau zwischen diesen beiden Phasen befindet sich der flüssigkristalline Zustand (auch genannt der Meso- oder Zwischenphase), der für LCD-Bauelemente von besonderer Bedeutung ist. Die unterschiedlichen Temperaturbereiche, in denen die Flüssigkristalle fest sind oder flüssig vorliegen, lässt sich auf die Instabilität des Brückengliedes zwischen den beiden aromatischen Gruppen zurückführen. Dieses Brückenglied kann durch verschiedene Außeneinwirkungen wie z.B. Feuchtigkeit, hohe Temperaturen (oder extrem niedrige Temperaturen) oder UVStrahlung aufgebrochen werden und somit das Flüssigkristallmolekül funktionsunfähig machen. Der Aufbau von Substanzen mit direkter Kopplung der beiden aromatischen Ringe wie Biphenyle oder Phenylcyclohexane aus einfachen Stoffen ist notwendig, um diese Flüssigkristalle in alltagstaugliche Displays einsetzen zu können. Heutzutage werden für die Herstellung von Flüssigkristallanzeigen speziell solche Flüssigkristallsubstanzen hergestellt, die aus mehr als 10 verschiedenen Verbindungen synthetisiert werden, damit der Temperaturbereich, in dem sich die Flüssigkristalle im flüssigkristallinen Zustand befinden, möglichst groß ist (vergl. Tabelle 1.1. in Abb. 5). Abb. 5: Temperaturbereiche der nematischen Phasen verschiedener Flüssigkristallsubstanzen (nach / 4/) 7 Die hohe Zuverlässigkeit, die von Displays in Uhren, Rechnern, Automobilen und Bildschirmgeräten gefordert wird, stellt hohe Anforderungen an die Auswahl der chemischen Verbindungen. Die Anforderungen für die Auswahl der Stoffe betreffen nicht nur Resistenz gegen thermische Belastung, Lichteinstrahlung und elektrolytische Zersetzung durch die Elektrodenprozesse, sondern auch an die Notwendigkeit kurzer Schaltzeiten (siehe Kapitel 1.3.2) insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Flüssigkristalle sind die grundlegenden Bausteine für LCDs. Ihre Anordnung und Lage kann durch äußere Einflüsse stark beeinflusst werden. Z.B. richten sich die Flüssigkristallmoleküle an einer Trägerglasplatte ohne Orientierungsschicht ungeordnet aus. Sobald jedoch die Glasoberfläche mit einer speziellen Orientierungsschicht ausgestattet ist, nehmen die Flüssigkristalle eine Vorzugsrichtung ein, ordnen sich also regelmäßig auf der Glasplatte an (siehe Abb. 6). Schon diese Eigenschaft unterscheidet Flüssigkristallsubstanzen von anderen, „normalen“ flüssigen Stoffen. Abb. 6: Anordnung der Flüssigkristallmoleküle auf einer Glasträgerplatte (nach /5/) Links, Glas ohne Orientierungsschicht: die Moleküle sind ungeordnet; Rechts, Glas mit PI-Orientierungsschicht: die Moleküle sind einheitlich orientiert Darüber hinaus herrscht zwischen den Flüssigkristallmolekülen eine Fernordnung, die bewirkt, dass weitere Flüssigkristallmoleküle, die nicht direkten Kontakt mit der Trägerglasplatte haben, sondern in der Nachbarschaft liegen, ebenfalls orientiert werden. Werden die Flüssigkristallmoleküle zwischen zwei Glasplatten, die parallel zueinander liegen, eingebettet und 8 die außerdem noch Orientierungsschichten aufweisen, nehmen alle Flüssigkristallmoleküle zwischen den Glasplatten die gleiche Orientierung an (siehe Abb. 7). Sind die Glasträgerplatten mit Abstand von wenigen Nanometer parallel übereinander liegend angeordnet, die Orientierungsschichten aber 90° verdreht zueinander ausgebildet, bilden die Flüssigkristallmoleküle schraubenförmige Anordnungen von Θ = 90° Drehwinkel (genannt „twisted nematic cell“, TN-Zelle) oder von Θ = 270° Drehwinkel aus (genannt „super twisted nematic cell“, STN-Zelle). In Abb. 8 sind diese beiden Fälle schematisch dargestellt. Dass sich ein Drehwinkel ausbildet, ist davon abhängig, dass spezielle Flüssigkristallsubstanzen zum Einsatz gelangen. In dieser Eigenschaft unterscheiden sich die Flüssigkristallsubstanzen wiederum von „normalen“ Flüssigkeiten, bei denen sich keine Schraubenform ausbildet. Abb. 7: Anordnung der Flüssigkristallmoleküle zwischen zwei Glasträgerplatten (nach /2/) Abb. 8: Anordnung der Flüssigkristallmoleküle zwischen zwei Glasträgerplatten mit 90° zueinander verdreht angeordneten Orientierungsschichten (nach /5/) 9 1.2 Polarisation von Licht und Polarisatoren Licht ist als elektromagnetische Strahlung beschreibbar mit elektrischen und magnetischen Feldanteilen. Für das menschliche Sehen sind die elektrischen Feldvektoren entscheidend (sichtbares Licht). Die elektrischen Feldvektoren schwingen dabei senkrecht zum magnetischen Feldvektor. Elektrischer und magnetischer Feldvektor stehen dabei außerdem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Licht hat sowohl Teilchen, als auch Wellencharakter. Beschreibt man Licht als Welle, so ist es eine Transversalwelle. Die Schwingungsrichtung dieser Welle ist also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Die Energie und die Farbe des Lichtes hängen von seiner Wellenlänge ab. Um so höher die Frequenz des Lichtes, desto höher ist auch seine Energie. Sichtbares Licht muss Wellenlängen von ca. 380nm (blau) bis ca. 780nm (rot) haben. Während monochromatisches Licht in alle Richtungen mit fast gleicher Frequenz schwingt, entsteht weißes Licht durch die Überlagerung von allen möglichen Wellenlängen des sichtbaren Bereiches. D.h. Die elektrischen Feldvektoren des Weißen Lichtes schwingen in alle Richtungen, wobei die unterschiedlichen Wellen unterschiedliche Wellenlängen haben, und die Überlagerung der verschiedenfarbigen Lichtwellen ergibt weißes Licht. Polarisation des Lichtes ist nun nichts anderes, als das Herausfiltern einer der beiden Komponenten (x- oder y-Komponente) des Vektors des elektrischen Feldes (siehe Abb. 9). Abb. 9: Schematische Darstellung der Wirkung eines Folienpolarisators (nach /4/) Dadurch wird im LCD erreicht, dass, wenn das Licht der Molekülstruktur der Flüssigkristalle folgt und auf den Analysator (zweites Polarisationsfilter im Strahlengang) trifft, die Drehung des Lichtes wahrgenommen werden kann. Das führt dann dazu, dass je nach Ausrichtung der beiden Glasplatten (und der daraus resultierenden Orientierung der Flüssigkristalle) das aus dem Analysator heraustretende Licht Weiß (oder farbig) ist oder dass kein Licht austritt (schwarz). Voraussetzung ist das Vorhandensein von linear polarisiertem Licht (mit nur einer Komponente des elektrischen Feldvektors) und das Vorhandensein von Farbfiltern und eines zweiten Polarisationsfilters (Analysator). Würde das Licht nicht polarisiert werden, würde die Drehung des Lichtes durch die helixartige (schraubenförmige) Flüssigkristallmolekülstruktur nicht wahrnehmbar und damit überflüssig sein, da dann eine der beiden Komponenten des elektrischen Feldvektors immer den Analysator passieren könnte. D.h. es wäre somit nicht 10 möglich, im LCD zwischen dunkel und hell durch An- und Ausschalten eines elektrischen Feldes zu schalten. Die Farbe des Lichtes würde so immer die gleiche bleiben. Polarisationsfilter, die für Flüssigkristallanzeigen eingesetzt werden, bestehen aus 2 Polyesterfolien, in deren Zwischenraum eine Schicht aus polarisierendem Material mit langgestreckten und einheitlich ausgerichteten Jod-Komplexverbindungen eingebettet ist, siehe Abb. 10. Abb. 10: Aufbau polarisierender Folien (nach /6/), Hersteller: Nitto Denko, Japan Neuerdings wurden Gläser für Anwendungen in LCDs entwickelt, die bereits selbst eine Polarisationswirkung haben (siehe Abb. 11) . Abb. 11: Querschliff eines Polarisationsglases (nach /7/); Hersteller: F.O.B. GmbH, Deutschland 11 Die Polarisationswirkung dieser Gläser entsteht dadurch, dass kristallines Silber in einer dünnen Schicht im Glas eingebettet ist. Die Silberkristallite selbst sind submikroskopisch klein (Dimensionen von einigen 10 nm), haben Ellipsoidform und sind einheitlich orientiert. Auf Grund dieser Eigenschaften wirken diese Gläser polarisierend für sichtbares und ultraviolettes Licht. Der Einsatz dieser Gläser ermöglicht es, die LCD-Herstellungstechnologie zu vereinfachen, da keine Polarisationsfolien mehr aufgeklebt werden müssen. 1.3 Aufbau und Funktionsweise von LCDs LC-Displays können aufgrund ihres, je nach Bedarf, variablen Aufbaus auch unterschiedlich funktionieren und in verschiedenen elektronischen Anzeigevorrichtungen verwendet werden. Dabei äußert sich die genannte Variabilität des Aufbaus der LCDs sowohl in der verschiedenen Anzahl an Schichten und den verschiedenen Arten dieser Schichten, als auch im Verlauf des Lichtstrahls bzw. in der Position der Lichtquelle. Daher werde ich mich auf die Darstellung zweier der gebräuchlichsten LCDs beschränken, da die Darstellung aller LCD-Typen und auch die Beschreibung des Innovationspotenzials beim Einsatz des Polarisationsglases aus Abb. 11 den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde. Näher betrachten will ich die Displays für Uhren, Messgeräte (TN-Zellen genannt) und Computerbildschirme (TFT-LCD genannt, siehe Abb. 12). Beginnen will ich mit dem Aufbau einer TN-Zelle (Twisted Nematic LCD) und enden mit TFT- LCDs (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display). Abb. 12: Querschnitt eines TFT-LC- Displays (nach /8/) 1.3.1 Aufbau und Funktionsweise von TN-LCDs Grundsätzlich besteht ein LC-Display aus zwei übereinander im Abstand von wenigen Mikrometern zueinander parallel liegenden durchsichtigen Glasplatten. Auf deren Innenseiten 12 sind elektrisch leitfähige, optisch transparente Elektroden angeordnet. Sie bestehen aus Indium-Zinnoxid (ITO genannt). Die ITO- Elektroden sind durch schmale ITO-Leiterzüge, die zum Rand der Zelle führen, mit der Ansteuerelektronik verbunden. Über die ITO-Elektroden und Leiterzüge hinweg ist auf den inneren Seiten der Glasträger je eine Orientierungsschicht ausgebildet. Die Orientierungsschichten bestehen aus Polyimid (PI), das in einer bestimmten Vorzugsrichtung gerieben wurde. Durch dieses Reiben entsteht die Orientierung der Orientierungsschicht. Diese Reiborientierung bleibt dauerhaft bestehen. Nach deren Orientierung(en) richten sich dann die mit der PI-Schicht unmittelbar in Kontakt stehenden Flüssigkristallmoleküle im nicht angesteuerten Zustand (ohne Einfluss eines elektrischen Feldes) aus. Den Abstand zwischen den Trägerglasplatten bestimmen kleine, zusätzlich eingebettete Glaskügelchen (Spacer genannt), die im Herstellungsprozess nach dem Reiborientieren des PI zusätzlich, also bevor die beiden Glasplatten zusammengefügt werden, aufgesprüht werden und die durch das PI in gewissem Maße in ihrer Lage fixiert sind. Dann werden die äußeren Ränder der Glasplatten – bis auf zwei kleine gegenüberliegende Öffnungen - mit Epoxidharz verklebt (Kleberahmen). Anschließend wird der verbliebene Zwischenraum durch eine der oben beschriebenen Öffnungen des Kleberahmens mit Flüssigkristallsubstanz befüllt. Das Füllen geschieht durch Kapillarkräfte, die man zusätzlich noch durch Vakuumabsaugung an der gegenüberliegenden Öffnung des Kleberahmens unterstützt. Gleichzeitig wird damit erreicht, dass keine Luftbläschen eingeschlossen werden, sondern der gesamte Zwischenraum wird gleichmäßig mit der Flüssigkristallsubstanz befüllt und ist zusätzlich noch blasenfrei ausgeführt. Für Farbdarstellungen müssen danach noch Farbfilter auf eine der beiden GlasplattenAußenseiten aufgebracht werden. Auf diese Glasplatten ist dann jeweils auf die GlasplattenAußenseiten oben und unten jeweils eine Polarisationsfolie aufzukleben. Will man SchwarzWeiß Darstellungen, so benötigt man keine Farbfilter und es werden nur die Polarisationsfolien aufgeklebt. (Die Farbfilterherstellung ist ein aufwändiger technologischer Prozess, der hier nicht weiter erläutert werden soll, um den Umfang der Arbeit nicht zu sprengen. LCD-Farbfilterhersteller gibt es in der Welt nur wenige, alle ansässig in Taiwan, Japan oder Korea.) 1.3.2 Aufbau und Funktionsweise von TFT-LCDs Nun zu den TFT LC-Displays (siehe Abb. 13): Beginnen will ich mit der (meist künstlichen) Lichtquelle. Folgt man jetzt einem aus der Lichtquelle erzeugten unpolarisierten Lichtstrahl, gelangt dieser zu dem FrontseitenPolarisator. Tritt das Licht hindurch, wird nur noch eine von den vielen Schwingungsrichtungen, in die das Licht ursprünglich Schwingungen vollführte (bezogen auf den elektrischen Feldvektor, siehe Kapitel 1.2), hindurchgelassen, alle anderen werden herausgefiltert. Nun durchläuft das jetzt linear polarisierte Licht die erste Glasplatte und gelangt weiter über die ITO-, TFT- (die Dünnfilmtransistor-) und PI- Schicht zu den Flüssigkristallen. Die Dünnfilmtransistoren (TFTs) sind eng begrenzte Halbleiterstrukturen, die aus Silizium bestehen. Die TFTs bewirken als aktive elektrische Schalt-Elemente eine schnellere Ansteuerung der ITOElektroden, zwischen denen sich das elektrische Feld im angesteuerten Zustand aufbaut. Das elektrische Feld ist so stark, dass die parallele und vorzugsorientierte Orientierungswirkung der PI-Schicht des feldlosen Zustandes überwunden wird. Es bewirkt eine Lageänderung der Flüssigkristallmoleküle um 90°, d.h. ein Aufrichten der langgestreckten LC-Moleküle senkrecht zu den Glasplatten. 13 Abb. 13: Querschnitt durch ein Vollfarb- TFT- LCD für Anwendungen z.B. in Computerflachbildschirmen, Notebooks und im TV Bereich (nach /9/) Angekommen bei den Flüssigkristallmolekülen, folgt das weiße, linear polarisierte Licht der Drehrichtung der Flüssigkristallmoleküle, die im feldlosen Zustand durch die Wirkung der Orientierungsschicht gegeben ist, durchdringt unten die Farbfilter (die nur bestimmte Farben hindurchlassen und die anderen absorbieren, sodass farbiges linear polarisiertes Licht übrigbleibt). Dann durchdringt das Licht die ITO-Elektroden, das Glas und die RückseitenPolarisationsfolie, die so orientiert aufgebracht ist, dass sie genau in Durchlassrichtung liegt. An einem solchen Bildpunkt tritt farbiges linear polarisiertes Licht aus dem LCD aus, das von einem Betrachter (z.B. Mensch) wahrgenommen werden kann. Drei nebeneinander liegende farbige Bildpunkte (Subpixel genannt) in den Farben rot, grün und blau sind nötig, um durch additive Farbmischung jede beliebige Farbe erzeugen zu können. Eine solche aus drei Subpixeln (rot, grün, blau) bestehende Einheit wird Farbpixel genannt. Liegt dagegen das elektrische Feld zwischen den ITO-Elektroden an, wird die Polarisationsebene des Lichtes nicht gedreht, weil dann die gedrehte Flüssigkristallanordnung aufgebrochen wird, sodass das linear polarisierte Licht in Sperrichtung auf das untere Polarisationsfilter trifft, welches es somit nicht durchdringen kann. Der entsprechende Bildpunkt bleibt somit schwarz. In einem solchen TFT-LCD- Aufbau wird jeder Bildpunkt zwischen schwarz, rot, grün und blau geschaltet. Durch die additive Farbmischung können daraus sämtliche Farben erzeugt werden, sowie weiß und durch Auslöschung auch schwarz. Über das Verhältnis der Ausschalt- zu den Einschaltzeiten der jeweiligen Subpixel werden die Graustufen (Helligkeit) gesteuert. Da das gesunde menschliche Auge mindestens 64 Graustufen unterscheiden kann, ergeben sich für die Farbdarstellung (64 Rottöne) . (64 Grüntöne) . (64 Blautöne) = 643 = 262144 Farben plus Schwarz. Steuert man das TFT-LCD so an, dass 128 Graustufen generiert werden, ergeben sich 1283 = 2 097 152 Farben plus Schwarz. (Solche Angaben „Anzahl der Farben“ sind beim Kauf eines Monitors immer zu finden). Jeder TFT-LCD- Monitor hat einige 100 000 bis mehrere Millionen solcher Bildpunkte, die zusammen über die äußere elektrische Ansteuerung so beschaltet werden, dass sich stehende, aber auch bewegte, Farbbilder, die sich aus der Vielzahl der Einzelbildpunkte zusammensetzen, ergeben. Die schwarze Umrandung der Subpixel und Pixel („black matrix“ genannt) ist eine aus Chrom bestehende (und somit lichtundurchlässige) Schicht, die zur Verbesserung des visuell 14 wahrnehmbaren Kontrastes dient. Diese Matrix ist schwarz, weil der Kontrast zwischen Schwarz und Farbe für das menschliche Auge empfindlicher wahrzunehmen ist als der Kontrast zwischen Weiß und Farbe. Auf diese Weise wird eine brillantere Bildwiedergabe erreicht. 2. Anwendung von LCDs Nach /11/ hat kaum ein anderer Markt so hohe Wachstumsraten wie der LCD-Markt. Der Erfolg der LCDs liegt in der grossen Vielzahl und Flexibilität ihrer Anwendungen, die keine andere Technologie bietet. Die LC-Technik ermöglicht Displays mit Bilddiagonalen von 3,75 cm bis 100 cm und größer bei sehr geringer Einbautiefe und geringem Gewicht. Dadurch lassen sich LCDs praktisch überall einsetzen: In Mobiltelefonen, als Anzeigemodule in Autos und Flugzeugen, im Bereich Industrie, Medizin, Werbung oder als Flachbilfernseher (TV). Schnelle Pixelreaktionszeiten von nur wenigen Millisekunden (Stichwort TFT-LCD), große Kontrastverhältnisse und Helligkeit sowie hohe Auflösungen selbst bei kleinen Formaten sorgen in den unterschiedlichsten Situationen für eine brillante Bildwiedergabe (vergl. Kapitel 1.3.2). Im Gegensatz zu manch anderer Flachbildschirmtechnologie überzeugen Flüssigkristalldisplays zudem durch hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Sie enthalten auch keine toxischen Materialien und benötigen im Gegensatz zur Brownschen Kathodenstrahl-Röhre für ihren Betrieb weder Vakuum noch Hochspannungen. 3. Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von LCDs Die LCD-Hersteller in Taiwan, Japan und Korea (dort sind sämtliche LCD-Hersteller ansässig) liefern Massenprodukte aus der Großserienfertigung, die keine einsatzoptimierten oder speziellen Einsatzgebieten angepasste Ausführungen aufweisen. Diese Lücke versucht z.B. die Firma „VIAdisplay“, die fertige Displays zukauft und für bestimmte Einsatzzwecke ausstattet (sozusagen veredelt), zu schließen: Diese Firma optimiert (nach /12/) u.a. TFT-, STN- und TN- Displays. Wie schon in Punkt 1.1 erwähnt, hängt die Verwendbarkeit von LCDs stark davon ab, in welchem Aggregatszustand sich die Flüssigkristallsubstanz befindet. Dieser Aggregatszustand wird durch die Einsatztemperatur vorgegeben. Befindet sich also eine Flüssigkristallanzeige in einem Bereich, in dem nicht die Temperatur herrscht, die für den flüssigkristallinen Zustand des Flüssigkristalls notwendig ist, so wird die Flüssigkristallanzeige in diesem Temperaturbereich nicht funktionsfähig sein (allerdings erleidet sie auch keine Schädigung). Wären die Flüssigkristalle flüssig oder fest, so wären die Flüssigkristalle nicht mehr in der Lage, zu schalten bzw. die Polarisationsebene des Lichtes zu drehen. Somit würde die Verwendbarkeit in Uhren, Messgeräten, Laptops usw. eingeschränkt werden. Um etwas ins Detail zu gehen: Wären die Flüssigkristalle flüssig statt flüssigkristallin, so würde das auf den Analysator fallende, durch den Polarisator linear polarisierte Licht nicht in seiner Schwingungsebene gedreht werden können (da die Moleküle dann keine regelmäßige und geordnete Struktur aufweisen), da die Molekülstruktur zu unregelmäßig wäre, um eine 15 Drehung des Lichtes zu bewirken.. Wären die Flüssigkristalle fest, könnten sie nicht mehr durch die Elektroden und das elektrische Feld in ihrer Lage geschalten werden. Verursacht wird eine Aggregatszustandsänderung z.B. durch zu tiefe Temperaturen (fest) oder zu hohe Temperaturen (flüssiger Aggregatzustand) und viele andere natürliche Einflüsse. Um dies an einem praktischen Beispiel zu verdeutlichen: Verlässt ein Flachdisplay den schützenden Bereich eines Büros oder Zimmers, so ist es zahlreichen (wie oben beschrieben) Umwelteinflüssen ausgesetzt. Z.B. besteht die Gefahr, dass bei Displays, die hinter berührungsempfindlichen Oberflächen eingebettet sind, die Oberflächen zerkratzt werden und ungewollte Reflexionen entstehen. Auch Sonnenlicht, insbesondere der Ultraviolettbereich, wirkt sich dauerhaft schädigend auf die organischen Bestandteile wie Polarisationsfolien und Flüssigkristall-Substanzen - bis hin zur endgültigen Funktionsunfähigkeit - aus. Weiterhin sind die Displays empfindlich gegen Stöße, Beschädigungen (Bruch) und Feuchtigkeit. Auch der Schutz gegen Vandalismus (z.B. bei Fahrkartenautomaten auf Bahnhöfen) erfordert besondere Maßnahmen. Also werden auch die Gehäuse zum Schutz der Displays (z.B. gegen Fremdeinwirkungen beim Einsatz in öffentlichen Räumen) von dieser Firma zweckentsprechend ausgestattet. So können die Displays z.B. mit verschiedenen Oberflächenbeschichtungen, Filtern und Sicherheitsgläsern abgedeckt werden. Eine in das Glas integrierte Heizung, die nach dem Prinzip der heizbaren Autoheckscheibe funktioniert, sorgt dafür, dass die Flüssigkristalle immer oberhalb der minimalen Arbeitstemperatur gehalten werden. Insgesamt betrifft die Optimierung der LCDs folgende Breiche: Temperatur: Neben der bereits erwähnten Heizung kann durch Einsatz spezieller Polarisationsfolien und Verwendung geeigneter Flüssigkristallsubstanzen (der LDC-Hersteller liefert dann die LCDs ohne Polarisationsfolien und noch nicht mit Flüssigkristallsubstanz befüllt an) der Temperaturbereich des Displays, in dem es optimal funktionsfähig sein soll, angepasst werden. Robustheit, Lebensdauer: Neben der Abdeckung der Anzeigen mit bruchfesten Spezialgläsern oder durch spezielle Oberflächenbeschichtungen, gehört hierzu auch der Einbau hochwertiger, leicht auswechselbarer Hintergrundbeleuchtungen, denn die Hintergrundbeleuchtung ist in der Regel das Bauelement, das als erstes ausfällt. Kontrastverbesserung: Der Optimierung des Kontrastes kommt eine besondere Bedeutung zu. Diese Optimierung erfordert in erster Linie die Minimierung von Oberflächenreflexionen, z.B. durch Vergüten der Oberflächen mit Antireflexbeschichtungen (da jede Reflexion zu einem Verlust des sichtbaren Kontrasts führt). Helligkeit: Die Bildhelligkeit lässt sich durch leistungsstärkere Hintergrundbeleuchtungen erhöhen, was jedoch gleichzeitig zu mehr Wärmeentwicklung im Display und zu einer Abnahme der Lebensdauer führt. Hier ist also ein genaues Abwägen der Vor- und Nachteile notwendig. Es wurden bereits größere Serien solcher einsatzoptimierten LCDs (u.a. in Italien, Bulgarien und Ungarn, aber auch in Deutschland) produziert. Es lassen sich zwar nicht alle, aber doch viele dieser Einschränkungen durch die oben erwähnten Maßnahmen beseitigen. 5. Zusammenfassung Die heutige moderne LCD-Technologie basiert auf einer Entwicklung, welche die Naturforscher Lehmann und Reinitzer vor mehr als 120 Jahren machten. In ihren Forschungen stießen 16 sie auf Flüssigkeiten, die typische kristalline Eigenschaften aufweisen. So wurde der Begriff „flüssiger Kristall“ geprägt. In Flüssigkristallen gleichen die Moleküle langgestreckten Stäbchen. Wie bei kristallinen Substanzen (also festen Stoffen) üblich, findet man hier einen streng geordneten Kristallaufbau, d.h. eine regelmäßige Molekülanordnung. Die Ausrichtung der Moleküle folgt aber einer von außen vorgebbaren Orientierung. Diese Orientierung wird durch bestimmte Stoffe (z.B. Polyimid, im Text „PI“ genannt) verursacht. Z.B. können sich die stäbchenförmigen Flüssigkristalle durch entsprechende Ausrichtung der Orientierungsschichten bis hin zur Schraubenform anordnen (siehe Abbildungen 6 und 8). Zusätzlich angelegte elektrische Felder bewirken eine sofortige Ausrichtung der Moleküle in Feldrichtung, die ursprüngliche Orientierung wird aufgehoben. Die Ursprungsorientierung bleibt so lange aufgehoben, so lange das Feld anliegt. Wird das Feld abgeschaltet, stellt sich die ursprüngliche (bei unseren Beispielen schraubenförmige) Orientierung der Moleküle selbständig wieder ein. Bei den meisten LC-Displays werden die Flüssigkristalle zwischen zwei um 90° verdrehte, auf die Flüssigkristalle durch die PI-Beschichtung orientierend wirkende, Glasplatten eingebettet. Auf diese Weise entsteht ein sogenanntes „twisted nematic LCD“. Auf die äußeren Seiten der Glasplatten wird jeweils ein Polarisationsfilter aufgebracht. Diese Polarisationsfilter bewirken, dass von den vielen Schwingungsrichtungen des elektrischen Feldvektors der Lichtwellen, die von einer Lichtquelle ausgehen, nur eine Schwingungsrichtung des Lichtes durchgelassen wird, d.h. das Licht wird linear polarisiert. Das linear polarisierte Licht folgt mit der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors der Drehung der Flüssigkristallmoleküle und trifft um 90° gedreht auf das äußere Polarisationsfilter. Da durch die Drehung des Lichtes die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors dann mit der Durchlassrichtung des äußeren Polarisationsfilters übereinstimmt, kann das Licht auch dieses zweite Filter passieren. An diesem Punkt erscheint für den äußeren Betrachter das Display hell. Wird nun zwischen den Glasplatten ein elektrisches Feld angelegt, so kommt eine besondere Eigenschaft der Flüssigkristallmoleküle zur Geltung: Da die Moleküle Dipole sind, reagieren sie auf das elektrische Feld und ordnen sich so an, dass sie parallel zur Feldrichtung und damit senkrecht zur Glasplatte stehen: die gedrehte Molekülstruktur wird aufgebrochen. Wenn nun bei angelegtem elektrischen Feld das Licht durch das erste Polarisationsfilter kommt und der nun parallelen, nicht gedrehten Richtung der Moleküle folgt, so trifft es so auf das äußere Polarisationsfilter, dass es das Polarisationsfilter nicht passieren kann. Die äußere Glasplatte bleibt also dunkel (siehe Abb. 14). Wie bei einem Lichtschalter kann man durch Ein- oder Ausschalten eines elektrischen Feldes bestimmen, ob das LC-Display das Licht hindurchlässt oder nicht. Erstellt man nun aus der Vielzahl dieser Einzelzellen aus Abbildung 14 eine Matrix, so ist es möglich, Grafiken und Bilder darzustellen. Um nun noch Farben zu erzeugen, teilt man jeden Bildpunkt, also jede Einzelzelle, in drei Subpixel. Diese Subpixel sind nebeneinander angeordnet und sind jeweils durch Elektroden ansteuerbar. Die Elektroden liegen im LCD-Aufbau möglichst weit innen, so nah wie möglich am Flüssigkristall, um die Ansteuerungszeiten zu verkürzen. (Umso kürzer die Distanz, desto größer die Feldstärke). 17 Abb. 14: Querschnitt durch eine TN-LCD- Zelle (oben) und elektrische Ansteuerung, unten (nach /8/) Über diese Subpixel werden Farbfilter in den Farben rot, grün und blau gelegt. Durch die unterschiedliche Ansteuerung der Subpixel kann durch additive Farbmischung jede gewünschte Farbe und Schwarz erzeugt werden (siehe Abbildung 15). Abb. 15: Anordnung der Farbfilter in einem Farb – LCD auf einer der beiden Glasträgerplatten (nach /8/) 18 Drei solcher farbiger Subpixel werden zu einem Bildpunkt zusammengefasst. Einige 100 000 bis Millionen solcher Bildpunkte ergeben ein Vollfarbdisplay, wie in Abb. 1 und Abb. 12 skizziert. Um die Schaltzeiten weiter zu verkürzen und um schnell bewegte Farbbilder darstellen zu können, wird jedes Subpixel im Display über je einen Dünnfilmtransistor (TFT) angesteuert (Abb. 13). 5. Glossar Anisotropie : Die physikalischen Eigenschaften sind richtungsabhängig (z.B. in Kristallen) Aromatische Verbindungen : Organische, ringförmige Verbindungen mit teilweise Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelbindungen nicht nur zwischen zwei benachbarten Kohlenstoffatomen ausgebildet werden, sondern über das gesamte Ringsystem gleichmäßig verteilt sind. Doppelbrechung : Lässt man einen unpolarisierten Lichtstrahl auf eine doppelbrechende Substanz einfallen, tritt eine Aufspaltung des Strahls in einen ordentlichen (unpolarisierten) und in einen außerordentlichen (linear polarisierten) Strahl auf. Bei senkrechtem Einfall geht der ordentliche Strahl ohne Brechung durch die doppelbrechende Substanz hindurch, während der außerordentliche Strahl trotzdem eine Brechung erleidet. Er verlässt die doppelbrechende Substanz nach dem Durchtritt dann parallel versetzt zum ordentlichen Strahl. Fernordnung : Bezeichnet die regelmäßige Anordnung von Teilchen in einem Kristall. Diese Fernordnung ist in der kristallinen Phase, aber auch in geringem Maße in der flüssigkristallinen Phase vorhanden. Flüssige Phase : Der mittlere Abstand der Bausteine in einer Flüssigkeit hat etwa die gleiche Größenordnung wie im festen oder kristallinen Körper. Eine Fernordnung ist nicht vorhanden, sondern nur eine Nahordnung. Die Elementarbausteine sind (im Gegensatz zu Festkörpern) beweglich zueinander. Flüssigkristalle (LC) : Liquid crystals, organische Substanzen, bei denen zwischen dem kristallinen und dem flüssigen Zustand thermodynamisch stabile Zwischenphasen, sogenannte Mesophasen, auftreten. Diese Mesophasen zeigen einige Eigenschaften einer isotrop flüssigen Phase, wie z.B. Fluidität, haben aber andererseits anisotrope physikalische Eigenschaften wie ein Kristall. Beim Übergang vom kristallinen in den isotrop flüssigen Zustand geht eine Flüssigkristallsubstanz zunächst in einen flüssigkristallinen Zustand über, bei dem noch eine gewisse Ordnung der Moleküle erhalten bleibt, wie z.B. eine parallele Ausrichtung der Moleküllängsachsen Isotropie : Die physikalischen Eigenschaften sind richtungsunabhängig (z.B. in Gasen und Flüssigkeiten) 19 ITO : Indium Tin Oxide (Indium-Zinn-Oxid). ITO ist ein elektrisch leitfähiges, optisch transparentes Material, aus dem in der LCD-Technik die Ansteuerelektroden ausgeführt werden. Kristalline Phase : Es liegt eine regelmäßige Anordnung der elementaren Bausteine (Atome, Moleküle) vor und es existiert ein Raumgitter. Der einzelne Elementarbereich des Kristalls, die Elementarzelle, wiederholt sich regelmäßig (es liegt eine Fernordnung vor). Die Bausteine sind an die durch die Raumgitterstruktur vorgegebenen Gitterpunkte gebunden. Sie führen lediglich entsprechend der Temperatur Schwingungen um diese Gleichgewichtslagen aus. Außerdem besitzen die Bausteine im allgemeinen keine freie Drehbarkeit auf dem Gitterplatz. Dies gilt sowohl für anorganische wie auch organische Verbindungen. LCD : Liquid Crystal Display (Flüssigkristalldisplay) LEDs : Halbleiterdioden, die bei Stromdurchgang in Durchlassrichtung eine elektromagnetische Strahlung aussenden. Das Maximum der Strahlung kann dabei im infraroten oder im sichtbaren Spektralbereich liegen. Senden sie sichtbares Licht aus, werden Lumineszenzdioden auch Leuchtdioden genannt. International bekannt sind sie als LED (light emitting diode, also LED) . Mesomorphe Phase : flüssigkristalline Substanzen haben im Gegensatz zu anderen Stoffen zwischen den temperaturbedigt ausgebildeten Aggregatzuständen fest und flüssig einen besonderen Zustand, mesomorphe Phase genannt (zu deren Ausbildung die Temperaturbereiche - je nach Stoff - unterschiedlich sind). In der mesomorphen Phase bleibt noch eine gewisse Ordnung der Moleküle erhalten, wie z.B. die parallele Ausrichtung der Moleküllängsachsen. Nematisch : Flüssigkristalliner Zustand im Bereich des flüssigen Aggregatszustandes von Flüssigkristallmolekülen. Die Teilchen (Flüssigkristallmoleküle) sind regelmäßig angeordnet, jedoch bei Krafteinwirkungen beweglich (wie in Flüssigkeiten). optische Aktivität : Als optisch aktiv bezeichnet man Substanzen, welche die Ebene von linear polarisiertem Licht drehen. PI : Polyimid. PI wird auf die Innenseiten der Glasträgerplatten der Flüssigkristalldisplays aufgebracht und dann im LCD-Herstellungsprozeß in einer Richtung gerieben. Diese Reiborientierung des PI dient dann im LCD der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle, wenn das elektrische Feld abgeschaltet ist. Smektisch : Flüssigkristalliner Zustand im Bereich des flüssigen Aggregatszustandes von Flüssigkristallmolekülen. Die Teilchen sind noch regelmäßiger angeordnet als in der nematischen Phase, jedoch bei Krafteinwirkung auch schon beweglich. Der Unterschied zum nematischen Zustand besteht darin, dass die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen stärker sind, so dass die Teilchen näher aneinander liegen. STN-Zelle : „Super Twisted Nematic Cell“, LCD-Zelle mit 270° Drehwinkel. STN-Zellen haben kürzere Schaltzeiten als TN-Zellen 20 TFT : Thin film transistor. TFTs sind Transistoren (aktive elektronische Bauelemente) aus Silizium zum besonders schnellen Zu- und Abschalten der elektrischen Signale, die zum Ein- bzw. Abschalten des elektrischen Feldes zwischen den einzelnen ITOElektroden (oben und unten) dienen. TN-Zelle : Twisted Nematic Cell, LCD-Zelle mit 90° Drehwinkel. TN-Zellen haben längere Schaltzeiten als TN-Zellen. TV : Television, dient der Darstellung bewegter Bilder. Damit ein Bild vom menschlichen Auge als „bewegt“ wahrgenommen werden kann, müssen mindestens 25 Bilddurchläufe pro Sekunde erfolgen. 6. Literaturverzeichnis /1/ /2/ /3/ Zeitschrift „Elektronic“, Nr. 20, 2004, S. 32, WEKA Fachzeitschriften-Verlag GmbH G. Gleske, Dissertation A, Technische Universität Berlin, 1993 W. C. O`Mara, “Flat Panel Display Technology”, PennWell Publishing Company, 1994 Pochi Yeh und Claire Gu „Optics of Liquid Crystal Displays“ New York / Chichester / Weinheim / Brisbane / Singapore / Toronto, 1999 SAMSUNG, Korea: Eigendarstellung der LCD-Technologie auf DVD, Febr. 2005 Nitto Denko Corporation Catalog No. EN22 „Polarizing Films For LCDs“, Tokio 1996 Präsentation F.O.B. GmbH, MERCK KGaA; Halle und Darmstadt 2006 www.toppoly.com www.MERCK + Farbfilter.com G. Gleske „Skript 05 Flüssigkristall“, Praktikumanleitung; TU Berlin 2002 M. Huber, „LCDs auf dem Vormarsch“, Zeitschrift „Markt &Technik“, Nr. 51/52 vom 16.12.2005, S. 21, 22 “Displays: Veredelt für den rauhen Alltag”, Zeitschrift “Elektronik”, 5.10.2004, S.32 P. M. Knoll, „Displays, Einführung in die Technik aktiver und passiver Anzeigen“, Hüthig Verlag Heidelberg H. Jakubaschk, „LED- und LCD-Bauelemente und ihre Anwendung“, Reihe „electronica“, Bd. 208, Berlin 1983; S.66 bis 82 W. Haase, Dissertation A, Universität Stuttgart, 2004, S. 31 /4/ /5/ /6/ /7/ /8/ /9/ /10/ /11/ /12/ /13/ /14/ /15/ 21
