Flüssigkristalldisplay gut

Praktikumsversuch:
Flüssigkristallanzeige:
Konstruktion eines
Liquid Crystal Displays (LCDs)
Aufgabenstellung:
In diesem Versuch soll ein Flüssigkristalldisplay (LCD) hergestellt werden, welches
anschließend mit einer Spannungsquelle auf seine Funktionsfähigkeit überprüft wird.
Die Strukturierung des Displays erfolgt mittels eines lithographischen Verfahrens.
Benötigte Materialien:
-zwei einseitig mit ITO (Indium-Zinn-Oxid) beschichtete Glasplatten (5cm*4,3cm)
-zwei Polarisationsfilter (Vor- und Rückseite)
-Flüssigkristall (Mischung)
-Photolack / Photolackentwickler (7%NaOH) / ITO-Ätzmittel (36% HCl)
-Aceton / Isopropanol
-Motivvorlage
-UV-Lampe
-Spincoater
-Abstandhalterfolie (12µm-Folie)
-Kleber / Pipette / Pinzette / Papiertuch / Schere
-Voltmeter
-Spannungsquelle
-Heiztisch
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Funktionsprinzip:
Wird unpolarisiertes Licht auf einen so genannten Polarisator (Polarisationsfilter)
gegeben, so wird es in eine bestimmte Richtung ausgerichtet. Dieses Licht besitzt
nur eine Schwingungsebene, weshalb man es auch als linear polarisiertes Licht
bezeichnet. Je nach Ausrichtung des Polarisationsfilters kann so Licht mit
horizontaler oder vertikaler Schwingungsebene erzeugt werden. Licht mit vertikaler
Schwingungsebene kann einen Polarisationsfilter mit horizontaler Ausrichtung nicht
passieren. Es wird gelöscht.
Verdeutlichung der Polarisierung und Sperrung von Licht:
Funktion der Flüssigkristalle:
Flüssigkristalle lassen sich aufgrund ihrer Molekülstruktur an geeignet beschaffenen
Oberflächen (z.B. in einer Richtung gebürstete Folien) ausrichten und aufgrund ihrer
mechanischen Eigenschaften spiralförmig verdrehen, wenn sie zwischen zwei um
90° verdrehte Ausrichtungslagen eingebracht werden. Diese Anordnung nennt man
Twisted Nematic (TN) bei einem Verdrehwinkel von 90°, bei 270° Super Twisted
Nematic (STN). Wird zwischen den beiden Lagen ein elektrisches Feld angelegt, so
richten sich die stabförmigen Moleküle entlang der Feldrichtung aus.
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Flüssigkristalle besitzen die Eigenschaft linear polarisiertes Licht mit ihrer
Schwingungsebene zu drehen. Trifft nun vom hinteren Polarisator polarisiertes Licht
auf die spiralförmig angeordneten Flüssigkristalle, so wird dieses Licht entsprechend
dem Verdrehwinkel der Moleküle in seiner Polarisationsrichtung gedreht. So trifft es
auf den vorderen Polarisator, der um 90° zum hinteren verdreht ist. Aufgrund der
durch den Flüssigkristall verursachten 90° Drehung, kann das Licht somit den
vorderen Polarisator durchdringen. Das Licht folgt auch dann der Orientierung der
Flüssigkristalle, wenn diese aufgrund eines elektrischen Feldes senkrecht zur
hinteren und vorderen Lage der LC-Zelle stehen. Damit steht es am vorderen
Polarisator 90° zu diesem und kann somit nicht zum Betrachter durchdringen.
Angelegte Spannung U = 0 V
Fällt Licht auf das Display, so erreicht in Durchlassrichtung des Polarisators linear
polarisiertes Licht die Flüssigkristallschicht. Das linear polarisierte Licht folgt nun der
verdrillten Struktur, wobei es aufgrund der optischen Anisotropie des Flüssigkristalls
elliptisch polarisiert wird. Nach Durchlaufen der Schicht an der anderen Seite des
Displays ist die Hauptachse dieser Ellipse um 90 Grad gegenüber der ursprünglichen
Polarisationsebene gedreht und damit parallel zum zweiten Polarisationsfilter
orientiert. In diesem Zustand ist das Display somit transparent.
Angelegte Spannung U> 0 V
In diesem Fall führt die dielektrische Anisotropie dazu, daß sich die
Flüssigkristallmoleküle mit ihrer Längsachse parallel zum elektrischen Feld
ausrichten. Ab einer bestimmten Spannung, der Schwellenspannung U0, im Bereich
im Bereich von 1 -2 V sind die Flüssigkristallmoleküle in der gesamten Schicht
(abgesehen von einem schmalen Übergangsbereich) alle senkrecht zu den
Glasflächen orientiert. Der Flüssigkristall kann die Polarisationsebene des Lichtes
nicht mehr drehen, wodurch das Display undurchlässig wird. Motive, wie z. B. die
Segmente bei Displays für die Anzeige von Zahlen, erhält man durch entsprechende
Strukturierung der transparenten, leitfähigen ITO-Elektroden. Die ITO-Schicht wird
mit Säure bis auf diejenigen Stellen weggeätzt, die später als gewünschtes Motiv
erscheinen sollen. Beim Anlegen der Spannung ist das Display somit genau dort
undurchlässig für Licht, wo noch ITO vorhanden ist und man erhält ein dunkles Motiv
auf hellem Grund.
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Beispiel für den Aufbau eines Displays:
(Front und Rückseite übereinandergelegt)
-grau: ITO (leitend)
-weiß: kein ITO
-schwarz: Überlappung des ITO von
Front (Herzform=Motiv) und Rückseite
-Zwischen den Platten befindet sich der
Flüssigkristall
-Auf der Frontseite befindet sich ein vertikaler, auf
der Rückseite ein horizontaler Polarisator
Ohne Strom ist das Display transparent, mit Strom
wird das Herz sichtbar. Die äußeren ITO-Balken
sind zur Kontaktierung (+ bzw. – Pol)
Experimenteller Teil:
Versuchsdurchführung (Übersicht):
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Strukturierung des ITO mittels lithographischem Verfahren
Reibrichtungsorientierung der ITO-Flächen mittels Papiertuch
Einbringen eines Abstandshalters
Zusammenfügen der Zelle
Befüllung mit Flüssigkristall
Anbringen der Polarisatoren und ansteuern der LCD mittels Spannungsquelle
1) Strukturierung des ITO mittels lithographischem Verfahren:
Die ITO-Platten mit Aceton und Isopropanol spülen und trocknen lassen.
Dann Bestimmung der Glasseite mit Multimeter à beschriften der Glasseite mit
„Glas“!
Weitere Arbeiten ab hier im Photolabor (Gelblicht)!!!:
Glasseite auf Spincoater; Pumpe an, ca. 15Tropfen Photolack auf Plattenmitte
auftropfen, etwas verteilen und Spincoater auf 4000 rpm für 40 sek, Deckel drauf!,
danach Pumpe aus und ITO-Platte auf Heizer (100°C, 5min).
In UV-Lampe: Photolack-Schicht auf Druckvorlage auflegen, Deckel verschließen
und für 33 sek belichten. Platten für 1min in 7% NaOH tauchen (leicht schwenken),
dann mit dest. Wasser spülen. Wichtig: nicht zu lange eintauchen, da sonst
unbelichteter Photolack mit abgeht!
Platten 6min in 37% HCl tauchen à freiliegendes ITO löst sich auf (dabei leicht
schwenken). Anschließend restlichen Photolack erst mit Aceton, dann mit
Isopropanol entfernen à Platten nun bereit für weiteren Display-Bau.
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2) Reibrichtungsorientierung der ITO-Flächen mittels Papiertuch
Die Ausrichtung der Flüssigkristalle an der Oberfläche wird durch Reiborientieren
erreicht, nachdem die Glasplatten gründlich getrocknet worden sind. Für den
Reibvorgang falte man sich am besten ein Stück Papier und halte mit einer Hand die
Glasplatte fest, wobei die Fläche mit der leitfähigen Schicht nach oben zeigt. Man
reibt die sauberen Oberflächen der Glasplatten unter Vermeidung von Hautkontakt
mit (optischem) Papier in einer Richtung, wobei so gerieben werden muß, daß die
Moleküle an der oberen Elektrode senkrecht zu denen an der unteren stehen. Um
spätere Konfusion beim Zusammenfügen der Displays zu vermeiden, empfiehlt es
sich, die Glasplatten jeweils in Richtung der längeren Seite zu reiben. Das Reiben
erzeugt auf dem Glas mikroskopisch kleine Rillen. Die stäbchenförmigen
Flüssigkristallmoleküle orientieren sich an der Oberfläche mit ihrer Längsachse
genau in diese Richtung. Durch mehrmaliges Reiben kann die Anbindung an die
Oberfläche verbessert werden.
3) Einbringen eines Abstandshalters:
Um zwischen den beiden Glasplatten beim Aufeinanderlegen einen Abstand von
10 - 15 µm zu erzielen, wird eine transparente Folie (Dicke ca. 12 µm) als
Abstandhalter benutzt. Mit Hilfe einer scharfen Schere wird zunächst ein ca. 3 mm
breiter Streifen abgeschnitten. Der lange Streifen wird anschließend auf die Breite
der Glasplatten zurechtgeschnitten und die beiden Streifen auf die Glasplatten
gelegt. Nachdem man sich von der Sauberkeit der Glasplatten überzeugt hat, werden
sie nun so übereinander gelegt, daß die Längsseiten einen rechten Winkel bilden.
Dabei ist zu beachten, daß die mit den Elektrodenstrukturen beschichteten Seiten
sich innen gegenüberstehen und die beiden Abstandhalter am Rand platziert
werden.
4) Zusammenfügen der Zelle:
Mit einem Zweikomponentenkleber werden die zwei gegenüberliegende Seiten der
Zelle verklebt.
Während des Abbindens sollte die Zelle im Bereich der
Abstandhalterstreifen leicht zusammengepreßt werden, um den gewünschten
Abstand einzuhalten.
5) Befüllung mit Flüssigkristall:
Die jetzt noch an zwei Seiten offene Anzeige wird mit Hilfe einer Pipette mit dem
Flüssigkristall gefüllt. Dazu streicht man mit der Pipette an einer der offenen Seiten
entlang, wobei sich der Zwischenraum allmählich aufgrund der Kapillarwirkung füllt.
Um den Prozeß zu beschleunigen und Luftblasen im Elektrodenbereich zu entfernen,
kann man die Glasplatten leicht auf der Heizung oder der Heizplatte erwärmen. Ist
die Anzeige mit dem Flüssigkristall gefüllt, werden die noch offenen Seiten mit dem
Zweikomponentenkleber verschlossen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die
Elektroden auf den unbedeckten Teilen der Glasplatten nicht zugeklebt werden.
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6) Anbringen der Polarisatoren und Ansteuerung des LCD mittels
Spannungsquelle:
Abschließend werden nun auf Vorder- und Rückseite die Polarisationsfilter aufklebt
(Vorderseite: vertikale- / Rückseite: horizontale Schwingungsebene). Zum Schalten
der Anzeige wird an die Elektroden eine Wechselspannung von 4 - 5 V gelegt:
Bei Stromfluß sollte das Motiv schwarz erscheinen, ohne Strom dagegen
transparent.
Wichtige Begriffe:
-linear polarisiertes Licht
-Polarisationsfilter
-Isotropie/ Anisotropie/ Dipolmoment
-Flüssigkristalle (Strukturen und Eigenschaften)
-smektische und nematische Phasen
-Farb-LCD-Fernseher/ Funktionsprinzip / Vor- und Nachteile
-Passiv- und Aktivmatrix LCD / TFT-LCD
Literatur:
-P. J. Collings, ”Liquid Crystals“, Princeton Science Library
-U. Finkenzeller, „Flüssigkristalle für optische Displays“, Spektrum der Wissenschaft,
August 1990
-internet: http://olbers.kent.edu/alcomed/k12.html
-Kobale, Krüger, „Flüssige Kristalle“, Physik in unserer Zeit, 3 (1975)
-Schadt, Helfrich, Appl. Phys. Lett., 18, 127 (1971)
-Speiser, „Anzeigen mit flüssigen Kristallen“, Physik in unserer Zeit, 1 (1997)
-Hans Kelker, Rolf Hatz: "Handbook of Liquid Crystals", Verlag Chemie, Weinheim,
1980.
-D. Demus, H. Zaschke: "Flüssige Kristalle in Tabellen", Band I und II, 1974 und
1984, erschienen im Deutschen Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
-Hans Dieter Koswig: "Flüssige Kristalle: Eine Einführung in ihre Anwendung", AulisVerlag Deubner, Köln, 1. Auflage, 1985
-Bergmann - Schaefer : "Lehrbuch der Experimentalphysik", Verlag de Gruyter, Band
5 "Vielteilchensysteme", 1992, Seite 389 bis 445 + Bergmann - Schaefer: "Lehrbuch
der Experimentalphysik", Verlag de Gruyter, Band 3 "Optik", 7. Auflage, 1978, Seite
562
-Baur, Stieb, Meier, ”Frédericksz Deformation in Nematic Liquid Crystals with
Frequency Dependent Dielectric Constant“, + Appl. Phys. 6, 309-313 (1975)Brochard, Pieranski, Guyon, Phys. Rev. Lett. 28, 1681 (1972)
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Ergänzung: Was sind Flüssigkristalle?
Der Begriff "Flüssigkristall" trägt scheinbar einen Widerspruch in sich. Ist doch der
kristalline Festkörper dadurch gekennzeichnet, daß die Atome oder Moleküle, aus
denen er aufgebaut ist, feste Gitterplätze einnehmen, also eine Positionsfernordnung
besitzen und soweit es sich um Moleküle handelt, die eine von der Kugelform
abweichende Molekülgestalt haben, auch eine Richtungsfernordnung aufweisen.
Im Gegensatz dazu erwartet man in einer Flüssigkeit, d. h. der Schmelze eines
Festkörpers eine statistische Verteilung der Richtungen der Moleküle zueinander und
eine unregelmäßige sich stets ändernde Verteilung der Molekülschwerpunkte.
Beim Schmelzvorgang wird die Positionsfernordnung und die Richtungsfernordnung
aufgehoben. Eine solche Schmelze ist isotrop, d. h. die physikalischen
Eigenschaften, wie z. B. der Brechungsindex oder die Dielektrizitätskonstante sind
makroskopisch unabhängig von der Beobachtungsrichtung. Der Polarisationszustand
des Lichtes wird beim Durchgang durch ein isotropes Medium nicht verändert.
Heute sind etwa 50.000 organische Verbindungen bekannt, die beim Schmelzen
nicht direkt in den isotrop flüssigen Zustand übergehen, sondern eine oder mehrere
flüssigkristalline Phasen durchlaufen. Flüssigkristalle sind eine Phase der Materie,
deren Ordnung zwischen der einer Flüssigkeit und der eines Kristalls liegt
("Mesophase").
Flüssigkristalle vereinigen typische Eigenschaften einer Flüssigkeit (Fließverhalten)
mit denen von Festkörpern (Richtungsabhängigkeit ("Anisotropie") bestimmter
physikalischer Eigenschaften wie dem Verhalten gegenüber Feldern).
Flüssigkristallphasen werden von Molekülen mit ausgeprägter Stab- (kalamitisch)
oder Scheibenform (diskotisch) gebildet. Die Ordnung in der Phase ist von der
Temperatur abhängig.
Die einfachste Flüssigkristallphase, die sogenannte nematische Phase, zeichnet
sich durch eine Orientierungsfernordnung der Moleküle aus, das heißt die Moleküle
zeigen im Mittel in die gleiche Richtung. Daher verhält sich eine nematische Phase
wie ein optisch einachsiger Kristall. Die molekulare Orientierung (und damit die
optischen Eigenschaften der Phase) kann durch elektrische Felder beeinflußt
werden. Nematische Flüssigkristalle sind zur Zeit die gebräuchlichsten in
Flüssigkristallanzeigen (TN-Zelle).
Struktur der nematischen Phase:
Die smektischen Phasen, die in der Regel bei tieferen Temperaturen als die
nematische auftreten, bilden eine Schichtstruktur aus. Innerhalb der Schichten sind
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die Moleküle frei beweglich. Man spricht daher von einer eindimensionalen
Positionsfernordnung. In der smektischen A-Phase (SmA), sind die Moleküle im
Mittel senkrecht zur Schichtebene orientiert. In der smektischen C-Phase dagegen
bilden sie im Mittel einen von 90° verschiedenen Winkel zur Schichtebene aus, man
spricht von einer getilteten Phase. Es existieren auch höhergeordnete Phasen, in
denen die Moleküle innerhalb der Schicht eine Positionsfernordnung besitzen, z. B.
SmI und SmF.
Von besonderem Interesse sind die getilteten Phasen chiraler Moleküle, die eine
spontane Polarisation zeigen und daher ferroelektrisch sind. Diese ferroelektrischen
Flüssigkristalle (FLCs) zeigen weitaus kürzere Schaltzeiten als nematische
Flüssigkristalle.
Der strukturelle Aufbau der Flüssigkristalle ist recht einfach. Das Molekül muß eine
ausgeprägte Formanisotropie aufweisen. Es muß vier- bis sechsmal so lang sein, wie
es dick ist, muß einen formstabilen starren Grundkörper besitzen, etwa wie das
Benzylidenanilin oder das Biphenyl, und muß in der Längsachse mit zumindest einer
flexiblen Alkylkette versehen sein, um den Schmelzpunkt herabzusetzen.
Typische Vertreter der Substanzklasse der Flüssigkristalle sind das
Methyloxybenzylidenbutylanilin (MBBA) und das Pentylcyanobiphenyl (5CB). Beide
Verbindungen weisen bei Raumtemperatur eine flüssigkristalline Phase auf:
Methyloxybenzylidenbutylanilin (MBBA)
Schmelzpunkt:
22 °C
Klärpunkt: 47 °C
Pentylcyanobiphenyl (5CB)
Schmelzpunkt:
23 °C
Klärpunkt: 35 °C
Beim Schmelzprozeß wird bei derartigen Molekülen die Positionsfernordnung, d. h.
die Ordnung der Molekülschwerpunkte auf festen Gitterplätzen, aufgehoben. Im
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Gegensatz zu Molekülen, die keine derart ausgeprägte Formanisotropie aufweisen,
verbleibt aber noch eine Richtungsfernordnung: Die stäbchenförmigen Moleküle
ordnen sich mit ihrer Längsachse vorzugsweise parallel an. Diese
Parallelorientierung
der
Moleküllängsachsen
führt
makroskopisch
zu
richtungsabhängigen physikalischen Eigenschaften. Da der Brechungsindex, der
makroskopisch beobachtbar ist, mit der Polarisierbarkeit, einer Eigenschaft auf
molekularer Ebene, verknüpft ist, ist die im Flüssigkristall auftretende
Doppelbrechung leicht verständlich. In Längsrichtung des Moleküls ist aufgrund der
in Konjugation stehenden aromatischen Ringsysteme die Polarisierbarkeit größer als
in den beiden Achsenrichtungen senkrecht dazu, woraus folgt, daß der
Brechungsindex für Licht, dessen elektrischer Feldvektor in der Ebene der
Vorzugsorientierungsrichtung schwingt, größer ist, als in den beiden Richtungen
senkrecht dazu. Der ordentliche Strahl ist hier derjenige mit dem kleineren
Brechungsindex, der außerordentliche der mit dem größeren. Ein Flüssigkristall der
nur durch Parallelorientierung der Moleküllängsachsen bei statistischer Verteilung
der Molekülschwerpunkte gekennzeichnet ist, wird als nematischer Flüssigkristall
bezeichnet.
Schematische Darstellung der Ordnungsprinzipien eines Kristalles, eines
nematischen Flüssigkristalles und einer isotropen Schmelze:
Erwärmt man einen Flüssigkristall, so nimmt der Ordnungsgrad in der
flüssigkristallinen Phase ab. Der Ordnungsgrad ist ein Maß für die Güte der
Parallelorientierung der Moleküle. Erreicht man mit der Temperatur den Klärpunkt,
bricht die Ordnung diskontinuierlich zusammen und der Flüssigkristall geht über in
eine isotrope Flüssigkeit, in der weder eine Positionsfernordnung noch eine
Richtungsfernordnung existieren. Die im flüssigkristallinen Zustand trübe
erscheinende Flüssigkeit wird klar.
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Anwendung der Technologie:
Farb-LCD´s :
Während herkömmliche Kathodenstrahl-Bildschirme Licht aus Phosphor mit
unterschiedlichen Emissionsspektren (Rot/Grün/Blau) aufgrund der Anregung eines
Elektronenstrahls emittieren, wird bei einem Liquid Crystal Display (LCD) das Licht
einer Hintergrundbeleuchtung durch die LC-Zelle geschaltet. Das heißt, die LC-Zelle
ist bezüglich der Lichtemission als passiv anzusehen. Da für die
Hintergrundbeleuchtung normalerweise weißes Licht verwendet wird, muss zur
Darstellung von Farbbildern dieses noch mit geeigneten Farbfiltern gefiltert werden.
Hierzu erhält jeder darzustellende Pixel (Bildpunkt) drei sog. Sub-Pixel mit den
Farben Rot, Grün und Blau ('Farbe aus Weiß' Prinzip).
Passivmatrix LCD und Aktivmatrix LCD (Dünnfilmtransitortechnik / TFT) :
Bezüglich der Ansteuerung der einzelnen LC-Zellen unterscheidet man zwischen
Aktivmatrix-LCD (TFT) und Passivmatrix-LCD (PMLCD, meist an der Bezeichnung
STN oder DSTN erkennbar). Beim Passivmatrix-LCD werden die einzelnen LCZellen durch eine matrixförmige Anordnung von Zeilen- und Spalten-Elektroden
angesteuert.
Prinzipiell bedingt ist dabei, dass jede einzelne Zelle nur mit 1/(Auflösung) der
gesamten Zeit der Bilddarstellung angesteuert wird. Da für den Rest der Zeit die
Zellen im spannungslosen Zustand sind, müssen die Flüssigkristalle entsprechend
träge eingestellt werden, um ein Rückkippen während der restlichen Zeit und damit
Kontrastverluste und Flimmereffekte zu vermeiden. Ein weiterer Effekt vor allem beim
Passivmatrix-LCD ist das so genannte Übersprechen zwischen den einzelnen Zellen,
was sich als 'Fahnenziehen' bemerkbar macht. Aufgrund der Matrixstruktur der
Ansteuerung und der Kapazität der LC-Zellen sind solche Effekte zwar durch
verbesserte Elektrodenmaterialien und Ansteuermethoden optimierbar, jedoch nicht
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vermeidbar. Die Zeilen- und Spalten-Elektroden sind aus transparentem Material
(ITO) um maximale Lichttransmission zu gewährleisten.
Bei Aktivmatrix-LCD (AMLCD / TFT) wird jede einzelne Zelle von einem auf der
hinteren Glasplatte befindlichen Dünnfilmtransistor angesteuert, der die
Information für die jeweilige Zelle speichert.
Somit ist es möglich, schnellere Flüssigkristalle zu verwenden, was in besserem
Kontrast, Flimmerfreiheit und kurzer Ansprechzeit (für bewegte Bilder geeignet)
resultiert. Ein weiterer Vorteil ist das deutlich schwächere Übersprechen bei
Aktivmatrix-LCD. Das bedeutet aber auch, dass jeder Sub-Pixel mit einem Transistor
(der natürlich auch kaputt gehen kann) versehen werden muss.
Bei der obigen Abbildung wurde der vordere Teil des Display weggelassen (identisch
zu Passivmatrix-LCD), um die TFT-Strukturen deutlicher sichtbar zu machen.
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