Die einfache Flüssigkristall-Zelle
Flüssigkristalle sind organische Verbindungen, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch Eigenschaften von Festkörpern aufweisen.
Ein einfaches Flüssigkristall-Anzeigeelement besteht aus der „Schadt-Helfrich-Zelle“: Die Innenseiten zweier Glasplatten sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Die Moleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche.
Außerdem sind die äußeren beiden Platten mit um 90 Grad zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet. Auf der Rückseite befindet sich ein Spiegel (besser Reflektor oder Transflektor), der das einfallende Licht zurückwirft. (Je nach Einsatzgebiet kann das Display anstelle des Spiegels eine weiße Hintergrundbeleuchtung haben.)
Daraus ergibt sich, dass die Flüssigkristalle schraubenförmig angeordnet sind; bei einer um 90 Grad gedrehten Schraube (auch Verdrillwinkel von 90 Grad genannt) spricht man von TN = Twisted Nematic (engl.: twisted = verdreht).
Einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in die Flüssigkeit polarisiert. Durch die Verdrillung der Molekülflächen folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Licht den gegenübergesetzten Filter passieren kann und die Zelle hell erscheint. Im Ruhezustand ist das Display durchsichtig; diese Anordnung wird auch Normally-White-Mode genannt.
Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden an, so tritt unter dem Einfluss des elektrischen Feldes eine Drehung der Moleküle ein, sodass sie sich senkrecht zu den Elektrodenoberflächen ausrichten. Die Verdrillung ist damit aufgehoben, die Polarisationsrichtung des Lichts wird nicht mehr geändert, und damit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht mehr passieren.
Die Funktion ist auch umkehrbar: Ordnet man die Polarisationsfilter parallel an, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und mit Spannung hell. Man spricht vom Normally-Black-Mode, der wegen des geringeren Kontrastes jedoch selten verwendet wird.
Die Schadt-Helfrich-Zelle ist ein spannungsgesteuertes Lichtventil. Ein Display kann theoretisch aus beliebig vielen solcher Zellen bestehen. Beim Taschenrechner stellt eine 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar, bei einem TFT-Monitor werden pro Pixel drei Zellen verwendet.
Funktionsprinzip der DSTN-Flüssigkristallzelle, selbst erstellt, Heimo Ponnath, GFDL
Weiterentwicklungen
Bei STN-Displays (Super-Twisted-Nematic) wird der Verdrillwinkel der Moleküle auf 180 bis 270 Grad erhöht. Dadurch kann ein höherer Kontrast als bei herkömmlichen TN-Displays erreicht werden. Man nennt diese Displays auch Blue-Mode-LCDs, weil durch den Dichroismus Farbverschiebungen auftreten: Weiß wird dabei rötlich bis orange, und Schwarz nimmt eine Blau- bis Cyanfärbung an. Im Gegensatz zum typischen Kontrastverhältnis der einfachen TN-Zelle mit 3:1 weist ein STN-Display Werte um ca. 7:1 auf. Das bedeutet, dass ein angeschalteter Bildpunkt siebenmal so hell ist wie ein abgeschalteter. STN-Displays "leben" vom Farbkontrast (Delta E), also nicht vom Helligkeitskontrast.
Die Schwarz-Weiß-Darstellung auf dem Passiv-Matrix-Display zu erreichen ist mit mehreren Methoden versucht worden: Guest-Host-Technik, OMI-Verfahren von Martin Schadt („Optical Mode Interference“) und die Double-Super-Twist-Technik. Durchgesetzt hat sich letztere als DSTN-Technik.
Das Aufbauprinzip dieser DSTN-Zelle ist im Bild zu erkennen. Es liegen nun zwei STN-Schichten vor. In der aktiven Zelle - das ist diejenige, an die ein elektrisches Feld gelegt werden kann - ist der flüssige Kristall um 240 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Die passive Zelle enthält ebenfalls nematisches Material, das hier aber um 240 Grad mit dem Uhrzeigersinn gedreht vorliegt. Beide Zellen sind so zueinander gedreht, so dass die Orientierung der Stäbchen an der Eingangsseite senkrecht zu der an der Ausgangsseite ist. Die Polarisationsfolien sind ebenfalls um 90 Grad gegeneinander gedreht.
Aufbauschema einer DSTN-Flüssigkristallzelle
In der konventionellen TN- oder STN-Zelle erhält man nach dem Durchgang linear polarisierten Lichtes genau betrachtet nicht einfach linear polarisiertes Licht mit verdrehter Schwingungsebene, sondern elliptisch (oder zirkular) polarisiertes Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors beschreibt eine Ellipse oder einen Kreis. Solches Licht geht durch den Polarisator hindurch, wobei die durch den Dichroismus bewirkte Farbaufspaltung - abhängig von der Polarisation und der Folienorientierung am Strahlaustritt - zu farbigem Licht führt.
Aufbauprinzip einer DSTN-Flüssigkristallzelle, selbst erstellt, Heimo Ponnath, GFD
Zur Funktion von DSTN-Zellen
Im Bild ist die Arbeitsweise von DSTN-LCDs zu verstehen: Weißes Licht fällt auf den hinteren Polarisator; (im Bild unten) und wird dort linear polarisiert. Dann gelangt es in die aktive STN-Zelle, die - ohne Feld - nun zirkular polarisiertes Licht daraus erzeugt. Dieses Licht ist - wie bei der herkömmlichen STN-Zelle - durch Dichroismus verändert. Der Weg durch die anschließende passive Zelle (die das gleiche Flüssigkristall-Material enthält wie die erste - aktive - Zelle, aber in entgegengesetzter Richtung verdreht) führt zur Kompensation der Farbaufspaltung (Die Phasendifferenz wird gleich Null). Als Ergebnis liegt linear polarisiertes Licht vor, das die gleiche Schwingungsebene aufweist wie zuvor nach dem Passieren der hinteren Polarisationsfolie. Weil aber der vordere Polarisator um 90 Grad verdreht ist, lässt er kein Licht durch: Der Bildschirm ist an dieser Stelle schwarz.
Liegt an der aktiven Zelle ein elektrisches Feld an, dann geht das linear polarisierte Licht aus dem hinteren Polarisator dort glatt hindurch, ohne verändert zu werden. Erst in der passiven Zelle erfolgt nun zirkulare Polarisation. Weil aber zirkular polarisiertes Licht von Polarisatoren nicht zurückgehalten wird, ist der Bildschirm an dieser Stelle hell. Durch genaues Justieren sowohl des verwendeten Materials als auch der Zellenabmessungen wird das durchgelassene Licht weiß.
Auf diese Weise wurden Displays realisiert, die ein sauberes Schwarz/Weiß mit einem Kontrastverhältnis von bis zu 15:1 bieten.
Der komplexe Aufbau einer DSTN-Flüssigkristallzelle bedingt einen relativ hohen Aufwand bei ihrer Herstellung. Es wurde deshalb ein neues Verfahren entwickelt, das zu flacheren Displays mit geringerem Gewicht führt. Diese neue Lösung trägt den Namen Triple Supertwisted Nematic LCD (TSTN). Das nächste Bild zeigt das Aufbauprinzip eines solchen TSTN-Displays.
Aufbauschema einer TSTN-Flüssigkristallzelle: Das Licht der Beleuchtung (6) wird polarisiert (2), gefiltert (3), durchquert die hintere Glasscheibe (4), den STN-Flüssigkristall (5), die vordere Glasscheibe (4), die vordere Filterfolie (3) und den vorderen Polarisator (2) und tritt schließlich farbig aus (1).
Hier findet sich nur eine TSTN-LC-Zelle. Die Farbstörungen der normalen STN-Technik werden durch zwei spezielle Folien ausgeglichen, die vor und hinter der Zelle - zwischen Polarisator und Glas - angebracht sind. Diese Folien sind verantwortlich für einen weiteren Namen dieser Technik: FST, was bedeutet "Film-Supertwisted" (gelegentlich bezeichnet man Displays, in denen nur eine Kompensationsfolie verwendet wird, als FST-, solche mit zwei oder mehr Folien als TST-LCDs; ebenfalls geläufig ist die Bezeichnung FSTN für Film-STN). Der erheblich verbesserte Kontrast (bis zu 18:1), das geringere Gewicht, die flachere und weniger aufwendige Bauweise haben TSTN-LC-Displays zum Durchbruch verholfen. Im Notebook-Computern wurden solche Display als VGA-Bildschirm erstmals realisiert.
Aufbauschema einer TSTN-Flüssigkristallzelle: Das Licht der Beleuchtung (6) wird polarisiert (2), gefiltert (3), durchquert die hintere Glasscheibe (4), den STN-Flüssigkristall (5), die vordere Glasscheibe (4), die vordere Filterfolie (3) und den vorderen Polarisator (2) und tritt schließlich farbig aus (1).
Eine weitere interessante Perspektive liegt in der Entwicklung ferroelektrischer Flüssigkristalle. Die sogenannten Ferroelektrika haben die Eigenschaft, elektrische Felder sehr lange zu speichern. Denkbar sind damit Displays, die ein einmal geladenes Bild über Wochen, Monate oder Jahre ohne Wiederauffrischung zeigen. Erst ein Löschimpuls lässt es dann verschwinden. Aber auch in den herkömmlichen Anwendungen bieten ferroelektrische Flüssigkristalle Vorteile: Der "refresh cycle" zur Auffrischung der Bildpunkt-Felder müsste nicht so häufig durchlaufen werden (die Felder werden nicht so schnell "vergessen"), was zu geringerem Aufwand in der Steuerelektronik führte. Ein weiterer Vorteil ist der zu erwartende stark verbesserte Kontrast.
Bei LC-Displays können Aktiv-Matrix-Displays und Passiv-Matrix-Displays unterschieden werden. Die älteren Passiv-Matrix-Displays werden lediglich mit den beiden oben erwähnten Elektroden angesteuert, das heißt, es findet keine elektrische Ladungsspeicherung statt. Daher kehren die Moleküle des Flüssigkristalls mit der Zeit wieder in ihren Ursprungszustand zurück, und die TN-Zelle muss in regelmäßigen Zeitabständen erneut angesteuert werden. Bei Displays mit einer hohen Anzahl von Zellen erfolgt deshalb eine elektrische Ladungsspeicherung über einen zusätzlichen Kondensator in jeder Zelle. Zur direkten Ansteuerung eines jeden Kondensators existiert daher in jeder Zelle ein Transistor (ein so genannter Thin-Film-Transistor TFT), der die angelegte Spannung auf den gerade angesprochenen Kondensator durchschaltet. Da bei dieser Anordnung jede Zelle des Displays ein aktives Bauelement enthält, werden diese Displays als Aktiv-Matrix-Displays bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe des Kondensators größere Ladungen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können, steigt die mittlere Leuchtdichte einer Zelle und damit der Kontrast des Displays.
In der ersten Jahreshälfte 2006 wird eine Technik zur Qualitätssteigerung der Bilder von LCD-Fernsehgeräten eingeführt. Dabei handelt es sich um Clear LCD.
Bei der IPS-(In Plane Switching-)Technologie befinden sich die Elektroden nebeneinander, in einer Ebene, parallel zur Displayoberfläche. Bei angelegter Spannung drehen sich die Moleküle in der Bildschirmebene, die für TN-Displays typische Schraubenform entfällt. IPS verbessert die so genannte Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes.
Bei LC-Displays können Aktiv-Matrix-Displays und Passiv-Matrix-Displays unterschieden werden. Die älteren Passiv-Matrix-Displays werden lediglich mit den beiden oben erwähnten Elektroden angesteuert, das heißt, es findet keine elektrische Ladungsspeicherung statt. Daher kehren die Moleküle des Flüssigkristalls mit der Zeit wieder in ihren Ursprungszustand zurück, und die TN-Zelle muss in regelmäßigen Zeitabständen erneut angesteuert werden. Bei Displays mit einer hohen Anzahl von Zellen erfolgt deshalb eine elektrische Ladungsspeicherung über einen zusätzlichen Kondensator in jeder Zelle. Zur direkten Ansteuerung eines jeden Kondensators existiert daher in jeder Zelle ein Transistor (ein so genannter Thin-Film-Transistor TFT), der die angelegte Spannung auf den gerade angesprochenen Kondensator durchschaltet. Da bei dieser Anordnung jede Zelle des Displays ein aktives Bauelement enthält, werden diese Displays als Aktiv-Matrix-Displays bezeichnet. Aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe des Kondensators größere Ladungen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können, steigt die mittlere Leuchtdichte einer Zelle und damit der Kontrast des Displays.
In der ersten Jahreshälfte 2006 wird eine Technik zur Qualitätssteigerung der Bilder von LCD-Fernsehgeräten eingeführt. Dabei handelt es sich um Clear LCD.
Bei der IPS-(In Plane Switching-)Technologie befinden sich die Elektroden nebeneinander, in einer Ebene, parallel zur Displayoberfläche. Bei angelegter Spannung drehen sich die Moleküle in der Bildschirmebene, die für TN-Displays typische Schraubenform entfällt. IPS verbessert die so genannte Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes.
