Wie erzeugt ein LCD-Bildschirm Bilder? Was genau ist Flüssigkristall?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Zhihao

Hersteller: China Science Expo

Von sperrigen Großmonitoren und Plasmafernsehern bis hin zu den derzeit beliebten Laserfernsehern gibt es in der Displayfamilie zahlreiche Mitglieder. Viele dieser Anzeigetechnologien wurden im Laufe der Zeit ersetzt, aber es gibt eine Technologie, die seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren „glänzt“: die Flüssigkristallanzeige (LCD).

Der CRT-Monitor war in den 1990er Jahren beliebt. Es war sperrig und hatte einen großen Hintern. Viele Menschen haben davon vielleicht einen tiefen Eindruck, aber er wurde schon lange durch den leichteren LCD-Monitor ersetzt.

(Bildquelle: Wikipedia)

LCD-Monitore sind weit verbreitet, seit sie CRT-Monitore ersetzt haben.

(Bildquelle: Wikipedia)

Es erschien etwa zeitgleich mit Plasmafernsehern, ist jedoch deutlich bekannter und weiter verbreitet. Welche Technologie steckt also in dem günstigen LCD-Monitor und welche Features bietet er?

Die besondere Struktur von Flüssigkristallen vereint die Eigenschaften von Feststoffen und Flüssigkeiten

Flüssigkristallanzeigen sind in unserem Leben weit verbreitet. Fast alle Fernseher, Computer und Bildschirme verschiedener kleiner Haushaltsgeräte verwenden Flüssigkristallanzeigen. Um Flüssigkristallanzeigen zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, was „Flüssigkristall“-Material ist.
Tatsächlich lassen sich seine Eigenschaften schon aus seinem Namen erkennen: „Liquid“ bedeutet Flüssigkeit und „Crystal“ bedeutet Kristall – also eine feste Substanz, was bedeutet, dass Flüssigkristalle einige Eigenschaften sowohl von Feststoffen als auch von Flüssigkeiten besitzen.

Wir alle wissen, dass Wasser drei Zustände hat: fest (Eis), flüssig (Wasser) und gasförmig (Dampf), und die meisten Substanzen haben ebenfalls diese drei Zustände. Flüssige Materie ist hinsichtlich ihrer Molekülverteilung isotrop, was bedeutet, dass ihre physikalischen Eigenschaften in alle Richtungen gleich sind, was auf die ständige zufällige Bewegung der Moleküle zurückzuführen ist. Der Festkörper ist ein Kristall, der hinsichtlich der Molekülverteilung anisotrop ist und in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Anordnungen aufweist. Dies führt auch dazu, dass die physikalischen Eigenschaften des Kristalls, wie beispielsweise Brechungsindex, Polarisationseigenschaften, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit des Lichts in verschiedene Richtungen, oft unterschiedlich sind.

Die innere Molekülstruktur eines Kristalls (links), eines Flüssigkristalls (Mitte) und einer Flüssigkeit (rechts)

(Bildquelle: Rajak P, Nath LK, Bhuyan B. Flüssigkristalle: ein Ansatz zur Arzneimittelabgabe[J]. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2019, 81(1): 11-21.)

Früher glaubte man, dass es klare Unterschiede zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten gebe. Doch im Jahr 1888 extrahierte der Botaniker Friedrich Reinitzer aus Pflanzen eine Verbindung namens „helicales Benzoat“ und widerlegte damit diese Vorstellung. Es hat zwei Schmelzpunkte bei unterschiedlichen Temperaturen. Im geschmolzenen Zustand oder nach der Auflösung durch ein Lösungsmittel verliert es die Steifheit einer festen Substanz und bildet einen Zwischenzustand, der einige Eigenschaften sowohl von Kristallen als auch von Flüssigkeiten aufweist. Aufgrund des einzigartigen Zustands dieser Substanzart nannte man sie „Flüssigkristall“.
Flüssigkristalle können entsprechend ihrer anisotropen Anordnungsreihenfolge in drei Typen unterteilt werden: nematische Phase, smektische Phase und cholesterische Phase.

Die Moleküle des nematischen Flüssigkristalls sind lange Streifen und fließen unter der Einwirkung äußerer Kräfte. Daher verläuft die Längsachsenrichtung der Moleküle des nematischen Flüssigkristalls im Allgemeinen entlang der Fließrichtung, d. h., sie verlaufen ungefähr in die gleiche Richtung und können sich gegenseitig durchdringen.

In der smektischen Phase sind die Flüssigkristallmoleküle geschichtet. Die Längsachsen der Moleküle innerhalb der Schicht verlaufen parallel zueinander und senkrecht zur Schichtoberfläche. Es gibt jedoch kein eindeutiges Muster in der Position der Moleküle, und diese Anordnung wird als geordnet in der Richtung und ungeordnet in der Position bezeichnet. Die Moleküle des smektischen Flüssigkristalls können sich nur innerhalb ihrer eigenen Schicht bewegen, während die Schichten relativ zueinander gleiten können.

Die Flüssigkristallmoleküle in der cholesterischen Phase sind ebenfalls geschichtet und jede Schicht ist ebenfalls gerichtet und geordnet. Insgesamt betrachtet sind die Schichten jedoch spiralförmig gestapelt, wobei sich jede Schicht in einem leichten Winkel zu den darüber und darunter liegenden Schichten dreht.

Arten der Flüssigkristallanordnung: nematisch, smektisch und cholesterisch

(Bildquelle: Zheng Guili. Forschung zum flexoelektrischen Effekt und flexoelektrischen Koeffizienten von nematischen Flüssigkristallen [D]. Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 2017.)

Struktur bestimmt Eigenschaften: Die vielfältigen Effekte von Flüssigkristallen

Die wunderbare regelmäßige Anordnung der Flüssigkristallmoleküle verleiht ihnen außerdem verschiedene Eigenschaften, wie beispielsweise den Twisted-Nematic-Effekt (TN).

Das nematische Flüssigkristallmaterial ist wie ein Sandwich zwischen zwei Glassubstraten angeordnet. Die Glasoberfläche weist sehr feine parallele Rillen auf, die als Ausrichtungsfilme bezeichnet werden. Der Flüssigkristall in der Nähe des oberen Glases ist in Richtung der Rillen des oberen Ausrichtungsfilms angeordnet, während der Flüssigkristall in der Nähe des unteren Glases in Richtung der Rillen des unteren Ausrichtungsfilms angeordnet ist. Wenn die beiden Rillen kreuzförmig sind, wird der Flüssigkristall zwischen dem oberen und unteren Glas gleichmäßig geschichtet und verdreht. In der Draufsicht sind die Flüssigkristallmoleküle in der oberen Schicht horizontal und die Flüssigkristallmoleküle in der unteren Schicht vertikal angeordnet. Das Ganze ist gleichmäßig spiralförmig über verschiedene Ebenen verdreht. Eine solche Molekülanordnung kann die Polarisationsrichtung des Lichts beeinflussen.

Schematische Darstellung des Twisted-Nematic-Effekts

(Bildquelle: Wikipedia)

Was also ist Polarisation? Wir wissen, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und dass es eigentlich zwei Arten von Wellen gibt: Transversalwellen und Longitudinalwellen. Befestigen Sie ein Ende eines Seils, ziehen Sie das andere Ende des Seils mit der Hand fest und vibrieren Sie es auf und ab. Die Bewegung des Seils, die Sie sehen, ist eine Transversalwelle. Charakteristisch für Transversalwellen ist, dass die Schwingungsrichtung der Teilchen und die Ausbreitungsrichtung der Welle senkrecht zueinander stehen. Elektromagnetische Wellen sind typische Transversalwellen. Die Schwingungsrichtung der Teilchen von Longitudinalwellen ist parallel zur Ausbreitungsrichtung, seismische Wellen sind Longitudinalwellen.

Schematische Darstellung von Transversalwellen. Die Wasserwellen, die wir normalerweise sehen, sind Transversalwellen. Sie steigen und fallen, aber die Richtung der Wellenausbreitung ist senkrecht zur Richtung des Steigens und Fallens.

(Bildquelle: Wikipedia)

Schematische Darstellung einer Longitudinalwelle, die auch Dichtewelle oder dünn-dichte Welle genannt wird. Seine Ausbreitungsrichtung stimmt mit der Schwingungsrichtung überein. Das Material breitet die Welle durch den Wechsel von dünn-dicht-dünn-dicht aus.

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Lichtwellen sind eine Art Transversalwellen, die aus zueinander senkrechten elektrischen Feldern (z-Richtung) und magnetischen Feldern (x-Richtung) bestehen. Die Schwingungsrichtung des Lichts liegt immer in der xz-Ebene, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts (y-Richtung).

Schematische Darstellung der Lichtwellenausbreitung, wobei E das elektrische Feld und B das magnetische Feld ist

(Bildquelle: Wikipedia)

Diese beiden Schwingungsvektoren in unterschiedlichen Richtungen überlagern sich. Aus der xz-Ebene betrachtet sieht es so aus, als würde sich ein Partikel in einem regelmäßigen Muster bewegen. Abhängig von der Amplitude und Phase der Schwingung kann ihre Bewegung kreisförmig, elliptisch oder linear sein, was jeweils als zirkular polarisiertes Licht, elliptisch polarisiertes Licht und linear polarisiertes Licht bezeichnet wird.

Schematische Darstellung der Zirkularpolarisation. Rot und Blau stellen Schwingungen in zwei verschiedene Richtungen dar und Schwarz stellt den Bewegungszustand des eigentlichen Partikels dar.

(Bildquelle: Wikipedia)

Wenn wir einen Schlitz platzieren, werden Lichtwellen durch den Schlitz eingeschränkt, da sie eine Schwingungsrichtung haben. Wenn die Richtung des Schlitzes mit der Schwingungsrichtung übereinstimmt, kann die Welle den Schlitz problemlos passieren. Wenn die Richtung des Schlitzes senkrecht zur Schwingungsrichtung steht, wird die Welle blockiert und kann sich nicht weiter ausbreiten. Besteht zwischen der Spaltrichtung und der Schwingungsrichtung ein Winkel, kann die Welle zwar den Spalt passieren, die Lichtintensität wird jedoch abgeschwächt. Diese Asymmetrie zwischen der Schwingungsrichtung und der Ausbreitungsrichtung wird als Polarisation der Lichtwelle bezeichnet, und der oben erwähnte Spalt ist das Prinzip des Polarisators.

Schematische Darstellung der Polarisation. Die rechte Seite ist eine zirkulare Polarisation. Nach dem Passieren des mittleren Schlitzes stimmt die Schwingungsrichtung mit dem Schlitz überein.

(Bildquelle: Wikipedia)

Der Twisted-Nematic-Effekt nutzt diese Eigenschaft polarisierten Lichts, um den Polarisationswinkel des einfallenden Lichts durch verdrehte Flüssigkristallmoleküle zu verändern. Wie kann dieser Effekt also auf Flüssigkristallanzeigen angewendet werden, um Bilder zu erzeugen?

In einer Flüssigkristallanzeige gibt es ursprünglich zwei Polarisationsplatten. Diese beiden Filme können nur polarisiertes Licht mit einem festen Winkel durchlassen. Wenn wir diese beiden Filme im 90°-Winkel zueinander ausrichten, kann kein Licht hindurchdringen. Aufgrund der Existenz der verdrehten Flüssigkristallschicht dringt das Licht vom oberen Polarisator jedoch durch und wird nach dem Passieren der verdrehten Anordnung der Flüssigkristallmoleküle um 90° gedreht, sodass das Licht gerade noch durch den unteren Polarisator hindurchtreten kann und einen vollständigen Ausbreitungsweg bildet.

Wenn an die Flüssigkristallschicht allmählich Spannung angelegt wird, steigen die Flüssigkristallmoleküle mit der Spannungsänderung allmählich vertikal auf und das hindurchtretende Licht wird allmählich schwächer. Bei maximaler Spannung werden die Flüssigkristallmoleküle vertikal ausgerichtet und das gesamte Licht kann nicht durch den unteren Polarisator gelangen.

Schematische Darstellung der TN-Anzeigetechnologie

(Bildquelle: Fang Zeguo. Forschung zu In-Plane Switching (IPS) Dünnschichttransistoren (TFT) Flüssigkristallmaterialien[D]. Chemisch-Technische Universität Peking, 2015.)

Nachdem wir nun wissen, wie die Flüssigkristallschicht Licht überträgt, werfen wir einen Blick auf ihren Bildgebungsprozess. Die Flüssigkristallschicht besteht eigentlich aus einer Struktur winziger Zellen, von denen eine oder mehrere ein Pixel auf dem Bildschirm bilden. Durch die Steuerung der Lichtintensität verschiedener Pixel über Schaltkreise wird ein monochromes Bild erzeugt.

Farb-LCDs funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie monochrome Displays, mit der Ausnahme, dass jedes Pixel aus drei Flüssigkristallzellen besteht, vor denen sich jeweils ein Rot-, Grün- und Blaufilter befindet. Das Licht wird durch Filter verarbeitet und kräftige Farben werden durch räumliche Farbmischung kombiniert.

Die Mikrostruktur der TN-Flüssigkristallanzeige, jedes Pixel besteht aus roten, blauen und grünen Zellen

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieser auf dem Twisted Nematic-Effekt (TN) basierende LCD-Bildschirm wird heute als TN-Bildschirm bezeichnet und ist ebenfalls eine altbewährte Technologie im LCD-Bereich. Sein Vorteil liegt in der kurzen Reaktionszeit, es gibt aber auch Nachteile. TN-Bildschirme haben einen geringen Kontrast, eine schlechte Farbwiedergabe und enge Betrachtungswinkel. Den besten Seheffekt erzielen Benutzer nur, wenn sie direkt auf den Bildschirm blicken. Da TN-Bildschirme den Menschen kein ausreichend gutes Benutzererlebnis bieten können, ziehen sie sich derzeit allmählich vom Mainstream-Markt zurück.

Man optimierte den TN-Bildschirm anhand unterschiedlicher Flüssigkristallanordnungen und erfand den VA-Bildschirm (Vertical Alignment) und den IPS-Bildschirm (In-Plane Switching).

Der VA-Bildschirm nutzt nicht den Twisted-Nematic-Effekt, um den Flüssigkristall spiralförmig zu machen, sondern ordnet alle Flüssigkristallmoleküle in vertikaler Richtung an.

Zunächst werden die Flüssigkristallmoleküle senkrecht zum oberen und unteren Substrat angeordnet und an beiden Seiten der Flüssigkristallbox werden zueinander orthogonale Polarisatoren angebracht. Wenn keine Spannung angelegt wird, verläuft die Ausbreitungsrichtung des linear polarisierten Lichts, das durch den unteren Polarisator tritt, parallel zur Längsachsenrichtung der Flüssigkristallmoleküle, der Polarisationszustand ändert sich nicht und das Licht kann den oberen Polarisator nicht passieren, und das Panel befindet sich in einem dunklen Zustand. Wenn Spannung angelegt wird, rotieren die Flüssigkristallmoleküle unter der Einwirkung des elektrischen Felds, und schließlich wird die Längsachsenrichtung der Flüssigkristallmoleküle senkrecht zur Richtung des elektrischen Felds ausgerichtet. Das linear polarisierte Licht, das durch den unteren Polarisator geht, erzeugt eine Phasenverzögerung in der Flüssigkristallschicht, und der Polarisationszustand des Lichts ändert sich, bis sich die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts in der Flüssigkristallschicht um 90° dreht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Polarisationsrichtung parallel zur Transmissionsachsenrichtung des oberen Polarisators und das Panel befindet sich in einem hellen Zustand.

Da die Flüssigkristallmoleküle des VA-Bildschirms vertikal angeordnet sind, wird der Bildschirm bei äußeren Einflüssen stark beeinflusst und bildet ein Muster wie Wasserwellen. Deshalb wird er auch als weicher Bildschirm bezeichnet. Der VA-Bildschirm hat einen größeren Betrachtungswinkel als der TN-Bildschirm, aber sein Drehwinkel ist größer, was zu einer längeren Reaktionszeit und einem starken Nachbild führt.

Das Prinzip der IPS-Displaytechnologie ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Elektroden sind auf einer Seite des unteren Substrats verteilt, die Flüssigkristallmoleküle sind parallel zum Substrat angeordnet und bilden einen bestimmten Winkel mit der Elektrodenrichtung, und an beiden Seiten der Flüssigkristallbox sind zueinander orthogonale Polarisatoren angebracht. Die Lichtdurchlässigkeitsrichtung des unteren Substratpolarisators verläuft parallel zur Anordnungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle. Wenn keine Spannung angelegt wird, verläuft das linear polarisierte Licht, das durch den unteren Polarisator geht, parallel zur Längsachsenrichtung der Flüssigkristallmoleküle, der Polarisationszustand ändert sich nicht und es kann den oberen Polarisator nicht passieren, sodass sich das Panel in einem dunklen Zustand befindet. Beim Anlegen einer Spannung rotieren die Flüssigkristallmoleküle unter der Einwirkung des elektrischen Feldes in der Ebene. Die Längsachsenrichtung der Flüssigkristallmoleküle ist orthogonal zur Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts, das durch den unteren Polarisator geht. In der Flüssigkristallschicht tritt eine Doppelbrechung auf, der Polarisationszustand des Lichts ändert sich und die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts dreht sich in der Flüssigkristallschicht um 90°. Zu diesem Zeitpunkt verläuft die Polarisationsrichtung parallel zur Lichtdurchlässigkeitsrichtung des oberen Polarisators und das Panel befindet sich in einem hellen Zustand.

Diagramm des IPS-Bildgebungsprinzips

(Bildquelle: Li Zhifu. Forschung zur TFT-LCD-Weitwinkeltechnologie [D]. Fudan-Universität, 2011.)

Im Vergleich zu VA-Bildschirmen ist die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle bei IPS-Bildschirmen horizontal, sodass sie einem größeren Druck standhalten können, ohne die Bilderzeugung zu beeinträchtigen. Daher wird IPS auch als Hartbildschirm bezeichnet.

Der Zustand von Flüssigkristallmolekülen unter Druck von IPS und VA

(Bildquelle: Li Zhifu. Forschung zur TFT-LCD-Weitwinkeltechnologie [D]. Fudan-Universität, 2011.)

Da sich die Flüssigkristallmoleküle während des Wechsels vom dunklen zum hellen Zustand der IPS-Technologie auf einer Ebene parallel zum Substrat drehen, ist der Anzeigeeffekt bei Betrachtung des LCD-Panels aus allen Winkeln nahezu derselbe. Daher kann ein IPS-Bildschirm das Problem des eingeschränkten Betrachtungswinkels eines TN-Bildschirms lösen und den Benutzern einen größeren Betrachtungswinkel bieten.

Kann nicht selbst Licht emittieren - die Lichtquelle für LCD-Displays

Möglicherweise sind Sie auf ein Problem gestoßen: Woher kommt die Lichtquelle des LCD?
Das stimmt, LCD ist kein selbstleuchtendes Display. Wenn es Licht ausstrahlen möchte, ist es auf eine externe Lichtquelle angewiesen.

Es gibt zwei Hauptlichtquellen für LCD-Monitore. Eine davon ist eine lange Leuchtstofflampe, ähnlich der für die Beleuchtung von Klassenzimmern verwendeten, die hauptsächlich auf beiden Seiten oder an der Unterseite des Monitors verteilt ist. Die andere ist die derzeit weit verbreitete Lichtquelle mit Leuchtdioden (LED). Hieraus entstand die marktübliche LED-Flüssigkristallanzeige. Da LEDs sehr klein sind, können durch die Verwendung von LEDs als Lichtquellen Displays dünner gemacht werden.

Aufbau eines LED-Bildschirms (von unten nach oben: LED-Hintergrundbeleuchtungsschicht, Streufolie, Polarisator, ITO-Substrat, Flüssigkristallschicht, RGB-Filter, Polarisator, Glasschicht)

(Bildquelle: Wikipedia)

Abschluss

Tatsächlich sind LCD-Displays auf LED-Basis nicht allmächtig und ihre Farbleistung ist nicht sehr gut. Aufgrund seines relativ niedrigen Preises, der geringeren Modulationsspannung und anderer Vorteile ist es jedoch seit seiner Einführung in den 1980er Jahren weiterhin ein aktiver Bestandteil unseres Lebens. Aus dieser Sicht kann man sagen, dass LCD-Monitore die Evergreens in der Monitorfamilie sind!

Herausgeber: Guo Yaxin

Quellen:

[1] Iam-choon Khoo. Flüssigkristalle. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995

[2] S. Brugioni, R. Meucci. Selbstphasenmodulation in einem nematischen Flüssigkristallfilm, induziert durch einen CO2-Laser mit geringer Leistung. Opt.Commu. 2002.206.445

[3] https://www.zhihu.com/question/22465979

[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823

[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box

[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma

[7] https://www.sony.com.cn/

[8] https://www.samsung.com/cn/

[9] https://www.eizo.com.cn/

[10] Zheng Guili. Studie zum flexoelektrischen Effekt und flexoelektrischen Koeffizienten von nematischen Flüssigkristallen [D]. Changchun-Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 2017.

[11] Li Zhifu. Forschung zur TFT-LCD-Weitwinkeltechnologie[D]. Fudan-Universität, 2011.

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[13] Fang Zeguo. Forschung zu In-Plane-Switching (IPS)-Dünnschichttransistor-Flüssigkristallmaterialien (TFT)[D]. Universität für Chemische Technologie Peking, 2015.

[14] Polarisiertes Licht und optische Systeme von Russell Chipman, Wai Sze Tiffany Lam, Garam Young