Flüssigkristallanzeigen

Flüssigkristallanzeigen, auch LCD (Liquid-Crystal-Displays) genannt, findet man heute z.B. als Anzeigen von Thermometern, Barometern, Taschenrechnern, Uhren, Digitalkameras und auch als Monitor von Computern, insbesondere von Laptops (Bild 1).
Der Begriff Flüssigkristall deutet auf einen Zustand hin, der zwischen dem festen und flüssigen Zustand liegt. In der Tat sind die Moleküle in Flüssigkristallen wie in einer Flüssigkeit frei verschiebbar, bilden aber wie in Kristallen langgestreckte Strukturen aus. Das Besondere an diesen verschiebbaren Ketten ist, dass sie sich von außen orientieren lassen. Bringt man z.B. auf einem Flüssigkristall eine Kunstofffolie mit einer Vorzugsrichtung als Orientierungsschicht an, dann richten sich die Molekülketten an der Oberfläche des Kristalls in der Richtung dieser Folie aus. Nun kann man auf der anderen Seite des Kristalls eine um 90° gedrehte Kunststofffolie anbringen. Das führt dazu, dass sich die Schichten zwischen den beiden Folien wie eine Wendeltreppe von 0° bis 90° drehen. Trifft nun polarisiertes Licht auf diesen Kristall, so wird seine Polarisationsrichtung um 90° gedreht.
Legt man hingegen eine äußere Spannung an den Flüssigkeitskristall, dann ordnet sich alle Molekülketten in Richtung des elektrischen Feldes an und polarisiertes Licht wird nicht mehr gedreht.

In der Anzeige eines Taschenrechners sieht das dann so aus: Unpolarisiertes Umgebungslicht fällt auf einen Polarisationsfilter (Analysator) und tritt dann durch die obere Kunstofffolie in den Flüssigkristall ein. Dieser dreht die Polarisationsrichtung um 90°, sodass das Licht den gekreuzten Analysator ungehindert durchdringen kann. Es wird an einem Spiegel hinter dem Display reflektiert und kann nun auf dem gleichen Weg wieder zurückkehren. Die Anzeige ist hell.

Legt man eine äußere Spannung an, dreht der Kristall die Polarisationsrichtung nicht mehr und das Licht kann den Analysator nicht mehr durchdringen. Die Anzeige ist dunkel.
In Taschenrechnern setzte man nun aus solchen Elementen die Zahlen zusammen. In Computer-Displays (Flachbildschirmen) wird jeder Bildpunkt mit einem solchen Element erzeugt.
Statt eines Spiegels kann man auch im Hintergrund eine weiße Lichtquelle anbringen, sodass die Displays selbstleuchtend sind. Für farbige Pixel werden Farbfilter angebracht.

Das Dunkelschalten wird also von einer Spannung angetrieben. Die Schaltgeschwindigkeit lässt sich durch Erhöhen der Spannung vergrößern. Dagegen stellt sich die verdrillte Situation nach Abschalten der Spannung durch elastische Wechselwirkung wieder her. Diese kann nicht beschleunigt werden und begrenzt die Schaltgeschwindigkeit. Deshalb sind einfache Displays für Videos nicht besonders geeignet. Inzwischen hat man aber Materialien gefunden, die sich wesentlich schneller orientieren. Unter anderem sind dies auch Materialien, die für beide Orientierungen eine Spannung benötigen und deshalb wesentlich schneller reagieren.
Außerdem findet die Umorientierung in der Kristallebene statt, so dass die optische Achse senkrecht zur Kristallebene liegen muss und damit die Wirkung sehr stark vom Einfallswinkel abhängt. Dies ist z.B. bei Fernsehern und Computermonitoren unerwünscht.

Da für jedes Pixel, das bei Farbdisplays aus drei Farbpixeln besteht, eine gesonderte Spannung anliegen muss, besteht auch ein großes Problem darin, diese Spannung auf die vielen Pixel zu verteilen, ohne die Nachbarpixel zu beeinflussen. Beim TFT-Display (thin film transistor) wird auf jedes Pixel ein Feldeffekttransistor aufgebracht, der die Spannung an jedem Pixel individuell steuert. Dadurch erhält man eine hervorragende Schärfe und Farbtreue. Man sieht leicht ein, dass solch aufwändige Konstruktionen teuer sind.