Was ist ein LCD-Display?

Eine Flüssigkristallanzeige ist eine Art elektrisch erzeugtes Bild, das auf einem dünnen, flachen Bildschirm angezeigt wird. Die ersten LCDs, die in den 1970er Jahren auf den Markt kamen, waren winzige Bildschirme, die hauptsächlich in Taschenrechnern und Digitaluhren verwendet wurden und schwarze Zahlen auf weißem Hintergrund anzeigten. Heutzutage können die neuesten LCD-Flachbildfernseher, die die traditionelle, sperrige Kathodenstrahlröhre weitgehend ersetzt haben, hochauflösende Farbbilder mit einer Diagonale von bis zu 108 Zoll erzeugen. LCDs sind mittlerweile überall zu finden – in Heimelektroniksystemen, Mobiltelefonen, Kameras und Computermonitoren sowie Uhren und Fernsehern.

Die Technologie basiert auf bemerkenswerten elektrisch empfindlichen Materialien, sogenannten Flüssigkristallen, die wie Flüssigkeiten fließen, aber eine kristalline Struktur haben. In kristallinen Feststoffen sitzen die einzelnen Teilchen – Atome oder Moleküle – in regelmäßigen geometrischen Anordnungen, während sie sich im flüssigen Zustand frei und zufällig bewegen können. Flüssigkristalle bestehen aus Molekülen – oft stäbchenförmig –, die sich in die gleiche Richtung organisieren, sich aber dennoch bewegen können. Es stellt sich heraus, dass Flüssigkristallmoleküle auf eine elektrische Spannung reagieren, die ihre Ausrichtung ändert und die optischen Eigenschaften des Schüttguts verändert. Diese Eigenschaft wird bei LCDs ausgenutzt.

Ein LCD-Anzeigefeld besteht im Durchschnitt aus Tausenden von Bildelementen („Pixeln“), die einzeln durch eine Spannung angesprochen werden. Sie erfreuen sich großer Beliebtheit, weil sie dünner und leichter sind und eine niedrigere Betriebsspannung als andere Anzeigetechnologien haben und sich beispielsweise perfekt für batteriebetriebene Geräte eignen. Doch hinter den großen Farb-LCD-Fernsehern, die mittlerweile in jedem Supermarkt erhältlich sind, stecken mehrere Jahrzehnte Forschung und Entwicklung. Physiker, Chemiker und Technologen mussten gemeinsam viele Probleme lösen.

Flüssigkristalle wurden 1888 zufällig vom österreichischen Botaniker Friedrich Reinitzer entdeckt. Er zeigte, dass ein pflanzliches Derivat, Cholesterylbenzoat, zwei Schmelzpunkte hatte, wobei es bei 145 °C zu einer trüben Flüssigkeit wurde und bei 179 °C klar wurde. Um eine Erklärung zu finden, gab er seine Proben an den Physiker Otto Lehmann weiter. Mit einem Mikroskop, das mit einem Heiztisch ausgestattet war, zeigte Lehmann, dass der dazwischenliegende trübe Zustand optische Eigenschaften aufwies, die für einige Kristalle typisch sind, es sich jedoch um eine Flüssigkeit handelte – und so entstand der Begriff „Flüssigkristall“.

Es versteht sich, dass die meisten Flüssigkristalle, wie Cholesterylbenzoat, aus Molekülen mit langen, stäbchenförmigen Strukturen bestehen. Es ist die Kombination der Anziehungskräfte, die zwischen allen Molekülen in Verbindung mit der stäbchenförmigen Struktur bestehen, die zur Bildung der Flüssigkristallphase führt. Allerdings ist die Wechselwirkung nicht stark genug, um die Moleküle fest an ihrem Platz zu halten. Seitdem wurden viele verschiedene Arten von Flüssigkristallstrukturen entdeckt. Einige sind weiter in Schichten angeordnet, während andere sogar scheibenförmig sind und Säulen bilden.

In den 1920er und 1930er Jahren untersuchten Forscher die Auswirkungen elektrischer und magnetischer Felder auf Flüssigkristalle. Im Jahr 1929 zeigte der russische Physiker Vsevolod Freedericksz, dass Flüssigkristallmoleküle in einem dünnen Film zwischen zwei Platten ihre Ausrichtung änderten, wenn ein Magnetfeld angelegt wurde. Dies war der Vorläufer des modernen spannungsbetriebenen LCD. Das erste Patent für ein Flüssigkristallgerät wurde 1936 von der britischen Firma Marconi Wireless Telegraph angemeldet. Allerdings stießen LCDs erst nach dem Zweiten Weltkrieg auf großes Interesse. Als Physiker begannen, immer kleinere elektronische Geräte und integrierte Schaltkreise für Alltagsgeräte zu entwickeln, wurde klar, dass Bedarf an einer kompatiblen Anzeigetechnologie bestand. LCDs waren ein Kandidat.

Die ersten Geräte, die Ende der 1960er Jahre entwickelt wurden, bestanden aus einem dünnen Flüssigkristallfilm, der zwischen Glasplättchen mit transparenten Elektroden eingelegt war. Ein angelegtes elektrisches Feld störte die Ausrichtung des Flüssigkristalls und veränderte sein Aussehen von transparent zu undurchsichtig. Diese und nachfolgende Geräte waren z. B. recht temperaturempfindlich und hielten nicht lange. Der Durchbruch gelang jedoch im Vereinigten Königreich, als der Physiker Peter Raynes vom Royal Signals and Radar Establishment (RSRE) mit den Chemikern George Gray und Ken Harrison von der University of Hull zusammenarbeitete, um neuartige LCD-Materialien zu entwickeln, die funktionierten, bei Raumtemperatur stabil waren und waren geeignet für die Massenproduktion. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit war entscheidend für die Weiterentwicklung der LCD-Technologie. Das von dem Physiker Cyril Hilsum geleitete RSRE-Forschungsprogramm führte zu einer Reihe wichtiger Geräteerfindungen, darunter das supertwisted-nematische LCD, Dünnschichttransistoren (TFTs) zur Ansteuerung von LCDs, das defektfreie Twisted-Nematic-Gerät und die zenitale bistabile Anzeige . TFT-LCDs, die einen Dünnschicht-Siliziumtransistor enthalten, sind heute die Haupttechnologie für Fernseher und Computermonitore.

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