Wir sind an die Vorstellung gewöhnt, dass eine bestimmte Substanz in einem von drei Zuständen vorliegen kann: fest, flüssig oder gasförmig – wir nennen sie Materiezustände – und bis zum Ende des 19. Jahrhunderts glaubten Wissenschaftler, dass dies das Ende der Geschichte sei . Dann, im Jahr 1888, entdeckte ein österreichischer Chemiker namens Friedrich Reinitzer (1857–1927) Flüssigkristalle, die einen völlig anderen Zustand darstellen, irgendwo zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen. Flüssigkristalle wären vielleicht im Dunkeln geblieben, wenn sich nicht herausgestellt hätte, dass sie einige sehr nützliche Eigenschaften hatten.

Feststoffe sind gefrorene Materieklumpen, die ganz von selbst an Ort und Stelle bleiben, wobei ihre Atome oft in einer sauberen, regelmäßigen Anordnung gepackt sind, die als Kristall (oder Kristallgitter) bezeichnet wird. Flüssigkeiten haben nicht die Ordnung von Feststoffen, und obwohl sie in einem Behälter an Ort und Stelle bleiben, fließen sie beim Ausgießen relativ leicht. Stellen Sie sich nun eine Substanz vor, die etwas von der Größenordnung eines Feststoffs und etwas von der Fließfähigkeit einer Flüssigkeit hat. Was Sie haben, ist ein Flüssigkristall – eine Art Zwischending. Zu jedem Zeitpunkt können sich Flüssigkristalle in einem von mehreren möglichen „Subzuständen“ (Phasen) irgendwo im Schwebezustand zwischen fest und flüssig befinden. Die beiden wichtigsten Flüssigkristallphasen heißen nematisch und smektisch:

Wenn sie sich in der nematischen Phase befinden, ähneln Flüssigkristalle ein wenig einer Flüssigkeit: Ihre Moleküle können sich bewegen und aneinander vorbeischlurfen, aber sie zeigen alle im Großen und Ganzen in die gleiche Richtung. Sie sind ein bisschen wie Streichhölzer in einer Streichholzschachtel: Man kann sie schütteln und bewegen, aber sie zeigen immer in die gleiche Richtung.

Kühlt man Flüssigkristalle ab, gehen sie in die smektische Phase über. Nun bilden die Moleküle Schichten, die relativ leicht aneinander vorbeigleiten können. Die Moleküle in einer bestimmten Schicht können sich darin bewegen, aber sie können und bewegen sich nicht in die anderen Schichten (ein bisschen wie Menschen, die für verschiedene Unternehmen auf bestimmten Etagen eines Bürogebäudes arbeiten). Tatsächlich gibt es mehrere verschiedene smektische „Subphasen“, auf die wir hier jedoch nicht näher eingehen.

Wie LCDs Flüssigkristalle und polarisiertes Licht nutzen?

Ein LCD-TV-Bildschirm nutzt den Sonnenbrillen-Trick, um seine farbigen Pixel ein- oder auszuschalten.

Auf der Rückseite des Bildschirms befindet sich ein großes, helles Licht, das auf den Betrachter scheint. Davor befinden sich Millionen von Pixeln, die jeweils aus kleineren Bereichen, sogenannten Subpixeln, bestehen, die rot, blau oder grün gefärbt sind. Hinter jedem Pixel befindet sich ein Polarisationsglasfilter und davor ein weiterer im 90-Grad-Winkel. Das bedeutet, dass das Pixel normalerweise dunkel aussieht. Zwischen den beiden Polarisationsfiltern befindet sich ein winziger verdrehter, nematischer Flüssigkristall, der elektronisch ein- oder ausgeschaltet (verdreht oder entdreht) werden kann. Wenn es ausgeschaltet ist, dreht es das durchtretende Licht um 90 Grad, sodass Licht effektiv durch die beiden Polarisationsfilter fließen kann und das Pixel hell erscheint. Wenn es eingeschaltet ist, dreht es das Licht nicht, das von einem der Polarisatoren blockiert wird, und das Pixel sieht dunkel aus. Jedes Pixel wird von einem separaten Transistor (einem winzigen elektronischen Bauteil) gesteuert, der es viele Male pro Sekunde ein- oder ausschalten kann.

Was ist bei LCDs anders?

Sie wissen wahrscheinlich, dass ein herkömmlicher Fernseher mit Kathodenstrahlröhre (CRT) ein Bild mit drei Elektronenkanonen erzeugt. Stellen Sie sie sich als drei sehr schnelle, sehr präzise Pinsel vor, die hin und her tanzen und ein bewegtes Bild auf die Rückseite des Bildschirms malen, das Sie betrachten können, wenn Sie davor sitzen.

Flachbild-LCD- und Plasmabildschirme funktionieren auf völlig andere Weise. Wenn Sie in der Nähe eines Flachbildfernsehers sitzen, werden Sie feststellen, dass das Bild aus Millionen winziger Blöcke besteht, die Pixel (Bildelemente) genannt werden. Jedes davon ist praktisch ein separates rotes, blaues oder grünes Licht, das sehr schnell ein- oder ausgeschaltet werden kann, um ein bewegtes Farbbild zu erzeugen. Die Ansteuerung der Pixel erfolgt bei Plasma- und LCD-Bildschirmen auf völlig unterschiedliche Weise. Bei einem Plasmabildschirm ist jedes Pixel eine winzige Leuchtstofflampe, die elektronisch ein- oder ausgeschaltet wird. Bei einem LCD-Fernseher werden die Pixel mithilfe von Flüssigkristallen elektronisch ein- oder ausgeschaltet, um polarisiertes Licht zu drehen. Das ist nicht so komplex, wie es sich anhört! Um zu verstehen, was vor sich geht, müssen wir zunächst verstehen, was Flüssigkristalle sind. Dann müssen wir uns das Licht und seine Ausbreitung genauer ansehen.

Was ist polarisiertes Licht?

Nematische Flüssigkristalle haben einen wirklich tollen Partytrick. Sie können eine verdrehte Struktur annehmen und sich unter Strom wieder aufrichten. Das klingt vielleicht nicht nach einem großen Trick, ist aber der Schlüssel dazu, wie LCD-Displays Pixel ein- und ausschalten. Um zu verstehen, wie Flüssigkristalle Pixel steuern können, müssen wir etwas über polarisiertes Licht wissen.

Licht ist eine mysteriöse Sache. Manchmal verhält es sich wie ein Teilchenstrom – wie ein ständiger Schwall mikroskopisch kleiner Kanonenkugeln, die mit extrem hoher Geschwindigkeit Energie transportieren, die wir sehen können, durch die Luft. In anderen Fällen verhält sich Licht eher wie Wellen auf dem Meer. Anstatt dass sich Wasser auf und ab bewegt, ist Licht ein elektrisches Wellenmusteral- und magnetische Energie, die durch den Raum vibriert.

Wenn Sonnenlicht vom Himmel fällt, vermischen sich die Lichtwellen und schwingen in alle möglichen Richtungen. Aber wenn wir einen Filter in den Weg legen, mit einem Gitter aus Linien, die vertikal angeordnet sind wie die Öffnungen in Gefängnisgittern (nur viel näher beieinander), können wir alle Lichtwellen ausblenden, außer denen, die vertikal schwingen (die einzigen Lichtwellen, die das können). durch vertikale Balken gelangen). Da wir einen Großteil des ursprünglichen Sonnenlichts blockieren, dämpft unser Filter das Licht effektiv. So funktionieren polarisierende Sonnenbrillen: Sie unterdrücken alles außer dem Sonnenlicht, das in eine Richtung oder Ebene schwingt. Auf diese Weise gefiltertes Licht wird polarisiertes oder ebenpolarisiertes Licht genannt (da es sich nur in einer Ebene ausbreiten kann).

Wenn Sie zwei polarisierende Sonnenbrillen haben (und mit einer normalen Sonnenbrille funktioniert das nicht), können Sie einen cleveren Trick anwenden. Wenn Sie ein Paar direkt vor das andere legen, sollten Sie immer noch durchschauen können. Wenn Sie jedoch ein Paar langsam drehen und das andere Paar an der gleichen Stelle belassen, werden Sie sehen, wie das durchscheinende Licht allmählich dunkler wird. Wenn die beiden Sonnenbrillen im 90-Grad-Winkel zueinander stehen, können Sie überhaupt nicht durch sie hindurchsehen. Die erste Sonnenbrille blockiert alle Lichtwellen außer denen, die vertikal schwingen. Die zweite Sonnenbrille funktioniert genauso wie die erste. Wenn beide Brillen in die gleiche Richtung zeigen, ist das in Ordnung – vertikal schwingende Lichtwellen können immer noch durch beide hindurchdringen. Wenn wir jedoch die zweite Brille um 90 Grad drehen, können die Lichtwellen, die es durch die erste Brille geschafft haben, nicht mehr durch die zweite Brille gelangen. Durch zwei im 90-Grad-Winkel zueinander stehende Polarisationsfilter gelangt überhaupt kein Licht hindurch.