Flüssigkristallanzeige (LCD), ein elektronisches Anzeigegerät, das durch Anlegen einer variablen elektrischen Spannung an eine Flüssigkristallschicht funktioniert und dadurch Änderungen der optischen Eigenschaften hervorruft. LCDs werden häufig für tragbare elektronische Spiele, als Sucher für Digitalkameras und Camcorder, in Videoprojektionssystemen, für elektronische Werbetafeln, als Monitore für Computer und in Flachbildfernsehern verwendet.

Elektro-optische Effekte in Flüssigkristallen

Flüssigkristalle sind Materialien mit einer Struktur, die zwischen der von Flüssigkeiten und kristallinen Festkörpern liegt. Wie in Flüssigkeiten können die Moleküle eines Flüssigkristalls aneinander vorbeifließen. Wie in festen Kristallen ordnen sie sich jedoch in erkennbaren Mustern an. Wie feste Kristalle können auch Flüssigkristalle polymorph sein, d. h. sie können verschiedene Strukturmuster annehmen, die jeweils einzigartige Eigenschaften aufweisen. In LCDs werden entweder nematische oder smektische Flüssigkristalle verwendet. Die Moleküle nematischer Flüssigkristalle richten sich mit ihren Achsen parallel aus, wie in der Abbildung dargestellt. Smektische Flüssigkristalle hingegen ordnen sich in geschichteten Blättern an; innerhalb der verschiedenen smektischen Phasen können die Moleküle, wie in der Abbildung gezeigt, unterschiedliche Ausrichtungen in Bezug auf die Ebene der Blätter einnehmen.

Die optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen hängen von der Richtung ab, in der sich das Licht durch eine Schicht des Materials bewegt. Ein elektrisches Feld (induziert durch eine geringe elektrische Spannung) kann die Ausrichtung der Moleküle in einer Flüssigkristallschicht verändern und so ihre optischen Eigenschaften beeinflussen. Dieser Vorgang wird als elektro-optischer Effekt bezeichnet und bildet die Grundlage für LCDs. Bei nematischen LCDs resultiert die Veränderung der optischen Eigenschaften aus der Ausrichtung der Molekülachsen entweder entlang oder senkrecht zum angelegten elektrischen Feld, wobei die bevorzugte Richtung durch die Details der chemischen Struktur des Moleküls bestimmt wird. Flüssigkristallmaterialien, die sich entweder parallel oder senkrecht zu einem angelegten Feld ausrichten, können für bestimmte Anwendungen ausgewählt werden. Die geringen elektrischen Spannungen, die für die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle erforderlich sind, waren ein Schlüsselmerkmal für den kommerziellen Erfolg von LCDs; andere Anzeigetechnologien konnten nur selten mit ihrem geringen Stromverbrauch mithalten.

Verdrillte nematische Displays

Die ersten LCDs kamen Ende der 1960er Jahre auf den Markt und basierten auf einem Lichtstreueffekt, dem so genannten dynamischen Streumodus. Diese Anzeigen wurden wegen ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer Tragbarkeit in vielen Uhren und Taschenrechnern eingesetzt. Probleme mit der Ablesbarkeit und die begrenzte Lebensdauer der Flüssigkristallmaterialien führten jedoch in den 1970er Jahren zur Entwicklung von TN-Displays (Twisted Nematic), die heute in Computermonitoren und Flachbildschirmen eingesetzt werden.

gefüllt sind. Die Substratplatten bestehen in der Regel aus transparentem Glas und tragen strukturierte, elektrisch leitende, transparente Schichten aus Indiumzinnoxid. Die Elektrodenschichten sind mit einer dünnen Ausrichtungsschicht aus einem Polymer überzogen, die bewirkt, dass sich die Flüssigkristallmoleküle, die mit ihnen in Berührung kommen, ungefähr parallel zur Oberfläche ausrichten. Bei den meisten derzeit hergestellten Displays bestehen die Ausrichtungsschichten aus einer einige zehn Nanometer dicken Polymerschicht (1 Nanometer = 10-9 Meter), die mit einem Tuch nur in eine Richtung gerieben wurde. Beim Zusammenbau der Zelle werden die obere und die untere Substratplatte so angeordnet, dass die Ausrichtungsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Die gesamte Anordnung wird dann zwischen einem Paar Blattpolarisatoren angeordnet, deren Lichtabsorptionsachsen ebenfalls senkrecht zueinander stehen. Wenn keine Spannung anliegt, bewirken die senkrecht ausgerichteten Schichten, dass der Flüssigkristall von einer Platte zur anderen eine verdrehte Konfiguration annimmt. Ohne Flüssigkristall würde das Licht, das in beide Richtungen durch die Zelle fällt, aufgrund der gekreuzten Polarisatoren absorbiert werden, und die Zelle würde dunkel erscheinen. Bei Vorhandensein einer Flüssigkristallschicht erscheint die Zelle jedoch transparent, da die Optik des verdrillten Flüssigkristalls der gekreuzten Anordnung der Polarisatoren entspricht. Das Anlegen von drei bis fünf Volt an den Flüssigkristall zerstört den verdrillten Zustand und bewirkt, dass sich die Moleküle senkrecht zu den Substratplatten ausrichten, was der Zelle ein dunkles Aussehen verleiht, wie in der Abbildung dargestellt. Für einfache Anzeigen wird die Flüssigkristallzelle in einem reflektierenden Modus betrieben, wobei ein diffuser Reflektor hinter der Anzeige platziert wird und die aktivierten Teile des Elektrodenmusters als schwarze Bilder auf einem grauen Hintergrund erscheinen, der durch den diffusen Reflektor bereitgestellt wird. Durch die Anordnung der Elektroden in Segmenten oder in Form einer Reihe kleiner Quadrate können alphanumerische Zeichen und Bilder mit sehr geringer Auflösung angezeigt werden, z. B. in Digitaluhren oder Taschenrechnern.

Komplexere Bilder können mit einer Technik angezeigt werden, die als Passiv-Matrix-Adressierung bekannt ist (siehe unten). Doch selbst mit dieser Technik können 90°-TN-Displays Bilder erzeugen, die nur aus etwa 20 Reihen von Bildelementen, den so genannten Pixeln, bestehen.

Supertwisted nematische Displays

In den frühen 1980er Jahren wurde entdeckt, dass eine Erhöhung des Verdrehungswinkels einer Flüssigkristallzelle auf etwa 180-270° (wobei 240° recht häufig vorkommt) die Verwendung einer viel größeren Anzahl von Pixelreihen ermöglicht, wodurch die Komplexität der darstellbaren Bilder zunimmt. Diese supertwisted nematic (STN)-Displays erreichen ihre hohe Verdrehung durch eine Substratplattenkonfiguration, die der von TN-Displays ähnelt, jedoch mit einer zusätzlichen optisch aktiven Verbindung, einem so genannten chiralen Dotierstoff, der im Flüssigkristall gelöst ist. Die Ansteuerung der Anzeige erfolgt über eine Passiv-Matrix-Adressierung, bei der die Pixel in Zeilen und Spalten angeordnet sind; durch das selektive Anlegen einer Spannung an eine bestimmte Zeile und Spalte wird das entsprechende Element an deren Schnittpunkt aktiviert. Der Supertwist bewirkt eine größere relative Änderung der optischen Transmission bei angelegter Spannung als bei um 90° verdrehten Zellen. Dadurch wird die Beleuchtung unerwünschter Pixel, das so genannte "Übersprechen", reduziert, das die Anzahl der Zeilen steuert, die bei der Passiv-Matrix-Adressierung aktiviert werden können. STN-Farbbildschirme wurden für Computermonitore hergestellt, werden aber auf dem Markt durch modernere Dünnschichttransistor-TN-Bildschirme (siehe unten) ersetzt, die bessere Betrachtungswinkel, Farben und Reaktionsgeschwindigkeiten aufweisen. Monochrome STN-Displays sind in Mobiltelefonen und anderen Geräten, die keine Farbe benötigen, noch weit verbreitet.

Dünnschichttransistor-Displays

Die Darstellung komplexer Bilder erfordert hochauflösende Punktmatrix-Displays, die aus vielen tausend Pixeln bestehen. Der VGA-Standard (Video Graphics Array) für Computermonitore besteht beispielsweise aus einem Array von 640 mal 480 Bildelementen, was bei einem Farb-LCD 921.600 einzelnen Pixeln entspricht. Mit Hilfe von Dünnschichttransistor-TN-Displays (Thin Film Transistor, TFT), bei denen jedem Pixel ein Siliziumtransistor zugeordnet ist, der als individueller elektronischer Schalter fungiert, lassen sich aus derart komplexen Anordnungen hervorragende Bilder erzeugen. (Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt eines TFT-Displays.) Die Verwendung eines Transistors für jedes Pixel macht das TFT-Display zu einem Aktiv-Matrix-Display, im Gegensatz zu dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Passiv-Matrix-Display. Der TN-Effekt erzeugt Schwarz-Weiß-Bilder, aber, wie in der Abbildung gezeigt, können auch Farbbilder erzeugt werden, indem drei Pixelgruppen mit roten, blauen und grünen Filtern gebildet werden. Das angezeigte Bild ist dank einer flachen Hintergrundbeleuchtung hinter der Flüssigkristalltafel hell.

Andere transmissive nematische Displays

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Alternativen zum 90°-TN für den Einsatz auf Aktivmatrix-Substraten auf den Markt gebracht. Bei IPS-Displays (In-Plane-Switching) wird beispielsweise eine Schaltspannung an Elektroden auf einem einzigen Substrat angelegt, um den Flüssigkristall aufzudrehen. IPS-Displays haben einen Betrachtungswinkel, der dem von TFT-TNs überlegen ist; allerdings kann der Bedarf an mehr Elektrodenschaltungen auf ihrem Substrat zu einer weniger effizienten Nutzung der Hintergrundbeleuchtung führen. Bei TVAN-Displays (Twisted Vertically Aligned Nematic) werden Moleküle verwendet, die dazu neigen, sich mit ihren langen Achsen senkrecht zur Richtung eines angelegten elektrischen Feldes auszurichten. Dem Flüssigkristall wird eine kleine Menge eines optisch aktiven Materials zugesetzt, so dass er beim Anlegen einer Spannung eine verdrehte Konfiguration annimmt. TVAN-Displays können einen sehr hohen Kontrast und gute Blickwinkeleigenschaften aufweisen.

Reflektierende Anzeigen

Die Hintergrundbeleuchtung von LCDs macht in der Regel mehr als 80 Prozent des Stromverbrauchs des Displays aus. Für mobile, komplexe Displays ist die Batterielebensdauer von großer Bedeutung, und es liegt auf der Hand, dass die Entwicklung von Produkten, die bei Umgebungslicht ohne Hintergrundbeleuchtung betrachtet werden können, äußerst wünschenswert ist. Solche Displays sind als reflektierende Displays bekannt, und sie können auf verschiedene Weise realisiert werden. Einige kommerzielle reflektierende Displays funktionieren ähnlich wie das transmissive STN. Auch hier fungiert der Flüssigkristall als elektro-optische Schicht zwischen zwei Polarisatoren. Anstelle einer Hintergrundbeleuchtung wird jedoch ein Aluminiumspiegel verwendet, der das Umgebungslicht zurück zum Betrachter reflektiert, wenn der Flüssigkristall in einen hellen (oder durchlässigen) Zustand geschaltet wird. Polarisatoren absorbieren etwa 50 Prozent des unpolarisierten Lichts, das durch sie hindurchgeht, und die Entfernung eines oder beider Polarisatoren kann die Helligkeit der reflektierenden Displays erhöhen. In der Tat haben Aktivmatrix-Geräte mit einzelnen Polarisatoren begonnen, den Markt für hochwertige reflektierende Displays zu dominieren - beispielsweise in Mobiltelefonen und elektronischen Handheld-Spielen.

Eine andere Art von reflektierendem Gerät, das so genannte Gast-Wirt-Reflektionsdisplay, basiert auf der Auflösung von "Gast"-Farbstoffmolekülen in einem "Wirts"-Flüssigkristall. Die Farbstoffmoleküle werden so ausgewählt, dass ihre Farbabsorption von ihrer Ausrichtung abhängt. Schwankungen der angelegten elektrischen Spannung verändern die Ausrichtung des Wirts-Flüssigkristalls, was wiederum zu Veränderungen in der Ausrichtung der Farbstoffmoleküle führt, wodurch sich die Farbe der Anzeige ändert. Guest-Host-Geräte können einen oder keine Polarisatoren verwenden, aber auch sie benötigen einen Spiegel. Sie können eine hohe Helligkeit aufweisen, haben aber im Allgemeinen einen schlechteren Kontrast als optimierte TN-Geräte mit einem Polarisator.

Wirklich reflektierende Displays (die keinen Spiegel benötigen) wurden mit optisch aktiven Flüssigkristallen hergestellt, die als chirale nematische oder cholesterische Flüssigkristalle bekannt sind. (Die ersten chiralen nematischen Kristalle basierten auf Derivaten von Cholesterin, daher der inzwischen veraltete Begriff cholesterisch). Die Moleküle solcher optisch aktiven Flüssigkristalle ordnen sich spontan zu spiralförmigen Strukturen, die Licht einer bestimmten Wellenlänge (d. h. einer bestimmten Farbe) reflektieren, die ungefähr der Steigung der Spiralen entspricht. Wird die Ausrichtung der Helices durch ein elektrisches Feld verändert, kann der Flüssigkristall von einem farbigen reflektierenden Zustand in einen streuenden oder schwarzen Zustand übergehen. Die Geräte haben eine hohe Auflösung und einen akzeptablen Kontrast, sind aber recht langsam und werden in der Regel für statische Anzeigen verwendet.

Es wurden transflektive Displays entwickelt, die einige der Eigenschaften von reflektierenden Displays auf Polarisatorbasis und transmissiven Displays vereinen. Transflektive Geräte verwenden einen Spiegel, der teilweise reflektierend und teilweise durchlässig ist und sich zwischen der Flüssigkristallschicht und einer Hintergrundbeleuchtung befindet. Bei starkem Umgebungslicht kann die Hintergrundbeleuchtung ausgeschaltet und das Display als reflektierendes Gerät betrieben werden, um Batteriestrom zu sparen. Bei schwachem Licht kann die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet werden, um die Helligkeit der Anzeige zu erhöhen. Dies hat eindeutig Vorteile, auch wenn transflektive Displays naturgemäß einen Kompromiss darstellen und nicht ohne weiteres mit der Reflektivität eines rein reflektierenden Displays oder der Helligkeit eines transmissiven Geräts mithalten können.

Projektionsbildschirme

Bei den in Projektionssystemen verwendeten LCDs handelt es sich in der Regel um kleine reflektierende oder transmissive Panels, die von einer starken Bogenlampe beleuchtet werden. Eine Reihe von Linsen vergrößert das reflektierte oder transmittierte Bild und wirft es auf eine Leinwand. Bei Aufwärtsprojektionssystemen befindet sich der LCD-Bildschirm auf der gleichen Seite wie der Betrachter, während bei Rückwärtsprojektionssystemen der Bildschirm von hinten beleuchtet wird. Bei teureren und leistungsfähigeren Projektoren können drei separate LCD-Panels verwendet werden, die jeweils ein rotes, grünes und blaues Bild erzeugen, das sich auf der Leinwand zu einem farbigen Bild zusammensetzt.

Smektische LCDs

Die steigende Nachfrage nach Videobildschirmen hat dazu geführt, dass die Schaltgeschwindigkeit von Flüssigkristallen immer wichtiger wird. Dies hat zur Entwicklung von Geräten mit smektischen Flüssigkristallen geführt, von denen einige eine schnellere elektro-optische Reaktion aufweisen als nematische Flüssigkristalle. Das oberflächenstabilisierte ferroelektrische Flüssigkristall-Display (SSFLC) ist derzeit das am weitesten entwickelte smektische Gerät. Dabei sind die Flüssigkristallmoleküle in Schichten angeordnet, die senkrecht zu den Substratebenen stehen und einen oder zwei Mikrometer voneinander entfernt sind, und innerhalb der Schichten sind die Moleküle geneigt, wie in der Abbildung dargestellt. Der Wirts-Flüssigkristall enthält optisch aktive Moleküle, und eine subtile Folge der optischen Aktivität und der Neigung der Moleküle ist das Auftreten einer permanenten Ladungstrennung oder eines ferroelektrischen Dipols, analog zum ferromagnetischen Dipol eines Magneten. Die Richtung dieses Dipols ist senkrecht zur Kipprichtung der Moleküle und in der Ebene der Schichten. Es gibt also eine permanente Ladungstrennung durch die Flüssigkristallschicht im SSFLC, und ihr Vorzeichen ist direkt an die Kipprichtung der Moleküle gekoppelt. Eine angelegte Spannung mit dem richtigen Vorzeichen kann die Richtung dieses Dipols innerhalb von zehn Mikrosekunden umkehren und damit die Kipprichtung der Moleküle umkehren. Die entsprechende Änderung der optischen Eigenschaften kann einen Wechsel von hell zu dunkel bewirken, wenn ein oder mehrere Polarisatoren verwendet werden.

SSFLC-Bauteile wurden für große Passiv-Matrix-Displays kommerzialisiert, aber ihre Kosten und Komplexität haben verhindert, dass sie sich auf dem Markt durchsetzen konnten. Kleine transmissive und reflektierende Aktivmatrix-SSFLC-Displays sind jedoch vielversprechend für den Einsatz als Elemente in Projektionssystemen oder als Sucher in Digitalkameras. Aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit können sie in zeitsequentiellen Farbsystemen eingesetzt werden, bei denen teure Farbfilter durch eine farbige Hintergrundbeleuchtung ersetzt werden, die in schneller Folge (etwa 100 Zyklen pro Sekunde) rot, grün und blau aufblitzt. Der Flüssigkristall kann zum Beispiel während der roten und grünen Periode in einen durchlässigen Zustand und während der blauen Periode in einen nicht durchlässigen Zustand geschaltet werden, so dass das Auge einen Durchschnitt aus rotem und grünem Licht oder die Farbe Gelb sieht.