Aufbau und Funktion einer LCD Zelle

LCD (Liquid Crystal Display) bedeutet zu deutsch Flüssigkristallanzeige. Sie werden benutzt um mit Hilfe von Strom Flüssigkristalle zu steuern, die durch ihre Ausrichtung das Licht beeinflußen und dadurch eine bestimmte Farbe entsteht, sodass wir ein Bild sehen können. Das was sie dort auf dem Bild sehen ist eine LCD Zelle, wie sie fast in jedem Flachbildschirmfernseher vorkommt. Sie basiert auf der nematischen Drehzelle, welche von Martin Schadt und Wolfgang Helfrich erfunden wurde. Der Aufbau dieser Zelle ist nicht sehr schwierig, zwei Glasplatten schließen den Flüssigkristall ein, innen sind sie mit einer Elektrodenschicht überzogen, die dafür benutzt wird die Kristalle zu beeinflußen, außen sind Polarisationsfilter angebracht, die das Licht in einer bestimmten Weise beeinflußen. Hinter der Zelle befindet sich meist eine Lichtquelle die das Licht hindurch schicken soll.

Auf der Innenseite der Glasplatte befindet sich wie im Falle des Flachbildschirmfernsehers Farbfilter, um eine von drei Grundfarben zu erzeugen. Wenn der Flachbildschirmfernseher jetzt in Betrieb genommen wird, ändern die Elektroden durch ein Magnetfeld die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle. Die Lichtquelle schickt Licht los, dieses passiert den ersten Polarisationsfilter in dem es dazu gebracht wird einheitlich zu schwingen, das nennt man Polarisiert, es wird gewissermaßen vereinheitlicht.

Durch die Polarisierung und die Anordnung der Kristalle ist es in der Lage einen bestimmten Weg durch die Zelle zu finden, man kann die Kristalle mit einer "richtungsänderbaren" Autobahn vergleichen. Dann kommt es an den Farbfiltern an, die das Licht eine bestimmte Farbe annehmen lassen. Nach dem passieren des 2. Polarisationsfilters wird das Licht wieder normal, jedoch ist es abgeschwächt. In Kombination mit den unterschiedlichen farbigen Lichtern die von anderen Zellen ausgestrahlt werden entsteht ein Bild das unser Auge trifft. Nun zu den einzelnen Bestandteilen dieser Zelle einige Erläuterungen.

Der Flüssigkristall ist eine Substanz, die in dem Zustand ist, dass sie zum einem (zäh)flüssig ist, zum anderen Eigenschaften von Kristall besitzen. Die Flüssigkristalle haben stäbchenförmige Moleküle, die unter gesonderten Bedingungen eine besondere Ausrichtung annehmen können. Meist treten sie als bestimmter Aggregatzustand, beim erhitzen bestimmter Substanzen, auf. Das heißt der Flüssigkristall ist eine Form einer Substanz, wie Eis eine Form von Wasser ist, dementsprechend ändert die Substanz auch ihre Eigenschaften wie es Wasser zum Beispiel beim gefrieren macht. Jedoch werden für LCD meist Flüssigkristalle benutzt, die dadurch entstehen, dass man Substanzen die sich in Öl und Wasser lösen lassen in ein Lösungsmittel gibt. Bei einer bestimmten Konzentration des ersteren entstehen dann auch Flüssigkristalle. Zudem gibt es unterschiedliche Phasen, die diese Flüssigkristalle einnehmen können, die einfachste ist die "nematische Phase" welche am häufigsten unaxial auftritt, was bedeutet dass nur polarisiertes Licht es durchdringen kann. Die Anordnung dieser Moleküle kann man sich wie das Städtebild von New York vorstellen. Das besondere an dieser Phase ist, dass die Moleküle sich durch ein elektrisches Feld in ihrer Anordnung beeinflussen lassen. Was bedeutet mit Hilfe des elektrischen Feldes kann man die Anordnung der Moleküle insoweit verändern, dass sie eine Spiralform einnehmen oder sich in eine gewünschte Richtung neigen, wie feine Eisenspäne.

Nun zu der Elektrodenschicht, diese ist durchsichtig und besteht aus einem Halbleiter zum Beispiel Indiumzinnoxid (90% Indium(III)-Oxid, 10% Zinn(IV)-Oxid ) welcher bei 200 Nanometern eine hohe transparentz hat. Zum Vergleich 10000 Nanometer entsprechen circa der dicke von handelsüblicher Aluminiumfolie. Mit dem Mangnetfeld, das man damit erzeugen kann, kann man die Anordnung der Kristalle verändern, zum Beispiel so, dass eine Anordnung entsteht die aussieht wie ein DNA-Strang oder noch stärker wie eine Schraube. Die Anordnungen beeinflußen die Drehung beziehungsweise den Winkel des Lichtes. Die Flüssigkristalle wirken gewissermaßen wie eine Carrera-Autobahn, die die Fahrtrichtung des Spielzeugautos beeinflusst. Diese Anordnung kann mit dem Magnetfeld beliebig verändert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin noch eine Schicht Chemikalien aufzutragen, die angeraut wird mit einem samtartigen Material, sodass die Flüssigkristalle eine bestimmte Formation in Bezug auf diese Anrauung nehmen.

Die Farbfilter sind wichtig für die erzeugte Farbe, jenachdem wie das Licht gelenkt wird erzeugen diese Filter eine beliebige Farbe. Sie bestehen meist aus den Farben Rot, Grün und Blau den sogenannten RGB Farben, mit diesen Farben ist es möglich jede andere Farbe zu erschaffen. Bei weißem Licht werden alle drei gleichzeitig benutzt wie in der Abbildung gezeigt, bei schwarzem wird einfach die Anordnung der Moleküle verändert, sodass kaum Licht hindurch kommt. Möchte man nur eine der drei Farben haben, lässt man die Kristalle sich so anordnen, dass zum Beispiel nur die rote Zelle Licht durchlässt, durch die enorme Winzigkeit der Zellen fällt es nicht auf, wenn die anderen nicht leuchten.

Der Aufbau der Zelle ist so konstruiert, dass es wie ein Lichtventil wirkt. So kann nicht nur bestimmt werden, welche Farben angezeigt werden, sondern auch wie stark die Helligkeit sein soll. Die Glasplatte dient der Stabilität, der Isolierung und Haltbarkeit. Natürlich wird kein normales Glas benutzt, sondern eine Mischung aus verschiedenen Glassorten, um die optimalen Eigenschaften für die Anwendung zu erhalten. Ein anderer wichtiger Bestandteil sind die Polarisationsfilter, während der erste dafür gedacht ist das Licht zu polarisieren, ist die Hauptaufgabe des zweiten, wenn es in einem bestimmten Winkel zum ersten eingerichtet ist, dass das Licht in diesem Winkel einfallen muss, sollte es die Zelle verlassen wollen. Auch diese Aufgabe übernehmen die mit den Elektroden gesteuerten Flüssigkristalle in der Zelle.

Was die Hintergrundbeleuchtung angeht, ist an diese eine große Anforderung gestellt, weil das Licht weiß sein, gleichmäßig und wirksam die ganze Fläche beleuchten muss, zudem darf es nicht flackern. Bisher sind es noch Kaltkathodenröhren mit UVblocker im Glas, die die Zelle beleuchten , aber LEDs werden ihren Platz in naher Zukunft einnehmen.

Die Vorteile dieser Zelle sind klar, denn es wird weniger Strom gebraucht, auch reagieren die Flüssigkristalle schon bei geringer Stromzufuhr schnell. Die Einbautiefe hat sich soweit verringert, dass die LCD zusammen mit dem Fernsehgehäuse, durch diese Technologie, so gut wie keinen Platz mehr verbauchen. Ein anderes Plus ist die Strahlungsarmut der LCDs und die Abgabe geringfügiger Magnetfelder. Die Qualität des Bildes das mit LCD´s erreicht wird ist sehr hochauflösend, da diese Zellen enorm klein sind. Daher beträgt ihre Anzahl schnell um die 2 Millionen.

Bildquelle: Vogels

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